全 文 ：第 ww卷 第 t期
u s s {年 t 月
林 业 科 学
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黄土丘陵沟壑区刺槐林冠截留模拟 3
卫三平t ou 王 力t ov 吴发启t
kt1 西北农林科技大学资源与环境学院 杨凌 ztutss ~u1 山西省水土保持科学研究所 离石 svvsst ~
v1 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 杨凌 ztutssl
摘 要 } 以陕北黄土丘陵沟壑区燕沟流域为试验区 o以人工刺槐林为研究对象 o根据 wu 场降雨观测资料 o用
°¨ ±°¤±2²±·¨¬·«修正公式计算试验地刺槐林冠的附加截留量 o建立适合于黄土丘陵沟壑区的附加截留计算公式 o修
正和对比了崔启武和王彦辉的模型 ∀修正后的模型克服了原模型中处理附加截留的不足 o使模拟精度明显提高 o
能更客观地反映林冠截留降雨的实际情况 ∀
关键词 } 截留量 ~模拟 ~刺槐 ~黄土高原丘陵沟壑区
中图分类号 }≥ztx1u 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lst p ssuy p s{
收稿日期 }ussz p st p ts ∀
基金项目 }国家自然科学基金kwsxstsvtl o西北农林科技大学 ussz/青年学术骨干支持计划0和中国科学院/百人计划0资助项目kusswts|l ∀
3 王力为通讯作者 ∀
Σιµ υλατιον οφ Ιντερχεπτιον Θυαντιτψ βψ Βλαχκ Λοχυστ Χανοπψ
ιν Λοεσσ Ηιλλψ ανδ Γυλλψ Ρεγιον
• ¬¨≥¤±³¬±ªtou • ¤±ª¬tov • ∏ƒ¤´¬t
kt1 Χολλεγε οφ Ρεσουρχεσ ανδ ΕνϖιρονµεντoΝορτηωεστ Α & Φ Υνιϖερσιτψ Ψανγλινγ ztutss ~u1 Σηανξι Ινστιτυτε οφ Σοιλ
ανδ Ωατερ Χονσερϖατιον Σχιενχε Λισηι svvsst ~v1 Στατε ΚεψΛαβορατορψοφ Σοιλ Εροσιον ανδ
∆ρψλανδ Φαρµινγ οφ Λοεσσ Πλατεαυ oΙνστιτυτε οφ Σοιλανδ Ωατερ Χονσερϖατιον oΧΑΣ & ΜΩΡ Ψανγλινγ ztutssl
Αβστραχτ } Œ± ≠¤±ª²∏º¤·¨µ¶«¨§²©·«¨ ²¯¨ ¶¶µ¨ª¬²±¬± ±²µ·«¨µ± ²©≥«¤¤±¬¬°µ²√¬±¦¨ o¥¤¶¨§²± ²∏·§²²µ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·¤¯ §¤·¤²©wu
µ¤¬±©¤¯ ¶¯¬± …¯¤¦® ²¦∏¶·º²²§¯¤±§¶o¤§­∏±¦·¬√¨ ¬±·¨µ¦¨³·¬²± º¤¶¦¤¯¦∏¯¤·¨§¥¼ °¨ ±°¤±2²±·¨¬·« ¨´ ∏¤·¬²± ¤±§·«¨ ©²µ°∏¯¤·²
¦¤¯¦∏¯¤·¨ ¤§­∏±¦·¬√¨ ¬±·¨µ¦¨³·¬²± ∏´¤±·¬·¼ º¤¶ ¶¨·¤¥¯¬¶«¨§oº«¬¦«¬¶¤§¤³·¨§·²·«¨ «¬¯¯¼ ¤±§ª∏¯¯ ¼ µ¨ª¬²± ²©±²µ·«¨µ± ²©≥«¤¤±¬¬
°µ²√¬±¦¨ q≤∏¬±¬º∏¤±§ • ¤±ª ≠¤±«∏¬°²§¨ ¶¯ º¨ µ¨ µ¨√¬¶¨§¶² ¤¶·²¬°³µ²√¨ °¤µ®¨ §¯¼ ·«¨¬µ³µ¨¦¬¶¬²± ¤±§µ¨©¯ ¦¨·¥¨·¨µ·«¨
³µ¤¦·¬¦¤¯ ¶¬·∏¤·¬²± ²©µ¤¬±¬±·¨µ¦¨³·¬²± ¥¼ ¦¤±²³¼q
