植被恢復下黃土高塬溝壑區(qū)的產流機制與模式

關鍵詞：植被恢復；產流機制；水土保持；生態(tài)水文；黃土高原

中圖分類號：ＴＶ１２１＋．７；ＴＶ１２２；Ｓ１５７．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．００７

引用格式：穆興民，馬雪燕，王雙銀，等．植被恢復下黃土高塬溝壑區(qū)的產流機制與模式［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：４２－４９，６６．

明確流域產流機制及產流模式是構建水文模型和土壤侵蝕模型的基礎，對流域綜合治理及水資源的合理開發(fā)利用等具有重要指導意義。影響產流機制及其模式的因素包括氣候及下墊面特征兩方面［１］ ，人類活動主要通過影響下墊面中的地表特征而影響產匯流機制及過程。Ｈｏｒｔｏｎ 在１９３５ 年出版的《地面徑流現象》中闡明了均質包氣帶產生超滲地面徑流及地下徑流的物理條件，明確了土壤入滲對產流的重要作用。近年來，通過林草植被營造及自然恢復、梯田及淤地壩建設等，使黃土高原地區(qū)坡耕地等不斷向林草地轉變、植被覆蓋度不斷提高［２］ ，大規(guī)模植被恢復已經顯著改變了下墊面中的地表水文物理特性。植被枯枝落葉層和根系通過提高土壤的孔隙度、容重及團聚體含量等，影響地表產流機制和過程［２－５］ 。當植被的生態(tài)水文功能恢復后，小流域場次洪水的洪峰流量、徑流深、徑流系數、地表徑流量占比均減小，而壤中流增加，黃土高原地區(qū)的產流模式從過去的超滲產流模式［６－７］ 向蓄滿產流模式轉變，形成黃土高原特有的淺層蓄滿產流模式［８－９］ 。筆者在黃土高原黃土丘陵區(qū)水沙過程模擬研究中發(fā)現，采用現有的水文模型時盡管參數率定及驗證期的模擬效果很好，但模擬的近２０ ａ 來植被恢復后洪水過程的退水段，普遍存在與實測退水過程及徑流泥沙量相比誤差較大問題，主要原因是沒有采用正確的產流機制和模式。因此，明確黃土高原地區(qū)坡面產流過程及其機制的變化，對正確開展流域水文模擬及土壤侵蝕過程研究至關重要。本文以黃土高塬溝壑區(qū)的甘肅省慶陽市楊家溝和董莊溝兩條小流域為研究對象，采用水文學上常用的流域控制站場次洪水過程線法，分析流域場次洪水過程線、洪水要素、退水曲線的變化，以揭示植被恢復對黃土高原產流機制及產流模式的影響。

１ 研究區(qū)概況

楊家溝和董莊溝是位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)相毗鄰的兩條小流域，二者有非常相似的地形、地貌及土壤等自然特征，是１９５２ 年設立的水土保持效益觀察實驗對比小流域，其中楊家溝為治理小流域、董莊溝為未治理對照小流域（即保持無人為治理措施的自然狀態(tài)），流域面積分別為０．８７、１．１５ ｋｍ^２，主溝長分別為１ ５００、１ ６００ｍ，主溝道縱比降分別為８．４６％、８．９３％［１０］ 。楊家溝小流域從１９５２年開始按照“全面規(guī)劃，集中治理，連續(xù)治理，溝坡兼治，治坡為主”及“工程措施與生物措施相結合”的方針，進行了多項措施相結合的綜合治理，如人工造林、封溝育草、人工種草，修建淤地壩、谷坊、水窖、柳谷坊、水平梯田、水平條田、水平階、溝邊埂、水平溝、魚鱗坑等，由于管護得當，因此植被迅速恢復（主要植被類型為林地與草地，樹種有刺槐、山杏、毛白楊、旱柳、油松、沙棘等，草本植物有天藍苜蓿、蘆葦等）并有效發(fā)揮了控制水土流失的作用。在聯產承包期間，楊家溝小流域盡管部分成材林遭盜伐，但森林景觀格局并未改變。董莊溝作為未治理的對比小流域，形成了以草本植物為主、灌木為輔的植被群落，１９９９年之前盡管對流域內的植被有看護措施，但盜牧現象無法完全禁止［１１］ 。１９９９年以后，在全國實施退耕還林（草）工程的背景下，采取嚴格的封育禁牧等措施，使兩條小流域的植被及其生態(tài)水文功能得以顯著地全面恢復，楊家溝小流域的林木生長可以用郁郁蔥蔥、遮天蔽日來描述，董莊溝小流域的植被則可以用“風吹草低見牛羊”來形容，見圖１和圖２（均拍攝于２０２１年６月２１日）。

