森林结构差异对大兴安岭森林小流域径流情势和退水特征的影响1)

崔杨 蔡玉山 刘欢 杨晓晨 段亮亮

(森林生态系统可持续经营教育部重点实验室(东北林业大学),哈尔滨,150040)

水是地球生命赖以生存的物质基础,其循环过程、形成特点以及与森林的关系始终是森林水文研究中备受关注的问题[1-2]。河流水文情势指河川径流表现出多年的、稳定的特征规律,包括流量、时机、历时、频率以及变异性[3]。退水是指降水少或无降水时,河川径流逐渐消退的过程[4]。在森林生态系统中,流域水情及退水变化不仅对维持水生生物多样性至关重要,还直接影响农业和城市供水,由此可见,稳定的水文过程在流域中发挥着极其重要的作用[3,5]。

气候变化和森林植被是影响流域产汇流的主要驱动因子[6-7]。例如,Yang et al.[8]在海流图河流域的研究中发现,64%的径流量改变取决于温度、降水、耕地面积的综合变化。然而,排除了气候的干扰,探究森林对径流的调节主要依赖于森林覆盖率、森林植被类型等诸多因素的影响[9]。段亮亮[10]通过近配对流域法,探讨老沟河流域与未受干扰的小北沟流域之间的径流变化特征,结果发现森林干扰显著影响枯水径流情势,而对洪峰径流情势影响不显著;罗韦慧[11]在大兴安岭3个典型森林流域中发现,流域径流深与落叶松所占比例密切相关;Liu et al.[12]在梅江流域的研究中发现,森林采伐能显著影响洪峰径流、枯水径流的水文情势;Zhang et al.[13]在加拿大Baker Creek流域的研究中得到这样的结论,森林干扰显著增加了洪峰径流、枯水径流的流量,提高了变异性,并提前了洪峰径流发生时机。另一方面,针对流域退水过程,目前有很多成果在基流分割的基础上,研究地下径流退水时间变化特征,通常表现为基流补给多的时期,退水过程稳定,而降雨过后的洪峰径流退水比较剧烈[14-15]。可见,前人关于森林干扰对径流情势影响的结论因流域条件不同而有所差异,并且径流退水空间变化特征的研究较为匮乏。探讨径流情势的改变和退水过程需要考虑流域内多方面的因素,如土壤、植被类型、森林覆盖率、气候因素。为了分析森林植被变化对径流情势和退水特征的影响,需要排除其他影响因子。准配对流域法,即选择了自然条件相似(地形、地质、地貌、土壤等)、地理位置相近而森林植被不同的流域,将其作为“对照”及“处理”流域,进而分析同一时期内植被变化对流域水文过程的影响,可以有效地剔除气候、地形地貌对径流的干扰,为探究森林植被变化对水文情势和退水的影响提供了可靠依据[16]。

大兴安岭林区是我国唯一的寒温带明亮针叶林区,该区域内水系发达,主要源于森林重要的水源涵养功能。然而,冠层截留量、枯落物层持水量、土壤渗透能力以及林木耗水,因林木生长状况、生物学及生态学特性而有所不同[17-18],所以,森林植被可以显著影响流域水文过程。前人针对森林覆盖率与流域径流关系进行了多项研究[19-20],但针对流域内森林结构改变,如树种组成、蓄积量、郁闭度、龄级等综合指标差异对河川径流特征影响的研究相对较少。认识和理解森林结构对流域水文过程的影响将为该地区森林水资源的管理和可持续利用提供理论支撑。本研究利用准配对流域法,以大兴安岭北部漠河市北极村的2个典型森林小流域(老爷岭流域(面积为21.9 km2)、圣诞村流域(面积为23.9 km2))为研究对象,探讨森林结构(森林平均蓄积量、树种组成、郁闭度、龄级)变化对径流情势和退水特征的影响,以此揭示大兴安岭小流域森林结构与水文过程的关系。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省大兴安岭北部地区,地形主要以低山丘陵为主,坡度较缓,海拔277～688 m,全区地势主要呈东北-西南方向。其气候较为独特,属于寒温带大陆性季风气候,冬季寒冷、低温时间长;夏季温暖湿润,但历经时间较短;年平均降水量约为460 mm,降雨主要集中在6—8月份。该区域虽然降雨量不大,但水系发达。土壤类型主要为棕色针叶林土,土层厚度在15～40 cm之间,并有永久冻土的存在,其主要呈岛状分布,季节性冻土在全区域内普遍存在。地带性植被主要以兴安落叶松(Larixgmelinii)为主,同时,还分布一定面积的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等乔木林。

