全 文 ：第 7 卷 第 5 期
1 9 9 4 年 1 0 月
林 业 科 学 研 究
FO R E S T R E S E A R C H
V o l
.
7
,
N o
.
5
O e t
. ,
1 9 9 4
J七京西山灌木林小流域暴雨径流研究 ‘
杨立文 石 清峰 李昌哲 张理宏
摘要 利用北京西 山次生灌木林地上 6 个小流域的实测降雨径流数据 , 采用 IU H 法 , 分析影
响径流的主要因子 , 并对降雨径流进行预测 , 结果表明 : IU H 法在小流域上应用效果较好 , 对径流
过程的拟合较为一致 ;天然次生灌木林具有良好的水源涵养功能 , 在森林植被覆盖率超过 40 %时 ,
每增加 10 % , IU H 洪峰可降低 4 . 6 % , 洪峰滞时可延长 9 . 3 % 。
关键词 北京西 山 、灌木林 、小流域 、产流量 、汇流
研究森林与径流的关系 已有近百年的历史〔’」。如瑞士 、美 国 、 日本和前苏联等国 , 均在本世
纪初就设立了森林试验流域 , 研究了森林对径流的影响 。我 国在该方面虽起步较晚 , 但也有一
些典型仁’〕, 如四川米亚罗林区 、甘肃祁连山林区的研究 , 大都在雨量充沛的天然林或人工壮龄
林流域进行 , 由于多为典型的森林土壤 , 因此表现出良好的水文特性 。至于人工幼林 , 特别是半
干旱地 区通过封山恢复起来的灌木林试验的水文效益如何 ?尚未见到报道 。 本文利用 10 a 的观
测数据 , 分析探讨了北京西山 6个小流域在暴雨条件下径流量的变化以及灌木林的水文作用 。
1 试验 区概况
试区设在太行山的北部 -— 北京西山 , 中国林业科学研究院华北林业实验 中心内 , 1 1 6 “6’
E
,
39
0
42
‘
N
。 该地区属北温带亚湿润区气候 , 为典型的大陆型气候 。 年平均气温 1 1 . 8 ‘C , 年平
均 降水量 6 23 . 0 m m , 雨季 6一 9 月 , 降雨量占全年的 8 0 %以上 , 7 、 8 月为高峰期 , 降雨量占全年
的 6 0 . 4 % 。 土壤主要是在砂页岩坡积物上发育的山地粗骨褐土和 山地淋溶褐土 , 质地为壤土
或沙壤土 , 厚度为 15 ~ 1 20 。m 。 坡积母质厚度 。. 5 一 17 . s m , 平均 6 , o m 左右 。 山的坡度较陡 ,
多为 肠一 35 。 。 植被以天然次生灌木林为主 ,
主要有荆条 (V ite x n e g u n d o v a r . he t ero P勺lla
(F
r a n eh
.
)R e hd
.
)
、胡枝子 (L e sPe d e z a bic o l-
o r T u r e z )
、 三 裂 绣 线 菊 (SP ira e a t r ilo ba ta
L in d l)
、蚂炸腿子协巧夕r iPn o s d io ie a B u n g e ) 、
酸枣 (2 12护h u s sP in o s u s H u )等 。 还有少量油
松 ( p in u s ta bu laefo r m is e a r r
.
) 和 侧 柏
(P la ty c la d u s o r ie
, : ta lis (L
.
)Fr a n e o )人工幼
林 。 试区范 围 10 0 hm , , 共包括 6 个小流域
(见表 1 ) 。
表 1 各流域基本情况
、l
苦
l弓了1孟
r一bn
流域 面 积
( hm Z )
长 度 平均坡度 形状系数 植被覆盖
( % ) 率 ( % )
八,甲口U亡J’0J任八‘19凸6d‘‘场月呀匕h亡JU
:1
.
:
‘
::
0
.
4 5
0
.
3 3
0
.
9 5
0
.
8 3
0
.
4 4
0
.
