黄明斌 康绍忠 李玉山

（中国科学院、水利部水土保持研究所 陕西 杨陵 712100）

提　要　分析了黄土高原沟壑区森林小流域和自然草地小流域的水文效应，并利用实测资料和模型计算结果比较了两流域的水循环特点，结果发现在郁闭度相同的情况下，森林小流域较自然草地小流域有较小的径流量、较大的蒸散量和较低的 3m 土层平均含水量，也就是说森林的覆盖增强了水分小循环，削弱了水文大循环，并导致土壤含水量降低。同时也发现森林的上述水文效应仅当其郁闭度达到一定程度时才能表现出来。通过比较两类生态系统植物生长的土壤水分环境条件和水分利用率，认为黄土高原沟壑区在大力发展林业时应以沟谷为主。

关键词　水文行为 小流域 黄土高原

分　类　中图法 S715

　　森林作为流域下垫面条件的一个重要因素，对水循环产生多方面的影响。森林的水文研究已取得了众多的进展，但是也存在不少问题。例如，黄土高原森林的水文效应就是一个颇有争议的话题^[1～5]，其中林冠截留、森林对水质的净化作用，争论各方的见解是一致的，但是有关森林对降雨和流域径流的影响，各方观点很不一致，且均建立在试验观测资料的基础之上。争论的焦点在于：一方认为森林不会增加区域降雨量，另一方认为森林可增加降雨；一方认为森林可增加降雨入渗，减少地表径流，增大地下径流，而另一方认为森林可增加降雨入渗，减少地表径流，但不会增大地下径流。我们根据研究工作的需要，借助随机水文学方法和水量转化、水量平衡原理，研究了森林小流域的水量转化关系，分析了森林在增加降雨入渗、减少地表径流中的作用，讨论森林覆盖及其郁闭度的变化对小流域水分环境的影响，并与荒坡草地小流域进行对比分析。

1 小流域的自然概况

　　森林小流域和荒坡草地小流域是甘肃省西峰市境内南小河沟流域的两条支沟，集水区面积分别为 0.87km² 和 1.15km²，集水区长度分别为 1.5km 和 1.6km，沟道比降分别为 8.46% 和 8.93%。流域地貌分 3 种类型：塬面、梁峁坡和沟谷。塬面地形平坦，坡度在 5°以下；梁峁坡为连接塬面的缓坡带，坡度一般在 10～20°之间；梁峁坡以下为沟谷，其形状呈“V”字形，坡度一般在 25°以上。流域年平均气温 9.3℃，陆地Φ20 型蒸发皿观测多年平均蒸发量为 1 503.5mm，年平均降雨量为 556.5mm，其中 6～9 月降雨量占全年降雨量的 67.3%。黄土是两流域主要覆盖性土壤，粘土含量甚微，土质松软。植被盖度均在 60% 以上，其中人工林已生长了 40 余年。

2 研究方法和模型介绍

　　影响小流域水量转化的因素是多方面的，概括起来可分为：气候变化，例如温度和降水的改变；工程措施，例如修水平梯田、淤地坝和涝池等；生态措施，例如农林草业调整、中低产田改造和生产力水平提高等。但是本文讨论的主要是林地和草地小流域的水文效应，不涉及气候因素，包括降雨的年际变化。然而，降雨是水量转化的主要输入项，是推动系统循环的源动力，如何正确处理降雨事件，一方面决定了研究结果的准确性；另一方面也决定了研究工作的繁易程度和结论的合理性。为此，在技术处理上，我们分两步进行。首先利用 GIS 将小流域网格化，分为不同的水文—生态子单元，考虑等高线和坡形等要素；然后利用概率统计理论建立降雨事件各特征参数的概率分布函数，这些特征参数可以反映特定区域的降雨事件。在此基础上再利用水量转化、水分平衡原理，分别建立各子单元的蒸散速率、入渗速率和产流速率等要素的概率分布函数和数学模型，并引入一些反映土壤、植被性质的特征参数。忽略各子单元间的水量交换，子单元内下垫面条件视为均匀，而整个小流域水量转化关系经各子单元复合而成，这种方法得出的小流域或者子单元水量转化的定量关系可反映特定地区一定下垫面条件的一般特征。

