论文快递｜穆兴民等：植被恢复下黄土高塬沟壑区的产流机制与模式

明确流域产流机制及产流模式是构建水文模型和土壤侵蚀模型的基础，对流域综合治理及水资源的合理开发利用等具有重要指导意义。影响产流机制及其模式的因素包括气候及下垫面特征两方面［1］，人类活动主要通过影响下垫面中的地表特征而影响产汇流机制及过程。Horton 在1935 年出版的《地面径流现象》中阐明了均质包气带产生超渗地面径流及地下径流的物理条件，明确了土壤入渗对产流的重要作用。近年来，通过林草植被营造及自然恢复、梯田及淤地坝建设等，使黄土高原地区坡耕地等不断向林草地转变、植被覆盖度不断提高［2］，大规模植被恢复已经显著改变了下垫面中的地表水文物理特性。植被枯枝落叶层和根系通过提高土壤的孔隙度、容重及团聚体含量等，影响地表产流机制和过程［2－5］。当植被的生态水文功能恢复后，小流域场次洪水的洪峰流量、径流深、径流系数、地表径流量占比均减小，而壤中流增加，黄土高原地区的产流模式从过去的超渗产流模式［6－7］向蓄满产流模式转变，形成黄土高原特有的浅层蓄满产流模式［8－9］。笔者在黄土高原黄土丘陵区水沙过程模拟研究中发现，采用现有的水文模型时尽管参数率定及验证期的模拟效果很好，但模拟的近20 a 来植被恢复后洪水过程的退水段，普遍存在与实测退水过程及径流泥沙量相比误差较大问题，主要原因是没有采用正确的产流机制和模式。因此，明确黄土高原地区坡面产流过程及其机制的变化，对正确开展流域水文模拟及土壤侵蚀过程研究至关重要。本文以黄土高塬沟壑区的甘肃省庆阳市杨家沟和董庄沟两条小流域为研究对象，采用水文学上常用的流域控制站场次洪水过程线法，分析流域场次洪水过程线、洪水要素、退水曲线的变化，以揭示植被恢复对黄土高原产流机制及产流模式的影响。

杨家沟和董庄沟是位于甘肃省庆阳市西峰区相毗邻的两条小流域，二者有非常相似的地形、地貌及土壤等自然特征，是1952 年设立的水土保持效益观察实验对比小流域，其中杨家沟为治理小流域、董庄沟为未治理对照小流域（即保持无人为治理措施的自然状态），流域面积分别为0.87、1.15 km2，主沟长分别为1 500、1 600 m，主沟道纵比降分别为8.46%、8.93%［10］。杨家沟小流域从1952 年开始按照“全面规划，集中治理，连续治理，沟坡兼治，治坡为主”及“工程措施与生物措施相结合”的方针，进行了多项措施相结合的综合治理，如人工造林、封沟育草、人工种草，修建淤地坝、谷坊、水窖、柳谷坊、水平梯田、水平条田、水平阶、沟边埂、水平沟、鱼鳞坑等，由于管护得当，因此植被迅速恢复（主要植被类型为林地与草地，树种有刺槐、山杏、毛白杨、旱柳、油松、沙棘等，草本植物有天蓝苜蓿、芦苇等）并有效发挥了控制水土流失的作用。在联产承包期间，杨家沟小流域尽管部分成材林遭盗伐，但森林景观格局并未改变。董庄沟作为未治理的对比小流域，形成了以草本植物为主、灌木为辅的植被群落，1999 年之前尽管对流域内的植被有看护措施，但盗牧现象无法完全禁止［11］。1999 年以后，在全国实施退耕还林（草）工程的背景下，采取严格的封育禁牧等措施，使两条小流域的植被及其生态水文功能得以显著地全面恢复，杨家沟小流域的林木生长可以用郁郁葱葱、遮天蔽日来描述，董庄沟小流域的植被则可以用“风吹草低见牛羊”来形容，见图1 和图2（均拍摄于2021 年6 月21 日）。