Κεψ ωορδσ} ¦¤±²³¼¬±·¨µ¦¨³·¬²± ∏´¤±·¬·¼~¶¬°∏¯¤·¬²±~…¯¤¦®²¦∏¶·k Ροβινια πσευδοαχαχιαl ~ ²¯¨ ¶¶«¬¯¯¼ ¤±§ª∏¯¯ ¼ µ¨ª¬²±
林冠截留是土壤 p植被 p大气系统水文循环中不可忽略的环节 o对系统各界面之间水热及其他物质传
输和分配具有重要影响 ∀林冠截留降雨模型对于理解林分的降雨截持作用和估计林冠的截留量具有重要作
用k郭明春等 oussxl ∀根据野外试验实测资料 o建立 !检验和优化林冠截留模型至今仍然是森林水文学研究
的热点k王彦辉等 ot||{l ∀国外学者已建立了多种林冠截留模型k¬∏ot||zl ∀ • ∏·¨µ等kt|ztl和 Š¤¶«kt|z|l
的林冠截留模型因物理意义明确 !涵盖面广 !误差小而受到广泛应用k…µ¼¤±ot||w ~∂¤¯ ±¨·¨ ετ αλqot||zl ∀
‹²µ·²±kt|t|l将截留损失表述为林冠截留容量和降雨期间截留蒸发量之和 ∀ • ∏·¨µ等kt|zt ~t|zxl基于 ‹²µ·²±
kt|t|l提出的截留机制 o根据水量平衡原理 o提出了微气象截留模型 o采用 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«公式计算附加截
留量 ∀ ¤¶¶°¤±kt|{vl对 • ∏·¨µ等kt|ztl模型中冠层排水函数进行了改进 ∀ Š¤¶«等kt||xl在 •∏·¨µ等kt|ztl
模型基础上建立了解析形式的截留模型 o由于该模型要求参数较少 o被应用于各种林分类型的截留模拟研究
中k郭明春等 oussxl ∀us世纪 {s年代以来 o我国学者也建立了不少截留模型 ∀这些模型大体可分为经验统
计模型 !半经验性理论模型和理论模型 v种 ∀经验模型应用方便 o但不能反映截留与各个生态因子之间的关
系 o理论模型则可以从机理的角度来描述截留过程 o但往往计算复杂k刘家冈等 ousssl ∀目前研究和应用较
多的仍然是经验模型和半经验性理论模型 o纯理论模型很少 ∀刘家冈kt|{zl根据林冠分配降雨规律与光线
在林冠中辐射传播的相似性 o建立了林冠截留降雨的理论模型 o该模型推导合理 o是我国比较成功的理论模
型k周国逸 ot||zl ∀崔启武等kt|{sl在黑龙江五营地区天然红松林冠截留资料的基础上最先建立了我国林
冠截留的半经验半理论模型 ∀穆宏强等kussul利用崔启武模型模拟了湖北省罗田县石桥铺水土保持试验区
的林冠截留量 o并提出了小流域复合生态系统植被截留降水公式 ∀王彦辉kt|{zl对 ‹²µ·²±kt|t|l模型进行了
必要的简化 o建立了刺槐单株林冠截留模型 ot||{年又对模型进行了修改 o该模型被认为是适合我国实际情
况的标准模型 o可通过参数修正在全国各地应用k程根伟 ot||ul ∀王彦辉等kt||{l利用我国亚热带地区 !温
带半湿润地区 !温带半干旱地区的资料对模型参数进行了拟合 o从而有利于模型在不同气候区的推广应用 ∀
目前大部分截留模型包含较多的参数 o需要详细的气象资料 o而我国许多地区的气象资料不够详细 o限
制了模型的应用 ∀相对而言 o崔启武模型和王彦辉模型形式简单 o参数较少 o使用次降雨量资料即可驱动 o应
用简便 ∀本文选择这 u个模型对黄土丘陵沟壑区刺槐林冠截留量进行模拟对比 o并利用实测气象资料通过
°¨ ±°¤±2²±·¨¬·«修正公式计算林冠附加截留量 o建立适合于陕北黄土丘陵沟壑区的附加截留计算公式 o然后
与崔启武模型和王彦辉模型耦合 o以期修正模型 o提高模拟精度 o更方便准确地估算林冠截留量 ∀
t 研究区概况
试验地位于延安市柳林镇庙河村 o属燕沟流域kvyβu{χ ) vyβvuχ ‘ots|βusχ ) ts|βvxχ ∞l黄土高原丘陵沟壑
区第 µ副区 o地形以黄土梁状丘陵为主 o主沟长 {1y ®° o沟壑密度 w1{ ®°# ®°pu o土壤侵蚀模数 y sss ∗
