森林結構差異對大興安嶺森林小流域徑流情勢和退水特征的影響1)

崔楊 蔡玉山 劉歡 楊曉晨 段亮亮

(森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室(東北林業大學),哈爾濱,150040)

水是地球生命賴以生存的物質基礎,其循環過程、形成特點以及與森林的關系始終是森林水文研究中備受關注的問題[1-2]。河流水文情勢指河川徑流表現出多年的、穩定的特征規律,包括流量、時機、歷時、頻率以及變異性[3]。退水是指降水少或無降水時,河川徑流逐漸消退的過程[4]。在森林生態系統中,流域水情及退水變化不僅對維持水生生物多樣性至關重要,還直接影響農業和城市供水,由此可見,穩定的水文過程在流域中發揮著極其重要的作用[3,5]。

氣候變化和森林植被是影響流域產匯流的主要驅動因子[6-7]。例如,Yang et al.[8]在海流圖河流域的研究中發現,64%的徑流量改變取決于溫度、降水、耕地面積的綜合變化。然而,排除了氣候的干擾,探究森林對徑流的調節主要依賴于森林覆蓋率、森林植被類型等諸多因素的影響[9]。段亮亮[10]通過近配對流域法,探討老溝河流域與未受干擾的小北溝流域之間的徑流變化特征,結果發現森林干擾顯著影響枯水徑流情勢,而對洪峰徑流情勢影響不顯著;羅韋慧[11]在大興安嶺3個典型森林流域中發現,流域徑流深與落葉松所占比例密切相關;Liu et al.[12]在梅江流域的研究中發現,森林采伐能顯著影響洪峰徑流、枯水徑流的水文情勢;Zhang et al.[13]在加拿大Baker Creek流域的研究中得到這樣的結論,森林干擾顯著增加了洪峰徑流、枯水徑流的流量,提高了變異性,并提前了洪峰徑流發生時機。另一方面,針對流域退水過程,目前有很多成果在基流分割的基礎上,研究地下徑流退水時間變化特征,通常表現為基流補給多的時期,退水過程穩定,而降雨過后的洪峰徑流退水比較劇烈[14-15]?？梢?前人關于森林干擾對徑流情勢影響的結論因流域條件不同而有所差異,并且徑流退水空間變化特征的研究較為匱乏。探討徑流情勢的改變和退水過程需要考慮流域內多方面的因素,如土壤、植被類型、森林覆蓋率、氣候因素。為了分析森林植被變化對徑流情勢和退水特征的影響,需要排除其他影響因子。準配對流域法,即選擇了自然條件相似(地形、地質、地貌、土壤等)、地理位置相近而森林植被不同的流域,將其作為“對照”及“處理”流域,進而分析同一時期內植被變化對流域水文過程的影響,可以有效地剔除氣候、地形地貌對徑流的干擾,為探究森林植被變化對水文情勢和退水的影響提供了可靠依據[16]。

大興安嶺林區是我國唯一的寒溫帶明亮針葉林區,該區域內水系發達,主要源于森林重要的水源涵養功能。然而,冠層截留量、枯落物層持水量、土壤滲透能力以及林木耗水,因林木生長狀況、生物學及生態學特性而有所不同[17-18],所以,森林植被可以顯著影響流域水文過程。前人針對森林覆蓋率與流域徑流關系進行了多項研究[19-20],但針對流域內森林結構改變,如樹種組成、蓄積量、郁閉度、齡級等綜合指標差異對河川徑流特征影響的研究相對較少。認識和理解森林結構對流域水文過程的影響將為該地區森林水資源的管理和可持續利用提供理論支撐。本研究利用準配對流域法,以大興安嶺北部漠河市北極村的2個典型森林小流域(老爺嶺流域(面積為21.9 km2)、圣誕村流域(面積為23.9 km2))為研究對象,探討森林結構(森林平均蓄積量、樹種組成、郁閉度、齡級)變化對徑流情勢和退水特征的影響,以此揭示大興安嶺小流域森林結構與水文過程的關系。

