岳健敏，張金池＊，付達(dá)夫，莊家堯，劉 鑫

（1.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江蘇 南京210037；2.國(guó)家林業(yè)局 中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙410014）

自然界的水文現(xiàn)象，是多因素相互作用的結(jié)果，20世紀(jì)初，在瑞士Emmental山地的2個(gè)不同森林覆蓋率集水區(qū)進(jìn)行的河流流量對(duì)比試驗(yàn)，是現(xiàn)代水文學(xué)研究的開端［1-2］。流域水文模型的研究始于20世紀(jì)50年代，它是針對(duì)流域上發(fā)生的水文過程進(jìn)行模擬所建立的數(shù)學(xué)模型。隨著全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，作為水文循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，“森林和水”的研究受到越來越多的關(guān)注并開展相關(guān)森林水文的研究［3］，由于水文現(xiàn)象的形成機(jī)理尚不完全清楚，水文模型成為研究這種復(fù)雜現(xiàn)象的重要工具。

SCS模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局（Soil Conservation Services）經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)地調(diào)研提出用來估測(cè)降雨徑流的經(jīng)驗(yàn)型模型［4］，其特點(diǎn)是所需資料簡(jiǎn)單易取，并能反映不同土壤類型、不同土地利用方式及前期土壤含水量對(duì)降雨徑流的影響［5］。SCSCN經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒粌H用于小流域及城市水文、水保、防洪工程計(jì)算的水文模型，還作為其他綜合模型的一個(gè)子模型用于地表徑流的計(jì)算［6］如：CREAMS［7］、EPIC［8］、AGNAPS［9］等，模型應(yīng) 用的空間尺度范圍從20m×5m的徑流小區(qū)到1 000km2的中等流域，應(yīng)用的氣候范圍分布于氣候溫濕潤(rùn)帶至沙漠地區(qū)［10-12］。

SCS-CN經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一個(gè)反映降雨前流域下墊面特征的綜合參數(shù)——徑流曲線數(shù)（CN），其值的大小反映了流域土壤的濕潤(rùn)狀況［13］，它不是單獨(dú)確定的一個(gè)數(shù)，是一個(gè)系列值（SCS 1985；Hjelmfelt 1991）［14-15］，不同流域 CN 值不同，同一個(gè)流域也可能存在一個(gè)或多個(gè)CN值，CN的變異主要受環(huán)境因子的影響，前期降水量和土壤水分含量在很早就被認(rèn)為是最易處理的可變性來源，這是前期土壤濕潤(rùn)條件（antecedent moisture condition，AMC）概念的起源（SCS 1985）［15］。土壤濕潤(rùn)狀況影響著降雨入滲速率和入滲量，因此對(duì)地表產(chǎn)流能力及CN有著明顯影響［16］，目前對(duì)于同一土地利用類型CN值應(yīng)對(duì)不同土壤含水量、降雨量等的變異程度研究較少。

本文的研究對(duì)象是南京江寧區(qū)祿口鎮(zhèn)的銅山林場(chǎng)中的毛竹林小流域，隸屬于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)山地丘陵區(qū)，該地區(qū)水資源緊缺矛盾日益凸顯，越來越成為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素。本文的目的是通過對(duì)毛竹林典型小流域的降雨徑流規(guī)律進(jìn)行研究，探討SCS模型關(guān)鍵參數(shù)——CN（徑流曲線數(shù)）在該流域應(yīng)用的主要影響因子，以期為該地區(qū)域水資源水環(huán)境管理和生態(tài)用水定額的制定提供理論依據(jù)和科學(xué)方法。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)研究選取的小流域?yàn)榈湫土饔颍址譃槊窦兞郑≒hyllostachys heterocycla），流域面積34.895hm2，研究區(qū)位于銅山分場(chǎng)（31°35′-31°39′N，118°50′-118°52′E），隸屬于南京市近郊國(guó)營(yíng)東善橋林場(chǎng)，距南京市20km。年平均降水量1 100 mm，存在2個(gè)多雨期：即春夏之交的梅雨期和夏季的臺(tái)風(fēng)雨期，降雨的特點(diǎn)是冬春次乏量少、夏秋頻繁量多，全年以4-9月降雨量最盛，約占全年降雨量的7 1%。年平均氣溫1 5.1℃，全年日照時(shí)數(shù)為2 199.5h，地形為蘇南丘陵，土壤類型為黃棕壤，海拔范圍38～388m，坡度22°，植被覆蓋度85%。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與觀測(cè)