２研究方法

依據研究區(qū)降雨、徑流資料，對比不同植被恢復方式或植被恢復前后洪水過程，是判斷產流規(guī)律和產流模式變化的最直觀、最可靠方法。為分析不同植被類型及其恢復對產流模式的影響，首先選取相似暴雨，然后對暴雨對應的洪水過程及其組分進行分析，以揭示植被恢復對產流模式的影響。

２．１相似暴雨選取

把降雨歷時、降雨總量和降雨強度等降雨特征指標相等或相近定義為相似暴雨［１２］ 。相似暴雨選擇原則是降雨過程獨立性強、雨量相當、時空分布相似，其產生的洪水過程完整、峰型易辨別、洪峰流量不宜過小。據此從楊家溝小流域１９５４—２０１７年的４７７場暴雨和董莊溝小流域１９５４—１９６５年、１９７６—１９７７年、２００５—２０１７年的２７３ 場暴雨中確定兩個小流域相似場次暴雨４８ 對。

２．２洪水徑流組分劃分與產流機制

繪制相似暴雨對應洪水過程線，采用退水曲線法對洪水過程線進行分割和徑流組分劃分［１３］ 。圖３ 所示陡漲陡落型洪水，徑流組分通常較為單一，退水過程線僅有一個轉折點（Ｃ），其前后退水曲線坡度即斜率差異非常明顯，ＡＣ 線之上主要為地表徑流，ＡＣＣ′Ａ′Ａ所圍區(qū)域主要為地下徑流。圖４ 所示陡漲緩落型洪水，徑流組分通常較為復雜，退水過程線有多個轉折點，由多個斜率不同的線段組成［５］ ，據此可以將退水徑流分為超滲地表徑流（Ｒ）、壤中流（可能有多層壤中流，Ｒｉｎｔ）、地下徑流（Ｒ）、飽和地表徑流（降雨強度不大時持續(xù)向土壤入滲水分，相對不透水層的存在使淺層土壤達到飽和后降雨無法繼續(xù)向下入滲，直接形成的地面徑流，Ｒ）。

２．３產流模式辨析

繪制洪水的對數退水曲線能較好地反映流域產流的組分特征，進而辨析產流模式，即將洪水過程線的退水部分繪制在圖５所示單對數坐標系中（橫坐標為時間，縱坐標為對流量取對數），按照退水曲線的多個轉折點將其劃分為多個線段并繪制延長線（圖中虛線），各線段對應退水速度不同的徑流組分。其中：斜率最大的線段對應退水最快的地面徑流，斜率最小的線段對應退水最慢的地下徑流（基流），兩者之間的線段對應壤中流（包括快速壤中流與慢速壤中流，由于流域圖５ 洪水對數退水曲線土壤結構具有復雜性，因此與壤中流對應的線段可能有多段）［５］ 。據此，可以推算洪水的徑流組分，不同組分的徑流形成時間先后不同，并且它們的產流速度、來源不同，各組分共同構成出流斷面的徑流過程。根據洪水各組分占比大小及其變化情況，可以判斷流域的主要產流模式及其變化趨勢。

３結果與分析

３．１植被恢復對小流域降雨產流關系的影響

研究區(qū)過去７０ ａ 的年降水量未表現出顯著趨勢性變化，但兩條小流域年徑流深均呈顯著減小趨勢。統(tǒng)計和回歸分析表明：研究區(qū)實測多年平均降水量為５１３．２ ｍｍ、最大年降水量為６７６．６ ｍｍ（１９６６ 年）、最小年降水量為２５２．８ ｍｍ（１９７４ 年），年降水量變異系數為０．２４，年降水量隨時間變化（見圖６）的決定系數Ｒ^２為０．０１８（未達到顯著水平）；楊家溝小流域、董莊溝小流域實測多年平均徑流深分別為４．０、１３．５ ｍｍ，最大年徑流深分別為１７．８ ｍｍ（１９９２ 年）、４７．８ ｍｍ（２００５ 年），最小年徑流深分別為０．００６ ｍｍ（１９７２ 年）、０．２００ ｍｍ（２０１４ 年），年徑流深變異系數分別為１．１０、０．９２，年徑流深隨時間變化（見圖６）的決定系數Ｒ２分別為－０．６８、－０．７２（均達到顯著水平）。