2.1 降雨特征参数的概率分布密度函数

　　反映黄土高原沟壑区降雨特征的四参数——降雨历时 (t_r)、降雨强度 (i)、降雨时间间隔 (t_b) 和一次降雨深 (h) 的概率分布密度函数如表 1 所示。在统计过程中，考虑该区年内降雨分布特点，将全年分为 16 个降雨时段，其中 11～3 月为一时段，4、5 月各为一时段，6～9 月各旬为一时段，10 月为一时段。统计结果与 1951～1996 年的实测平均值相比，各时段平均误差为 2.6mm，这说明该处理方法可行。

表 1　四参数的概率分布密度函数
Table1 The probability density functions of four independent climatic variables

2.2 黄土高原沟壑区小流域水量转化的特点

　　由于黄土高原沟壑区独特的地貌形态，小流域水量转化表现出如下特点：①河川径流对地下水无侧向补给，地下水的唯一补给来源只能是大气降雨的垂直渗入；②地下水不直接参与土壤水分的垂直循环；③土壤水分在长期循环过程中，在垂直剖面形成了地表活动层和土壤含水量相对稳定层两个层次；④降雨、产流有明显的季节性；⑤地形复杂，下垫面空间变异性大，小气候条件对水量转化的影响较大。

2.3 水文—生态子单元水量转化的模型结构

　　小流域内任一子单元瞬态水量转化关系和概化后的水量转化关系如图 1 所示，图中各符号的意义如下：i(t) 是降雨强度，E[h_j]是一次降雨深的数学期望；e_t(t) 是总蒸散速率，E[E_tj]是总蒸散量的数学期望；e_s(t) 是棵间土壤蒸发速率，E[E_sj]是蒸发量的数学期望；e_v(t) 是植物蒸腾速率，E[E_vj]是蒸腾量的数学期望；v(t) 是植被截流、地表蓄水速率，E[E_rj]是截流量和蓄水量的数学期望；r_s(t) 是地表产流速率，E[R_sj]是子单元产流量的数学期望；r_g(t) 是指径流量中的部分雨量由裂隙对地下水的补给速率，E[R_gj]是补给量的数学期望；r_sv(t) 是地表径流对河川径流的补给速率，E[R_svj]是一次降雨地表径流的总补给量的数学期望；f_i(t) 是土壤入渗速率，E[F_ij]是一次降雨入渗量的数学期望；u(t) 是活动层向相对稳定层的入渗补给速率，ω(t) 是稳定层土壤水分在水势梯度的作用下克服重力向活动层的补给速率，二者之和的数学期望近似为零；r_gv(t) 是地下径流速率（泉水涌流），E 是[R_gvj]地下径流量的数学期望；θ₀(t) 是活动层土壤初始含水量，θ_g(t) 是相对稳定层的土壤含水量。

图 1 任一时段 j 次降雨事件子单元水量转化的瞬态（a）和概化（b）模型
Fig.1 Instantaneous water amount transformation(a) and statistical dynamic(b) model during a rainy event

　　因篇幅所限，以上各式的数学推导和计算方法略，详细材料见黄明斌博士毕业论文^①。对任一时段而言，以上各式分别乘以各时段的降雨频数则变为时段水量转化关系；而各时段相加，则成为全年水量转化模型。在进行全年水量平衡运算时，各时段初的土壤含水量将根据水量转化关系逐时段确定，并且满足第一时段初的土壤平均含水量等于最后时段末的土壤平均含水量。这样活动层多年平均水量平衡方程：

P_A=R_SA+E_TA＋ΔS_SA+U_TA+W_TA　(1)

的数学期望

E[P_A]=E[R_SA]+E[E_TA]　(2)