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)來源于銅山林場(chǎng)2010-2012年毛竹林降雨徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用積分法進(jìn)行時(shí)段以及日、月降雨量、徑流量的計(jì)算［17］

2.1.2 數(shù)據(jù)觀測(cè) 降雨量觀測(cè)：在觀測(cè)林分中選取生長(zhǎng)條件良好的典型坡面設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，確定樣地大?。?0m×20m），其內(nèi)設(shè)置3個(gè)集水槽（200cm×20cm×20cm），用于收集穿透雨，布設(shè)時(shí)盡量除去周圍過高的草本植被，使其低于徑流槽，避免干擾，將降雨導(dǎo)入稱重式自動(dòng)排液式穿透雨測(cè)定系統(tǒng)，最后根據(jù)集水槽的面積以及3個(gè)集水槽收集到的穿透雨量換算出林內(nèi)降雨量，降雨量結(jié)合雨量筒數(shù)據(jù)取平均值，1.0mm降雨量采用翻斗式雨量計(jì)遠(yuǎn)程信息傳輸系統(tǒng)通過衛(wèi)星平臺(tái)遠(yuǎn)程發(fā)送信息1次。

徑流量觀測(cè)：在毛竹林小流域集水區(qū)出口設(shè)置了45°頂角三角薄壁堰和浮子式自記水位觀測(cè)計(jì)，用以實(shí)時(shí)觀測(cè)徑流水位線，水位流量系數(shù)計(jì)算公式［5］為：

式中：Qs為45°頂角三角薄壁堰在某一時(shí)刻流量系數(shù)（m3／s）；H 為45°頂角三角薄壁堰某一時(shí)刻的水位（m）。

地表徑流+壤中流、基流的觀測(cè)：在毛竹林小流域范圍內(nèi)設(shè)置1個(gè)徑流場(chǎng)（面積5m×20m，坡度15°），用于觀測(cè)地表徑流+壤中流、基流，降雨時(shí)徑流場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為地表徑流+壤中流，無降雨時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)為基流。

土壤體積含水量的測(cè)定：采用ECH2O土壤含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，ECH2O傳感器通過測(cè)量土壤的介電常數(shù)來計(jì)算土壤體積含水率。

參照SCS模型［18］反推得到CN值的計(jì)算式：

公式中：A=（5P+254）2-Q（25P-5 080），

B=50 800＊（5P+254）+508 000Q，

C=25 4002

其中P為降雨量，Q是相對(duì)應(yīng)的徑流量。

2.2 數(shù)據(jù)圖像處理軟件

數(shù)據(jù)分析軟件：Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算處理；SPSS 19做相關(guān)性分析和多元回歸分析。

圖像處理軟件：originpro 8.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹林小流域徑流及其組分與降雨量影響分析

水文循環(huán)的主要組分有降水、蒸散發(fā)、儲(chǔ)藏水和徑流，徑流又可分為地面徑流、壤中流和地下徑流。影響產(chǎn)流的因素很多，包括降水特性、地質(zhì)地貌特征、下墊面熱狀況、土壤特性和植被等，本文主要研究毛竹林林內(nèi)降雨量對(duì)徑流組分的影響。