图1 杨家沟小流域植被状况

 

图２　董庄沟小流域植被状况

 

依据研究区降雨、径流资料，对比不同植被恢复方式或植被恢复前后洪水过程，是判断产流规律和产流模式变化的最直观、最可靠方法。为分析不同植被类型及其恢复对产流模式的影响，首先选取相似暴雨，然后对暴雨对应的洪水过程及其组分进行分析，以揭示植被恢复对产流模式的影响。

把降雨历时、降雨总量和降雨强度等降雨特征指标相等或相近定义为相似暴雨［12］。相似暴雨选择原则是降雨过程独立性强、雨量相当、时空分布相似，其产生的洪水过程完整、峰型易辨别、洪峰流量不宜过小。据此从杨家沟小流域1954—2017 年的477 场暴雨和董庄沟小流域1954—1965 年、1976—1977 年、2005—2017 年的273 场暴雨中确定两个小流域相似场次暴雨48 对。

绘制相似暴雨对应洪水过程线，采用退水曲线法对洪水过程线进行分割和径流组分划分［13］。图3 所示陡涨陡落型洪水，径流组分通常较为单一，退水过程线仅有一个转折点（C），其前后退水曲线坡度即斜率差异非常明显，AC 线之上主要为地表径流，ACC′A′A所围区域主要为地下径流。图4 所示陡涨缓落型洪水，径流组分通常较为复杂，退水过程线有多个转折点，由多个斜率不同的线段组成［5］，据此可以将退水径流分为超渗地表径流（Rs）、壤中流（可能有多层壤中流，Rint）、地下径流（Rg）、饱和地表径流（降雨强度不大时持续向土壤入渗水分，相对不透水层的存在使浅层土壤达到饱和后降雨无法继续向下入渗，直接形成的地面径流，Rsat）。

图３　陡涨陡落型洪水过程

 

图４　陡涨缓落型洪水过程

 

绘制洪水的对数退水曲线能较好地反映流域产流的组分特征，进而辨析产流模式，即将洪水过程线的退水部分绘制在图5 所示单对数坐标系中（横坐标为时间，纵坐标为对流量取对数），按照退水曲线的多个转折点将其划分为多个线段并绘制延长线（图中虚线），各线段对应退水速度不同的径流组分。其中：斜率最大的线段对应退水最快的地面径流，斜率最小的线段对应退水最慢的地下径流（基流），两者之间的线段对应壤中流（包括快速壤中流与慢速壤中流，由于流域土壤结构具有复杂性，因此与壤中流对应的线段可能有多段）［5］。据此，可以推算洪水的径流组分，不同组分的径流形成时间先后不同，并且它们的产流速度、来源不同，各组分共同构成出流断面的径流过程。根据洪水各组分占比大小及其变化情况，可以判断流域的主要产流模式及其变化趋势。

图５　洪水对数退水曲线

 

研究区过去70 a 的年降水量未表现出显著趋势性变化，但两条小流域年径流深均呈显著减小趋势。统计和回归分析表明：研究区实测多年平均降水量为513.2 mm、最大年降水量为676.6 mm（1966 年）、最小年降水量为252.8 mm（1974 年），年降水量变异系数为0.24，年降水量随时间变化（见图6）的决定系数R2为0.018（未达到显著水平）；杨家沟小流域、董庄沟小流域实测多年平均径流深分别为4.0、13.5 mm，最大年径流深分别为17.8 mm（1992 年）、47.8 mm（2005 年），最小年径流深分别为0.006 mm（1972 年）、0.200 mm（2014 年），年径流深变异系数分别为1.10、0.92，年径流深随时间变化（见图6）的决定系数R2分别为－0.68、－0.72（均达到显著水平）。

图６　研究区降水量、径流深年际变化情况

 

