全 文 ： 第 vy卷 第 x期u s s s年 | 月
林 业 科 学
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渗透坡面林地地表径流运动的有效糙率研究
张志强 王礼先 余新晓 李亚光
k北京林业大学水土保持学院 北京 tsss{vl
∞ qŽ¯¤ª«²©¨µ
( Τηε Φεδεραλ Ινστιτυτε φορ Λανδ ανδ Ωατερ Μαναγε µεντ Ρεσεαρχη , Α2vuxu , Πετζενκιρχηεν , Αυστρια)
摘 要 } 在流域水文学研究与应用领域中 o坡面水流占有十分重要的地位 o但如何获取坡面水流的有效糙
率是至关重要的一步 ∀本文针对林地地表径流运动的形成过程和运动特点 o建立了林地渗透坡面地表径流
运动基本方程 o通过讨论土壤水分运动和地表径流运动参数 o将土壤水分运动简化为一维 ≥°¬·«2°¤µ¯¤±ª¨ 模
型 o地表径流简化为运动波模型 o采用一步 ¤¬2 • ±¨§µ²©©有限差分格式进行数值模拟 o以最小离差平方和为
目标函数 o通过叠代计算获取林地地表径流的有效糙率 ∀根据人工模拟降雨地表径流过程实测资料计算了
油松林 !刺槐林 !蒙古栎林 v种林分的有效糙率 o计算结果表明 ouu ¤生刺槐林地的最大 o在 s1t|vt ∗ s1utvt
之间 ~其次为 vs ¤生蒙古栎林地 o为 s1tzst ~us ¤生油松林地为 s1twuv ∀从参数寻优的结果来看 o µ 值在
u1zy ∗ v1s|s之间 o接近层流时的 µ € v ∀为检验模型和参数的可靠性 o用计算获得的林地坡面径流过程线
与实测径流过程线进行了比较 o结果表明采用此模型和数值模拟方法可以很好地模拟渗透坡面林地地表径
流运动 ∀
关键词 } 渗透坡面 o坡面流 o数值模拟 o有效糙率 o参数寻优
收稿日期 }t|||2s{2tz ∀
基金项目 }国家/九五0攻关课题资助 o编号 }|y2ssz2st2su ∀
ΕΦΦΕΧΤΙς Ε Ος ΕΡΛΑΝ∆ Ρ ΟΥΓΗΝΕΣΣ ΧΟΕΦΦΙΧΙΕΝΤ ΧΑΛΧΥΛΑΤΙΟΝ ΦΟΡ
ΦΟΡΕΣΤΕ∆ ΙΝΦΙΛΤΡΑΤΙΝΓ ΣΛΟΠΕ
«¤±ª«¬´¬¤±ª • ¤±ª¬¬¬¤± ≠∏÷¬±¬¬¤² ¬≠¤ª∏¤±ª
( Σοιλ ανδ Ωατερ Χονσερϖατιον Χολλεγε οφ Βειϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγ tsss{v)
∞qŽ¯¤ª«²©¨µ
( Τηε ΦεδεραλΙνστιτυτε φορ Λανδ ανδ Ωατερ Μαναγε µεντ Ρεσεαρχη , Α2vuxu , Πετζενκιρχηεν , Αυστρια)
Αβστραχτ : • ¶¨¨¤µ¦«¬±·²¤±§¤³³¯¼ ²©·«¨ ²√¨ µ¯¤±§©¯²º °²§¨¯«¤√¨ ¥¨ ±¨ ²±¨ ²©·«¨ °¤­²µ·«¨ °¨ ¶¬±«¼§µ²¯²ª¼ §∏¨ ·²·«¨
¥¤¶¬¦∏±¬·²± º«¬¦«³«¼¶¬¦¤¯¯ ¼2¥¤¶¨§§¬¶·µ¬¥∏·¨§³¤µ¤° ·¨¨µ«¼§µ²¯²ª¬¦¤¯ °²§¨¯§¨√¨ ²¯³° ±¨·¬¶¥¤¶¨§q•∏±²©©¦²¨©©¬¦¬¨±·¦¤¯2
¦∏¯¤·¬²± ²©·«¨ ²√¨ µ¯¤±§o«²º √¨¨ µo¬¶·«¨ ¦µ¬·¬¦¤¯ ¶·¨³¬±§²¬±ª¶²q’±·«¨ ²·«¨µ«¤±§o¬·¬¶±¨ ¦¨¶¶¤µ¼·²§¨·¨µ°¬±¨ ·«¨ ¦²¨©2
