五雷山生態公益林對小流域洪水過程的影響

田育新， 李錫泉， 牛艷東， 楊 楠， 陳業銀， 王中建

(1.湖南省林業科學院, 湖南 長沙 410004； 2.慈利縣林業局， 湖南 慈利 427200)

五雷山生態公益林對小流域洪水過程的影響

田育新1， 李錫泉1， 牛艷東1， 楊 楠1， 陳業銀2， 王中建2

(1.湖南省林業科學院, 湖南 長沙 410004； 2.慈利縣林業局， 湖南 慈利 427200)

以五雷山生態公益林區女兒寨小流域為研究對象，采用長期定位監測的方法，研究了生態公益林對小流域洪水過程的影響。結果表明：小流域洪水年的森林覆蓋率Fi(%)與洪水滯后時間差Hi始(min)、洪峰滯后時間差Hi峰(min)、洪峰流量Wi峰(m3/s)均以一元線性關系藕合最為密切，Fi=a+bHi (始、峰)(Wi峰)，a、b為常數；女兒寨小流域森林覆蓋率每增加1個百分點，洪水始發滯后降雨時間差就延長4.2892min，洪峰滯后于降雨時間差就延長6.9797min，洪峰流量減小0.0455m3/s。

洪水過程； 小流域； 生態公益林

生態公益林是指以維護和改善生態環境、保持生態平衡、保護生物多樣性等滿足人類社會的生態、社會需求和可持續發展為主體功能，主要發揮公益性作用的森林、林木和林地[1]。在短時間內，大量降水匯入河槽，形成特大徑流，稱為洪水[2]。近20年來，國內針對防護林效益計量評價的相關研究報道較多，如林冠截留[3-5]、效益計量評價[6-7]、植被類型與水文研究[8]、徑流平衡研究[9-10]等，但對防護林與洪水過程關系的相關研究少有報道。我們以湖南省生態公益林慈利生態定位研究站10年來的觀測資料為基礎，系統研究了生態公益林與小流域洪水過程的關系，為評價湖南省生態公益林建設成效提供參考。

1 五雷山重點生態公益林區女兒寨小流域自然概況

五雷山重點生態公益林區女兒寨小流域位于慈利縣城西北約12km處，為澧水二級小支流，大致呈東西向，屬武陵山脈中低山區，總溝口水文站處海拔210m，最高峰917.4m，主溝長約1.2km，小流域總溝口水文站控制面積281hm2，人口277人(77戶)，小流域內地形復雜，山巒起伏，溝壑縱橫，溝壑密度約2.6km/km2，主溝縱比降約28.4‰[10]。小流域2000年、2003年、2007年土地利用情況詳見表1。

表1 五雷山重點生態公益林小流域土地面積利用情況Tab.1 ThelanduseconditionofsmallwatershedofmainecologicalforestinWuleiMountain(hm2)年份林地水田旱地菜地溝道水域道路宅基地荒山合計2000138.114.1325.121.5238.8024.524.6044.20281.002003182.614.1311.621.5238.8024.524.6013.20281.002007202.324.135.071.5438.8024.524.620281.00

20世紀60—70年代，由于當時受社會各方面的影響，女兒寨小流域內森林遭到了毀滅性破壞，天然林已喪失殆盡，水土流失相當嚴重，從80年代起，才開始緩慢的植被恢復。1990年之后，女兒寨小流域被納入了湖南省消滅宜林荒山、長江防護林、退耕還林工程和公益林建設范圍。這些工程建設促進了女兒寨小流域的植被恢復與重建，使小流域內林地保存面積由2000年的138.11hm2上升到2003年的182.61hm2和2007年的202.32hm2，其中防護林面積由2000年的39.00hm2上升到2003年的45.00hm2和2007年的52.00hm2，用材林面積由2000年的18.50hm2上升到2003年的21.90hm2和2007年的24.40hm2，經濟林由2000年的17.50hm2上升到2003年的22.10hm2和2007年的25.80hm2，封山育林面積由2000年的63.11hm2上升到2003年的93.61hm2和2007年的100.12 hm2；蓄積量由2000年的3543.75m3上升到2003年的4338.75m3和2007年的5135.55m3；現存生物量由2000年的4679.17t上升到2003年的6345.70t和2007年的7299.71t；森林覆蓋率由2000年的49.15%上升到2003年的64.99%和2007年的72.00%。女兒寨小流域生態環境也隨之發生了顯著的變化。小流域森林資源變化情況見表2。