4 1
8 5
7 8
50
4 5
90
9 0
19 9 4一 0 4一 1 1 收稿 。
杨立文助理研 究员 , 石清峰 , 李昌哲 , 张理宏 (中国林业科学研究院林业研究所 北京 10 。。91 ) 。
* 本研 究为“八 五”国家科技攻关 “太行山生态林业 一工程生态效益研究”的一部分 , 曾得到北京市水文总站葛大经先生的
指导 , 谨致谢意 。
5 期 杨立文等 :北京西山灌木林小流域暴雨径流研究
2 观测方法
(1) 在试区范围内设 4 处降雨观测点 , 均为自记雨量计 , 取平均值作为试区雨量 。
(2 )在各小流域出口设薄壁三角堰 , 安装自记水位计观测径流量及径流过程 。
(3 )设气象站一座 , 观测气温 、蒸发 、湿度 、 日照等其它气象因子 。
(的设固定样方 12 个 , 每年调查一次植被变化情况 。
3 结果及分析
3. 1 流域产流
本试区土壤层较薄 , 多为 60 。m 左右 , 孔隙量较大 , 下渗能力较强 , 据测定 , 试区几种主要
植被类型的 土壤容重 、总孔 隙度和渗透能力 O~ 25 c m 土层分别为 : 。. 92 ~ 1 . 21 、 53 . 9 % ~
6 2
.
2 %和 2 . 9 ~ 1 4 . 7 m m / m in ; 2 5 ~ 6 0 e m 土层分别为 : 1 . 1 5 ~ 1 . 4 7 、 4 3 . 5 % ~ 5 7 . 4 %和 0 . 9 ~
5
.
9 m m / m in
。 由于土层薄 , 渗透能力强 , 与母质层的透水能力形成了较大差异 , 因此具备了饱
和地面流和壤中流的产流机制 。 实测径流结果也说明了这一点 (表 2 ) 。
表 2 1 号小流域降雨 、径流实测
时 间 产流次雨量 前 巧 d 降雨量 前期影响雨量 地表径流量
(年一 月一日 ) (m m ) (m m ) (m m ) (m m )
,自‘任n石月了匕J内bdd.
.⋯一bl匕O口3QJnjt了介月任一b几O,1月,目一11.119 8 5一0 8一2 5 1 1 1 . 9 J呀‘任,一OnU.⋯‘任月七J吸1八U一b口UQJ夕目,,1八jn1 98 5一0 8一 2 71 9 8 6一0 7一 0 7 3 5 . 83 8 . 3
2
。
4
2
.
4
1 9 8 8一 0 8一 0 2 20 8。 8
0
。
6
1 3
.
6
1 9 8 8一0 8一 10
1 9 8 8一0 8一 14
6 0
.
1
4 8
.
3
1 9 8 9一 0 7一 2 1
1 9 9 0一 0 8一 0 2
1 9 0
.
5
5 9
.
5
1 9 9 1一 0 7一 2 5
9 5
.
5
1 5 0
.
1
1 1 5
.
4
5
.
7
4
.
6
5
。
8
2
。
4
1
.
3
前期影响雨量采用下式逐 日计算 : 尸。 . , 十 , 一K ( p 。 , ‘十尸, ) ; K 一 1一 E , / W . 。
P
。 . : 十 1— t 时 1 日后的前期影响雨量 ( m m ) ; P 。 . ‘— t 时的前期影响雨量 ( m m ) ; P :— t 日的降雨量 ( m m ) ;K—土壤水分消退系数 ; E 户—流域 日蒸发散能力 ( m m ) ;w .—流域最大蓄水量 。
从表 2 可以看出 , 流域产流都是在有较大降雨或前期有较大降雨情况下发生的 。其它
5 个流域的产流情况与 1 号流域基本相 同 , 在 10 a 的观测中 , 只有 1 9 8 8 年 8 月 2 日 17 . 5 时降
雨 2 08 . 8 m m 出现了局部坡面径流 , 因此可以认为 , 各流域均属于蓄满产流类型 。
根据蓄满产流理论 [2] , 选取各流域 6一 9 次降雨径流观测结果 , 对影响产流的两个主要因
子 , 产流次雨量和前期影响雨量与径流量进行 回归 , 结果见表 3 。
5 0 8 林 业 科 学 研 究 7 卷
表 3 降雨一径流回归方程式及相关系数
流 域 回归方程式 相关系数 r
R = 0
.
