全 文 ：河流两侧坡面非对称采伐森林对流域暴雨2径流过程的影响 3
陈军锋　裴铁王番 3 3 　陶向新　刘四旦　牛丽华　
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
【摘要】　通过模拟实验比较了河流两侧坡面采伐与非采伐森林对流域暴雨径流的影响 ,并建立了模型. 结果表
明 ,森林坡面地表径流的出流时间和峰现时间均比采伐坡面迟缓 ,径流历时延长 ,峰值流量和地表径流总量较
低.坡度越大 ,影响越显著. 当雨强 1. 98mm·min - 1 ,降雨量 108. 8mm 时 ,15°两侧森林坡面比其采伐坡面峰值流
量削减 5 % ,径流总量降低 4 %.
关键词 　非对称采伐 　对称采伐 　混合模型 　暴雨2径流过程
Effect of unsymmetrical cutting along both river slopes on rainstorm2runoff process. CHEN J unfeng , PEI Tiefan ,
TAO Xiangxin ,L IU Sidan and N IU Lihua ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110015) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (2) :210～214.
A simulation experiment was conducted to compare the effect of cutting and no2cutting at both slopes along a river on
the rainstorm run2off in catchment ,and a model was constructed. The results showed that the appearance of outflow
and peak flow of surface run2off was later on forest slope than on forest2cutting slope. On forest slope ,the duration was
prolonged ,and the peak flow and surface runoff were lower. These effects were more obvious as the slope gradient was
bigger. When rain intensity was 1. 98mm·min - 1 and rainfall was 108. 8mm ,the peak flow and the total runoff on both
forested slopes of gradient 15°was 5 % and 4 % less than that on the cutting slopes ,respectively.
Key words 　Unsymmetrical cutting , Symmetrical cutting , Mixed model , Rainstorm2runoff process.
　　3 中国科学院资源与生态环境研究重点项目 ( KZ9522S12277) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 07 - 16 收稿 ,1999 - 10 - 26 接受.
1 　引 　　言
从维持生态平衡的角度考虑 ,森林的水文作用是
不可忽视的 ,它能够在一定程度上调节和延缓洪水、削
减洪峰、减小洪水的频度和峰度 ,从而减轻洪灾 ;反之 ,
采伐森林则会使洪峰频率增加、洪峰流量增大 ,易导致
洪涝灾害的发生[6 ] . 因而森林宜保不宜伐. 但森林作
为一种重要的资源 ,它可为人类提供木材、林产品和能
源 ,合理地开发利用将为人类带来巨大的经济和社会
效益. 特别是在一些原始林区 ,适合采伐的成过熟林占
相当的比例 ,林木生长量大为减退 ,有的自然枯损率几
乎与自然生长率相等[4 ] ,因此 ,这些地区的森林资源
更应及时开发利用. 森林经营措施对洪水的影响很大 ,
采取什么样的采伐方式非常关键[3 ] . 1998 年夏季 ,长
江流域以及松花江、嫩江流域发生了严重的洪涝灾害 ,
主要的原因之一是人类活动所造成的以森林植被锐减
和水土流失为主的生态破坏 ,导致了森林生态系统的
水文、气象功能低下. 那么 ,怎样才能做到既能有效利
用森林资源造福人类 ,又能避免不合理采伐所造成的
危害呢 ? 针对这一问题 ,本文提出河流两侧坡面非对
称采伐的方式 ,即对干流两侧坡面对称位置的森林采
取不同的处理方式 ,一侧保留原有的森林覆盖状态 ,另
一侧进行皆伐. 通过室内模拟的方法 ,在理论上探讨这
种采伐方式对流域暴雨2径流过程的影响.
2 　实验设计与方法
模拟实验工作是在中国科学院长白山站森林水文模拟实
验室[7 ]中进行的. 以长白山北坡阔叶红松林植被及林地土壤类
型为背景 ,首先进行土壤模拟 [2 ] ,然后再在此基础上分别进行
有林侧坡面模拟和采伐侧坡面模拟. 土壤模拟是在实验室内的
模型槽里进行的 ,模型槽长 5. 0m ,宽 2. 8m ,深 1m. 根据林地土
壤剖面类型 ,将土壤分 3 次装入槽内 ,底层为黄土 ,中间为白浆
土 ,上层为黑土 ,各层约为 0. 33m 厚. 制土时 ,按野外自然状态
下的土壤容重进行 ,尽量和实际情况接近 (相对误差小于 5 %) ,
根系随机布设在土壤中. 制土完毕 ,上面铺一层半分解的枯枝
落叶 ,其上再铺一层未分解的枯枝落叶. 有林侧坡面除了土壤
模拟还要进行植被模拟 ,按阔叶红松林疏密度和郁闭度 ,选择 4
棵有代表性的树 ,2 棵柞树 ,2 棵红松 (表 1) ,带根系移栽到室内
的模型槽里 ,使树干与水平地面垂直 ,保持其正常生长 ,模拟后
下垫面郁闭度为 0. 67. 采伐侧坡面模拟是在有林侧坡面的基础
上 ,把模型槽内的树紧贴地面伐去 ,其它条件保持不变.
