全 文 ：第 49 卷 第 6 期
2 0 1 3 年 6 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 6
Jun．，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20130621
收稿日期: 2012 － 07 － 03; 修回日期: 2013 － 05 － 15。
基金项目: 国家自然科学基金项目(30860058) ; 国家科技支撑计划课题(2012BAC16B04) ; 广西科技攻关项目(桂科攻 1298006)。
* 李海防为通讯作者。
漓江上游森林小流域径流过程及其影响因素*
王金叶1 李海防1 段文军1 唐东明2 王绍能2 刘兴伟1 黄华乾1
(1．桂林理工大学旅游学院 桂林 541004; 2． 猫儿山国家级自然保护区管理局 兴安 541316)
关键词: 漓江流域; 森林; 降水; 径流
中图分类号: S715. 3 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)06 － 0149 － 05
Runoff Processes and the Influencing Factors in a Small Forested Watershed of
Upper Reaches of Lijiang River
Wang Jinye1 Li Haifang1 Duan Wenjun1 Tang Dongming2 Wang Shaoneng2 Liu Xingwei1 Huang Huaqian1
(1 ． College of Tourism，Guilin University of Technology Guilin 541004;
2 ． Administration of the National Nature Reserve of Maoer Mountain Xingan 541316)
Abstract: In this paper，runoff processes of a small forested watershed in upper reaches of Lijiang River were in situ
monitored and the relationships between runoff and influencing factors were studied from January 2009 to December 2011．
The results showed that the precipitation distributed irregularly within a year and there were obvious differences in
precipitation amount among years，which resulted in great runoff fluctuation and inter-annual variation in Lijiang River．
Summer runoff accounted for 63. 2% of the whole years and winter runoff accounted for 9. 2% ． The runoff coefficient of
the whole watershed was 0. 664 2． The precipitation effect on river runoff was accumulated with multiple rainfall events，
which resulted in a lag of peak runoff behind the precipitation． Runoff period is usually longer than the precipitations．
The runoff would extend to 20 days for 18 days continued rainfall． The impact of rainfall on runoff decreased in non-linear
with the extension of time after rainfall event． The accumulation of lagged runoff can reduce the function of forest on
hydrological regulation and might result in large runoff under light rainfall in rain season．
Key words: Lijiang watershed; forest; precipitation; runoff
森林与水的关系一直是生态学和水文学研究的
