大面积森林流域对比分析–《水文分析计算与水资源评价》成果

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图14.9由B流域汇流时间延长这种削减洪峰流量，延长汇流时间的概念，对于单独的一个森林流域而言，大多数情况下是正确的。所以对A断面而言，森林使流量增大。表14.13长江流域林区与非林区年最小流量模数比较森林对枯水径流的影响，在我国也有较多的分析研究。在长江流域，把所选的对比区（表

利用水文基本站网的资料，根据流域内森林率明显不同而其他自然地理条件类似的情况，进行森林对洪水、枯水、年径流、年降水和水质的影响分析。在选择对比流域时，要强调流域的可对比性，即地形、土壤、岩性、气候等类似，所处的位置相近，并在一条山脉的同一坡面，以彰显森林的水文效应。

图14.6　不同森林率的流量过程示意图

n—森林率（%）

14.3.3.1　森林对洪水、枯水的影响

大面积森林对洪水、枯水的影响，在一般情况下，多为削减洪峰流量，延长汇流时间，增加枯水流量，使径流的年内分配较为均匀，与森林小流域的实验结果一致。这是由于森林林冠能有效地截持一部分降水，特别是林地的枯枝落叶层能滞蓄降水，使土壤结构疏松，有利水分下渗，如前述凯江径流实验站的实验结果。因此森林流域内的树木类似微型水库，拦截、滞蓄降水，树木越多，森林率越大，森林削减洪水径流的作用也越大。正如纳什瞬时单位线的参数n值（代表流域内串连水库个数），水库越多，调节作用越大，洪峰流量越低，汇流时间越长，如图14.6所示。

为了验证森林对洪枯水影响的一般规律和特殊规律，在长江上中游选用对比流域，这些流域的地理位置、土壤、地形等重要因素基本一致，见表14.12。

将表14.12所列对比流域的次降雨与次径流资料，特别是把单独洪峰与连续洪峰的资料分别进行分析，发现林区、非林区的降雨径流关系中，单独峰与连续峰具有不同的规律。对于单独洪峰，在次雨量相同的情况下，林区的径流量一般要比非林区的径流量少，这是森林削减洪峰流量的普遍规律，如图14.7所示。

表14.12　森林对比流域的基本特征

图14.7　林区非林区单独洪峰的降雨～径流关系

图14.8　林区非林区连续洪峰的降雨～径流关系

我国其他地区的分析表明，森林削减洪峰的作用明显，如黄土高源林区的洪峰流量模数要比无林区小几十倍，洪峰流量减小71.4%～94.3%。松花江水系集水面积相同的漂河（森林率为0）与陡咀子河（森林率为70%），多年洪水特征比较，无林的漂河的洪峰流量要比多林的陡咀子大2～3倍。黑龙江海浪河流域内有多林区（森林率为75%）与少林区（森林率为14%），多林区的洪峰流量要比少林区低29.2%～38.4%。广东小良地区，混交林与裸地对比分析，混交林的洪峰流量模数仅是裸地的37.2%。

至于多次暴雨形成的连续2个洪峰的第2个峰，若次降雨量和汇流特性相同，林区产生的径流量一般要比非林区的大，如图14.8所示。这是由于森林地区的前一阵降雨已拦蓄了部分径流，及至第2次降雨时，前次拦蓄的水量，通过浅层地下水形式流出，加在第2次洪峰上，所以形成的洪峰反而比非林区的大。

图14.9　由B流域汇流时间延长

这种削减洪峰流量，延长汇流时间的概念，对于单独的一个森林流域而言，大多数情况下是正确的。但有时由于汇流时间的延长，反而因各汇流区洪水过程叠加使下游出口断面的洪峰流量增大。当然这是一种特例。例如图14.9所示，流域A的汇流时间为4个单位（例如每单位为3小时共12小时），流域内有支流B，其平均汇流时间原为2单位，当B流域与整个流域A的下垫面条件基本相同时，在断面A处形成的洪峰流量主要由第4个单位的面积上的净雨构成。此时支流B的净雨与A处洪峰流量关系不大。当B流域全部造林而A流域的其他地区保持不变时，假设造林后的汇流时间增加一倍，即由2单位变为4单位，或由6小时变为12小时，则此时构成A流域洪峰流量已包括了B流域上第4单位的净雨产生的洪峰叠加在内，因而使A处的洪峰流量比B流域没有森林时还要大。所以对A断面而言，森林使流量增大。