3.1.1 毛竹林多年平均徑流組分分析 毛竹林小流域多年平均徑流組分見表1。

毛竹林小流域多年平均徑流量49.61mm，占年降雨量的6.55%，年平均地表徑流與壤中流總量為16.90mm，占年降雨量的2.23%；年平均基流量32.63mm，占年降雨量的4.31%。毛竹林年蒸發(fā)量為320mm，根據(jù)流域系統(tǒng)水量平衡原理，年均地下滲透量為387.39mm，能很好地補(bǔ)給地下水資源，根據(jù)土壤系統(tǒng)的水量平衡原理，土壤層中的蓄水量是337.86mm，占年降雨量44.63%，說明毛竹林小流域的森林體系具有巨大的水源涵養(yǎng)功能。

3.1.2 毛竹林徑流組分與降雨量變化分析 對(duì)南京城郊毛竹林小流域坡地月徑流與降雨量分析表明，降雨量與各月徑流組分之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，如圖1。

表1 毛竹林小流域多年平均徑流組分Table 1 Annual averaged runoff components on small watershed in bamboo forest mm

圖1 月降雨量與月徑流組分的關(guān)系Fig.1 Monthly rainfall and monthly runoff components

圖1A所示，毛竹林小流域降雨量與月總徑流量呈顯著正相關(guān)，回歸關(guān)系式為Y=0.064 X-0.102，R2=0.911，圖1B表明，毛竹林坡地月降雨量與月壤中流+地表徑流線性回歸顯著相關(guān)，呈正相關(guān)趨勢(shì)，回歸關(guān)系式為Y=0.029 X-0.623，R2=0.946，圖1C所示，毛竹林小流域月降雨量與月基流量呈顯著正相關(guān)，回歸關(guān)系式為Y=0.035 4 X+0.513 7，R2=0.796。

在降雨產(chǎn)流過程中，隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)，水分從土壤表面滲入土層，隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)，水分有部分滲漏，這種現(xiàn)象稱之為入滲，是土壤水分最常見向下運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，也是徑流形成過程的重要環(huán)節(jié)。一般可劃分為滲潤(rùn)階段、滲漏階段、滲透階段，土壤蒸發(fā)是土壤水耗損的一個(gè)重要組成，也是土壤水向上運(yùn)動(dòng)最常見的一個(gè)現(xiàn)象，在徑流產(chǎn)生過程中，土壤水分向上和向下移動(dòng)造成的損失稱為產(chǎn)損，如圖1D所示，主要的降雨事件都集中在20～100mm，隨著降雨量的逐步增加，產(chǎn)損量也呈同步上升的趨勢(shì)，二者呈顯著正相關(guān)，回歸關(guān)系式為Y=0.936 X+0.102，R2=0.999。說明在降雨產(chǎn)流過程中，降雨是影響該地區(qū)徑流年際變化的主要因素。

3.2 毛竹林小流域CN值與各影響因素相關(guān)性分析

3.2.1 毛竹林小流域CN值與各影響因素相關(guān)性 SCS模型中，徑流曲線數(shù)（CN）是反映降雨前流域下墊面特征的綜合參數(shù)，對(duì)降雨徑流的預(yù)測(cè)有著顯著的影響，研究表明CN值與前期土壤濕度（antecedent moisture condition，簡(jiǎn)稱 AMC）、坡度、植被、土壤類型和土地利用方式有關(guān)，取值范圍為0～100［6］。本文主要研究分析了CN值與降雨量、徑流量、產(chǎn)損量、土壤體積含水量以及降雨量／土壤體積含水量（RSVW）的相關(guān)關(guān)系，Pearson分析結(jié)果如表2。

表2 CN值與各影響因子的Pearson相關(guān)性Table 2 The Pearson correlation from the value of CN with each influence factor

如表3所示，CN值與徑流量和土壤體積含水量相關(guān)性不強(qiáng)，與降雨量、產(chǎn)損量、RSVW之間呈極顯著高度負(fù)相關(guān)，其中與產(chǎn)損量相關(guān)性最高，達(dá)0.950，與降雨量相關(guān)性達(dá)0.943，與RSVW的相關(guān)性達(dá)0.902，說明本流域影響CN值的主要因子是降雨量、產(chǎn)損量、降雨量／土壤體積含水量。