热点( Calder，2007; Laurance，2007; Wang et al．，
2011)。一般认为，森林植被具有调节径流的作用，
但森林对径流的影响在不同研究之间存在很大差异
(郭明春等，2005; 魏晓华等，2005; Chirino et al．，
2006; 索安宁等，2007; 王金叶等，2012)。径流变
化受森林植被、流域面积和降水等多种因素影响，其
中降水的影响最大。由于降水过程的不同，森林植
被对径流的影响也存在较大差异(于澎涛等，2003;
Gyssels et al．，2005; 刘燕等，2007; 范世香等，
2008; Mohammad et al．， 2010; Hümann et al．，
2011)。漓江由于独特的山水组合，已成为国际国
内知名的旅游胜地，但漓江流域径流年内分配极不
均匀，存在雨季洪涝频繁、旱季水量不足的问题，引
起社会各界的广泛关注。漓江上游森林覆盖率较
高，源头森林覆盖率已由 1994 年的 51. 4% 提高到
现在的 96. 5%，但漓江流域径流年内分配不均的矛
盾依然十分突出。本研究以漓江上游典型林区为研
究对象，探究小流域径流过程与降水变化规律，为进
一步阐明降水对径流的影响，揭示森林流域径流形
成机理提供科学依据。
1 研究区概况
漓江位于中亚热带湿润季风气候带，为雨水补
给型河流。漓江上游为西南高值暴雨区，降水时空
分布极不均匀，导致漓江径流丰枯分明。试验小流
域位于漓江上游猫儿山中段九牛塘 (110°29 E，
25°52 N)，总面积 17. 23 hm2，海拔 1 050 ～ 1 150 m;
流域四周边界清楚，水文研究条件理想。年均气温
16. 4 ～ 18. 1 ℃，年均降水量 2 600 mm，最高年降水
林 业 科 学 49 卷
量达 3 500 mm; 年日照时数 1 243. 5 ～ 1 467. 1 h，空
气相对湿度 79% ～ 82%。土壤类型为山地黄壤，土
层薄、质地粗、粉沙粒含量高; 成土母质主要是泥炭
岩、砾岩和紫红色沙页岩等。森林群落是以木荷
(Schima superba)为优势种的常绿阔叶林，森林覆盖
率为 96. 5%。
2 研究方法
2. 1 降水观测 采用 2007 年于猫儿山九牛塘山脊
空旷地架设的 LI － 1401 小型自动气象站进行连续
降水观测。2009 年，在试验流域林外空地上另架设
JL － 21 自记雨量计观测降雨过程，雨量计分辨率为
0. 2 mm，记录时间间隔为 1 min，连续观测 3 年。本
研究选取 2009—2011 年的降水观测数据。
2. 2 小流域径流观测 在试验小流域出水口基岩
裸露处，建立 90°的三角形量水堰。为防止渗漏和
地下潜流发生，量水堰挡水墙深入基岩 50 cm，并使
用防水材料; 在量水堰静水池入水口安装拦污栅;
用压力式自记水位计( Level － 2000，USA)，连续观
测径流过程。本研究选取 2010—2011 年的径流观
测数据。
2. 3 流量计算 根据三角量水堰特点，采用
Kindsvater-Shen 公式计算瞬时流量 Q(m3·s － 1):
Q = 8
15
× 0． 565 + 0． 008 7
h槡
( )
e
× 2槡 g × tan
θ
2
× h2． 5e
(1)
式中: h e为量水堰的有效水头高度(m)，g 为重力加
速度(9. 81 m·s － 2)，θ 为三角形量水堰的顶角度数，
在本试验中，θ 值为 90°。
2. 4 数据统计 根据研究需要，以长期定位观测的
径流瞬时流速观测计算数据(每 5 min 记录 1 次)为
基础，统计计算历次降雨期间的径流量和平均流速;
以长期定位观测的降水瞬时观测数据(每 5 min 记
录 1 次)为基础，按照降雨时段进行降水量与降水
强度等指标计算; 最后利用 SPSS 统计软件进行数
据的相关分析和回归分析，探讨降水与径流过程之
间的关系。
3 结果分析
3. 1 小流域降水特征 漓江上游的华江、川江、观
田、上洞和高寨一带是高值暴雨区之一，中心区多年
平均降雨量达 2 600 mm，华江最高年降雨量达
3 500 mm(戴新，1988)。上游猫儿山保护区多年平
均降雨 2 509. 1 mm，降水年内分配极不均匀，一年
分为雨季(3—8 月)和旱季(9 月至翌年 2 月)，降水
主要集中在雨季，占全年降水的 82. 4%。5—7 月降
水量最大，达到全年总降雨量的 47. 1% ; 旱季(9 月
至翌年 2 月)降水仅占全年降水的 17. 6%，其中，11
月份降水最少，仅占全年总降水量的 0. 6% (黄金玲
等，2002)。根据观测统计，试验小流域年平均降水
2 553. 9 mm ( 2009—2011 年)，年 际 差 异 较 大。
2009，2010 和 2011 年降水总量分别为 1 972. 1，
2 849. 5和 2 840. 2 mm， 2009 与 2010 年 相 差
877. 4 mm。2009 年月最大降水量为 693. 9 mm (7