表2 五雷山重點生態公益林區女兒寨小流域森林資源變化情況Tab.2 ThechangingconditionofforestresourceofsmallwatershedofmainecologicalforestinWuleiMountain年份造林面積(hm2)防護林用材林經濟林小計封山育林面積(hm2)植被恢復總面積(hm2)蓄積量(m3)現存生物量(t)森林覆蓋率(%)200039.0018.5017.5075.0063.11138.113543.754679.1749.15200345.0021.9022.1089.0093.61182.614338.756345.7064.99200752.0024.4025.80102.20100.12202.325135.557299.7172.00

2 研究方法

2.1降雨量記錄與計算

通過小流域標準小氣候觀測站獲取降雨資料。1998年，在小流域內地形開闊處設有標準小氣候觀測站一個(離總溝口水文站水平距離約20m)，面積為25m×25m。在該觀測站長期定位監測的氣象要素有：地溫、氣溫、濕度、風速和風向以及降水過程與降雨量、蒸發量[12]等。降雨量主要通過虹吸式自記雨量計進行記錄。虹吸式自記雨量計每天8:00人工換紙1次，然后根據自記紙上的降雨過程線計算日降雨量、降雨強度。

2.2水位記錄

通過小流域總溝口水文站獲取徑流資料。1998年，在小流域總溝口設一個喉道寬2.5m、高2.5m的巴歇爾量水槽，采用SW40型日記式自記水位計進行記錄，每天8:00人工換紙1次[12]。

2.3典型降雨與洪水過程摘錄

根據2000—2008年降雨及洪水自記資料，選擇單洪峰洪水及與其相對應的降雨過程，并對前期降雨情況、開始降雨時間、前1h降雨量、1h最大降雨量、降雨總量等降雨要素及洪水類型、洪峰開始時間、最高洪水位、洪水歷時等洪水要素進行摘錄。摘錄的典型降雨及洪水過程見表3。

2.4數據處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據處理，顯著性分析采用t-檢驗法，方差分析采用q-檢驗法。

3 結果與分析

影響洪水的因素主要有暴雨(≥50mm/次)特征(包括暴雨強度、時間和空間分布等)，流域特性(包括面積、形狀、坡度、溝網、土壤、植被和地質條件等)、河槽特點(河槽斷面、坡度、糙率等)及人為活動(蓄水工程、植樹造林、封山育林及水土保持設施等)。對女兒寨小流域來說，影響洪水的因素主要有暴雨特征和植被狀況。

3.1小流域典型降雨特征、森林覆蓋率與洪水要素的關系

女兒寨小流域洪水的形成主要由強降雨引起。為了比較客觀、準確、科學的分析植被恢復與洪水的關系，我們選擇了9場典型降雨所形成的洪水過程進行比較分析。小流域森林覆蓋率、典型降雨及洪水基本特征見表4。

從表4中可以看出：①降雨過程基本相似。前1h降雨量均較大，降雨量6.7～10.4mm/h之間，平均8.36mm/h； 1h最大降雨量在17.3～25.3mm之間，平均降雨量19.9mm/h；總降雨量在51.6～78.6mm/次之間，平均降雨量59.84mm/次，均已達到暴雨標準(≥50mm/次)。②在降雨過程基本相似的情況下，隨著小流域森林覆蓋率的增加，洪水始發滯后降雨時間差、洪峰滯后降雨時間差均呈延長之勢，而洪峰流量則呈減小之勢。

表3 典型降雨及洪水過程摘錄表Tab.3 Thetypicalrainfallandfloodprocessextracttable時間(年-月-日)降雨特征洪峰過程前3d降雨量(mm)開始降雨時間(時—分)總降雨量(mm·次-1)降雨量(mm)開始時間(日T時:分)洪峰時間(日T時:分)最高洪水位(cm)洪水歷時(h)前1h1h最大2000—07—196.910:4551.97.818.819T12:5420T01:5668.944.92001—06—17014:5557.38.717.317T17:1518T06:3068.746.62002—05—286.208:1054.16.918.528T10:4129T00:5765.450.32003—05—05410:1051.67.119.205T12:4706T03:0364.850.92004—05—10012:5078.610.121.510T15:3611T05:5865.352.02005—06—053.319:1068.18.219.405T22:2106T12:3263.752.82006—10—17014:5057.76.725.317T18:1918T08:2656.953.42007—08—220.301:2057.89.317.622T05:0522T19:1153.354.62008—08—03002:2061.510.421.503T06:1803T20:1752.654.8 注:洪水類型均為單洪峰。