| sss·#®°pu ¤p t o属于强度水土流失类型区 ∀流域处于暖温带半湿润气候向半干旱气候过渡带 o年均气温
|1{ ε o∴ts ε 积温 v uy{ ε o年日照时数 u wzu «o早霜始于 ts月中旬 o晚霜终于 w月上旬 o无霜期 tzs §∀多
年平均降水量 xx{1w °° o其中 y ) |月份降水量占全年降水量的 zs h以上 o且多以暴雨形式出现 o年际变化
大 ∀成土母质为黄土 o土壤以黄绵土为主 o占 |s h以上 ∀流域内地带性原始植被破坏殆尽 o虽与延安南部天
然次生林区接壤 o但由于人为破坏 o次生林边界近几十年来急剧后退 o流域生态系统严重退化 o零星残存天然
次生林覆盖率不足 ts h o现有人工林主要为刺槐k Ροβινια πσευδοαχαχιαl林 o经济林主要为苹果k Μαλυσ πυµιλαl
园k刘普灵等 oussx ~徐勇等 ousstl ∀
在庙河村南边林峁坡上布设标准地 u块 o面积 us ° ≅ us °∀试验地为 t|z| ) t|{s年栽植的刺槐纯林 o
东北坡 o坡度 uxβ o密度为 t sux株#«°pu o林分平均树高 tt1{x ° o平均胸径 tw1su ¦° o郁闭度 s1zt ∀林下植被
茂密 o灌木有黄刺玫k Ροσα ξαντηιναl !杠柳k Περιπλοχα σεπιυµl等 o草本以禾本科 !野菊花k Φλοσ χηρψσαντηεµιl和悬
钩子k Ροσα πυνγενσl等居多 ∀
u 试验方法
整个试验观测时间为 ussy年 x ) ts月 ∀
在林外荒草地上安装 t台美国 ⁄¤√¬¶仪器设备公司生产的便携式小气候站k√¤±·¤ª¨ ³µ² º ¤¨·«¨µ¶·¤·¬²±l o
连续观测记录气温 !气压 !相对湿度 !风速 !降水 !太阳辐射 o风速观测高度为 u ° o其他要素观测高度 t1x °∀
在刺槐林下随机均匀地安置 ts个k每块标准地 x个l简易雨量桶 o用于收集林内降水 ∀简易雨量桶用铁
皮制作 o内径 us ¦° !高 vs ¦°∀
在 u块标准地中按径阶共选择 ts株刺槐k对于 { !ts !tu !tw !ty !t{ !us与 uu ¦°的径阶木分别选择 t !t !
t !u !u !t !t与 t株l ∀将聚乙烯或胶皮管从直径处剖开 o在树干上k树皮被修整光滑l螺旋形围绕 u ∗ v圈 o用
万能胶和玻璃泥密封 o下部接入塑料桶kus l收集干流 ∀
v 冠层截留模拟
311 崔启武模型
崔启武等kt|{sl选择林冠特性 !与前次降水的相隔时间 !降水量作为影响林冠截留的主要因子 ∀以 µ
表示林冠枝叶体的数量k如叶面积指数或郁闭度等l o∃Τ表示与前次降水的间隔时间 o则存在函数 Χk µ o
∃Τl oΧ是在降水开始时林冠的特性函数 o与本次降水无关 ~以 Π表示降水量 o则存在一个 Υk Πl oΥk Πl是降
水过程中林冠的特征函数 ∀设降水增量 §Π所产生的林冠截留量增量为 §Ι¦ o则有
§Ι¦ € Χk µ o∃Τl≈t p Υk Πl §Π∀ ktl
当林冠的几何结构相同时 oµ 为常数 oΧk µ o∃Τl只取决于雨前林冠的湿润程度 ∀对于充分密集的林冠k叶
面积指数大于 tl o当其干燥时k ∃Τψ ] l oΧk µ o∃Τl ψt o当其湿润时k ∃Τψsl oΧk µ o∃Τl ψs o一般情况介于
二者之间 ∀当雨前林冠的湿润程度相同时 o即 ∃Τ为常数 oΧk µ o∃Τl只取决于几何结构 ∀林冠越稠密 o
zu 第 t期 卫三平等 }黄土丘陵沟壑区刺槐林冠截留模拟
Χk µ o∃Τl越大 o崔启武等假定 s [ Χk µ o∃Τl [ t ∀ Υk Πl称为林冠透过k降水l函数 o其值由降水前的 s增加
到林冠截留达饱和时的最大值 t o相应的≈t p Υk Πl 可称为林冠截留k降水l函数 o截留开始时 o函数值为 t o