隨植被覆蓋度的提高和生態(tài)水文功能的提升，流域年徑流量減少。由實測資料和實地調研可知，１９５６—２０１７年研究區(qū)兩條小流域除植被恢復外，流域地形、地貌基本未變，影響產（匯）流最直接的因素為降雨和植被。董莊溝小流域與楊家溝小流域年徑流深與年降水量雙累積曲線見圖７，可以看出兩條小流域的雙累積曲線斜率（Ｋ）均呈減小趨勢。雙累積曲線斜率的變小表明在降水量相同的情況下產流量減少［１４］ ，即隨著植被覆蓋度提高及其生態(tài)水文功能的恢復，小流域的產流能力顯著減弱。實際上，這種產流能力減弱是將廣義的降水資源轉化為植物生長所需的生態(tài)用水，對進一步提高植被生產力、促進植被生態(tài)系統(tǒng)的良性健康發(fā)展具有重要意義。

３．２暴雨洪水關系對植被恢復的響應

流域植被特別是森林植被的恢復，能顯著影響暴雨產生的洪水過程，改變洪水的各組分比例及產流模式。由圖８ 所示兩條小流域次降雨量、洪量及徑流系數小提琴圖（用于展示特征數據分布及其密度，圖形寬度表示數據的密度，圖中２５％、７５％分別對應第一、第三分位數，ＩＱＲ 為四分位距，詳見文獻［１５］）可以看出：在幾乎一致的降雨量分布情況下，兩條小流域洪量、徑流系數分布差異顯著，楊家溝小流域洪量、徑流系數明顯較董莊溝的小，集中區(qū)域較董莊溝的低。

隨植被生態(tài)水文功能的恢復，流域產流能力降低，洪水歷時延長，地表徑流量占比減小，暴雨洪水過程趨于坦化，從陡漲陡落型向緩漲緩落型轉變，以人工造林恢復為主的楊家溝小流域與以草地自然恢復為主的董莊溝小流域相比，這些變化更為明顯。研究區(qū)兩條小流域相似暴雨形成的洪水過程主要特征指標見表１。

３．３不同暴雨類型的洪水特征及產流機制

根據降雨歷時和雨量大小，把暴雨分為長歷時小雨型、中歷時中雨型、短歷時大雨型和短歷時暴雨型４種雨型，在每種雨型中選擇不同時期的相似暴雨，計算其洪水特征參數并繪制洪水過程線、退水曲線，進行產流機制分析。

３．３．１不同暴雨類型洪水特征參數的變化

隨著植被的恢復，小流域生態(tài)水文功能不斷提升，洪水徑流深普遍減小，洪峰顯著降低，洪水歷時尤其退水時間顯著延長。植被恢復后期的２０１７年６月１９日，在遭遇短歷時特大暴雨（歷時１５４ ｍｉｎ，降雨量４８．２ｍｍ，主要降雨強度為２．１４ ～２．９１ ｍｍ／ ｍｉｎ）情況下，植被恢復依然發(fā)揮了顯著的削減洪量、延滯洪峰、坦化洪水過程的效果，見表２、表３。比較兩條小流域洪水特征參數可以看出，以人工造林恢復為主的楊家溝小流域經過短時段集中植樹造林和長期保護，林草植被得以有效恢復、土壤入滲能力有效提升，其削峰、滯洪效果比以草地自然恢復為主的董莊溝小流域更加顯著［９］ 。

３．３．２不同暴雨類型洪水過程線的變化

隨著流域植被生態(tài)水文功能的恢復和提升，無論是楊家溝小流域還是董莊溝小流域，洪水過程線均從陡漲陡落型逐漸向緩漲緩落型甚至扁平化的開口向下的拋物線型轉變，特別是１９９９年開始實施退耕還林（草）工程及封山禁牧以來，洪水過程線變得更加平坦，即使在２０１７年６ 月１９日的特大暴雨情況下，洪峰流量亦表現出明顯的坦化。董莊溝小流域及楊家溝小流域不同時期各類雨型的典型暴雨洪水過程線見圖９～圖１２。