表4 女兒寨小流域典型降雨、洪水過程特征Tab.4ThecharactersoftypicalrainfallandfloodprocessofNuer-villagesmallwatershed暴雨時間(年-月-日)森林覆蓋率(%)降雨特征值洪峰特征值降雨量(mm)前1h1h最大總降雨量(mm·次-1)洪水始發距開始降雨時間差洪峰距開始降雨時間差(h)(min)(h)(min)洪峰流量(m3·s-1)2000—07—1949.157.818.851.92.212915.2 9113.29942001—06—1754.438.717.357.32.314015.6 9353.28422002—05—2859.716.918.554.12.515116.810073.03772003—05—0564.997.119.251.62.615716.910132.99382004—05—1066.7410.121.578.62.816617.110283.03042005—06—0568.498.219.468.13.219117.410422.91382006—10—1770.256.725.357.73.520917.610562.43902007—08—2272.009.317.657.83.822517.910712.20132008—08—0372.5510.421.561.54.023818.010772.1562 注:時間差統計中,h為近似值,min為準確值。

3.2森林覆蓋率與洪水要素的數學模型

為了進一步研究植被恢復對洪峰過程的影響，我們建立了洪水年的森林覆蓋率Fi(%)與其洪水滯后時間差Hi始(min)、洪峰滯后時間差Hi峰(min)、洪峰流量Wi峰(m3/s)等洪水要素的多種函數數學模型，結果均以一元線性關系(Fi=a+bHi(始、峰)(Wi峰)，a、b為常數)藕合最為密切。按此一元線性關系式計算，得出女兒寨小流域洪水年的森林覆蓋率與洪水要素的數學模型見表5。

從表5可以看出：①小流域洪水始發滯后降雨時間差Hi始(min)與洪水年的森林覆蓋率Fi(%)呈正相關，森林覆蓋率越高，則洪水始發滯后降雨時間差就越長，森林覆蓋率每增加1個百分點，則洪水始發滯后降雨時間差就延長4.2892min。②小流域洪峰滯后于降雨時間差Hi峰(min)與洪水年的森林覆蓋率Fi(%)呈正相關，森林覆蓋率越高，則洪峰滯后于降雨時間差Hi峰(min)就越長，森林覆蓋率每增加1個百分點，則洪峰滯后于降雨時間差就延長6.9797min。③洪峰流量Wi峰與洪水年的森林覆蓋率Fi(%)呈負相關，森林覆蓋率越高，則洪峰流量就越小，森林覆蓋率每增加1個百分點，則洪峰流量減小0.0455m3/s。

表5 森林覆蓋率—洪水要素的數學模型Tab.5 Themathematicalmodelofforestcoverage-floodelements模型數學表達式R2P森林覆蓋率與洪水始發滯后降雨時間差的模型Hi始=97.164+4.2892×Fi0.8133<0.05森林覆蓋率與洪峰滯后降雨時間差的模型Hi峰=567.060+6.9797×Fi0.9706<0.05森林覆蓋率與洪峰流量的模型Wi峰=5.7405-0.0455×Fi0.7165<0.05 注:3個模型的約束條件均為P前3d≤6.9mm,6.7mm≤P前1h≤10.4mm,17.3mm≤P1h最大≤25.3mm,51.6mm≤P降雨量≤78.6mm。

4 結論與討論

4.1結論

(1) 小流域洪水年的森林覆蓋率Fi(%)分別與洪水滯后時間差Hi始(min)、洪峰滯后時間差Hi峰(min)、洪峰流量Wi峰(m3/s)均以一元線性關系藕合最為密切，Fi=a+bHi(始、峰)(Wi峰)，a、b為常數。

(2) 小流域洪水始發滯后降雨時間差Hi始(min)與洪水年的森林覆蓋率Fi(%)呈正相關，森林覆蓋率越高，則洪水始發滯后降雨時間差就越長，森林覆蓋率每增加1個百分點，則洪水始發滯后降雨時間差就延長4.2892min。