随着截留的增加 o其值越来越小 o截留达饱和时趋向于 s ∀假设
Υk Πl €
Π
Πχ
ρ
Π [ Πχ
t Π ∴ Πχ
o kul
式中 }Πχ为林冠截留达到饱和时的降雨量 oρ为经验常数 o带入公式ktl积分得乘幂形式模型
Ι¦ €
Χk µ o∃Τl Π p Π
ρnt
kρ n tl Πχρ Π [ Πχ
ρ
ρ n t Χk µ o∃Τl Πχ € Ιs Π ∴ Πχ
o kvl
式中 }Ι¦ !Ιs 分别为林冠实际截留量和饱和截留量 ∀对于孤立的一次降水过程 o可将公式kvl改写为
Ι¦ €
Α Π p Π
ρnt
kρ n tl Πχρ Π [ Πχ
ρ
ρ n t ΑΠχ € Ιs Π ∴ Πχ
∀ kwl
公式kwl中参数 Α!ρ!Ιs 根据经验取值 ∀ Α为郁闭度 oρ可根据实际取 s1u ∗ t1s oΙs 依据实测资料或经验确
定 o再由公式kwl求出 Πχ ∀
312 王彦辉模型
林冠截留降水包括枝叶吸附量k即吸附截留量l和降雨期间枝叶吸附水分蒸发量k即附加截留量lu部
分 ∀王彦辉kt|{zl基于截留物理机制 o建立了一个把截留量和林冠特征以及降雨特征直接联系起来的半经
验性理论模型 ∀模型把附加截留项假定为林冠投影面积内的平均蒸发强度 βx 和降雨历时 Τ的乘积k∂¤¯ ±¨·¨
ετ αλqot||zl ∀模型表达如下 }
Ι¦ € Ι 3¦° t p ¬¨³ p ΠΑΙ 3¦° n ¥x Τ
Ι 3¦° € ¥t Α¥u ∃Η¥v ∃Τ¥w
∀ kxl
式中 }Ι¦为林冠实际截留量 ~Ι 3¦°为林冠吸附容量 ~Α为郁闭度 ~Π为降雨量 ~∃Η为林冠厚度 ~∃Τ为与前次降
雨的间隔时间 o反映林冠的干湿程度 ~Τ为降雨历时 ~¥t !¥u !¥v !¥w !¥x 为系数 o均需要优化拟合 ∀
王彦辉kt|{zl利用试验资料 o经非线性回归得到 ¥t !¥u !¥v !¥w !¥x 的值分别为 t1w{ !s1tv !s1tv !s1s| !
s1sxt ∀考虑到我国实际情况 o林冠截留的标准模型不宜太复杂 ∀王彦辉等kt||{l又在总结和分析林冠截留
模型研究成果的基础上结合实践 o将模型中的附加截留项简化为降雨量的比例 o得到公式kyl
Ι¦ € Ι 3¦° t p ¬¨³ p ΠΙ 3¦° n ΑΠ∀ kyl
式中只有 u个独立的模型参数 }降雨蒸发率 Α和林冠吸附容量 Ι 3¦° o可利用实测资料通过非线性回归来拟合 ∀
公式kyl被认为截留机制基础较好 o适合我国实际情况 o可用作标准模型在全国各地应用k程根伟等 ot||ul ∀
313 模拟结果比较
本文选用崔启武模型公式kwl和王彦辉模型公式kyl来分别模拟试验地刺槐林冠的截留量 ∀试验观测了
x ) ts月份的 wu场降雨 ∀公式kwl中 o根据截留量和降雨量的关系 o选取 ρ€ s1u oΙs € w °° o计算得 Πχ € vv1{
°° o实测郁闭度为 s1zt o然后利用降雨资料带入公式kwl模拟 ∀用 wu场降雨和截留量资料拟合公式kyl o得
参数 Α€ s1syu oΙ 3¦° € t1t|t o与王彦辉 t||{年得到的结果很接近 ∀将所得参数带入公式kyl即可模拟刺槐林
冠的场降雨截留量 ∀u个模型的模拟结果对比见图 t ∀崔启武模型和王彦辉模型的回归直线决定系数 Ρu 分
别为 s1y|y与 s1zzv o斜率为 s1{y|与 s1zwy o模拟值的相对误差分别为 s1stw ∗ t1|yu与 s1ssy ∗ t1{t| °°∀wu
场降雨截留量总误差为崔启武模型 v1xz| °° o王彦辉模型 t1zuu °°∀林冠达到饱和截留量kw °°l后 o崔启
武模型的模拟值偏低 ∀截留量  u °°时 o王彦辉模型的模拟值较实测值小 ∀可见 o这 u个模型的模拟值比
较离散 o与实测值的拟合程度均不是很高 o模拟值不能很好地解释林冠截留机制 ∀
{u 林 业 科 学 ww卷
图 t 崔启武模型和王彦辉模型模拟结果