应 用 生 态 学 报 　2000 年 4 月 　第 11 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2000 ,11 (2)∶210～214
表 1 　树木特征
Table 1 Trees’characters
项目
Item
柞树
Oak
tree 1
柞树
Oak
tree 2
红松
Korean
pine 1
红松
Korean
pine 2
树高 Tree height (m) 3. 10 3. 85 4. 15 3. 90
树龄 Tree age (yr) 9 7 11 13
投影面积 Projective areas(m2) 3. 06 1. 43 1. 55 3. 30
叶面积指数 Leaf area index 2. 82 2. 43 3. 58 4. 12
　　实验模拟的河流两侧坡面是理想化的 ,假定其两侧坡度相
同 ,其他条件除了有林和采伐的区别外都是相同的. 为了增加
可比性 ,坡度设 10°和 15°两个. 土壤前期含水量 ,利用上层土壤
(约 33cm)饱和后吹风时间来控制在同一水平 ,平均土壤含水
量为 42. 5 % ,略低于田间持水量水平. 人工模拟降雨为常雨强
1. 98mm·min - 1 ,历时 60min ,降雨量为 108. 8mm ,达到野外暴
雨的水平. 因全部工作都在室内进行 ,降雨历时短 ,空气湿度
大 ,无风 ,因此可忽略蒸发损失 [1 ] .
　　实验过程中 ,采用 V 型槽测流仪测量流量 ,由微机采集并
输出流量数据. 计算机每 10s 采集一个流量数据 ,降雨 60min ,
退水时径流要延缓一段时间 ,故采样时间取 80min ,每场实验共
采集 480 个数据.
3 　建模与计算
311 　建立模型
由于本次实验下垫面模型可视为一矩形坡面 ,坡
面水流可用流体力学中的连续性方程来表示[9 ] ,对一
维坡面流 ,其连续性方程为 :5 H5 t = B - 5 F5 X (1)
式中 , H 为坡面水深 ; F 为地表径流 ; B 为雨强 ; X 为
一维空间变量 , t 为降雨时间.
在式 (1)中 ,水深 H 和径流 F 是两个函数 ,若想求
出其中任何一个 ,必须在这两者之间再找出一个关系
式. 含水量的空间不均匀性会产生径流 ,水会从多的地
方向少的地方运动 ,也就是径流与水梯度有关. 此外 ,
地面倾斜造成重力水 ( H - H0) 沿斜坡的重力分量也
会引起地表径流 ,因此可得到另一个一维方程[5 ] :
F = f [5 H5 X , ( H - H0) ×sin A ] (2)
式中 , H0 为地表枯枝落叶层的饱和持水量 ; A 为地面
倾角 ; f 为某种函数 ,可对5 H5 X和 ( H - H0) sin A 作泰勒
展开. 考虑到 f 应该是 sin A 的奇函数 ,故展开式中 ( H
- H0) sin A 的偶数项都应舍弃 ,而挑选 1、3、5 ⋯次项
中的某些奇数次项 ,选择的原则是看与实验数据是否
符合.
式 (1)为理论模型 ,式 (2)为经验模型 ,二者组合到
一起称作混合模型.
对于无林侧坡面 ,模型可直接由 (1)和 (2)组成 ,且
式 (1)中 , B 为常雨强 :1. 98mm·min - 1 . 但对有林侧坡
面 ,在树冠未达到最大截留量之前 , B 值是随着降雨
时间而变化的函数. 根据以往在实验室所做过的实
验[8 ] ,通过计算机作图并拟合出降雨过程中林冠截留
量随时间变化的经验关系式 ,得出所研究林分的截留
量时间关系式 ,即 :
I = 113516 t ( - 118027) (3)
R2 = 018890
式中 , I 为截留量 , t 为降雨时间. 因此 ,在模拟有林侧
坡面时 , B = 1 . 98 - I .