©¬¦¬¨±·©²µ √¨¤¯∏¤·¬±ª·«¨ ©²µ¨¶·³¯¤±·¤·¬²±¬°³¤¦·¶²±·«¨ ¶∏µ©¤¦¨ µ∏±²©©q ⁄¼±¤°¬¦¤¯ ²√¨ µ¯¤±§©¯²º °²§¨¯ ∏±§¨µ¤µ·¬©¬¦¬¤¯
µ¤¬±©¤¯¯ ¶¬°∏¯¤·¬²±¶ º¤¶§¨√¨ ²¯³¨§©²µ©²µ¨¶·¨§¬±©¬¯·µ¤·¬±ª¶¯²³¨ ¥¤¶¨§²± ·«¨ ¶∏µ©¤¦¨ µ∏±²©© ª¨ ±¨ µ¤·¬²± ¤±§«¼§µ²¯²ª¬¦¤¯
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≥¬±ª¯¨¶·¨³¤¬2 • ±¨§µ²©©§¬©©¨µ¨±¦¨ ¶¦«¨ °¨¤±§¬·¨µ¤·¬√¨ ¦¤¯¦∏¯¤·¬²± °¨ ·«²§º µ¨¨ ¤§²³·¨§·²¶¬°∏¯¤·¨·«¨ ²√¨ µ¯¤±§©¯²º ¤±§
¶¨·¬°¤·¨·«¨ ¶∏µ©¤¦¨ ¦²¨©©¬¦¬¨±·q°¤µ¤°¨ ·¨µ²³·¬°¬¶¤·¬²± µ¨¶∏¯·¶«¤√¨ ¶«²º±·«¤··«¨ ²√¨ µ¯¤±§©¯²º µ¨¶¬¶·¤±¦¨k ©¨©¨¦·¬√¨ ¶∏µ2
©¤¦¨ µ²∏ª«±¨ ¶¶l²© …¯¤¦® ²¯¦∏¶·k Ροβινια πσευδοαχαχια ql³¯¤±·¤·¬²± ³¯²·¶¤µ¨ ¥¨·º¨¨± s1t|vt ∗ s1utvt o ²±ª²¯¬¤± ²¤®
k Θυερχυσ µονογολιχα)³¯²·s1tzst o¤±§≤«¬±¨ ¶¨ ³¬±¨ kΠινυσταβυλαεφορµισ ≤¤µµql³¯¤±·¤·¬²± s1twuv q’³·¬°¬¶¨§ µ √¤¯2
∏¨¶¬±·«¨ ²√¨ µ¯¤±§©¯²º ®¬±¨ °¤·¬¦¤³³µ²¬¬°¤·¬²± θ € Αηµ ¤µ¨ ¥¨·º¨¨± u1zy ∗ v1s|s º¬·«¤µ¨ ±¨ ¤µ µ € v µ¨³µ¨¶¨±·¬±ª
¶«¨ ·¨©¯²º q׫¨ °²§¨¯¤±§³¤µ¤° ·¨¨µ√¨ µ¬©¬¦¤·¬²±µ¨¶∏¯·¶«¤√¨ ¶«²º±·«¤·¦²°³∏·¨§¤±§° ¤¨¶∏µ¨§µ¬¶¬±ª¬¯°¥¤±§³¤µ·¬¤¯ 2¨
∏´¬¯¬¥µ¬∏° «¼§µ²ªµ¤³«¶©¬··¨§√¨ µ¼ º¨¯¯ q
Κεψ ωορδσ: Œ±©¬¯·µ¤·¬±ª¶¯²³¨ o’√¨ µ¯¤±§©¯²º o‘∏°¨ µ¬¦¤¯ ¶¬°∏¯¤·¬²±o∞©©¨¦·¬√¨ ¶∏µ©¤¦¨ µ²∏ª«±¨¶¶o°¤µ¤°¨ ·¨µ²³·¬°¬¶¤·¬²±
坡面水流在流域水文学研究与应用领域中占有十分重要的地位 ∀目前基于物理过程分布式参数
流域水文模型开发基本上是以坡面水流的数学物理模拟为基础的k„¥¥²··ετ αλ. ,t|{y ~„¶¦²∏ª« µ ετ
αλ. ,t||zl ∀同样 o揭示森林植被影响地表径流过程的物理学机制 o也只有从坡面水流运动的基本方程
出发 o针对森林植被生态系统的特点 o定量研究林地坡面水流运动的基本规律 ∀
采用水动力学方法研究和模拟森林植被地表径流运动 o最为重要的参数是地表径流的阻力系数 ∀
同时 o地表径流阻力系数的估算对于评价水源保护林对地表径流土壤侵蚀 !林地地表贮水等方面的影
响 o也是十分必要的k沈 冰等 ot||v ~张洪江等 ot||xl ∀由于坡面水流的水层很薄 o水流的阻力与河渠
水力学中的糙率不同 o因此 o一般称坡面薄层水流的阻力系数为/有效糙率0k∞±ª°¤±ot|{y ~沈 冰等 o
t||wl ∀但在野外自然坡面状态下 o要想通过实测流速与水深获取坡面地表径流的有效糙率是极为困