ƒ¬ªqt ≥¬°∏¯¤·¬²± µ¨¶∏¯·¶²© ≤∏¬±¬º∏¤±§ • ¤±ª ≠¤±«∏¬°²§¨ ¶¯
崔启武模型考虑了林冠特征 !降水量 !林冠的干湿程度等因子 o但模型没有将附加截留量和吸附截留量
分开计算 ∀当降雨量达到或超过林冠饱和截留量相应的降雨量临界值时 o模型忽略了附加截留损失 o认为截
留量达到最大后 o成为一个恒定值直到降雨过程结束 o这与截留事实不符 ∀如果降雨量较大 o当林冠截留达
到饱和时 o蒸发使得林冠的截留潜力不断得到恢复 o林冠仍然在继续截留少量降雨 o林冠的实际截留量大于
林冠的饱和截留量k周国逸 ot||zl ∀王彦辉模型从建模思想上就把截留量分为吸附截留和附加截留 u项 o因
此模型中包含了吸附截留项和附加截留项 o模型截留机制较为客观合理 ∀但模型中将截留项简化为蒸发率
和降雨量的乘积 o不符合实际 o因为不同季节的降雨截留蒸发率是不同的 o将蒸发率假定为常数必然会引起
误差 ∀公式kyl中的参数是通过实测资料拟合而来 o虽然有时截留总量模拟较好 o但在拟合过程中附加截留
项的不准确性被吸附截留项所掩盖 o导致吸附截留模拟也不准确 ∀
w 模型修正
目前 o在野外测定降雨期间的截留蒸发量比较困难 o本文利用 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«公式计算雨期林冠截留蒸
发量 o拟建立较为简单且精确的附加截留公式 o然后与崔启武模型和王彦辉模型耦合 o以提高模拟精度 ∀
411 截留蒸发量的计算
…¬ª¨ ²¯ºkusstl利用改进的 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程来计算林冠水分潜在蒸发量 Ε¦ o方程式为
Ε¦ € Α≈ ∃Ρ± n ΘΧ³kεº p εlΠρ¤ Λ≈ ∃ n Χkt n ρ¤Πρ¦l  ∀ kzl
式中 }Ε¦为潜在蒸散量k°°#¶ptl ~Α为郁闭度 ~Ρ± 为净辐射通量k#°pu ¶ptl ~Θ为空气密度k®ª#°pvl ~Χ³为
空气定压比热容k#®ªpt ε p tl ~ε为实际饱和水汽压k®°¤l ~εº 为饱和水汽压k®°¤l ~ρ¤为空气动力学阻抗k¶#
°ptl ~ρ¦为冠层阻抗k¶#°ptl ~Λ为蒸发潜热k#®ªptl ~∃为平均气温时的饱和水汽压曲线斜率k®°¤# ε p tl ~Χ
为干湿表常数k®°¤# ε p tl ∀
考虑林冠截留水分的蒸发过程中没有气孔阻力 o因此 ρ¦ € s ∀由于公式kzl一般用来计算潜在蒸散量 o王
安志等kussyl引入林冠截留水分蒸发与林冠湿润程度和林冠截留水分潜在蒸发成正比的假设 o将公式kzl转
变为公式k{l来计算林冠截留水分的实际蒸发量 }
Ε¦ € ΒΑ≈ ∃Ρ± n ΘΧ³kεº p εlΠρ¤ Λ≈ ∃ n Χkt n ρ¤Πρ¦l  o k{l
ρ¤ € ±¯
ukkζ p δlΠζsl
®u υkζl ∀ k|l
Β € Ι¦ΠΙs ∀ ktsl
式中 }®为卡门常数 o®€ s1wt ~ζ为风速观测高度k°l ~δ 为零平面位移高度k°l o本文取 s1zx倍的树高 ~ζs 为
|u 第 t期 卫三平等 }黄土丘陵沟壑区刺槐林冠截留模拟
粗糙度 o本文取 s1t倍的树高k°l ~υkζl为 ζ高度上的风速k°#¶ptl ~Β为表征林冠湿润程度的无量纲 ~Ι¦为
林冠实际截留量k°°l ~Ιs 为林冠饱和截留量k°°l ∀
公式所需资料由安装在林外荒草地上的便携式小气候站连续记录的数据提供 oδ !ζs 值据参考文献k马
雪华 ot||vl取值 o截留容量根据实测截留资料取为 w °°∀根据降雨历时计算出降雨期间的截留蒸发量 ∀
412 模型修正
°¨ ±°¤±2²±·¨¬·«公式可以较为准确地估算潜在蒸散量k王安志等 ousstl o但该公式需要非常详尽的气象