式中，P_A 是年总降雨量；R_SA 是年总径流量；E_TA 是年总蒸散量；ΔS_SA 是年总土壤水分改变量；U_TA＋W_TA 是活动层与相对稳定层之间的年总水分交换量；E 代表数学期望值，而且有 E[ΔS_SA]=0，E[U_TA]＋E[W_TA]=0。

3 结果与讨论

3.1 不同地形部位水文—生态子单元水分小循环特点

　　地形不仅影响降雨量和土壤入渗速率，而且改变小气候，如地表温度、日照时数、风速等因素。小气候的变化将导致土壤蒸发速率和植物蒸腾速率的改变，上述因素的累加将影响单元水分循环。在研究不同部位子单元水分小循环的特点时，我们考虑了地形对土壤入渗速率的影响和对潜在蒸发速率的影响两个主要因素，忽略了不同部位间降雨再分布的差异。不同部位林、草子单元水分小循环各组分的定量关系分别如表 2 所示。

表 2　地形对林草子单元水分小循环的影响（年最大郁闭度 60%）
Table2 The influence of topography on water vertical circulation for ecological units of forest and grassland（annual maximum cover degree 60%）

　　由表可见，不同部位两种生态子单元水分小循环的特点主要表现在如下 3 方面：①从塬面到沟谷，土壤入渗速率逐渐减小，单位面积的径流量逐渐增大；②从塬面到沟谷，子单元水分小循环强度逐渐减弱。表现在系统中的总蒸散量逐渐减小，其中植物蒸腾量是减小的，但土壤蒸发量随着土壤含水量的增大而略有增加；③从塬面到沟谷，土壤水分环境条件不断改善，表现为活动层年平均含水量逐渐增大。比较两类生态系统，我们可发现自然草地子单元水分小循环强度弱于林地，活动层年平均含水量高于林地。因此从土壤水分环境的角度，我们认为黄土高原沟壑区沟谷是宜林带，梁峁坡和塬面不适宜发展片林。

3.2 小流域水文效应

　　西峰水保站的科技人员为研究森林的蓄水保土效益，在南小河沟流域的两个支沟：人工造林多年平均最大郁闭度达 80% 的杨家沟和自然牧草生长的董庄沟进行了多年的对比观测。观测项目主要有小流域的径流量、降雨量、陆地蒸发量和部分径流场的土壤含水量。观测年限，董庄沟为 1954～1974 年，杨家沟为 1954～1996 年。两站年径流系数随时间的变化过程如图 2 所示。由图可见，荒草小流域的董庄沟年径流系数明显大于森林小流域的杨家沟。它们多年平均径流系数分别为 2.02% 和 1.02%，这说明森林的蓄水效益明显。

　　不同植被及不同郁闭度的杨家沟小流域和不同郁闭度的董庄沟小流域水均衡要素的变化如表 3 所示。由表可见，单就森林覆盖的杨家沟小流域而言，随着林冠郁闭度的增大，单位面积的径流量是逐渐减小的。当年最大郁闭度为 40% 时，单位面积的年径流量为 13.7mm，径流系数为 2.42%；当年最大郁闭度为 60% 时，单位面积的年径流量为 6.6mm，径流系数为 1.17%；当年最大郁闭度为 80% 时，单位面积的年径流量减小到 3.2mm，径流系数减小为 0.57%。另外，随着林冠郁闭度的增大，小流域单位面积的总蒸散量、植物蒸腾量、林冠截流和地表持水量、棵间土壤蒸发量都发生了相应变化，其中植物蒸腾量、林冠截流和地表持水量是随郁闭度的增大而增大的，但是有限的供水限制了植物蒸腾速率的变化幅度；相应植物生长的土壤水分环境趋于干燥化，例如当年最大郁闭度由 40% 增大到 80% 时，全流域活动层年平均含水量由 0.207cm³/cm³ 降低到 0.181cm³/cm³。这说明在一定的气候区、一定的降雨量条件、一定的植被生态系统有其固有的植物生长规律和最佳的郁闭度，在无人类活动的干预下，生态系统可通过生态适应性来实现自我调节。例如，植被郁闭度过大，有限的供水满足不了植物蒸腾耗水的需要，土壤水库可暂时弥补部分亏缺，但时间一长，土壤逐渐干燥，水分供应不上，植物正常生长受阻，叶面积降低，减小蒸腾耗水以维持系统有限的水分平衡。