３．３．３不同暴雨類型洪水退水曲線的變化與產流模式

兩條小流域各類典型暴雨洪水退水曲線見圖１３～圖１６（圖１６ 洪號為２０１７０６１９），可以看出植被恢復后期的洪水退水曲線斜率發(fā)生了顯著變化：植被恢復前期兩條小流域洪水徑流組分均以超滲地表徑流（Ｒ ）為主，而植被恢復后期隨著植被生態(tài)水文功能的恢復，洪水徑流組分不再是單一的超滲地表徑流，而逐漸向超滲地表徑流和壤中流組合（Ｒ＋Ｒ）轉變，以人工造林恢復為主的楊家溝洪水徑流甚至向飽和地表徑流和壤中流組合（Ｒ ＋Ｒ）轉變，即產流模式有從傳統(tǒng)的超滲產流［６－７］ 向蓄滿產流模式轉變的趨勢。需要說明的是，楊家溝小流域和董莊溝小流域土壤含水量及土壤入滲特征變化情況表明，上述“蓄滿”并非整個黃土包氣帶的“蓄滿”，而是淺層土壤的“蓄滿”［８］ 。

３．４討論

通過對以人工造林恢復為主的楊家溝小流域和以草地自然恢復為主的董莊溝小流域年徑流量及洪水過程分析，發(fā)現隨植被生態(tài)水文功能的恢復與提升，流域植被在蓄水、滯洪、坦化洪峰等方面發(fā)揮了顯著的作用。盡管植被并非影響黃土高原產流機制及產流模式的唯一因素，但是１９９９年開始實施退耕還林（草）工程及封山禁牧政策以來，植被覆蓋度及其生態(tài)水文功能顯著提升，已成為影響黃土高原產流過程及機制的一個非常活躍的重要因素。在人類活動對已恢復植被擾動較少情況下，相較于裸地，植被莖稈及枯枝落葉層能顯著減小坡面徑流深及其雷諾數和弗勞德數而增大阻力系數，從而使地表徑流量減少７％ ～ ６５％［１６］ 。植被恢復使得地表糙率增大［１７－１９］ ，從而延長降雨在地表的滯留時間，為增加降雨入滲提供了先決條件。在黃土高原地區(qū)，隨著植被生態(tài)水文功能的恢復與增強，林草植被的水源涵養(yǎng)能力不斷提升，在相似條件下，喬木林冠層的截留蓄水能力較灌木林高近１．５ 倍，而人工喬木林的枯落物層最大持水量較自然恢復草地（撂荒草地、封禁草地）、人工灌木和人工草地（苜蓿）分別增加了７８．６％、１９６．２％和３１９．７％。植被恢復的林草地水源涵養(yǎng)功能綜合指數較農田提高了２９．１％，其中人工喬木、人工灌木、人工草地、自然恢復草地分別較農田提高了３８．１０％、２．３８％、２０．００％和４８．０３％［２０］ 。因枯枝落葉層及其對土壤結構的改善而攔蓄的雨水，有效地把廣義的降水資源轉化為植物生長所需的生態(tài)用水。