月)，2010 年 为 666. 2 mm ( 4 月)，2011 年 为
834. 6 mm(5 月)。雨季暴雨频发，且降雨强度大。
2011 年雨季出现 8 次单次雨量超过 50 mm 的降水，
其中超过 100 mm 的降水 2 次，超过 200 mm 的降水
2 次。此外，试验流域常年被大雾笼罩，水平降水
较多。
3. 2 小流域径流变化规律 径流过程一般受流域
径流补给条件的影响和支配(马正耀等，2011)。漓
江为雨水补给型河流，在植被和下垫面不变的条件
下，径流过程主要受降水影响。虽然试验小流域的
面积较小，但根据观测数据统计，由于小流域内森林
植被保持良好，常年都有径流发生，但具有明显的季
节变化。从图 1 可以看出，小流域径流主要集中在
夏季(5—7 月)，占全年总径流量的 63. 2% ; 夏季径
流受雨季影响变化起伏较大，5—7 月瞬时流量为
0. 008 0 ～ 0. 188 0 m3·s － 1。在冬季(11 月至翌年 1
月)，径流量很少，仅占全年径流总量的 9. 2% ; 2—
4 月 径 流 比 较 平 稳，起 伏 较 小，最 低 流 量
为0. 001 9 m3·s － 1。
图 1 试验小流域河川径流量月变化
Fig． 1 Variation of monthly river runoff in the small watershed
试验小流域径流年变化与降水过程基本一致，
月径流量与月降水量呈极显著线性相关关系(图 2，
R2 = 0. 926 9)。试验流域全年径流深为 1 886 mm，
径流系数为 0. 664 2; 径流系数 10 月最小，7 月最
大，径流系数变化滞后于降水变化(图 3)。由于图
3 是按月统计降水和径流的，6 月底降水形成的径流
延续到 7 月份，导致 7 月份径流系数大于 1。目前，
国内外对森林植被影响径流的争论较多，由于没进
051
第 6 期 王金叶等: 漓江上游森林小流域径流过程及其影响因素
行多流域对照，一个试验流域的径流变化还无法得
到森林影响径流的结论。
图 2 试验流域月径流量与月降水量
Fig． 2 The relationship of monthly runoff and monthly
precipitation in the small watershed
图 3 试验小流域降水量与径流系数
Fig． 3 Runoff coefficient and precipitation in the small watershed
3. 3 小流域径流的滞后效应 根据对单次降水与
径流过程的分析，试验小流域径流发生时间明显滞
后于降水，滞后时间与降水强度及前期流域水分状
况有很大关系; 径流在降水结束后将会持续较长时
间，持续时间长短受降水等因素的影响。2011 年 6
月 2 日前 10 天无降水，6 月 2 日开始出现降水一直
持续到 6 月 20 日，降水持续 18 天，共降水 615 mm。
在这一降水过程中，开始 2 天降水 5. 2 mm，但小流
域日径流量仍延续前期下降态势; 到第 3 天(6 月 4
日)出现了 35 mm 降水，小流域日径流量才开始增
加; 最大降水出现在 6 月 15 日，降水量 199. 8 mm，
最大径流出现在 6 月 16 日，比降水滞后 1 天。降水
停止后径流一直延续到第 2 次降水开始或延续到第
2 次、甚至第 3 次降水径流中，第 2 次降水开始时小
流域径流仍大于第 1 次降水开始时，说明在第 2 次
降水形成的径流中有部分是前次降水的输入。根据
2011 － 6 － 02—20 日的降水径流过程，特别是最大
径流出现后的递减率( r，径流减少量 /初始径流量)
数据，回归分析表明径流递减率 r 呈指数变化趋势，
可表示为:
r = 0 ． 260 4 × e －0 ． 124 × t，R2 = 0. 955 2。 (2)
式中: t 为递减时间(天)。
利用公式 2 和最大径流量及降水时的初始径流
量，建立了径流持续时间模型，可计算出径流持续时
间(公式 3)。经模拟计算，2011 年 6 月 2 日到 20
日的降水径流过程在降水停止后持续 20 天，后期的
径流发生与第 2 次降水径流重叠，河川径流延长效
应十分明显。根据降水过程中的实测径流量和依据
公式 3 模拟的降水停止后径流递减过程，可绘制一
个完整的降水径流过程曲线。如果假设降水开始时
的径流为基流，通过过程分析可估算出 1 次降水过
程的径流量和径流过程，甚至可将 2 次或多次叠加
的径流过程进行区分。
t = ( lg (1 － r) Q0 － lg (1 － r) Qmax) － t1 (3)
式中: t1 为最大径流出现后降水时间(天); Q0为降
水开始时的径流量，单位 m3·s － 1; Qmax为最大径流
量，单位 m3·s － 1。
为进一步说明在较短历时降水情况下的径流滞
后效应，选择 8 月 23 和 24 日持续 20 h 的 1 次独立
降水过程进行分析，期间总降水量 86 mm，降水前 5