1 研究區概況

研究區位于黑龍江省大興安嶺北部地區,地形主要以低山丘陵為主,坡度較緩,海拔277～688 m,全區地勢主要呈東北-西南方向。其氣候較為獨特,屬于寒溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷、低溫時間長;夏季溫暖濕潤,但歷經時間較短;年平均降水量約為460 mm,降雨主要集中在6—8月份。該區域雖然降雨量不大,但水系發達。土壤類型主要為棕色針葉林土,土層厚度在15～40 cm之間,并有永久凍土的存在,其主要呈島狀分布,季節性凍土在全區域內普遍存在。地帶性植被主要以興安落葉松(Larixgmelinii)為主,同時,還分布一定面積的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等喬木林。

2 研究方法

2.1 研究流域的選擇

為了揭示森林結構差異對流域徑流情勢及退水過程的影響,在黑龍江漠河森林生態系統國家定位觀測研究站研究區范圍內,通過現場勘察和林場林業二類調查數據,選擇了位置相近,地形地貌相似,森林覆蓋率均在90%以上,森林結構存在顯著差異的老爺嶺、圣誕村河小流域(圖1)。林學中對森林結構的研究主要集中在群落的樹種組成、年齡結構、生物量等方面。因此,利用Arcgis10.5軟件對流域內樹種組成、蓄積量等林分結構現狀進行數據統計、分析,對其森林地形參數、森林結構參數進行整理(表1),發現樹種組成、平均單位蓄積量、郁閉度、齡級等森林結構指標差異明顯,地形參數基本相似。為了更加清晰的體現流域內森林結構差異,將森林結構各指標進行歸一化統計(表2),即各指標值在準配對流域內的占比,并將歸一化后的森林結構指標總和作為本研究的森林結構綜合指數(F,F1代表老爺嶺流域,F2代表圣誕村流域)。森林結構綜合指數可以體現森林結構整體差異及森林質量,F值越大代表森林結構越好、越穩定、森林質量更高。森林結構各指標及森林結構綜合指數從大到小依次為老爺嶺流域(2.45)、圣誕村流域(1.55),即F1>F2,依據準配對流域的森林結構差異,揭示其對流域徑流情勢及退水過程的影響。

2.2 數據獲取及雙累積曲線法

本研究時段為2021年4月26日—2021年9月30日,分別在各流域下游,選擇河道窄、河岸規整的斷面布設水位自記儀(Onset HOBO U20-001-04型)(簡稱R1、R2,圖1)監測水位,記錄時間為30 min/次。由于準配對流域地形相似,且位于同一氣候區,空間異質性小,因此,在各流域林外布設翻斗式雨量計(Onset HOBO RG3-M)(簡稱P1、P2、P3,圖1)記錄降雨。根據降雨事件和徑流變化,用旋杯式流速儀在流域預先選好的斷面上實測不同水位及流速,計算通過斷面的瞬時流量(m3/s),并利用水位自記儀記錄的連續水位與擬合的各流域水位—流量曲線計算觀測時段內連續日徑流量(m3/d),依據流域面積,將逐日徑流量轉換為逐日徑流深(mm)。

雙累積曲線是水文學研究中常用的一種簡單、直觀的檢驗方法[21]。為了排除流域降雨誤差,根據流域間的累積降雨量做雙累積曲線,若曲線出現拐點而不符合連續的正比關系,可能準配對流域在觀測時段的降雨存在明顯差異,從而說明配對流域的選擇不合理。在本研究中依靠該方法,檢驗準配對流域選擇的可靠性。

圖1 研究流域概況及儀器布設圖

表1 研究流域基本特征

表2 研究流域森林結構指標歸一化處理結果

2.3 研究指標的確定

洪峰徑流、枯水徑流是森林水文研究中的兩個主要水文變量[22],影響著河流生態系統完整性,對維持河流生態系統穩定性具有重要意義。本研究利用流量歷時曲線(FDC)定義洪峰徑流和枯水徑流。流量歷時曲線是用來反映流域內某一研究時段流量與流量發生頻率之間的關系曲線,在流量歷時曲線中,洪峰徑流被定義為大于或等于流量歷時曲線5%頻率的徑流值,而枯水徑流被定義為小于或等于流量歷時曲線95%頻率的徑流值[13]。