0 5 6 1 (P + P
。
)一 7 . 6 5 3 7
R = 0
.
0 5 7 3 (P + P
。
)一 7 . 4 4 9 0
R = 0
.
0 6 3 7 (P + P
。
)一 7 . 6 4 4 0
R = 0
.
0 6 8 2 (P + P
。
)一 8 . 0 4 7 6
R = 0
.
0 4 2 4 (P + P
。
)一 5 . 9 7 8 4
R 一 0 . 0 3 9 9 (P + P 。)一 5 . 7 8 5 5
0
.
99 1 4
0
.
96 3 7
0
.
99 4 5
0
.
98 7 6
0
.
97 8 7
0
.
98 2 1
从表 3 公式算出 : (l) 灌木林小流域同样
具有较大 田间持水量 , 6 个小流域均超过 10
m m
, 最小的 4 号 流域为 1 18 m m , 最大的 6
号流域为 14 5 m m , 呈现 出与植被覆盖率正
相关的趋势 ; (2 )6 个小流域降雨一径流相关
直线的斜率均较小 , 说明随着雨量的增加 , 径
流量增加缓慢 。 这正是 由于 良好的植被保护
了地表 ,使土壤孔隙不被堵塞 ;根系的发育增
加了土壤孔隙度 , 使土层保持 了较高的下渗能力 , 从而减少了地表径流量 。 6 个小流域的次径
流系数均不超过 0 . 1 , 最大的一次为 0 . 06 ~ 0 . 0 8 (1 9 8 8 年 8 月 2 日) 。
3. 2 流域汇流
采用瞬时单位线 (I U H )法 , 推求 6 个小流域历次洪水的出流过程线 , 并与实测出流过程线
进行 比较 , 确定较一致的线型 , 然后通过对瞬时单位线主要参数 n 、 k 的综合 , 分析森林植被对
径流的影响 , 具体计算公式如下阁 :
n = [材习》一 M }, , 〕2 / [N瑟, 一 N 圣2 , 〕 (l )
k = 〔N扩, 一 N圣, , ] / [材习) 一 研 ‘,〕 (2 )
川 , ’ = 艺I、m , /万、 · 山 / 2 ; M圣, , = 乏 了‘m ‘, /艺 了‘ · (山 / 2 )’
几始1 , = 乞夏, m 、/ 艺Q ‘ · 山 / 2 ; 材瑟, = 乏口: m ‘, / 乏口‘ · (山 / 2 ) ’
N }
, ,
= 洲 , , 一 〔MI, , ] 2 ; N扩, 一 材扩) 一 [材习)〕2
M尸’、入f习’和研 , , 、材瑟)—净雨量过程 、出流量过程一阶和二阶原点矩 ,了、、奋,— i时净雨量 、出流量的时段平均值 , m ‘一 1 , 3 , 5. 二 2n 一 1 , N I” 、N 封’和 N尸 、N 瑟’—净雨量 、声流量的一阶和二阶中心矩 。
现以 1 9 8 5 年 8 月 27 日一次暴雨径流为例推求 n 、 k 值 。
3
.
2
.
1 时段净雨童的推求 推求时段净雨量一般采用降雨径流经验相关 图法阁 。该法在较大
流域上应用有一定精度 。 但用于小流域 、特别是本次研究这样小的流域 , 查算净雨偏多 。 因此 ,
这里采用本次降雨径流的实测数据分析确定 。按照蓄满产流的理论 , 当降雨满足流域最大蓄水
量 W . 之后开始产流 , 这时降雨量损失主要是稳定下渗 , 损失率基本为一定值 , 降雨与径流应
呈直线相关 , 因此有 : R 一 f [ p 一 (w 二一 w )」一f (P’ ) 。
R—净雨 ;尸—流域达到 W , 以后的降雨量 。 1 9 8 5 年 8 月 27 日的 尸‘一 35 . 8 m m 。 按照净雨时段的划分原则 ,分为两个时段 ,尸 ; 一 24 . 3 m m 、P’ 2一 n . 5 m m ;净雨 R 一 2 . 4 m m , 按照上
式作 尸一 R 相关 图 , 查算时段净雨 量 , R , -
1
.