3.2.2 毛竹林小流域CN值與各顯著影響因子關(guān)系建立 不同立地、不同環(huán)境條件下，越濕潤(rùn)的流域，CN值越大，表明流域濕潤(rùn)狀況越佳，地表越容易產(chǎn)流［19］。當(dāng)CN→0時(shí)，相對(duì)的S→∞（S-流域最大蓄水量），表示流域具有完全意義的滲透能力，即地表無徑流產(chǎn)生；CN→100時(shí)，相對(duì)的S→0，即流域無滲透，降雨全部轉(zhuǎn)化為地表徑流。對(duì)毛竹林小流域各影響因子與CN值回歸分析如圖2、表3。

降雨量、產(chǎn)損量、土壤體積含水量均影響著土壤的濕潤(rùn)度，在同一立地條件下，對(duì)于不同降雨事件，產(chǎn)流受土壤濕潤(rùn)程度和降雨量的共同作用。毛竹林小流域單因子降雨量與CN值之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2A），20～40mm小降雨事件對(duì)應(yīng)的CN值較大，表明毛竹林小流域土壤水源涵養(yǎng)能力較好，流域水分滲透作用較小，利于產(chǎn)流。大降雨量對(duì)應(yīng)較小的CN值，可能是因?yàn)榇蠼涤晔录l(fā)生在夏季，間隔期較長(zhǎng)，并且毛竹林蒸騰蒸發(fā)作用較強(qiáng)，土壤水分受植被的蒸騰拉力和土壤毛管空隙的雙重作用，導(dǎo)致土壤水分的向上向下移動(dòng)，造成土壤層相對(duì)較干燥，CN值相對(duì)較小。

圖2 CN值與各影響因子關(guān)系Fig.2 The relationship between the value of CN and each influence factor

土壤體積含水量可以作為土壤濕潤(rùn)情況的參量，研究結(jié)果顯示，降雨量和土壤體積含水量相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.408；CN值和土壤體積含水量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)也僅為-0.428。但是前期降水量和土壤水分含量在很早就被認(rèn)為是最易處理的可變性來源，這就是前期土壤濕潤(rùn)條件（antecedent moisture condition，AMC）概 念 的 起 源 （SCS 1985）［15］，因此本文利用毛竹林降雨量、降雨前土壤水分得到降雨量與土壤體積含水量的比，用其來反映前期土壤濕潤(rùn)條件（antecedent moisture condi-tion，AMC），分析CN值與降雨量／土壤含水率的關(guān)系（圖2B），毛竹林小流域的濕潤(rùn)等級(jí)主要分布在0～4范圍，CN值和降雨量／土壤含水率呈顯著指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著降雨量／（土壤體積含水量×100）的增加，CN值逐步平緩，降雨量／（土壤體積含水量×100）的增加，反映的是流域土壤較干旱，CN值減小。

在降雨產(chǎn)流過程中，土壤水分會(huì)有一部分損失，導(dǎo)致土壤濕潤(rùn)狀況下降，CN值也隨之下降，隨著產(chǎn)損量的逐步增加，CN值有逐步下降的趨勢(shì)，如圖2C所示，主要原因可能是，在降雨產(chǎn)流過程中，由于地表蒸發(fā)、植被蒸騰、土壤層的下滲作用，土壤的水分會(huì)有部分損失，導(dǎo)致土壤的濕潤(rùn)狀況發(fā)生改變，引起CN值的變化。

表3 CN值與各顯著影響因子多元回歸模型Table 3 The multiple linear regression model of the value of CN

4 結(jié)論

分析了在毛竹林小流域這個(gè)特定研究區(qū)域內(nèi)，徑流及其組分與降雨量的關(guān)系，SCS模型中的關(guān)鍵參量CN值與各影響因素相關(guān)分析。