2 研究方法

2.1 研究流域的选择

为了揭示森林结构差异对流域径流情势及退水过程的影响,在黑龙江漠河森林生态系统国家定位观测研究站研究区范围内,通过现场勘察和林场林业二类调查数据,选择了位置相近,地形地貌相似,森林覆盖率均在90%以上,森林结构存在显著差异的老爷岭、圣诞村河小流域(图1)。林学中对森林结构的研究主要集中在群落的树种组成、年龄结构、生物量等方面。因此,利用Arcgis10.5软件对流域内树种组成、蓄积量等林分结构现状进行数据统计、分析,对其森林地形参数、森林结构参数进行整理(表1),发现树种组成、平均单位蓄积量、郁闭度、龄级等森林结构指标差异明显,地形参数基本相似。为了更加清晰的体现流域内森林结构差异,将森林结构各指标进行归一化统计(表2),即各指标值在准配对流域内的占比,并将归一化后的森林结构指标总和作为本研究的森林结构综合指数(F,F1代表老爷岭流域,F2代表圣诞村流域)。森林结构综合指数可以体现森林结构整体差异及森林质量,F值越大代表森林结构越好、越稳定、森林质量更高。森林结构各指标及森林结构综合指数从大到小依次为老爷岭流域(2.45)、圣诞村流域(1.55),即F1>F2,依据准配对流域的森林结构差异,揭示其对流域径流情势及退水过程的影响。

2.2 数据获取及双累积曲线法

本研究时段为2021年4月26日—2021年9月30日,分别在各流域下游,选择河道窄、河岸规整的断面布设水位自记仪(Onset HOBO U20-001-04型)(简称R1、R2,图1)监测水位,记录时间为30 min/次。由于准配对流域地形相似,且位于同一气候区,空间异质性小,因此,在各流域林外布设翻斗式雨量计(Onset HOBO RG3-M)(简称P1、P2、P3,图1)记录降雨。根据降雨事件和径流变化,用旋杯式流速仪在流域预先选好的断面上实测不同水位及流速,计算通过断面的瞬时流量(m3/s),并利用水位自记仪记录的连续水位与拟合的各流域水位—流量曲线计算观测时段内连续日径流量(m3/d),依据流域面积,将逐日径流量转换为逐日径流深(mm)。

双累积曲线是水文学研究中常用的一种简单、直观的检验方法[21]。为了排除流域降雨误差,根据流域间的累积降雨量做双累积曲线,若曲线出现拐点而不符合连续的正比关系,可能准配对流域在观测时段的降雨存在明显差异,从而说明配对流域的选择不合理。在本研究中依靠该方法,检验准配对流域选择的可靠性。

图1 研究流域概况及仪器布设图

表1 研究流域基本特征

表2 研究流域森林结构指标归一化处理结果

2.3 研究指标的确定

洪峰径流、枯水径流是森林水文研究中的两个主要水文变量[22],影响着河流生态系统完整性,对维持河流生态系统稳定性具有重要意义。本研究利用流量历时曲线(FDC)定义洪峰径流和枯水径流。流量历时曲线是用来反映流域内某一研究时段流量与流量发生频率之间的关系曲线,在流量历时曲线中,洪峰径流被定义为大于或等于流量历时曲线5%频率的径流值,而枯水径流被定义为小于或等于流量历时曲线95%频率的径流值[13]。