随植被覆盖度的提高和生态水文功能的提升，流域年径流量减少。由实测资料和实地调研可知，1956—2017 年研究区两条小流域除植被恢复外，流域地形、地貌基本未变，影响产（汇）流最直接的因素为降雨和植被。董庄沟小流域与杨家沟小流域年径流深与年降水量双累积曲线见图7，可以看出两条小流域的双累积曲线斜率（K）均呈减小趋势。双累积曲线斜率的变小表明在降水量相同的情况下产流量减少［14］，即随着植被覆盖度提高及其生态水文功能的恢复，小流域的产流能力显著减弱。实际上，这种产流能力减弱是将广义的降水资源转化为植物生长所需的生态用水，对进一步提高植被生产力、促进植被生态系统的良性健康发展具有重要意义。

图７　年径流深与年降水量双累积曲线

 

流域植被特别是森林植被的恢复，能显著影响暴雨产生的洪水过程，改变洪水的各组分比例及产流模式。由图8 所示两条小流域次降雨量、洪量及径流系数小提琴图（用于展示特征数据分布及其密度，图形宽度表示数据的密度，图中25%、75%分别对应第一、第三分位数，IQR 为四分位距，详见文献［15］）可以看出：在几乎一致的降雨量分布情况下，两条小流域洪量、径流系数分布差异显著，杨家沟小流域洪量、径流系数明显较董庄沟的小，集中区域较董庄沟的低。

图８　降雨量、洪量及径流系数小提琴图

 

随植被生态水文功能的恢复，流域产流能力降低，洪水历时延长，地表径流量占比减小，暴雨洪水过程趋于坦化，从陡涨陡落型向缓涨缓落型转变，以人工造林恢复为主的杨家沟小流域与以草地自然恢复为主的董庄沟小流域相比，这些变化更为明显。 研究区两条小流域相似暴雨形成的洪水过程主要特征指标见表1。

表１　两条小流域相似暴雨的洪水特征指标平均值统计　

 

3.3  不同暴雨类型的洪水特征及产流机制

根据降雨历时和雨量大小，把暴雨分为长历时小雨型、中历时中雨型、短历时大雨型和短历时暴雨型4种雨型，在每种雨型中选择不同时期的相似暴雨，计算其洪水特征参数并绘制洪水过程线、退水曲线，进行产流机制分析。

3.3.1 不同暴雨类型洪水特征参数的变化

随着植被的恢复，小流域生态水文功能不断提升，洪水径流深普遍减小，洪峰显著降低，洪水历时尤其退水时间显著延长。植被恢复后期的2017 年6 月19日，在遭遇短历时特大暴雨（历时154 min，降雨量48.2 mm，主要降雨强度为2.14 ～2.91 mm／min）情况下，植被恢复依然发挥了显著的削减洪量、延滞洪峰、坦化洪水过程的效果，见表2、表3。比较两条小流域洪水特征参数可以看出，以人工造林恢复为主的杨家沟小流域经过短时段集中植树造林和长期保护，林草植被得以有效恢复、土壤入渗能力有效提升，其削峰、滞洪效果比以草地自然恢复为主的董庄沟小流域更加显著［9］。

表２　董庄沟小流域不同时期不同雨型的洪水特征参数　

 

表３　杨家沟小流域不同时期不同雨型的洪水特征参数　　

 

3.3.2 不同暴雨类型洪水过程线的变化

随着流域植被生态水文功能的恢复和提升，无论是杨家沟小流域还是董庄沟小流域，洪水过程线均从陡涨陡落型逐渐向缓涨缓落型甚至扁平化的开口向下的抛物线型转变，特别是1999 年开始实施退耕还林（草）工程及封山禁牧以来，洪水过程线变得更加平坦，即使在2017 年6 月19 日的特大暴雨情况下，洪峰流量亦表现出明显的坦化。 董庄沟小流域及杨家沟小流域不同时期各类雨型的典型暴雨洪水过程线见图9～图12。

图９　长历时小雨型洪水过程

 

图１０　中历时中雨型洪水过程

 