毛竹林具有巨大的水源涵養(yǎng)功能，毛竹林小流域月降雨量與月總徑流量、月地表徑流量+壤中流、月基流量、產(chǎn)損量呈顯著正相關(guān)，降雨是影響該地區(qū)徑流年際變化的主要因素。

本流域影響CN值的主要因子是降雨量、產(chǎn)損量、降雨量／土壤體積含水量（RSVW）。

根據(jù)毛竹林小流域CN值與各影響因子相關(guān)性強(qiáng)弱建立回歸模型，模型顯著，在一定程度上CN值分別與降雨量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，回歸關(guān)系式為Y=67.493e-0.011x+22.07，R2=0.925；CN 值和降雨量／土壤含水率的比呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系，Y=73.39e-0.225x+21.26，相關(guān)系數(shù)R2=0.894；CN值和產(chǎn)損量呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，回歸關(guān)系式為Y=80.426-0.315 X，R2=0.899。

5 討論

本試驗(yàn)沒有根據(jù)該流域的地形特征和土壤特征對(duì)該流域土地類型進(jìn)行劃分，沒有對(duì)流域土壤理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定分析，土壤性質(zhì)的不同會(huì)影響土壤入滲、土壤蒸發(fā)和壤中流等土壤水分運(yùn)動(dòng)［20］。根據(jù)程根偉［21］等人的研究分析發(fā)現(xiàn)林地土壤具有較大的孔隙度，尤其是非毛管孔隙度大，因此相對(duì)于其他土地利用類型的土壤，森林土壤的入滲率較高、入滲量大。不同土壤層對(duì)土壤含水量也有較大影響，如劉小林［22］等人的研究表明，0～10cm土層與其他土層土壤含水率相比差異較大，這可能與表層枯落物層厚度大有關(guān)，和該研究區(qū)域10～20cm土層容重較大、孔隙度較小有較大的關(guān)系。

對(duì)于毛竹林林分的考慮不周全，不同的林分特征對(duì)降雨徑流過程的影響主要是林冠層截留量和植物的蒸騰作用。森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)主要受林木冠層對(duì)降雨過程的影響［23］，這又分為穿透雨和林冠截留這兩部分，根據(jù)降落形式細(xì)化，穿透雨為經(jīng)過林木冠層截留后的滴落水和穿過林木縫隙直接到達(dá)林地表面的穿透水［24］，這些都與林分類型、林齡、林冠郁閉度、葉面積指數(shù)密切相關(guān)；同時(shí)不同林齡林地水分含蓄功能也存在差異，根據(jù)徐小牛［25］等人的研究發(fā)現(xiàn)，在亞熱帶存在由于人為干擾的林分自然恢復(fù)，在植被恢復(fù)過程中，林地土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率顯著提升，并且隨著林齡的增加，林地土壤的總蓄水量和有效需水量逐漸增加。因此在研究降雨徑流水分循環(huán)時(shí)，應(yīng)該著重考慮林分的林齡效果。

在降雨量的分析過程中，應(yīng)該按降雨強(qiáng)度、雨量大小劃分區(qū)間；對(duì)于產(chǎn)損的分析，應(yīng)適當(dāng)綜合氣象因子如太陽福射、空氣水汽壓虧缺、溫度、濕度、風(fēng)速等和植被因子如氣孔導(dǎo)度、葉片溫度、葉面積指數(shù)、蒸騰速率等綜合考慮。對(duì)于SCS模型的應(yīng)用，最好提前對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行率定。

在今后的研究中應(yīng)該加入土地類型劃分，確定流域的潛在蓄水能力，精確流域的CN值，提升降雨徑流分析的精度，加入林冠層，林分類型林齡研究，綜合考慮氣候因子，深入研究SCS模型的影響因素，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，提高SCS模型在該地區(qū)的使用精度，有利于模型的應(yīng)用。

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