7 m m
、
R Z ~ 0
.
7 m m
。 表 4 净雨t 原点矩计算表
3
.
2
.
2 瞬时单位线的推求 按照上面所得
时段净雨量和实测出流过程 , 分别计算净雨
量和出流量矩值 , 推求时段单位线 , 见表 4 一
6
, 由公式 (l) 、 (2 )计算 n 、 k 值 , 即 n = 1 . 8 7 , k
= 1 4
.
7 7
。
(19 85一 0 8一 2 7 )
起止时间
(时)
I
i
(m m )
I
;
nt ‘ 1
.滋‘
m m ) (m m
0 4 ~ 0 8
0 8 ~ 1 2
1
.
7
合 计 2 . 4 3 . 8 8 . 0
5 期 杨立文等 : 北京西山灌木林小流域暴雨径流研究 5 0 9
表 5 出流t 原点矩计算表 (19 8 5一0 8 )
时 间
(日一时)
实测出流量 Q
(I / s )
Qi
(L / s )
1
.
0 2
2
。
5 9
3
.
6 9
4
.
5 3
2
.
6 1
4
.
6 8
4
.
3 2
3
.
9 2
3
.
5 4
3
.
1 5
2
.
7 8
2
.
4 9
2
.
2 7
2
.
0 5
1
.
82
1
.
57
1
.
3 7
1
.
23
1
.
15
1
.
0 8
1
.
0 1
Qim i
(I
一
/ s )
1
.
0 2
7
.
7 7
18
,
4 5
3 1
.
7 1
4 2
.
1 2
4 7
,
5 2
5 0
.
9 6
5 3
.
1 0
5 3
.
5 5
5 2
.
2 9
5 2
.
2 9
5 2
.
2 1
5 1
.
2 5
4 9
.
1 4
4 5
.
5 3
4 2
.
4 7
4 0
.
5 9
4 0
.
2 5
3 9
.
9 6
3 9
.
3 9
Q im iZ
(I /
s
)
1
.
0 2
2 3
.
3 1
9 2
.
2 5
2 2 1
.
9 7
3 7 9
.
0 8
5 2 2
.
7 2
6 6 2
.
4 8
7 9 6 5 0
9 1 0
.
3 5
1 0 0 3
.
5 8
1 0 9 8
.
0 9
1 2 0 0
.
8 3
1 2 8 1
.
2 5
1 3 2 6
.
7 8
1 3 2 0
.
3 7
1 3 1 6
.
5 7
1 3 3 9
.
4 7
1 4 0 8
.
75
1 4 7 8
.
52
1 5 3 6
.
2 1
1CJ工J
月了O曰1nj工JJ勺‘砂1几只dIQ“1丈dQ厂J1O
1,人工?一?宁曰,nJ口六jC怪d
月任
4
亡JO乙O度.亡J工01勺乙n汽亡Jtl八jO
02.344.3乙
O曰月七巴J工Q八J络介口liQ内七月任,一1110OJ
.⋯?一9‘,111.丈工,二n
2 7一 0 4
2 7一 0 8
2 7一 12
2 7一1 6
2 7一2 0
2 7一 2 4
2 8一 0 4
2 8一 0 8
2 8一 1 2
2 8一 1 6
2 8一 2 0
2 8一 2 4
2 9一 0 4
2 9一 0 8
2 9一 1 2
2 9一 16
2 9 一 20
2 9一 2 4
3 0一 0 4
3 0一 0 8
3 0一 1 2
合 计 5 2 . 6 9 8 1 3 . 1 0 1 7 9 8 0 . 10
表 6 用 S (t )曲线转化时段单位线计算表
r ( h ) 0 0 4 0 8 12 16 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 4 8
r / 庵 0 27 1 0 . 5 4 2 0 . 8 12 1 . 0 8 3 1 . 3 5 4 1
.
6 2 5 1
.
8 9 6 2
.
1 6 6 2
.
4 3 7 2
.
7 0 8 2
.
9 7 9 3
.