径流情势主要包括径流量、时机、历时、频率、变异性[3,13],这些水文要素对维持水体生物多样性和生态系统完整性至关重要[3]。本研究以流量、时机、历时、变异性这4个指标来研究准配对流域洪峰、枯水径流情势。同时利用退水分析获得不同降雨-径流事件的退水常数(α)、退水系数(k),探讨森林结构差异对流域退水特征的影响,进而揭示其对流域水源涵养功能的影响,具体径流情势指标定义如下：

(1)流量：指通过某一断面的径流大小,本研究主要是用发生洪峰径流和枯水径流时的逐日径流深(mm)来表示。

(2)时机：发生特定水文事件的时间,本研究中特指流域滞时,洪水事件的降雨形心(twc,h)至水文过程线形心的时间(tqc,h)。

(1)

式中：wi为时段i的降雨量(mm);ti为时段i的时间(h);n为总时段数。

(2)

式中：Qi为时段i的径流深(mm)。

同时,根据Barnes[4]对密西西比上游的研究发现,地表径流、基流等退水过程可用公式(3)和(4)表示。α的大小用来反映退水过程的快慢,α越大,表明退水时间越长,退水过程越稳定,反知,退水过程越剧烈。

Qt=Q0(e-t/k);

综上所述，本文主要简单分析新医改对医院会计制度和改革的影响。从文中可以得出，在新的医疗改革背景之下可以有效的促进对医院会计制度的改革，对医院会计制度的改善能够更好的推动医院各项费用的核算，对促进医院的发展具有重要的意义。

(3)

式中：Qt、Q0分别为t时刻和退水开始时刻的流量;k为指定时段内的退水系数(d);t为退水时间(d)。

Qt=Q0(αt);

(4)

式中：α为退水常数,0≤α≤1。

α=e-1/k。

(5)

(3)历时：指研究时段内发生洪峰径流或枯水径流的总时间(洪峰径流历时：大于或等于洪峰径流阈值的总天数;枯水径流历时：小于或等于枯水径流阈值的总天数;各流域洪峰径流和枯水径流阈值：根据发生洪峰径流和枯水径流流量的平均值或中位数确定)。

(4)变异性：引入变异系数,是指洪峰径流、枯水径流深分别与年平均径流深差值的绝对值(mm),与年平均径流深(mm)的比值,以此反映各流域洪峰径流和枯水径流偏离年径流的程度。

采用Origin 2022和SPSS 26.0软件进行绘图、数据处理与分析,根据曼-惠特尼U非参数检验方法进行各指标间的差异显著性分析。

3 结果与分析

3.1 准配对流域试验可靠性检验及降雨量与径流特征

流域间逐日降雨量双累积曲线的R2为0.998,且P<0.01(图2),说明准配对流域的累积降雨量具有极显著的线性关系,排除了研究时期流域间降雨观测误差,准配对流域的选择较为合理。

图2 准配对流域(老爷岭、圣诞村)日降雨量双累积曲线

从图3可以看出,研究时段内各流域的径流深变化趋势一致,均属于降雨主导型流域。其洪峰期主要集中在5—6月份。老爷岭、圣诞村流域于6月17日降雨(分别为52.5、54.0 mm)过后,准配对流域出现了全年最大的峰值径流(分别为9.74、8.80 mm);在此期间,各流域径流深波动明显,除了降雨量的影响外,还有前期冻结的冰与积雪在温度大于0 ℃后融化而补给给河流。进入7月份,虽然降雨频繁、降雨量增加,但随着林木生长旺盛以及冠层郁闭度提高,老爷岭流域日径流深逐渐趋于平缓,圣诞村流域日径流深波动相对剧烈。

选取各流域5—9月份5次降雨过程相似的降雨事件(表3),探讨径流深与降雨量、降雨强度的关系。5、6月份,随着降雨量的增加,流域产流量明显提高;7月份进入林木生长旺盛时期,即便单次降雨与5月份的降雨量相似,但老爷岭、圣诞村流域径流深(1.81、3.35 mm)与5月12日相比均出现显著的下降。径流深与降雨强度具有相同的变化趋势,降雨强度增加,流域的峰值流量提高,而后随着降雨强度的减弱而降低。各流域均在9月份出现径流最小值,此时已经进入了北方秋季枯水期。在老爷岭流域,虽然9月10日单次降雨强度有所提高,但径流深并没有随着降雨强度的增加而增加。