在编制程序的过程中 ,最后要求的是对称采伐和
非对称采伐的流量 F ( X) ,而上述模型仅仅是一个单
侧坡面的情况 ,因此需做以下处理 :
　　对称采伐 :单侧无林侧坡面模型 (1) 和 (2) 求出的
结果 F1 ( X) ,再乘以 2 ,即 : F对 ( X) = F1 ( X) ×2
　　非对称采伐 :单侧有林侧坡面模型 (1) 、(2) 和 (3)
求出的结果 F2 ( X) ,再加上 F1 ( X) ,即 : F非 ( X ) = F1
( X) + F2 ( X)
312 　计算方法
式 (2)的泰勒展开方程中 ,5 H5 X 的泰勒展开取 1 次
项 , ( H - H0) sin A 取 5 次项 ,得 :
F = - P 5 H5 X + K ( ( H - H0) sin A ) 5 (4)
其中 ,系数 P =
PP 　( H ≥H0)
　0 　 ( H < H0)
　　　　　K =
K K 　( H ≥H0)
　0 　 ( H < H0)
取 PP = 500 , K K = 100 (上机调试的结果) .
计算是通过计算机来进行的. 在编制程序之前还
须仔细定义 H ( X) 和 F( X) . 首先 t = 0 , H = 0 ,则 F =
0 ,再将下垫面模型长度 L 分成 N 段 ( X = 0 , 1 , 2 , ⋯,
N - 1) . H ( X) 代表其中第 X 段的水深 ; F ( X) 代表第
X - 1 段与第 X 段之间的径流量. F (0) 代表下垫面模
型高端端面的流量 ,因高端封闭 ,故令 F ( 0) = 0 . F
( N ) 是实验模型低端端面的径流 ,也是要求的物理量.
因为 X = N 的位置已经超出模型的低端 ,显然不再有
水深 ,为了恰当计算端面的水深梯度 ,令 H ( N ) = 0 ,
见图 1. 显然 ,影响 F ( X) 的水深梯度5 H5 X 用有限差分
的方法写成差商的形式应该是 :
D ( X) = [ H ( X) - H ( X - 1) ]/ GG
式中 , GG = L / N ,即ΔX . 影响 F( X) 的倾斜重力分
量应该写成为 K{ [ H ( X - 1) - H0 ]sin A } 5 ,于是方程
(3)可写为 :
1122 期 　　　　　　　　　　　陈军峰等 :河流两侧坡面非对称采伐森林对流域暴雨2径流过程的影响 　　　　　　　　　
图 1 　H ( X) 和 F( X) 的关系
Fig. 1 Relationship of H(X) and F(X) .
图 2 　坡面两侧非对称采伐流量过程线叠加图
Fig. 2 Composed hydrograph of unsymmetrical cutting on both river slopes.
Ⅰ. 叠加 Overlap , Ⅱ. 迹地 Cvtting block , Ⅲ. 林地 Forest land.
　　 F( X) = - PD( X) + K{ [ H( X - 1) - H0 ]sin A } 5
反过来 ,决定含水量变化率5H5t 的流量梯度5F5X写成差
商形式应该是 :
C ( X) = [ F( X + 1) - F( X) ]/ GG
于是 ,方程 (1)式写成 :
H ( X t +1) = H ( X t) + S [ B - C ( X) ]
式中 , S 是时间步长 ,左边的 H ( X t + 1 ) 表示下一时刻
的水深.
4 　模型模拟
根据实验数据 ,作出了 10°坡面非对称采伐叠加
示意图 (图 2) ,15°坡面与之类似 ,只是坡度不同而已.
对称采伐坡面径流是两个相同坡度单侧坡面径流的叠
加. 然后作出叠加以后的 10°“V”型理想化森林流域对
称采伐与非对称采伐实验对比图 (图 3a) 和 15°对称采
伐与非对称采伐实验对比图 (图 3b) .
　　基于上述模型的分析与计算 ,通过编程序 ,得到
10°“V”型理想化森林流域对称采伐与非对称采伐模
拟对比图 (图4) 和15°对称采伐与非对称采伐模拟对
图 3 　10°和 15°坡面对称采伐与非对称采伐实验流量过程线
Fig. 3 Experiment hydrograph of symmetrical and unsymmetrical cuttings on 10°and 15°slopes.