天没有出现降水，降水停止后 8 天才出现另一次降
水。在这次的降水径流中，降水出现与径流发生改
变出现在同一小时内; 最大降水与最大径流也出现
在同一小时内，径流滞后降水效应不明显。与 6 月
2—20 日降水事件的对比分析认为，这主要是由于 2
次降水强度不一样，6 月 2—20 日连续降水虽然总
量很多，但平均降水强度仅 1. 3 mm·h － 1; 8 月 23—
24 日连续降水虽然总量少，但平均降水强度为 4. 3
mm·h － 1; 由此看来径流滞后效应的强弱与降雨强
度很有关，降雨强度大径流滞后效应较弱，降雨强度
小径流滞后效应较强。8 月 23—24 日降水引发的
径流持续时间长达近 6 天，径流递减速度在前期相
对较快，在后期极其缓慢，整体呈对数趋势变化，其
变化规律如公式 4。
Q = － 1 ． 996 × ln( t) + 30 ． 019，R2 = 0. 990 4。(4)
式中: Q 为径流量(m3)，t 为时间(min)。
对不同降水径流过程的分析表明，不同降水过
程的径流滞后时间与延长效应具有很大差异，这与
各降水径流过程影响因子的复杂程度有关，尚不能
用统一的模型来估算径流滞后效应。由于漓江流域
降水过于集中，不同降水事件之间相距时间不长，往
往会引起径流过程的重叠，有时甚至会由于滞后效
应出现小降雨后产生大径流的现象，加之土壤水分
含量往往较高，甚至处于饱和状态，导致对森林调节
洪水作用的分析困难。
3. 4 小流域径流与降水的相关性分析 为进一步
151
林 业 科 学 49 卷
确定当日径流量与当日降水量和前几日累积降水量
的关系，把试验观测的当日降水、前 1 日降水、前 2
日累计降水、前 3 日累计降水、前 5 日累计降水、前
10 日累计降水与当日径流数据进行相关性分析。
结果表明，小流域径流量( y)受到多日降水的影响，
与不同时段的累积降水量( x)呈二次函数关系(图
4)，其相关系数随累计日数增加而增大，如当日径
流与 10 日内降水的相关系数高达0. 850 3。为了区
分 10 天内降水对径流影响的差别，分别进行了 10
天内每天降水量与第 10 天径流量的相关分析，结
果表明，当日降水对径流的影响最大，以后随着降
水时间前移，其对径流的影响呈非线性下降趋势。
在本研究中，前 6 天和前 7 天累计降水的影响反而
比前 4 天和前 5 天大，这可能是受研究年份较少和
具体降水事件的雨量大小分布偶然性的影响
所致。
图 4 试验小流域累计降水与河川径流的变化曲线
Fig． 4 The curve of river runoff and accumulated precipitation in the small watershed
4 结论与讨论
本研究表明，降水对径流的影响很大，径流量与
降水量呈显著正相关关系。本试验小流域的径流主
要集中在夏季，占全年径流总量的 63. 2% ; 冬季径
流仅占 9. 2% ; 2—4 月径流变化较小，出现最小流
量。降水对河川径流的影响比较复杂，径流往往是
多次或多日降水的综合作用，径流与多日累计降水
量的相关性较高，如在本研究中，与 10 日内降水量
的二次函数相关系数是与当日降水量相关系数的 2
倍多。由于森林土壤的高入渗性和森林流域地表径
流比例减小，加之径流汇流过程影响，流域出口测定
251
第 6 期 王金叶等: 漓江上游森林小流域径流过程及其影响因素
的径流以及洪峰流量都滞后于降水，径流发生时间
也明显长于降水时间，说明本研究小流域的常绿阔
叶林有利于保蓄雨水、涵养水源和削减洪峰。
小流域径流的滞后与延长，除受到植被覆盖特
性的影响外，很大程度上还受降水特性、前期土壤水
分含量、地形和土壤、河床等多种因素的影响，尤其
是当降水过程不同时，会出现不同的滞后效应。在
本研究小流域中，2011 年持续 18 天的降水过程，径
流出现时间滞后于降水 2 天，最大径流流量出现时
间滞后于降水 1 天。模拟计算表明，降水停止后径
流可以一直持续 20 天。流域径流滞后效应在雨季
往往会掩盖森林的洪水调节作用，甚至出现小降雨
大径流的现象，造成以场降水为单位的森林水文调
节作用分析困难。在旱季内较长时间没有降水的情
况下，森林的水文调节功能对流域径流滞后效应具
有两面性，一方面通过提高土壤入渗性能增加地下
径流，起到稳定流域出口径流的作用; 另一方面有
大量降水被存储在枯落物层或土壤层中，减少了有
效降水和径流形成，这可能会使河川径流减少，有时
甚至断流。但总的来说，在降水丰富的漓江上游水
源区，森林植被的调洪补枯作用会削弱雨季洪水的
破坏性。但在降水分配极不均匀的情况下，仅靠森
林水文调节作用可能还无法解决漓江流域的旱季缺
水问题，加强流域水资源管理和实行水资源的科学
调配应该是未来研究方向之一。
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(责任编辑 于静娴)
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