图１１　短历时大雨型洪水过程对比

 

图１２　短历时暴雨型洪水过程对比

 

3.3.3 不同暴雨类型洪水退水曲线的变化与产流模式

两条小流域各类典型暴雨洪水退水曲线见图13～图16（图16 洪号为20170619），可以看出植被恢复后期的洪水退水曲线斜率发生了显著变化：植被恢复前期两条小流域洪水径流组分均以超渗地表径流（Rs）为主，而植被恢复后期随着植被生态水文功能的恢复，洪水径流组分不再是单一的超渗地表径流，而逐渐向超渗地表径流和壤中流组合（Rs＋Rint）转变，以人工造林恢复为主的杨家沟洪水径流甚至向饱和地表径流和壤中流组合（Rsat ＋Rint）转变，即产流模式有从传统的超渗产流［6－7］向蓄满产流模式转变的趋势。 需要说明的是，杨家沟小流域和董庄沟小流域土壤含水量及土壤入渗特征变化情况表明，上述“蓄满”并非整个黄土包气带的“蓄满”，而是浅层土壤的“蓄满”［8］。

图１３　长历时小雨型典型暴雨洪水对数退水曲线

 

图１４　中历时中雨型典型暴雨洪水对数退水曲线

 

图１５　短历时大雨型典型暴雨洪水对数退水曲线

 

图１６　短历时典型暴雨洪水对数退水曲线

 

通过对以人工造林恢复为主的杨家沟小流域和以草地自然恢复为主的董庄沟小流域年径流量及洪水过程分析，发现随植被生态水文功能的恢复与提升，流域植被在蓄水、滞洪、坦化洪峰等方面发挥了显著的作用。 尽管植被并非影响黄土高原产流机制及产流模式的唯一因素，但是1999 年开始实施退耕还林（草）工程及封山禁牧政策以来，植被覆盖度及其生态水文功能显著提升，已成为影响黄土高原产流过程及机制的一个非常活跃的重要因素。 在人类活动对已恢复植被扰动较少情况下，相较于裸地，植被茎秆及枯枝落叶层能显著减小坡面径流深及其雷诺数和弗劳德数而增大阻力系数，从而使地表径流量减少7%～65%［16］。 植被恢复使得地表糙率增大［17－19］，从而延长降雨在地表的滞留时间，为增加降雨入渗提供了先决条件。 在黄土高原地区，随着植被生态水文功能的恢复与增强，林草植被的水源涵养能力不断提升，在相似条件下，乔木林冠层的截留蓄水能力较灌木林高近1.5 倍，而人工乔木林的枯落物层最大持水量较自然恢复草地（撂荒草地、封禁草地）、人工灌木和人工草地（苜蓿）分别增加了78.6%、196.2%和319.7%。 植被恢复的林草地水源涵养功能综合指数较农田提高了29.1%，其中人工乔木、人工灌木、人工草地、自然恢复草地分别较农田提高了38.10%、2.38%、20.00%和48.03%［20］。 因枯枝落叶层及其对土壤结构的改善而拦蓄的雨水，有效地把广义的降水资源转化为植物生长所需的生态用水。