难的 o因此 o如何根据实测流量过程线通过寻优计算获取地表径流的有效糙率 o具有重要的意义 ∀
图 t 坡面林地地表径流形成过程示意图
ƒ¬ªqt ≥¦«¨ °¤·¬¦§¬¤ªµ¤° ²©·«¨ ²√ µ¨¯¤±§
µ∏±²©© ª¨ ±¨ µ¤·¬²± ²±·«¨ ©²µ¨¶·¨§¶¯²³¨
t 林地坡面流基本方程
1 q1 林地坡面流基本方程组的形式
对形如图 t的坡面薄层水流 o不考虑雨点冲击力对地表径流
的影响 o并近似为定床水流运动k即不考虑水流侵蚀地表土壤引
起几何形态变化对阻力的影响l o则坡面单宽水流一维运动连续
方程可以表述为 }
9η/ 9τ + υ( 9η/ 9ξ) + η( 9υ/ 9ξ) = ω( ξ , τ)¦²¶Η (t)
若忽略旁侧入流在地表流方向的流速 o动量方程可表达为 }
9υ/ 9τ + υ( 9υ/ 9ξ) + 㦲¶Η( 9η/ 9ξ) = γk¶¬±Η− Σφ) − ω( ξ ,
τ) υ/ η (u)
以上两个方程即为经典的圣维南方程组 o其中 }η( ξ , τ)为水深 ,
υ( ξ , τ)为水层流速 , ξ 为沿水流方向的距离 , τ为时间 , ω( ξ , τ)
为单位面积单位时间净雨率(或称旁侧入流) , γ 为重力加速度 , Η为坡度 , Σφ为摩阻比降 ∀
²µµ¬¶kt|z|l的理论研究证明 o不管坡面的坡度是多大 o也不管采用那一种边界条件 o特别是在天
然流域较陡的坡面上 o运动波数 κ不可能太小 ,小坡度近似求得的坡面径流过程线的误差均较小 ∀因
此 ,令¶¬±ΗΥ·¤±Η,¦²¶ΗΥt ,重写坡面流圣维南方程组为 }
9η/ 9τ + υ( 9η/ 9ξ) + η( 9υ/ 9ξ) = ω( ξ , τ) (v)
9υ/ 9τ + υ( 9υ/ 9ξ) + γ( 9η/ 9ξ) = γ( Σs − Σφ) − θυ/ η (w)
式中 }Σs为坡度 , Σs €·¤±Η∀
1 q2 林地坡面净雨率
森林植被生态系统从水文功能作用上可分 v层 }ktl林冠层 ~kul地被物层kvl根系层 o因此 o可以从
这 v个方面探讨林地坡面净雨率 ∀
降雨进入森林植被生态系统首先经冠层进行第 t次分配 o冠层对净雨率的影响可由下述指数衰竭
方程来刻画 }
ιχ( ξ , τ) = ( Χσ − Χs) ¬¨³(− κt τ) (x)
式中 }ιχ( ξ , τ)为林冠截流强度 , Χσ为林冠饱和截流容量 , Χs 为林冠初始持水量 , κt 为林冠截流强度衰
减指数 ,当考虑的对象为裸露的坡面时 , ιχ( ξ , τ) € s ∀
由于地被物层对地表径流的影响可以归结为对水流阻力的影响 o其对林地坡面净雨率的影响可采
用与上式相似的方程加以描述 ∀森林植被的根系层对净雨率影响是通过土壤水分入渗强度的影响来
体现的 ∀地表处的入渗强度 φ( ξ , τ)可以通过求解土壤水分运动 •¬¦«¤µ§¶方程或通过一定的土壤入渗
方程来获得 ∀据此 o林地坡面水流的净雨率可表示为 }
ω( ξ , τ) = ρ( ξ , τ) − ιχ( ξ , τ) − ιφ( ξ , τ) − φ( ξ , τ) (y)
式中 oρ( ξ , τ)为降雨强度 ; ιφ( ξ , τ)为地被物层截流强度 ∀
u 林地坡面水流的求解
坡面流基本方程是非线性偏微分方程 o其解析解尚难求出 o随着计算机和数值计算技术的迅速发
展 o目前可以对坡面流动力波模型求得数值解 ∀但是 o由于方程中的某些参数难以由野外实验求出 o因
而在实际水文模型开发中动力波模型数值解法的应用相对较少 o但数值模拟结果对于运动波近似和扩
散波近似的精度检验具有十分重要的作用k • ²²¯«¬¶¨µετ αλ. , t|yz ~ ²µµ¬¶ot|{s ~ Š²√¬±§¤µ¤­∏ ετ αλ. ,