表 3　杨家沟森林小流域和董庄沟荒坡草地小流域水均衡要素随郁闭度的变化
Table3 The changes of water balance elements with cover degree for Yangjiagou and Dongzhuanggou watersheds

　　如单就自然草地小流域董庄沟而言，随着牧草郁闭度的增加，小流域单位面积的径流量是减小的，牧草蒸腾量有一定程度的增大，棵间土壤蒸发量减少，草冠截流和地表持水增大，活动层土壤年平均含水量也略有降低。总之，董庄沟小流域水量平衡各要素的变化趋势与森林小流域是一致的，只是程度有所减弱。

　　如将森林小流域与自然牧草覆盖的小流域进行对比分析，我们可发现如下颇有意义的结论：单就两种植被的蓄水效益而言，当郁闭度相同时，无疑森林的蓄水效益要优于自然牧草，因为森林小流域单位面积的径流量远小于荒草小流域。如对郁闭度进行交叉分析时，我们会发现森林郁闭度小时，其蓄水效益不如郁闭度较大的自然牧草。例如，40% 森林郁闭度的蓄水效益小于 60% 郁闭度的自然牧草，前者单位面积的年径流量为 13.7mm，后者为 12.3mm；60% 森林郁闭度的蓄水效益小于 80% 郁闭度的自然牧草，前者单位面积的年径流量为 6.6mm，后者为 6.0mm；而且流域土壤水分环境后者远优于前者，它们分别为 0.207cm³/cm³ 和 0.222cm³/cm³、0.192cm³/cm³ 和 0.216cm³/cm³。另外，流域年平均最大牧草郁闭度达到 60% 或者更高是比较容易的，例如董庄沟小流域多年平均最大郁闭度接近 60%。通过上述分析，我们认为黄土高原沟壑区大力发展林业应注意种植密度，在改善生态环境的初期阶段应是林草并重。

　　我们利用实测资料和模型计算结果比较了森林小流域和自然草地小流域及其子单元的水文行为，结果发现在郁闭度相同的情况下，森林小流域的径流量小于自然草地小流域，蒸散量大于自然草地小流域，活动层多年平均含水量低于自然草地小流域，也就是说森林的覆盖增强了水分小循环过程，削弱了水文大循环过程，同时导致水均衡要素的定量比例发生相应变化。另外，我们也同时发现森林的上述水文效应仅当其郁闭度达到一定程度时才能表现出来。通过比较两类生态系统植物生长的土壤水分环境条件和水分利用率，我们认为黄土高原沟壑区在大力发展林业时应以沟谷为主。

参考文献

1	李玉山．黄土区土壤水分循环及其对陆地水文循环的影响．生态学报，1983,3(2)：93～101
2	黄秉维．确切地估算森林的作用．地理知识，1981(1)：1～3
3	金栋梁．森林对水文要素的影响．人民长江，1989(1)：28～35
4	穆天民．也谈森林的水文作用（摘要）．地理知识，1982(1)：23～24
5	刘昌明，钟骏襄．黄土高原森林对年径流影响的初步分析．地理学报，1978，33(2)：112～127
6	薛根良．黄土地下水的补给与赋存形式探讨．水文地质与工程地质，1995(1)：38～39

第一作者简介

黄明斌，男，1968 年 2 月生，1998 年在中国科学院、水利部水土保持研究所获理学博士学位，副研究员。主要从事土壤水动力学、水分资源环境等方面的研究工作。正式发表论著 20 余篇（部）。

*	国家“九五”科技攻关（96－004－05－12）和中国科学院“西部之光”联合资助项目。
①	黄明斌。小流域综合治理的水分环境效应。中国科学院、水利部水土保持研究所，博士毕业论文，1998