3.2 准配对流域洪峰径流、枯水径流流量特征

根据图4绘制的流量过程线,老爷岭流域洪峰径流量稍高于圣诞村流域;在15%～30%的频率时,准配对流域日径流量十分接近;超过30%频率后,圣诞村流域径流量明显低于老爷岭流域径流量;枯水时期,老爷岭的流量始终明显高于圣诞村流域,说明了森林结构变化能显著改变枯水径流,而对洪峰径流影响较为微弱。

进一步比较配对流域洪峰径流和枯水径流,根据洪峰径流深、枯水径流深(表4)可知,老爷岭流域平均洪峰径流深(7.09 mm)高于圣诞村流域(6.53 mm),但流域间的洪峰径流差异没有达到显著水平;然而,枯水径流差异明显,老爷岭流域(0.98 mm)比圣诞村流域的平均枯水径流深(0.33 mm)提高了0.65mm,约为圣诞村流域的3倍,并且枯水径流深的最大值和最小值均表现相同的变化趋势。根据曼-惠特尼U非参数检验的结果可知,流域间达到极显著差异(P<0.01)。

图3 研究时期准配对流域(老爷岭、圣诞村)降雨量与径流深关系曲线

表3 准配对流域单次降雨特征及日径流量

表4 准配对流域(老爷岭、圣诞村)的洪峰、枯水径流深

3.3 准配对流域洪峰径流、枯水径流历时特征

以0.5 h为步长计算各流域的径流量,根据洪峰径流、枯水径流阈值,统计准配对流域洪峰径流、枯水径流的全年历经总时间(表5)。结果表明,森林质量提高(F1>F2),洪峰径流历时增加,老爷岭流域洪峰历时(70.5 h)比圣诞村流域(65.5 h)高出5 h;然而,枯水径流历时却减少,表现为老爷岭流域枯水历时(78 h)比圣诞村流域枯水历时(82 h)减少4 h。

表5 准配对流域(老爷岭、圣诞村)洪峰、枯水径流历时特征

3.4 准配对流域洪峰径流、枯水径流的变异性

由表6可知,随着森林质量的提高,洪峰径流变异系数均值分别为2.22、2.51,老爷岭流域洪峰径流变异系数小于圣诞村流域,但流域间的差异没有达到显著水平。然而,老爷岭流域枯水径流变异系数降低(0.55),比圣诞村流域平均枯水径流变异系数(0.82)低33%,并且极显著低于圣诞村流域(P<0.01)。以上结果说明,枯水径流变异系数对森林结构的变化更加敏感,老爷岭流域枯水径流相比于全年径流变化较为稳定,而圣诞村流域枯水径流明显偏离年均径流量。

表6 准配对流域(老爷岭、圣诞村)的洪峰、枯水径流变异系数

3.5 准配对流域洪峰事件滞时特征

根据研究时段的峰值流量,选取5—7月份主要洪峰过程,进行准配对流域间不同洪峰滞时的对比(表7)。其中,老爷岭流域的4次洪峰滞时均高于圣诞村流域,在5月13日、5月24日、6月18日时,老爷岭流域0.5 h累积降雨量均高于圣诞村流域,但是其洪峰滞时分别比圣诞村流域延缓了2.5、1.5、3.5 h;7月28日的0.5 h累积降雨量比圣诞村流域低,其洪峰滞时比圣诞村流域高0.5 h,流域间的平均滞时从大到小依次为老爷岭流域、圣诞村流域,平均滞时延缓了2.0 h。为了清晰地体现降雨和洪峰间的滞时效应,以表7中准配对流域最大降雨过程(80.2、75.0 mm)为例,利用0.5 h的降雨-洪峰过程计算降雨形心至洪峰形心的时间(图5),老爷岭流域降雨形心和洪峰径流形心分别在6月17日06时、6月18日17时30分,历经总时间为35.5 h;而圣诞村流域降雨形心和洪峰径流形心分别为6月17日05时30分、6月18日13时30分,历经总时间为32.0 h。由此可见,森林质量越高的流域,其降雨后的洪峰延滞时间越长。