Ⅰ. 对称采伐 Symmetrical cutting , Ⅱ. 非对称采伐 Unsymmetrical cutting.
比图 (图 5) ,然后将实验与模拟的比较结果分项列表
(表 2) .
　　从模拟图和实验图的对比来看 ,结果还是令人满
意的. 在出流时间时滞、峰现时间、峰值流量、退水时间
和径流总量方面都符合或基本符合实验结果 ,只是模
拟的峰值流量比实际的要大 ,这是由于流量叠加后误
差的计算也随之叠加 ,因此 ,实际误差应为 8 %左右 ;
另外 ,实验过程中可能有一部分水损耗在设备中.
从以上分析还可看出 ,流域的坡度越大 ,径流达到
峰值流量时间越短 ,峰值流量值越大 ,非对称采伐比对
称采伐对峰值流量的削减率也越大. 这是因为在坡度
较小的情况下 ,雨水到达地面形成径流时 ,向下的重力
分量小 ,流动慢 ,入渗相对就多 ,坡度越大时则相反. 因
此 ,在坡度越大的流域 ,采取非对称采伐的方式 ,效果
会更明显.
5 　讨 　　论
变雨强参数的模型. 因为实际的降雨过程是随时
间变化的 ,在以后的研究中应使本模型适用于变雨强
的情形.
212 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
图 4 　10°坡面对称和非对称采伐模拟流量过程线
Fig. 4 Simulation hydrograph of symmetrical and unsymmetrical cuttings on 10°slope.
图 5 　15°坡面对称和非对称采伐模拟流量过程线
Fig. 5 Simulation hydrograph of symmetrical and unsymmetrical cuttings on 15°slope.
表 2 　不同坡度不同采伐方式地表径流实验与模拟结果对比
Table 2 Comparison of experimental and simulation results of surface runoff under different slopes and cutting ways
项目 Item
坡　　度 Slopes
10°
对称采伐
Symmetrical cutting
非对称采伐
Unsymmetrical cutting
15°
对称采伐
Symmetrical cutting
非对称采伐
Unsymmetrical cutting
出流时滞时间 实验值 Experimental value 180 220 170 200
Time of outflow (s) 模拟值 Simulation value 170 210 160 190
误差 Error ( %) 0. 06 0. 05 0. 06 0. 05
峰现时间 Time of 实验值 Experimental value 450 570 380 480
reaching peak2flow (s) 模拟值 Simulation value 470 580 360 460
误差 Error ( %) 0. 04 0. 02 0. 06 0. 04
峰值流量 Peak2flow 实验值 Experimental value 2. 7798 2. 7224 2. 8678 2. 7434
(m3. h - 1) 模拟值 Simulation value 3. 2758 3. 2758 3. 2130 3. 2130
误差 Error ( %) 0. 15 0. 17 0. 11 0. 15
地表径流总量 实验值 Experimental value 2. 7336 2. 6913 2. 9520 2. 8390
Total surface flow (m3) 模拟值 Simulation value 3. 3258 3. 2758 3. 3300 3. 2130
误差 Error ( %) 0. 19 0. 18 0. 11 0. 12
地表径流历时 实验值 Experimental value 4080 4385 3930 4060
Duration of surface flow (s) 模拟值 Simulation value
　　采伐对照问题. 实际皆伐坡面并不如实验中的理
想 ,土壤物理性质会由于森林采伐作业而遭破坏 ;采伐
后枯枝落叶不再积累 ;而且据研究 ,有林地土壤含水量
一般比皆伐迹地低 10 %～20 %[10 ] . 在实验条件允许
时 ,应把这些因素都考虑进去再建立模型.
其它形式的非对称采伐问题. 实际非对称采伐可
以有多种不同组合 ,如一侧河岸上坡采而下坡保留 ,而
相应的另一侧河岸则下坡采上坡保留的形式 ;在面积
较大的流域 ,可以采用在一侧河岸进行带状采伐 ,采留
相间 ,而另一侧则与之对称留采相间的形式.