vu x期 张志强等 }渗透坡面林地地表径流运动的有效糙率研究
t|{{ ~t||s ~t||tl ∀目前 o运动波模型和扩散波模型近似被广泛应用于基于物理过程分布式水文模型
的开发中k文 康等 ot||t ~…¨ √ ±¨ ot|{u ~t|{x ~t|{| ~t||tl ∀
从实际流域在天然降雨条件下的水文模拟角度分析 o由于天然降雨及土壤入渗具有时空变异性
k雷志栋等 ot|{{ ~≥®¤ªª¶ot|{ul o净雨率在求解域上是随时间空间变化的 o这就导致了坡面流的非恒定
性 o在这种条件下求解坡面流基本方程就更为复杂 ∀因此 o一般分布式水文模型开发均假定在计算网
格内降雨和入渗不随空间变化k ‘¨¤µ¬±ª ετ αλ. ,t|{| ~⁄¤º ¶¨ot||z ~…¤©©¤∏·ετ αλ. ,t||z ~¬∏ ετ αλ. ,
t||zl o则可用某一入渗强度方程描述土壤水分入渗过程 o将其与降雨过程耦合 o并与基本方程联立求
解 o就可获得坡面流的径流过程线 ∀对较小尺度的坡面水流而言 o忽略地表径流水深对入渗强度的影
响和入渗的空间变异后 o可以用同一入渗模型来模拟 o这样就可以将入渗强度随时间变化对坡面流的
影响考虑在内 o从而使得渗透坡面水流的求解就大为简化 ∀
坡面流采用运动波近似 o方程kwl就可采用坡面流的单宽流量与水深的函数关系来表达 }
θ = Αηµ (z)
式中 }Α! µ 为与水流形态有关的参数 ∀
将渗透坡面土壤水分运动简化为入渗率只随时间变化的 ≥°¬·«2°入渗模型 ~将坡面流圣维南方程
组简化为一维运动波模型 o从而大大地简化了求解过程 ∀综上 o渗透坡面林地地表径流求解模式如下 }
9η/ 9τ + 9θ/ 9ξ = ρ(τ) − ιχ(τ) − ιφ(τ) − φ(τ) ({¤)
θ = Αηµ ({¥)
φ(τ) = ρ(τ) − ιχ(τ) , ,τ Φ τπ ({¦)
φ(τ) = φ ] + Α(τ − τs) − α ,τ > τπ ({§)
ιχ = ( Χσ − Χs) ¬¨³(− κt τ) ({ )¨
ιφ = ( Χφσ − Χφs) ¬¨³(− κu τ) ({©)
式中 }τπ为地表开始积水的时间 , φ ] 为稳定入渗率 , τs为临界时间常数 , Α , α为系数 , Χφσ !Χφs !κu 分别
为地被物层饱和截流容量 !初始持水量和截流强度衰减指数 ∀模型求解的初始条件为干床条件 o即 }
η( ξ , τ = s) = s (|)
上边界条件为 }
η( ξ = s , τ) = s (ts)
对于以上方程组 o可采用一步 ¤¬2 • ±¨§µ²©©有限差分格式计算坡面流求解域每一点的水深 o方程
k{¤l的差分方程可写为kŽ¬¥¯ µ¨ετ αλ. , t|zs ~• ²²¯«¬¶¨µot|zwl }
ηι+tϕ
∃τ Υ
ηιϕ
∃τ − Α
(ηιµϕ+t − ηι
µ
ϕ−t)
u ∃ξ −
t
u Α( ω
ι
ϕ+t + ωιϕ−t) +
, ,Α∃τ # µw ∃ξ (η
ιµ −t
ϕ+t + ηι
µ −t
ϕ ) Α(η
ιµ
ϕ+t − ηι
µ
ϕ )
∃ξ −
t
u ( ω
ι
ϕ+t + ωιϕ) − (tt)
, ,(ηιµ −tϕ + ηι
µ −t
ϕ−t) Α(η
ιµ
ϕ − ηι
µ
ϕ−t)
∃ξ −
t
u ( ω
ι
ϕ + ωιϕ−t) + u ∃ξΑµ ∃τ( ω
ι+tϕ − ωιϕ)
相应地 o土壤水分入渗方程的差分值可由k{¦l !k{§l式求得 o计算时 oτπ可由下式确定 }