(3) 小流域洪峰滯后于降雨時間差Hi峰(min)與洪水年的森林覆蓋率Fi(%)呈正相關，森林覆蓋率越高，則洪峰滯后于降雨時間差Hi峰(min)就越長，森林覆蓋率每增加1個百分點，則洪峰滯后于降雨時間差就延長6.9797min。

(4) 小流域洪峰流量Wi峰與洪水年的森林覆蓋率Fi(%)呈負相關，森林覆蓋率越高，則洪峰流量就越小，森林覆蓋率每增加1個百分點，則洪峰流量減小0.0455m3/s。

4.2討論

(1)森林延緩洪水和洪峰出現時間及降低洪峰流量是通過森林對降雨的攔截，森林的蒸騰、蒸發，森林土壤較強的水分滲透率及減少地表徑流等綜合功能而發揮作用的。覆蓋率大的森林，則其葉量大，枝葉銳生，故蒸騰量大，具有較強的截留降雨功能。森林在延緩洪水和洪峰出現時間及降低洪峰流量等方面的作用，主要通過其以下幾方面的功能發揮作用：①林冠及枯枝落葉層的攔蓄功能。降雨時，茂密的林冠首先截留一部分雨水，慢慢的蒸發返回大氣中，林冠的截留雨量取決于林分狀況(林分組成、密度、枝葉分布狀況等)與降雨狀況等，一般林冠可以截留降雨量的15%～40%；其次是林地枯枝落葉層對林下降雨的再次截留和吸收，枯枝落葉層的持水能力很強，其吸水量可達自身重量的2～5倍。林冠及枯枝落葉層攔蓄的水量從全年來講是可觀的，其攔蓄水量可達15%～35%，但就1次降雨過程(特別是大雨或暴雨)來說，其截留量不大，約為幾毫米至數十毫米。因此，林冠及枯枝落葉層能減少一部分徑流量，但對減小洪水的作用是有限的。②森林土壤蓄滲水功能。森林植物給其土壤提供了豐富的有機質，通過土壤小動物和微生物(細菌、真菌)的作用，有利于土壤團粒結構的形成。有團粒結構的土壤一般疏松、多孔，具有較高的蓄水和透水性能。植物的根系可以穿透和疏松土壤，土壤動物和昆蟲的活動可以改善土壤結構，增加土壤的孔隙度和滲透性，而土壤孔隙的大小及其分布情況決定著水分在土壤中的貯存和運動速度。森林土壤中較多的大孔隙(土壤顆粒間存在的直徑1～10mm的孔隙)提高了土壤水分滲透率，從而減少地表徑流，延長水分向土壤深層滲透的時間，補充了地下水，對延緩洪水和洪峰出現時間及減少洪水量具有重要作用。

(2)小流域森林覆蓋率對延緩洪水和洪峰出現時間及降低洪峰流量具有重要作用，因此，生態公益林建設應把擴大生態公益林面積和提高森林質量放在首位，使生態公益林的綜合效益得以最大程度發揮。

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InfluenceofecologicalforestonsurfacefunoffinwatershedsofWuleiMountains

TIAN Yuxin1, LI Xiquan1, NIU Yandong1, YANG Nan1, CHEN Yeyin2, WANG Zhongjian2

(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China; 2. Forestry Bureau of Cili Country, Cili, 427200, China)

Based on the research of Nuer-village small watershed in Wulei Mountains researched by long-term methods, the influence of ecological forest on surface runoff in watersheds were analyzed. Results show that the forest coverageFi(%) of flood years have closely coupled with linear relationship among flood lag time differenceHistart(min), flood peak lag time differenceHipeak(min), peak dischargeWistart(m3/s), respectively,Fi=a+bHi(start、peak)(Wipeak)，a,bare constants. When the forest coverage of Nuer-village small watershed increased one point, the time difference of the floods originating extend 4.2892 min and flood peak lagged behind rainfall extend 6.9797 minutes, and the peak flow reduced 0.0455m3/s.

flooding process; small watershed; ecological public welfare

2011-06-17

2011-08-29

湖南省林業廳重點項目(生態公益林效益監測)。

田育新(1968-)，男，湖南省澧縣人，主要從事森林生態水土保持研究。

S 715.3

A

1003-5710(2011)05-0018-04

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2011. 05. 005

(文字編校：唐效蓉，龔玉子)