2 5 0
S ( t ) 0
.
0 3 5 0
.
1 2 5 0
.
2 17 0
.
3 3 0 0
.
4 2 5 0
.
5 1 5 0
.
5 9 6 0
.
5 6 2 0
.
7 2 6 0
.
7 7 3 0
.
8 1 7 0
.
8 5 1
S ( r一乙r ) 0 . 0 3 5 0 . 1 25 0 . 2 1 7 0 . 3 3 0 0 . 4 2 5 0 . 5 1 5 0 . 5 9 6 0 . 6 6 2 0 . 7 2 6 0 . 7 7 3 0 . 8 1 7
乙5 ( t ) 0 . 0 3 5 0 . 0 9 0 0 . 0 92 0 . 1 13 0 . 0 9 5 0 . 0 9 0 0 . 0 8 1 0 . 0 6 6 0 . 0 6 4 0 . 0 4 7 0 . 0 44 0 . 0 3 4
u , ( L / s ) 0 0
.
6 4 1
.
6 6 l
.
6 9 2
.
0 8 l
.
7 5 1
.
6 6 1
.
4 9 1
.
2 1 1
.
18 0
.
8 6 0
.
8 1 0
.
6 2
(之闷喇璐
3
.
2
.
3 推求流童过程线与实测流量过程线比较 (图
l) 从图 1 可以看出 , 推求流量过程线与实测流量
过程线基本一致 , 尤其是在洪峰和洪峰滞时上拟合
较好 。 在 l o a 的 43 次暴雨洪水中 , 推求流量过程线
与实测流量过程线大部分拟合较好 , 但有少数双峰
流量过程线或雨强变化较大时的流量过程线 , 有反
复拟合效果均不理想的现象 , 主要表现为洪峰不一
致 , 因此 , 此次只选取 39 次暴雨洪水进行综合 。
3
.
2
.
4 参数 n 、 k 的综合 n 、 k 值是 瞬时单位线的
两个参数 ,决定着瞬时单位线的形状 。 n 、 k 值越大 ,
0 8 16 24 3 2 4 0 4 8 54
推求流量过程 线与实测流 量过程线 比较
林 业 科 学 研 究 7 卷
线形越平缓 , 即洪峰滞后并减低 , 反之 , 洪峰加大而提前 。 所 以 , n 、 k 值反映了流域的调蓄能力 ,
它与流域特征等因子存在一定的关系 , 为寻求这种关系 ,选取流域面积 F 和森林植被覆盖率 S
与各流域 6一 9 次洪水 n 、 k 值的平均数进行综合 。
根据经验 [3 ] , 设 F 、 S 与 n 、无的回归方程分别为 : n = C I尸0 1 5 夕1 ; k n = C ZF “2 5 声2 。 对上式取对数
化成多元回归形式 , 然后按照最小二乘法原理 , 计算 a 、月和 c (表 7 ) 。 计算结果 : a l一 0 . 1 61 , 风
= o
·
0 8 9
,
C
,
= 1
·
3 7 0 ; a : 一 o · 2 0 6 , 月2 = 0 · 2 3 1 , C Z = 1 . 2 1 4 , 故 n = 1 . 3 7 0尸。· ’“, S 。· “8 , ;走= 1 . Z 1 4 F 。 , 0 6
S
。· 2 3 1 。
上式表明 : F 、 S 与 n 、 k 为正相关 , 即流域面积越大 , 森林植被越好 , 则洪峰越低 , 洪峰滞时
越长 。 根据以上综合结果 , 利用瞬时单位线洪峰和洪峰滞时的性质 U (l U H 洪峰 )一 l/k r (n) ·
(n 一 l )月一 ‘e x p 〔一 (n 一 z )〕和 t (IU H 洪峰滞时)一 (n 一 l) k 进行计算 , 结果表明 : 森林植被覆盖
率每增加 10 % , 瞬时单位线的峰值可降低 4 . 6 % , 洪峰滞时可延长 9 . 3 % 。
表 7 回归方程指数计算
流
域
F S
(hm Z ) (% )
, .几、、In r 户
_
)
(111百)
,月‘ 、
、压1 1凡声
及
(1 1盛) 刁 夕“、 夕2 2 z l x 2 2 二 二 2 ) 2 2 千 z 三
1 26
.