τπ = τs + ( Αt − φ ] )
t
Α (tu)
运动波模型的差分方程由二阶近似 o其稳定性可由下式判断 }
∃τ
∃ξ Φ
t
Αµ ηµ −t (tv)
模型求解的误差为二阶差商 sk ξul ∀
至此 o可以通过上述方法 o对坡面水流进行数值模拟计算 o求出坡面水流出口kξ € Λs)的流量过程线 ∀
v 林地坡面流有效糙率的计算方法
当林冠截流强度和土壤水分入渗强度模型参数已知时 o求解以上差分方程共有 u个未知数 Α! µ ∀
由于坡面水流阻力特征与水流流态有关 ,若对于特定的水流流态 , µ 为一定值 ,则可选一定的时间步长
wu 林 业 科 学 vy卷
∃τ和距离步长 ∃ξ ,通过叠代运算 ,求得 ξ € Λs(出口处)的流量过程 Θχ(τ) € θ(τ) 3 Β( Β为降雨小区
宽度) ,以方程(tw)为目标函数 :
Φ = 6
δ
ι = t
[ Θs( Λs , τ) − Θχ( Λs , τ)] u (tw)
式中 }Θs !Θχ分别为实测流量和计算流量值 ; δ 为实测流量过程的点数 ∀当目标函数的 Φ为最小值
时 ,利用式(tv)检验计算的稳定性 ,若此式成立 ,此时的 Α即为所求的最优值 ∀对于水流流态不定的情
形 ,亦可通过这一方法优选参数 Α! µ 值 ∀然后根据一定的阻力函数关系就可求得不同林地的地表径
流阻力系数(有效糙率系数) ,如用出口处的水深通过满宁公式就可求得有效糙率值 ∀计算过程如下 :
地表径流水流阻力的谢才公式 :
θ = ΧΣt/ uφ Ρv/ u (tx)
谢才系数 Χ不随水流雷诺数或水深而变化 ∀式中 Ρ 为水力半径 ,对于坡面薄层水流而言 ,可用水
流深度 η来代替 ,对于运动波近似 , Σs € Σφ ,则上式可写为 :
θ = ΧΣt/ us ηv/ u (ty)
谢才系数用满宁公式来确定 o即 }
Χ = tν η
t/ y (tz)
坡面林地的有效糙率 ν就可由正式计算 }
ν = Α−t ηx/ v− µ Σt/ us (t{)
w 人工模拟降雨条件下不同林地地表径流阻力的计算和分析
4 q1 实验标准地与实验方法
w qt qt 林分特征 野外人工模拟降雨试验地点在密云水库上游流域内 ∀试验林分包括刺槐 !油松人
工林和蒙古栎林 v种水源保护林 o每种水源保护林林分调查结果见表 t ∀
表 1 人工模拟降雨标准地调查结果表
Ταβ .1 Ραινφαλλσιµ υλατιον πλοτ χηαραχτεριστιχσ
林分类型
≥·¤±§·¼³¨
坡度
≥¯ ²³¨
kβl
坡向
„¶³¨ ¦·

林龄
≥·¤±§
¤ª¨ k¤l
平均胸径
 ¤¨± …⁄
k¦°l
平均树高
 ¤¨± «¨¬2
ª«·k°l
郁闭度
≤¤±²³¼ ¦²√ 2¨
µ¤ª¨ k h l
刺槐人工林
Ροβινια πσευδοαχαχια uu 西南 ≥ • ux y1u y1{ |s
油松人工林
Πινυσταβυλαεφορµισ us 北 ‘ u{ tu1v z1y {x
蒙古栎林
Θυερχυσ µ ονγολιχα vs 南 ≥ ux x1t x1z {s
表 2 不同林分土壤入渗方程的拟合结果
Ταβ .2 Φιττεδ σοιλινφιλτρατιον παραµετερσφορ διφφερεντ φορεστ πλαντατιονσ
地类
≥·¤±§·¼³¨
≥°¬·«2°¤µ¯¤±ª¨ 入渗方程参数 Œ±©¬¯·µ¤·¬²± ³¤µ¤° ·¨¨µ¶
φ ] Α τs α
刺槐人工林
Ροβινια πσευδοαχαχια s1xsw s1{vz t1||v s1xyy
油松人工林
Πινυσταβυλαεφορµισ s1xu| s1zss v1zsw s1vx{