综上所述，森林对洪水的影响与暴雨过程和林区分布有关。对于孤独的一次暴雨而言，森林削减洪峰，延长汇流时间；对于连续暴雨的第2场暴雨而言，森林可能使洪峰流量增大。或者森林在地区分布上集中在流域下游某一支流时，也会使洪峰比无林时更大。因此，既要看到一般情况下，森林削减洪峰对防洪方面起到良好的作用，也应认识连续洪水或森林所处的特定位置不同，也会使洪峰流量增大。此外，小流域观测分析的结果，移用于大流域也存在条件上的差别，森林作用的估计、方法和结论也会有所不同。

对于径流年内分配及枯季流量，森林使径流的年内分配较为均匀，年径流变差系数减小；枯季流量增大。表14.13是对比流域年最小流量模数，所有森林流域的年最小流量模数都比非林区流域大，说明在长江流域森林确有涵养水源的作用。

表14.13　长江流域林区与非林区年最小流量模数比较

森林对枯水径流的影响，在我国也有较多的分析研究。如松花江水系20个流域10年测定结果表明，无林流域春季（枯季）径流仅占全年径流的6.5%～7.0%，而有林流域（森林率为22%～90%），春季径流占全年的12.5%～31.9%，是无林流域的4～32倍。

海南岛三大流域（南渡江、万泉河、昌化江）地区从20世纪60年代以来，大量采伐森林，森林率下降20%～50%，尽管70年代降水量略有增加，河流的枯水流量仍普遍减少（减少14.9%～37.9%），洪枯比随之扩大，70年代为60年代的1.5～2.0倍。

伊犁河发源于天山西部的多林山地，最低与最高的月平均流量比值为1∶7，天山中部的少林山地的精河为1∶21，昆仑山无林山地的玉龙喀什河则高达1∶43，这也说明森林冰川综合涵养型远远优于冰川涵养型。

在有的地区，观测的结果与上述结论相反，如松花江水系陡咀子河的4个集水区，30年观测结果表明，当森林率在40%以上时，比之荒山最大径流量减少32%，同时也减少总径流量14%，枯水期径流量也随之减少，森林率每增加1%，枯水期径流量减1.5～7.5mm。松花江阿什河上游3个小集水区（面积2km2以下）通过50%的带状采伐和皆伐后，采伐区总径流量增加了1.31%～9.17%，秋汛（多雨季节）径流增加了3.61%～10.71%，而枯水径流则减少了17.5%。

以上实例说明，森林对枯水径流量是增是减，因地区流域情况而不尽相同。

14.3.3.2　森林对年径流总量的影响

大面积森林流域对年径流的影响，随着不同的气候和下垫面条件，可以得出相反的结果。

在长江流域，把所选的对比区（表14.13），进行年降水与年径流相关分析，从而求得年降水、年径流和年径流系数见表14.14，从表得知，林区的年径流和年径流系数都比非林区的大。安徽省不同森林率与年径流系数的关系如图14.10所示，年径流系数随森林率的增加而增大。

表14.14　长江流域林区、非林区年径流对比分析

图14.10　安徽省森林与年径流系数关系

中国林科院在岷江上游两个小流域（面积3.31km2和2.90km2）进行对比试验。一个是森林率70%的冷杉林，另一个是采伐迹地的无林沟。测定结果是有林沟的年径流量比无林沟的多433.7mm。然后，对有林沟进行强度采伐，森林率只剩10%，伐后测定，年径流量减少380mm。据刘昌明等分析，黄河中游六盘山地区泾河渭河上游的土石山区森林使年径流量增大。黑龙江松花江水系20个流域（面积101～170000km2）10年测定的多元回归分析结果，森林使年径流增加，森林率每增加1%年径流量增加1.46mm。

在欧洲的喀尔巴阡山南北坡，根据36个流域的分析，随着森林率的增加，年径流也增加，森林率每增加1%，林区年径流增加9.4～11.9mm。

长江流域岷江上游杂谷脑河流域（4625km2）和黑水河流域（7231km2），经过大量采伐后，森林率分别下降10%和15%，同期的年径流量增加了24.7mm和26.3mm。黄河中游子午岭地区，各小流域明显表现出年径流量随森林率的增加而减少。东北林业大学在帽儿山林区设置3个小集水区（1.47km2，0.16km2，0.24km2），全是结构相似的天然次生林，第1个作对照，后两个分别进行50%带状采伐和全面皆伐，伐前伐后进行连续测定，结果是：采伐后年径流量分别增加26.7mm和31.3mm，径流系数增加0.4%～2.3%。