通過對兩條小流域不同暴雨類型的洪水退水曲線進行分析，發(fā)現隨植被生態(tài)水文功能的恢復，徑流組分不再是單一的地表超滲徑流（Ｒ ），而逐漸轉向由超滲地表徑流和壤中流構成（Ｒ ＋Ｒ），甚至由地表飽和徑流和壤中流構成（Ｒ ＋Ｒ）。這些轉變說明產流模式有從傳統(tǒng)的超滲產流向蓄滿產流轉變的傾向，其中以人工造林恢復為主的楊家溝小流域較以草地自然恢復為主的董莊溝小流域更為明顯。產流模式的改變，從防洪減災角度看，植被恢復能有效滯洪坦峰從而有效防洪減災；從涵養(yǎng)水源及廣義水資源利用角度看，植被恢復能有效增加土壤水資源量、調節(jié)徑流資源的季節(jié)分配。林草植被的枯枝落葉、活及死根對土壤的團聚體、孔隙度、容重等物理性質也產生改善作用，使土壤入滲能力顯著提升［２，４－５］ ，進而使到達地表或蓄積在表層的雨水更快更多地進入土壤并下滲［２１－２２］ 。降雨后，受地表植被及其對土壤水文物理性質的影響，產流過程已發(fā)生變化，如圖１７ 所示（圖中ｉ 為降雨強度、ｆ 為地表入滲能力）。植被恢復前，黃土高原在幾乎“光禿”情況下，地表產流類型為“Ｒ型”，即因地表入滲能力小于降雨強度而“超滲”產流；在林草植被恢復的早期，地表產流類型為“Ｒ＋Ｒ 型”，但不能單單用“超滲”或“蓄滿”進行描述，降雨前期，地表入滲能力小于降雨強度而“超滲”產流，由于包氣帶表層發(fā)生較大變化，壤中流相對地表徑流而言是“蓄滿”產流，因此此時實際上為相對不透水層的“超滲”產流；在林草植被恢復的后期，地表產流類型為“Ｒ＋Ｒ型”，是在土壤性質更進一步改善的情況下，地表攔蓄及土壤入滲能力更強，前期降雨幾乎完全滲入土壤被蓄存，隨著降雨的繼續(xù)，雨水進一步入滲，相對不透水層向下入滲的速率遠遠小于表層土壤含水量達到飽和的速率，于是出現相對于表層土壤而言的“蓄滿”產流，但對整個包氣帶而言，更深層次的土壤并未飽和，對整個黃土層總體而言，應稱為“超滲”產流。因此，黃土高原地區(qū)產流模式改變的現象可被稱為“淺層蓄滿”產流。在小流域控制站觀測的徑流組分中含有了壤中流（Ｒ ）、地表飽和徑流（Ｒ），季節(jié)性小流域出口斷面的徑流日數增多［２０］ 等，都是蓄滿產流的特征。黃土高原植被恢復使得產流模式從超滲產流向蓄滿產流轉變，但由于黃土厚達幾十米甚至３００ ｍ，半干旱氣候區(qū)降雨具有雨量相對較小、歷時相對較短的特征，植被對土層的作用深度有限等，因此植被引起的黃土高原產流模式向蓄滿產流改變并非一般所指的包氣帶蓄滿產流，而是“淺層蓄滿”產流模式［２，８］ 。在大雨或長歷時降雨后，黃土高原出現的滑坡及其表層土體的大面積土壤蠕動也印證了發(fā)生“淺層蓄滿”產流的現象［２３］ 。

４結論

針對黃土高塬溝壑區(qū)植被恢復導致的流域產流模式變化，把甘肅西峰南小河溝流域內以草地自然恢復為主的董莊溝小流域和以人工造林恢復為主的楊家溝小流域作為研究區(qū)，分析了兩條小流域在遭遇各類暴雨后場次洪水過程線尤其退水曲線，研究了植被恢復下黃土塬區(qū)產流模式變化情況，主要結論如下。

１）隨植被覆蓋度提高及其生態(tài)水文功能的恢復，小流域的產流能力顯著減弱，洪水歷時延長，地表徑流量占比減小，洪峰趨于坦化，尤其以人工造林恢復為主的小流域產流過程變化更為顯著。

２）隨植被生態(tài)水文功能的恢復，徑流組分不再是單一的地表超滲徑流，而是逐漸轉向由超滲地表徑流和壤中流構成，甚至由地表飽和徑流和壤中流構成，即在植被恢復的影響下，黃土高塬溝壑區(qū)小流域產流模式有從傳統(tǒng)的典型超滲產流逐漸向“淺層蓄滿”產流轉變的趨勢。

３）黃土高原產流模式的轉變，將廣義的降水資源轉化為土壤水資源和壤中流，調節(jié)徑流的季節(jié)分配，有助于增加植被生態(tài)用水，促進半干旱區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

致謝：本文的完成得益于黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站（ 簡稱西峰站） 的長期觀測資料。論文撰寫及成稿中，得到西峰站原副站長劉斌、杜守君以及現任副站長李懷有，中國科學院地球環(huán)境研究所研究員金釗，河海大學教授包為民等給予的諸多建設性意見和建議，在此表示衷心的感謝！