蒙古栎林
Θυερχυσ µ ονγολιχα s1x|u s1ws| s1zux s1zts
w qt qu 林地土壤水分入渗方程 人工模拟降雨标准地土壤水分入渗 ≥°¬·«2°¤µ¯¤±ª¨ 方程参数是由针
头式模拟降雨机在恒定雨强条件下的实测数据拟合的k于志民等 ot|||l o其结果如表 u所示 ∀
w qt qv 人工模拟降雨实验方法 人工模拟降雨采用摆喷式中型人工模拟降雨机 o降雨高度为 w ° o试
验面积是由长 y ° !宽 u °的钢板围成的径流小区 o降雨机具的雨强率定和流量测定方法见于志民等
kt|||l ∀
4 q2 坡面流运动波近似与参数计算
在认为坡面水流为层流 o即水流
流速与水深呈线性关系的条件下 o于
志民和王礼先kt|||l计算了本研究
区不同林分的巴津系数 ∀以林分结
构 !土壤类型 !地表枯落物等相似为
依据选取本次实验标准地的巴津系
数计算人工模拟降雨坡面流的运动
波数 o其值在 tsv 数量级 o远远大于
坡面水流运动波近似判别标准 o因
此 o可以用运动波模型全项近似坡面
流k¬ª«·«¬¯¯ ετ αλ. ,t|yxl ∀
由于人工降雨高度较林冠低 o同
时计算选用了标准地湿润后的第 u次
和第 w次降雨 o林地地被物层处于近
饱和状态 o因此在根据式k{l给出的方
程组计算不同实验标准地地表流的有
效糙率时 o可以不考虑林冠和地被物
xu x期 张志强等 }渗透坡面林地地表径流运动的有效糙率研究
的截流损失 o即方程k{¤l中的 ιχ和 ιφ均为零 ∀计算的时间步长 ∃τ € ysσ,距离步长 ∃ξ € tss¦°∀以刺槐
人工林 °t• w !°u• u !°v• u v次降雨试验 o油松林人工林 °w• v降雨试验 !蒙古栎林 °x• u降雨试验的实测
流量过程 o分别对这 x个试验标准地的阻力进行叠代计算 o计算结果如表 v∀
表 3 不同林分标准地地表径流谢才系数参数寻优计算结果
Ταβ .3 Οπτιµιζεδ παραµετερσφορ τηε διφφερεντ εξπεριµενταλ πλοτσ
地类
≥·¤±§·¼³¨
模拟降雨小区号
°¯ ²·±∏°¥¨µ
降雨试验编号
≥¬°∏¯¤·¬²± µ∏± ±∏°¥¨µ
降雨强度
k°°r°¬±l
目标函数
¬±¬°∏° Φ
参数
µ
参数
Α
有效糙率
ν
刺槐人工林
Ροβινια πσευδοαχαχια °¯ ²·t °t• w u1ss uvs1|y u1zy t1zw s1t|vt
°¯ ²·u °u• v t1|u z{|1ss u1{t t1|v s1usvu
°¯ ²·v °v• u t1xy xy{1uy v1s|s t1yx s1utvt
油松人工林
Πινυσταβυλαεφορµισ °¯ ²·w °w• v t1vz tvs1xx u1|zs t1{z s1twuv
蒙古栎林
Θυερχυσ µονγολιχα °¯ ²·x °x• u t1wx vy1w{ u1{z t1zz s1tzst
从表 v中可以看出 o刺槐林地的地表阻力最大 o有效糙率 ν 在 s1t|vt ∗ s1utvt之间 ,其次是蒙古
栎林地 ,为 s1tzst ,油松林地为 s1twuv ∀从参数寻优的结果来看 , µ 值在 u1zy ∗ v1s|s之间 ,此值接近
层流时的 µ € v ∀当 µ € t时 ,坡面流为线性水库 ,当 µ € v/ u时为 tss%紊流谢才阻力 ,当 µ € x/ u时
为 tss%紊流满宁阻力 ,当 µ € u时为 yz%紊流谢才阻力(°²±¦¨ ετ αλ. ,t||zl ∀从率定的有效糙率来