3.6 森林结构差异对流域退水特征的影响

为了进一步说明配对流域径流退水快慢,根据准配对流域径流过程线(图6),选取7次主要洪水衰退过程,利用退水曲线方程计算退水系数(k)、退水常数(α),以退水系数和退水常数反映流域退水特征,随着退水系数增加,退水常数变大,退水时间延长,退水过程越稳定,否则,退水过程越快。由表8可知,老爷岭的退水系数通常大于圣诞村流域,二者均值分别为16.9、8.5 d;准配对流域的退水常数变化范围分别为0.841 5～0.975 7、0.730 6～0.938 6,均值分别为0.909 4、0.862 6。老爷岭流域相比圣诞村流域平均退水时间延缓了8.4 d。以上结果表明,老爷岭流域退水过程比圣诞村流域稳定,进一步证明了森林结构好、森林质量高的流域,森林对径流调节能力提高,促使退水过程表现的相对平缓。从季节性动态上看,退水系数、退水常数随时间增加呈现增长趋势,5月初,流域径流退水过程较快;9月的径流退水过程更加平缓,退水系数、退水常数均达到最大值,说明以基流为主要来源的时期(秋季)径流补给更为稳定,退水过程缓慢。

表7 准配对流域(老爷岭、圣诞村)间不同洪峰滞时

图5 准配对流域(老爷岭、圣诞村)洪峰滞时特征

4 讨论

本研究通过准配对流域的对比发现,森林结构差异导致了枯水径流情势显著变化,老爷岭流域比圣诞村流域的平均枯水径流深提高0.65 mm、枯水变异系数降低33%、枯水历时减少4 h,然而洪峰径流情势差异却不显著。由于森林结构变化导致枯水径流的显著改变,也在海流图河流域的研究中被发现[8],由于耐旱树种增加,海流图河流域枯水流量显著增加。同时有研究表明,森林覆盖率提高,枯水期径流量增加[23]。段亮亮等[10]对大兴安岭地区研究发现,森林扰动后,配对流域洪峰径流情势差异不显著。在欧洲地区28个流域的水文调查中发现,阔叶混交林覆盖率降低没有导致峰值流量显著改变[24]。一方面,森林结构综合指数小的流域,经历植被生长季耗水最旺盛的阶段,林木耗水量可能较大[25],从而导致枯水径流量的降低以及枯水持续时间的延长;同时,进入枯水期,主要依靠基流补给,由于森林更新演替后树种组成丰富度不同,导致各流域土壤性质及下渗能力改变[26],老爷岭流域的树种组成最为丰富,而圣诞村流域树种组成较为单一,使其土壤的水源涵养能力较树种组成丰富的流域差,致使土壤下渗和持水能力减弱,造成枯水径流减少。另一方面,2021年为丰水年(年降雨量均在660 mm以上),期间发生了多场次强度大的降雨,造成森林对降雨的可调控作用减弱[27],枯落物层、土壤层可能处于近饱和状态,导致穿透雨多以地表径流的方式汇集到流域出口,从而降低森林对降雨的再分配,而且2个流域洪峰径流多发生于5月份,此时冻土活动层可能未完全融化,土壤垂直入渗能力较差,导致降雨后主要以地表径流的方式产流[28],所以在降雨量基本接近(空间异质性较小)的前提下,流域间洪峰径流情势差异较小。