资料 o而在许多地区 o气象资料往往有限 ∀鉴于常规气象资料中缺少次降雨量历时资料 o王彦辉将附加截留
项简化为截留蒸发率和降雨量的乘积 o即 Ι¤ € ΑΠo而且把蒸发率假定为一个常数 ∀从该公式的物理意义来
讲 oΑ是附加截留量 Ι¤占降雨量 Π的比例 o实际上 Α不可能是定值 o应该是随着降雨量的增加而逐渐减小 ∀
将 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«公式计算的截留蒸发量进行统计分析 o发现截留蒸发量和降雨量呈三次多项式关系k相关
系数为 Ρu € s1{t|l o但回归系数 τ检验显示一次项系数和常数项不显著 o因此省略一次项和常数项 o将截留
蒸发量构建为
Ι¤ € Αk¤Πu n ¥Πvl ∀ kttl
式中 }Ι¤为附加截留量k°°l ~¤!¥为经验参数 ∀
王彦辉等kt||{l将公式kxl中表征林冠结构的参数郁闭度 Α也简化掉 o得到公式kyl ∀笔者认为这种简
化将导致模型模拟机制模糊 o精度下降 ∀林冠特征涉及郁闭度 !叶面积指数 !叶倾角 !枝条夹角 !树种等 o单用
郁闭度或叶面积指数很难准确描述 ∀本研究把公式kttl与kyl耦合 o将原模型修正为
Ι¦ € Ι 3¦° t p ¬¨³ p ¦ΠΙ 3¦° n Αk¤Π
u n ¥Πvl ∀ ktul
式中 }¦为表征林冠特征的参数 ∀
崔启武在推导公式kwl时 o假定 §Ι¦ € sk Ё Πχl o其中忽略了降雨期间的截留蒸发 o导致模拟失真 ∀将上
述截留蒸发公式kttl与公式kwl耦合 o得
Ι¦ €
Α Π p Π
ρnt
kρ n tl Πχρ Π  Πχ
ρ
ρ n t ΑΠχ € Ιs Π € Πχ
ρ
t n ρΑΠχ n Αk¤Π
u n ¥Πvl Π  Πχ
∀ ktvl
用 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«公式计算的截留蒸发量拟合公式kttl o得公式ktwl }
Ια € Αks1sss |wx wΠu p s1sss sts yΠvl oΡu € s1y|u yw ∀ ktwl
Φ检验和 τ检验均达极显著水平 o说明降雨量和截留蒸发量确实符合三次多项式关系 ∀决定系数 Ρu 偏低的
原因主要是因为降雨量不能完全解释截留蒸发量 o其他因素也影响截留蒸发 ∀
将公式ktwl带入公式ktul和ktvl得试验区林冠截留模型为
Ι¦ € Ι 3¦° t p ¬¨³ p ¦ΠΙ 3¦° n Αks1sss |wx wΠ
u p s1sss sts yΠvl ~ ktxl
Ι¦ €
Α Π p Π
ρnt
kρ n tl Πχρ Π  Πχ
ρ
ρ n t ΑΠχ € Ιs Π € Πχ
ρ
t n ρΑΠχ n Αks1sss |wx wΠ
u p s1sss sts yΠvl Π  Πχ
∀ ktyl
用试验地实测截留量拟合公式ktxl中的 Ι 3¦°和 ¦o得到本试验地刺槐林冠层截留量模型为
Ι¦ € v1x{y x t p ¬¨³ p s1v{z zΠv1x{y u n s1ztks1sss |wx wΠ
u p s1sss sts yΠvl o ktzl
决定系数 Ρu € s1ztv u oΦ€ txt1zx o大于 Φs1stku owsl € x1t{ ∀上式中 Ι 3¦° € v1x{z °° o与本文根据实测资料确
定的饱和截留容量 w °°较为接近 o比修正前用公式kyl拟合的 Ι 3¦° € t1t|t °°更精确 ∀
sv 林 业 科 学 ww卷
413 修正模型模拟结果比较
w1v1t 截留蒸发模拟结果 将 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程k公式 {l !王彦辉模型k公式 yl和新建截留蒸发公式
ktwl计算的林冠截留蒸发量进行对比k图 ul o可直观地看出 o王彦辉模型模拟的截留蒸发量比 °¨ ±°¤±2