徑流情勢主要包括徑流量、時機、歷時、頻率、變異性[3,13],這些水文要素對維持水體生物多樣性和生態系統完整性至關重要[3]。本研究以流量、時機、歷時、變異性這4個指標來研究準配對流域洪峰、枯水徑流情勢。同時利用退水分析獲得不同降雨-徑流事件的退水常數(α)、退水系數(k),探討森林結構差異對流域退水特征的影響,進而揭示其對流域水源涵養功能的影響,具體徑流情勢指標定義如下：

(1)流量：指通過某一斷面的徑流大小,本研究主要是用發生洪峰徑流和枯水徑流時的逐日徑流深(mm)來表示。

(2)時機：發生特定水文事件的時間,本研究中特指流域滯時,洪水事件的降雨形心(twc,h)至水文過程線形心的時間(tqc,h)。

(1)

式中：wi為時段i的降雨量(mm);ti為時段i的時間(h);n為總時段數。

(2)

式中：Qi為時段i的徑流深(mm)。

同時,根據Barnes[4]對密西西比上游的研究發現,地表徑流、基流等退水過程可用公式(3)和(4)表示。α的大小用來反映退水過程的快慢,α越大,表明退水時間越長,退水過程越穩定,反知,退水過程越劇烈。

Qt=Q0(e-t/k);

綜上所述，本文主要簡單分析新醫改對醫院會計制度和改革的影響。從文中可以得出，在新的醫療改革背景之下可以有效的促進對醫院會計制度的改革，對醫院會計制度的改善能夠更好的推動醫院各項費用的核算，對促進醫院的發展具有重要的意義。

(3)

式中：Qt、Q0分別為t時刻和退水開始時刻的流量;k為指定時段內的退水系數(d);t為退水時間(d)。

Qt=Q0(αt);

(4)

式中：α為退水常數,0≤α≤1。

α=e-1/k。

(5)

(3)歷時：指研究時段內發生洪峰徑流或枯水徑流的總時間(洪峰徑流歷時：大于或等于洪峰徑流閾值的總天數;枯水徑流歷時：小于或等于枯水徑流閾值的總天數;各流域洪峰徑流和枯水徑流閾值：根據發生洪峰徑流和枯水徑流流量的平均值或中位數確定)。

(4)變異性：引入變異系數,是指洪峰徑流、枯水徑流深分別與年平均徑流深差值的絕對值(mm),與年平均徑流深(mm)的比值,以此反映各流域洪峰徑流和枯水徑流偏離年徑流的程度。

采用Origin 2022和SPSS 26.0軟件進行繪圖、數據處理與分析,根據曼-惠特尼U非參數檢驗方法進行各指標間的差異顯著性分析。

3 結果與分析

3.1 準配對流域試驗可靠性檢驗及降雨量與徑流特征

流域間逐日降雨量雙累積曲線的R2為0.998,且P<0.01(圖2),說明準配對流域的累積降雨量具有極顯著的線性關系,排除了研究時期流域間降雨觀測誤差,準配對流域的選擇較為合理。

圖2 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)日降雨量雙累積曲線

從圖3可以看出,研究時段內各流域的徑流深變化趨勢一致,均屬于降雨主導型流域。其洪峰期主要集中在5—6月份。老爺嶺、圣誕村流域于6月17日降雨(分別為52.5、54.0 mm)過后,準配對流域出現了全年最大的峰值徑流(分別為9.74、8.80 mm);在此期間,各流域徑流深波動明顯,除了降雨量的影響外,還有前期凍結的冰與積雪在溫度大于0 ℃后融化而補給給河流。進入7月份,雖然降雨頻繁、降雨量增加,但隨著林木生長旺盛以及冠層郁閉度提高,老爺嶺流域日徑流深逐漸趨于平緩,圣誕村流域日徑流深波動相對劇烈。