图6 准配对流域(老爷岭、圣诞村)洪峰退水过程

表8 准配对流域(老爷岭、圣诞村)不同洪峰退水过程的退水系数、退水常数

然而,在加拿大Baker Creek流域的研究中发现,森林覆盖率降低也会导致枯水径流量显著增加、变异系数减小[13],这主要是因为森林变动后土壤扰动较小,并且森林覆盖率降低导致耗水量减少,所以枯水径流明显升高。周勇等[29]在遂川县域的研究发现,随着森林质量指数的提升,森林也可起到显著的滞洪作用。在俄勒冈州西部大小流域研究中发现,森林采伐,即森林质量降低,致使小流域、大流域的洪峰径流分别增加50%、100%[30]。由此可知,森林覆盖率的增加或减少都可能促使枯水径流和洪峰径流的改变,这主要取决于森林变动后的土壤下渗能力、林木蒸腾耗水量的变化[22]以及降水的影响和下垫面的调节能力[31-32]。

虽然近配对流域排除了气候差异对径流情势的影响,但仍然有其他因素的干扰,比如地形地貌差异对产流的影响。一般认为,坡度越大,径流变化越剧烈[33]。本研究中,老爷岭流域坡度稍大,但是该流域的枯水径流情势比坡度小的圣诞村流域更稳定,说明,在该流域中森林植被比地形对径流的调节作用更强。

在一段时期内无降水或降水较小时,河川径流逐渐的消退被称为流域退水过程,对反映流域内水文过程至关重要[4]。不同场次降雨经由流域下垫面的调蓄作用而形成大小洪峰,洪峰的消退影响着蓄水量的多少。本研究选取准配对流域7场降雨,探讨洪峰-退水过程,经分析发现,降雨后快速形成洪峰,并且降雨停止后洪峰径流迅速消退,以退水常数体现流域间径流退水快慢,结果发现森林结构综合指数较高的老爷岭流域退水过程比圣诞村流域稳定。前人关于退水过程的研究,发现流域退水特征主要取决于多方面因素,如降雨量[34-35]、洪峰大小[36]、下垫面特征[37]。黄欣祺等[38]在韩江流域的研究中发现,土壤地形指数均值与流域退水系数呈正相关,即土壤地形指数均值越大,退水过程越稳定;张清杰[39]在小理河流域次洪退水分析中发现,退耕还林实施以来,下垫面条件改变,次洪退水参数增大,退水过程更加稳定。森林蓄积量、树种组成、郁闭度、龄级等森林结构指标提升的前提下,森林质量更高,流域退水过程逐步趋向相对稳定的状态。一方面,由于森林质量高的流域,土壤下渗作用更强,降雨过后,产生的快速流减少,而以稳定的壤中流等缓慢的补给河流为主[14],所以,致使流域退水历经时间延长,退水过程稳定;5月初,准配对流域间退水常数十分接近,在后续退水中,退水常数差值逐渐增加,这是因为5月初,冻土活动层未完全融化,土壤接受降雨的入渗能力较差,流域间产流后退水过程基本表现相同的趋势,同样证实了上述推测原因;另一方面,根据退水曲线方程可知,径流量(总径流或基流)的高低也决定退水过程的快慢,森林结构综合指数降低,生长季的峰值流量较高,且处于中龄林的林木生长需水量较多,导致进入生长季后,径流量会明显减少,峰值流量距径流下降至平缓流量的差值增加,致使退水过程剧烈。

5 结论

通过准配对流域(老爷岭、圣诞村)的对比,研究森林结构差异(蓄积量、树种组成、郁闭度、龄级)对大兴安岭地区森林小流域径流情势的影响。结果表明,随着森林结构综合指数的提高,老爷岭流域全年洪峰历时延长5 h,平均洪峰滞时增加2 h,但是未能引起其他洪峰径流情势的显著变化。

森林结构差异对枯水径流情势产生了显著影响(P<0.05)。随着森林结构综合指数的增加,森林质量提升,枯水径流持续时间减少4 h,枯水径流深明显增加,表现为老爷岭流域比圣诞村流域高0.65 mm,是圣诞村流域径流深的3倍,平均枯水径流变异系数比圣诞村流域降低33%。

老爷岭、圣诞村流域的退水常数均值分别为0.909 4、0.862 6,退水系数分别为16.9、8.5 d,老爷岭流域平均退水时间比圣诞村延缓了8.4 d。