瑞士、美国、前苏联都曾在小流域观测到森林使年径流量减少的实例。

国内外许多森林流域的实测资料表明，森林使年径流量增加和减少都是事实，因此应以科学分析的方法来解释其原因。在森林的水文效应中，起关键作用的是流域蒸发（E），而流域蒸发乃由热能条件——蒸发能力（E0）和供水条件——降水量（P）所控制。在蒸发能力大的地区，林地拦截径流有较长时间充分供应流域蒸发之需，消耗于流域蒸发的水量就多。而在非林地，径流很快汇入河道流出控制断面，消耗流域蒸发的水量就少，因此，林区总径流比非林区小。在蒸发能力小的地区，林区与非林区高空的降水、蒸发条件差别不大，而林区在林冠高度范围内的夜间和早晨的凝结水却相当大，这实际上是减小林区的总蒸发，因此林区的年总径流量要比非林区大。根据国内干旱指数［蒸发能力（E0）／年降水量（P）］的地区分布观察：干旱指数（E0／P）大于1.2的地区，森林增加的流域蒸发量大于森林由凝结水增加的水平降水量，所以森林流域使年径流量减小。反之森林使年径流量增大，例如长江下游安徽省，长江中游河南、湖北、湖南省，长江上游四川岷江上游林区，E0／P都小于1.2；黄河中游的渭河和泾河上游E0／P约为1.2左右。这些地区森林都使年径流增大。但同为岷江上游的杂谷脑河和黑水河却属于半干旱地带，其E0／P约为1.5；黄河子午岭一带，黑龙江省部分地区E0／P，也大于1.2，所以这些地区的森林都使年径流减小。

14.3.3.3　森林对降水的影响

森林林冠不断向上空蒸腾大量水汽，使林区上的水汽含量比空旷地为多。另一方面，森林高出地面，阻碍平流空气的移动，气流遇到粗糙起伏的阻碍，就会在动力作用下被迫上升，在林墙附近和林冠上部产生涡旋，加强垂直交换运动，林冠表面湿空气被迅速带到高空，随着高空气温降低，湿空气冷却，水汽凝结，因而增加林区的垂直降水。

森林还常常引起水平降水。森林枝叶的总面积大，夜间辐射冷却，往往产生大量凝结降水——雾、露、霜、雨凇、雾凇等。云南西双版纳林中夜雨是最著名的例子。

我国古代很早就有森林增加降水的记载，五岭北麓九疑山的汉朝古碑为蔡邕所撰，碑文前段系称颂该山有兴云致雨、浸润万民的功勋：“岩岩九疑，峻极于天，触石肤合，兴播建云，时风嘉雨，浸润万里……”九疑为舜陵所在，历代封山禁伐，森林优美，有五风十雨之说。雨圈达到湘桂界上几个县。

据美国麻省理工学院研究，植被的变化能使地面反射率发生变化，地面反射的辐射越多，被吸收来产生阵雨的热量就越少，他们从理论上证实了植被对降水的增加作用。

由于自然地理条件不同，森林增加降水的数量也不尽相同。在前苏联卡明草原林区68年的观测资料表明，森林带中的降雨量比空旷地增加9%，固体降水增加37%。瓦尔达依的实验资料降水增大5%。

总之，根据气象理论，定性而言，森林增加降水量，但在定量上还有待对比实验，对不同的流域自然地理、水文气象和森林植被情况作具体分析。

14.3.3.4　森林对水质的影响

森林在调节与改善水资源质量方面有独特的作用。它以光合作用调节大气中氧的循环，从而增强污染大气的自净能力，并以吸附、同化、生化、杀菌等作用，减轻空气中有毒有害气体和灰尘细菌等的含量，使降水过程中从大气中溶解的污染物质的含量降低。当大气降水经过森林枝叶到达地面后，又经过林地内的枯枝落叶层及地下根系的吸收过滤而净化。因此，森林使河流的离子径流和矿化度减少。如安徽省天然状况下的河流中多年实测Ca、Mg、Cl、SO4、CO3、HCO3六项主要离子及矿化度的年平均值，以水量加权分别计算得区域平均值与区域的森林覆盖率间有很好的对应关系如图14.11、图14.12所示。

图14.11　安徽省河流矿化度与森林覆盖率关系图

图14.12　安徽省河流离子含量与森林覆盖率关系图

大面积森林流域对比分析–《水文分析计算与水资源评价》成果

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