²±·¨¬·«方程的计算值高得多 o降雨量大时模拟的附加截留量甚至接近于林冠总截留量k降雨量为 zt1v °°
的降雨过程中 o总林冠截留量 w1ys °° o而王彦辉模型模拟的截留蒸发量达 w1wu °°l o模拟精度较低 ∀相比
之下 o公式 tw模拟的附加截留量与 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程的计算值较为接近 ∀以 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程计算的
截留量为基准 o分别与公式kyl和ktwl的计算结果作误差分析 ∀结果表明 }公式kyl与 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程计
算值之间的相对误差为 s1ssw ∗ v1|zt °° o公式ktwl与 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程计算值之间的相对误差为 s ∗
s1usz °°∀
图 u 附加截留量模拟结果对比
ƒ¬ªqu ≥¬°∏¯¤·¬²± ¦²°³¤µ¬¶²± ²©¤§­∏±¦·¬√¨¬±·¨µ¦¨³·¬²±
w1v1u 截留量模拟结果 分别用公式ktyl和ktzl模拟试验地刺槐林冠的实际截留量 ∀将实测值和模拟值
作散点图k图 vl ∀崔启武和王彦辉修正模型模拟值与实测值的回归直线斜率分别为 s1|uv y和 s1|vy { o截距
分别为 s1utx |和 s1sz{ z o基本上与 ψ€ ξ线重合 ∀崔启武修正模型仅对 Ё Πχ时原模型中截留量计算公式
进行了修改 o因此 Π Πχ时和原模型的模拟值相同 o数据点仍然较为离散 ∀王彦辉修正模型整体上修改了
原模型中的附加截留项 o模拟值离散程度减小 o基本都均匀地集中于直线两侧 ∀将根据公式ktyl和ktzl模拟
计算的截留量与实测值的相对误差作折线图k图 wl ∀崔启武和王彦辉修正模型单场降雨和 wu场降雨总截
留量模拟误差分别为 s1stw ∗ t1|yu !v1xz| !s1stw ∗ t1tsu和 s1w{y °°∀ Π Πχ时 o崔启武修正模型与原模型
的模拟误差相同 ~Ё Πχ时修正模型模拟误差减小 ∀王彦辉修正模型比原模型模拟误差明显减小 o比崔启武
修正模型的模拟精度高 ∀
x 结论与讨论
511 结论
tl崔启武模型和王彦辉模型是我国有代表性的 u个林冠截留模型 o都是在野外试验的基础上基于林冠
截留机制建立的半经验理论模型 ∀ Ё Πχ时 o崔启武模型忽略了林冠附加截留量 ∀王彦辉模型经过数次简
化后模型只包括林冠吸附容量和蒸发率 u个参数 o将郁闭度参数简化掉 o将附加截留项简化为截留蒸发率和
降雨量的乘积 o并且假定蒸发率为一个常数 o这与实际事实不符 ∀因此这 u个模型在模拟林冠截留量时 o均
有不足之处 ∀
ul利用 °¨ °°¤±2²±¨ ¬·«修正式计算出试验地实际附加截留量 o通过统计回归建立了附加截留量计算公
式 }Ι¤ € Αk¤Πu n ¥Πvl ∀用陕北黄土丘陵沟壑区实测气象和截留量资料拟合 o得到该区附加截留量计算公
式 }Ι¤ € Αks1sss |wx wΠu p s1sss sts yΠvl o郁闭度 Α表示林冠特征 ∀附加截留量主要受气象要素影响 o因此
tv 第 t期 卫三平等 }黄土丘陵沟壑区刺槐林冠截留模拟
图 v 崔启武模型和王彦辉模型修正式模拟结果比较
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图 w 王彦辉模型和崔启武模型修正式模拟误差比较
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该公式可在气候条件类似地区使用 ∀
vl将附加截留量计算公式分别与崔启武模型和王彦辉模型耦合 o得到 u个模型的修正式 ∀利用试验观