看 o坡面人工林地地表径流阻力系数在典型低草草原ks1ts ∗ s1usl和兰草草皮ks1tz ∗ s1w{l地表的满
宁系数之间k • ²²¯«¬¶¨µot|zwl o与陈奇伯等人kt||wl通过实验研究的长江花岗岩地区松栎混交林 !马尾
松纯林的地表径流阻力系数较为接近 ∀造成刺槐林地有效糙率较大的原因有 v个方面 }t是由于当时
营造的刺槐林是为了获得薪柴 o造林密度较大 o达 xsss株r«°u ~u是由于刺槐具有很强的根孽能力 o形
成较为密集的刺槐灌丛分布在刺槐林之间 ~v是刺槐林枯枝落叶层较厚 ∀相比之下 o蒙古栎林由于枯枝
落叶层较厚 o但林下植被较刺槐林稀疏 o其阻力系数较刺槐林小 ∀油松林为常绿针叶林 o林下枯枝落叶
层较薄 o一般在 s1x¦°左右k于志民等 ot|||l o其林地地表径流的阻力系数最小 ∀
为检验参数率定的可靠性 o选取刺槐人工林 °¯ ²·t °t• | o°¯ ²·v o°v• v ~油松人工林 °¯ ²·w °w• w ~蒙古
栎林 °¯ ²·x °x• v w次人工模拟降雨试验 o采用表 v中的最优参数值对其进行数值模拟计算 o并与实测
流量过程进行比较 o将计算结果与实测结果分别点绘在图 u !图 v !图 w和图 x中 ∀
从图中可以看出 o通过上述模型和参数计算的流量与实测流量十分吻合 ∀由于退水过程实测点数
较少 o图中没有给出退水段的模拟结果 ∀采用运动波近似刻画陡坡坡面流的运动过程是可行的 ∀
x 结语
通过以上的分析和计算可以看出 o针对林地地表径流运动形成过程和运动特点建立的渗透坡面林
地地表径流运动基本方程 o采用数值模拟和叠代计算可以获取地表径流的有效糙率值 q对于已知糙率
的情形下则可使用本模型和计算方法模拟地表径流运动过程 q模型和计算方法可以用于基于物理过程
分布式参数流域水文模型开发中 q
图 u 刺槐林 °t• |降雨地表径流实测值与模拟值比较
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图 v 刺槐林 °v• v降雨地表径流实测值与模拟值比较
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yu 林 业 科 学 vy卷
图 w 油松林 °w• w降雨地表径流实测值与模拟值比较
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图 x 蒙古栎林 °x• v降雨地表径流实测值与模拟值比较
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参 考 文 献
陈奇伯 o张洪江 o谢明曙 q森林枯落物及其苔藓层阻延径流速度研究 q北京林业大学学报 ot||wktl }uy ∗ vt
雷志栋等 q土壤水动力学 q北京 }清华大学出版社 ot|{{ }vut ∗ vzy
沈 冰 o王文焰 q植被影响下的黄土坡地降雨漫流数学模型 q水土保持学报 ot||v ozktl }uv ∗ u{
沈 冰等 q坡面漫流过程中有效糙率的实验研究 q水利学报 ot||wktsl }yt ∗ y{
文 康等 q地表径流过程的数学模拟 q北京 }水利电力出版社 ot||t }uv ∗ xx
于志民 o王礼先主编 q水源涵养林效益研究 q北京 }中国林业出版社 ot||| }xs ∗ {|
张洪江等 q晋西不同林地状况对糙率系数 ν值影响的研究 q水土保持通报 ot||x otxkul }ts ∗ ut
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zu x期 张志强等 }渗透坡面林地地表径流运动的有效糙率研究