通过对两条小流域不同暴雨类型的洪水退水曲线进行分析，发现随植被生态水文功能的恢复，径流组分不再是单一的地表超渗径流（Rs），而逐渐转向由超渗地表径流和壤中流构成（Rs＋Rint），甚至由地表饱和径流和壤中流构成（Rsat ＋Rint）。 这些转变说明产流模式有从传统的超渗产流向蓄满产流转变的倾向，其中以人工造林恢复为主的杨家沟小流域较以草地自然恢复为主的董庄沟小流域更为明显。 产流模式的改变，从防洪减灾角度看，植被恢复能有效滞洪坦峰从而有效防洪减灾；从涵养水源及广义水资源利用角度看，植被恢复能有效增加土壤水资源量、调节径流资源的季节分配。 林草植被的枯枝落叶、活及死根对土壤的团聚体、孔隙度、容重等物理性质也产生改善作用，使土壤入渗能力显著提升［2，4－5］，进而使到达地表或蓄积在表层的雨水更快更多地进入土壤并下渗［21－22］。 降雨后，受地表植被及其对土壤水文物理性质的影响，产流过程已发生变化，如图17 所示（图中i 为降雨强度、 fp 为地表入渗能力）。 植被恢复前，黄土高原在几乎“光秃”情况下，地表产流类型为“Rs型”，即因地表入渗能力小于降雨强度而“超渗”产流；在林草植被恢复的早期，地表产流类型为“Rs ＋Rint 型”，但不能单单用“超渗”或“蓄满”进行描述，降雨前期，地表入渗能力小于降雨强度而“超渗”产流，由于包气带表层发生较大变化，壤中流相对地表径流而言是“蓄满”产流，因此此时实际上为相对不透水层的“超渗”产流；在林草植被恢复的后期，地表产流类型为“Rsat ＋Rint型”，是在土壤性质更进一步改善的情况下，地表拦蓄及土壤入渗能力更强，前期降雨几乎完全渗入土壤被蓄存，随着降雨的继续，雨水进一步入渗，相对不透水层向下入渗的速率远远小于表层土壤含水量达到饱和的速率，于是出现相对于表层土壤而言的“蓄满”产流，但对整个包气带而言，更深层次的土壤并未饱和，对整个黄土层总体而言，应称为“超渗”产流。 因此，黄土高原地区产流模式改变的现象可被称为“浅层蓄满”产流。 在小流域控制站观测的径流组分中含有了壤中流（Rint）、地表饱和径流（Rsat），季节性小流域出口断面的径流日数增多［20］等，都是蓄满产流的特征。 黄土高原植被恢复使得产流模式从超渗产流向蓄满产流转变，但由于黄土厚达几十米甚至300 m，半干旱气候区降雨具有雨量相对较小、历时相对较短的特征，植被对土层的作用深度有限等，因此植被引起的黄土高原产流模式向蓄满产流改变并非一般所指的包气带蓄满产流，而是“浅层蓄满”产流模式［2，8］。 在大雨或长历时降雨后，黄土高原出现的滑坡及其表层土体的大面积土壤蠕动也印证了发生“浅层蓄满”产流的现象［23］。

图１７　植被恢复对产流机制影响示意

 

针对黄土高塬沟壑区植被恢复导致的流域产流模式变化，把甘肃西峰南小河沟流域内以草地自然恢复为主的董庄沟小流域和以人工造林恢复为主的杨家沟小流域作为研究区，分析了两条小流域在遭遇各类暴雨后场次洪水过程线尤其退水曲线，研究了植被恢复下黄土塬区产流模式变化情况，主要结论如下。

1）随植被覆盖度提高及其生态水文功能的恢复，小流域的产流能力显著减弱，洪水历时延长，地表径流量占比减小，洪峰趋于坦化，尤其以人工造林恢复为主的小流域产流过程变化更为显著。

2）随植被生态水文功能的恢复，径流组分不再是单一的地表超渗径流，而是逐渐转向由超渗地表径流和壤中流构成，甚至由地表饱和径流和壤中流构成，即在植被恢复的影响下，黄土高塬沟壑区小流域产流模式有从传统的典型超渗产流逐渐向“浅层蓄满”产流转变的趋势。

3）黄土高原产流模式的转变，将广义的降水资源转化为土壤水资源和壤中流，调节径流的季节分配，有助于增加植被生态用水，促进半干旱区植被生态系统的健康稳定发展。

致谢：本文的完成得益于黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站（简称西峰站）的长期观测资料。论文撰写及成稿中，得到西峰站原副站长刘斌、杜守君以及现任副站长李怀有，中国科学院地球环境研究所研究员金钊，河海大学教授包为民等给予的诸多建设性意见和建议，在此表示衷心的感谢！