测资料拟合得到陕北黄土丘陵沟壑区林冠截留模型 o即公式ktyl和ktzl o提高了模拟精度 o其中王彦辉修正
模型的模拟效果更好 o可用于计算该区不同树种的林冠截流量 ∀
512 讨论
tl目前 o利用气象资料来研究林冠截留蒸发量 o修正截留模型中附加截留项方面的研究报导还较少 ∀
°¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程具有坚实的理论基础 o在干旱地区和湿润地区均能较好地模拟植被的潜在蒸散量 ∀本
文利用 °¨ ±°¤±2²±·¨¬·«方程修正式计算了林冠的实际蒸发量 o建立了陕北黄土丘陵沟壑区的林冠附加截留
量公式 o受气象条件差异的限制 o只能在类似地区使用 ∀因此还需要在野外试验的基础上利用其他地区的气
象资料来研究当地林冠的附加截留模型 ∀林冠实际截留蒸发量受降水量 !降雨历时以及降雨期间气温 !风
速 !湿度 !气压 !植被特征等因素共同影响 o但是常规气象资料缺乏这些数据 o只有降雨量数据容易得到 o为了
利用常规气象资料计算附加截留量 o同王彦辉模型一样本文建立的附加截留公式中也只含有降雨量一个变
量 ∀公式的决定系数为 s1ztv u o说明降雨量只能解释截留蒸发量的 zt1vu h信息 o剩余 u{1y{ h的信息需要
由降雨历时和降雨期间气温 !风速 !湿度 !气压 !植被特征等因素来解释 ∀
ul崔启武和王彦辉修正模型以及附加截留量公式中都含有经验参数 o在某一地区使用时均需给这些参
数赋值 ∀有些地区学者们已试验拟合了这些参数 o因此可以根据已有资料给参数赋值 ∀没有资料的地区 o首
先需要在野外试验的基础上拟合经验参数 o才能使用模型模拟 ∀
uv 林 业 科 学 ww卷
参 考 文 献
程根伟 qt||u q山地森林生态系统水文循环与数学模拟 q北京 }科学出版社 otxv p txx q
崔启武 o边履刚 o史继德 o等 qt|{s q林冠对降水的截留作用 q林业科学 otykul }twt p twy q
郭明春 o于澎涛 o王彦辉 o等 qussx q林冠截持降雨模型的初步研究 q应用生态学报 otyk|l }tyvv p tyvz q
刘家冈 o万国良 o张学培 o等 qusss q林冠对降雨截留的半理论模型 q林业科学 ovykul }u p x q
刘家冈 qt|{z q林冠对降雨的截留过程 q北京林业大学学报 o|kul }tws p tww q
刘普灵 o郑世清 o琚彤军 o等 qussx q黄土高原燕沟流域生态环境建设模式及效益研究 q水土保持研究 otukxl }{{ p |t q
马雪华 qt||v q森林水文学 q北京 }中国林业出版社 otxv p tx{ q
穆宏强 o夏 军 qussu q复合生态系统的降雨截留过程模拟 q人民长江 ovvkzl }ux p uz q
王安志 o裴铁番 o金昌杰 o等 qussy q长白山阔叶红松林降雨截留量的估算 q应用生态学报 otzk{l }twsv p twsz q
王安志 o裴铁番 qusst q森林蒸散测算方法研究进展与展望 q应用生态学报 otukyl }|vv p |vz q
王彦辉 o于澎涛 o徐德应 o等 qt||{ q林冠截留降雨模型转化和参数规律的初步研究 q北京林业大学学报 ouskyl }ux p vs q
王彦辉 qt|{z q刺槐对降雨的截持作用 q生态学报 ozktl }wv p w| q
徐 勇 o•²¼ ≤ ≥ qusst q黄土丘陵区燕沟流域土地利用变化与优化调控 q地理学报 oxykyl }yxz p yyy q
周国逸 qt||z q生态系统水热原理及其应用 q北京 }气象出版社 ozu p zv q
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k责任编辑 于静娴l
vv 第 t期 卫三平等 }黄土丘陵沟壑区刺槐林冠截留模拟