5 8 5 3
.
6 6
.
6 3
.
27 7 4
.
44 3 1
.
28 1 1
.
88 7 14
.
560 5
.
6 9 1 8
.
3 84 4
.
1 98 6
.
1 84 1 0
.
73 9 19
.
74 0 1
.
64 1 3
.
56 1
2 11
.
9 7 8 2
.
8 5
.
4 2
.
47 6 4
.
3 57 1
.
03 0 1
.
68 6 10
.
788 4
.
4 88 7
.
3 46 2
.
5 41 4
.
1 75 6
.
13 1 18
.
98 3 1
.
06 1 2
.
84 3
3 0
.
4 50 1
.
7 2
.
3 一 0 . 9 ] 6 3 . 9 12 0 . 53 1 0 . 83 3 一 3 . 583 2 . 0 7 7 3 . 2 59 一 0 . 4 86 一 0 . 7 63 0 . 8 3 9 15 . 30 4 0 . 28 2 0 . 69 4
4 0
.
3 4 5 1
.
5 2
.
4 一 1 . 20 3 3 . 80 7 0 . 40 5 0 , 87 5 一 4 . 5 80 1 . 5 42 3 . 3 31 一 0 . 4 87 一 1 . 0 53 1 . 4 47 14 . 49 3 0 . 16 4 0 . 76 6
5 0
.
8 90 2
.
1 3
.
0 一 0 . 22 3 4 . 50 0 0 . 74 2 1 . 09 9 一 1 . 0 04 3 . 3 39 4 . 9 46 一 0 . 1 65 一 0 . 2 45 0 . 0 50 20 . 2 5 0 0 . 55 1 1 . 208
6 1
.
5 90 2
.
2 4
.
3 0
.
40 5 4
.
50 0 0
.
78 8 l
.
45 9 1
.
8 23 3
.
5 46 6
.
56 5 0
.
3 l9 0
.
5 91 0
.
l 64 20
.
2 5 0 0
.
62 l 2
.
128
合计 3 . 816 2 5 . 5 19 4 . 77 7 7 . 839 18 . 0 04 20 . 680 33 . 8 31 5 . 9 20 8 . 8 88 29 . 3 70 109 . 021 4 . 31 9 1 1 . 20
平 均 0 . 636 4 . 25 3 0 . 79 6 1 . 30 7 3 . 0 01 3 . 4 47 5 . 63 9 0 . 96 7 1 . 4 81 3 . 2 28 18 . 17 0 0 . 72 0 1 . 86 6
4 结语与讨论
(l) 在北京西山砂页岩区 , 通过封 山恢复起来的天然次生灌木林植被 , 不仅水土保持作用
明显 , 而且具有良好的水源涵养功能和减少地表径流量的趋势 。 次径流系数不超过 0 . 1 。
(2) 天然次生灌木林植被在涵养水源 、调节径流方面 , 主要表现为消减洪峰 、延长洪峰滞时
和增加地下径流的功能上 , 在森林植被覆盖率 40 %以上时 , 瞬时单位线峰值可降低 4 . 6 % , 洪
峰滞时可延长 9 . 3 % 。
(3 )森林植被对径流的影响 , 是森林水文学研究的主要课题之一 , 也是一个复杂的问题 , 由
于研究方法 、手段的局限性和 自然条件的千差万别 , 世界各国经过近百年的研究仍未取得一致
的结论 [lj 。 本文利用普通水文学的方法 , 主要从流域面积和植被两个方面对径流的影响进行了
分析 ,结论是初步的 , 因为还有很多因子尚未考虑进去 , 有待进一步深入研究 。
参 考 文 献
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5 期 杨立文等 :北京西山灌木林小流域暴雨径流研究 5 1 1
S tu d y o n S to r m R u n o ff in Sm a ll
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,
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a p p lie d fo r s m a ll w a te r sh e d ; th e n a tu a l s e e o n d a r y s hr u b be r y fo r e s t p o s e s s e s fin e w a t e r s u p
-
p ly e a p a e ity
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