由小尺度转换为大尺度的问题. 实验室下垫面模
型只有 14m2 ,然而野外河道两侧坡面要大得多 ,且未
必都是对称的 ,坡度也不一样 ,因此要模拟一个完整的
实际森林流域非常复杂 ,如何以非对称采伐为基础去
3122 期 　　　　　　　　　　　陈军峰等 :河流两侧坡面非对称采伐森林对流域暴雨2径流过程的影响 　　　　　　　　　
模拟野外较大的实际流域还要深入探索其由小尺度转
换为大中尺度的问题. 此外 ,在实验室中只模拟了地表
径流汇入河道里产生的径流过程 ,而野外流域中除地
表径流外 ,还有土壤水汇流和地下水汇流进入河道共
同形成的流量过程 ,有待进一步深入研究.
6 　结 　　论
611 　对于单侧坡面 ,当雨强为 1. 98mm·min - 1 ,前期
土壤含水量为 42. 5 %时 ,10°和 15°有林坡面地表径流
的出流时间和峰现时间均比无林坡面迟缓 ,峰值流量
和径流总量较低 ,径流历时较长.
612 　通过在计算机上模拟“V”型理想化森林流域得
出 ,10°“V”型理想化森林流域非对称采伐比对称采伐
出流时间延长 18. 2 % ,峰现时间延长 21. 0 % ,峰值流
量降低 2. 1 % ,径流历时延长 8. 8 % ,径流总量降低
1. 6 % ;15°“V”型理想化森林流域非对称采伐比对称
采伐出流时间延长 15. 0 % ,峰现时间延长 20. 8 % ,峰
值流量降低 4. 5 % ,径流历时延长 3. 2 % ,径流总量降
低 4. 0 %.
613 　本文所建立的模型能模拟出不同坡度、不同雨强
等条件下的对称采伐和非对称采伐的径流过程 ,具有
一定的实用性.
614 　“V”型理想化森林流域 ,在河道两侧坡面非对称 采伐的状况下 ,坡度越大 ,削减洪峰流量越明显.参考文献1 　Bosch J M and Hewlett JD. 1982. A review of catchment experimentsto determine the effect of vegetation changes on water yield and evapo2transpiration. J Hydrol ,55 :3～232 　Fan S2X(范世香) et al . 1992. The report of simulation experiment ofeffects of forest on surface runoff . Research of Forest ry Ecosystem ,6 :248～251 (in Chinese)3 　Hewlett JD. 1984. Forest , floods , and erosion : a watershed experi2ment in the southeastern Piedmont . For Sci ,30 (2) :424～4344 　Ja S2X (贾守信) et al . 1984. Studies on the influence of felling onproperties of soils under primitive forests on north slope of the Chang2bai mountains. Acta Pedol S in (土壤学报) ,21 (4) :426～433 (in Chi2nese)5 　Liu J2G(刘家岗) et al . 1990. One - dimensional model of delayed sur2face runoff in litter layers of broad2leaved Korean pine forest . Chin JA ppl Ecol (应用生态学报) ,1 (2) :107～113 (in Chinese)6 　Ma X2H(马雪华) . 1993. Forest Hydrology , Beijing : Chinese ForestryHouse. 244～251 (in Chinese)7 　Pei Ti2F (裴铁王番) et al . 1988. An Experimental System of ForestHydrology Modelling Laboratory ( FHML) . The Temperate Forest E2cosystem , ITE Symposium No. 20 ,178～1868 　Pei T2F(裴铁王番) et al . 1993. Simulation experiment analysis on rain2fall distribution process in forest canopy. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,4 (3) :250～255 (in Chinese)9 　Rui X2F(芮孝芳) . 1991. Runoff Forming Theory. Nanjing : Hehai U2niversity Press. 99～103 (in Chinese)10 　Sun T2H(孙铁珩) , Pei T2F (裴铁王番) and Zhang J2H (张吉娜) .1996. The cause analysis of flood damage and controlling strategies.Disaster Reduction in China ,6 (3) :35～38 (in Chinese)作者简介 　陈军锋 ,女 ,1973 年 4 月生 ,中国科学院地理研究所博士生 ,从事土地利用和土地覆被变化研究.
1998 年度《应用生态学报》被引频次和影响因子位次
　　　　　据中国科学引文数据库1998年数据统计 (582种期刊) ,在500名
　　　被引频次和影响因子最高的期刊中 ,《应用生态学报》(1990年创刊) 分
　　　别名列第100位 (228次) 和第97位 (0 . 2685) ;另据“中国科技期刊引
　　　证报告”1998年度统计数据 (1286种期刊) ,本刊在生态环境学科类期
　　　刊中 ,被引频次排序名列第9位 ( 256次) ,影响因子排序名列第5位
　　　(0. 302) .
《应用生态学报》编辑部
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