選取各流域5—9月份5次降雨過程相似的降雨事件(表3),探討徑流深與降雨量、降雨強度的關系。5、6月份,隨著降雨量的增加,流域產流量明顯提高;7月份進入林木生長旺盛時期,即便單次降雨與5月份的降雨量相似,但老爺嶺、圣誕村流域徑流深(1.81、3.35 mm)與5月12日相比均出現顯著的下降。徑流深與降雨強度具有相同的變化趨勢,降雨強度增加,流域的峰值流量提高,而后隨著降雨強度的減弱而降低。各流域均在9月份出現徑流最小值,此時已經進入了北方秋季枯水期。在老爺嶺流域,雖然9月10日單次降雨強度有所提高,但徑流深并沒有隨著降雨強度的增加而增加。

3.2 準配對流域洪峰徑流、枯水徑流流量特征

根據圖4繪制的流量過程線,老爺嶺流域洪峰徑流量稍高于圣誕村流域;在15%～30%的頻率時,準配對流域日徑流量十分接近;超過30%頻率后,圣誕村流域徑流量明顯低于老爺嶺流域徑流量;枯水時期,老爺嶺的流量始終明顯高于圣誕村流域,說明了森林結構變化能顯著改變枯水徑流,而對洪峰徑流影響較為微弱。

進一步比較配對流域洪峰徑流和枯水徑流,根據洪峰徑流深、枯水徑流深(表4)可知,老爺嶺流域平均洪峰徑流深(7.09 mm)高于圣誕村流域(6.53 mm),但流域間的洪峰徑流差異沒有達到顯著水平;然而,枯水徑流差異明顯,老爺嶺流域(0.98 mm)比圣誕村流域的平均枯水徑流深(0.33 mm)提高了0.65mm,約為圣誕村流域的3倍,并且枯水徑流深的最大值和最小值均表現相同的變化趨勢。根據曼-惠特尼U非參數檢驗的結果可知,流域間達到極顯著差異(P<0.01)。

圖3 研究時期準配對流域(老爺嶺、圣誕村)降雨量與徑流深關系曲線

表3 準配對流域單次降雨特征及日徑流量

表4 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)的洪峰、枯水徑流深

3.3 準配對流域洪峰徑流、枯水徑流歷時特征

以0.5 h為步長計算各流域的徑流量,根據洪峰徑流、枯水徑流閾值,統計準配對流域洪峰徑流、枯水徑流的全年歷經總時間(表5)。結果表明,森林質量提高(F1>F2),洪峰徑流歷時增加,老爺嶺流域洪峰歷時(70.5 h)比圣誕村流域(65.5 h)高出5 h;然而,枯水徑流歷時卻減少,表現為老爺嶺流域枯水歷時(78 h)比圣誕村流域枯水歷時(82 h)減少4 h。

表5 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)洪峰、枯水徑流歷時特征

3.4 準配對流域洪峰徑流、枯水徑流的變異性

由表6可知,隨著森林質量的提高,洪峰徑流變異系數均值分別為2.22、2.51,老爺嶺流域洪峰徑流變異系數小于圣誕村流域,但流域間的差異沒有達到顯著水平。然而,老爺嶺流域枯水徑流變異系數降低(0.55),比圣誕村流域平均枯水徑流變異系數(0.82)低33%,并且極顯著低于圣誕村流域(P<0.01)。以上結果說明,枯水徑流變異系數對森林結構的變化更加敏感,老爺嶺流域枯水徑流相比于全年徑流變化較為穩定,而圣誕村流域枯水徑流明顯偏離年均徑流量。

表6 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)的洪峰、枯水徑流變異系數

3.5 準配對流域洪峰事件滯時特征

根據研究時段的峰值流量,選取5—7月份主要洪峰過程,進行準配對流域間不同洪峰滯時的對比(表7)。其中,老爺嶺流域的4次洪峰滯時均高于圣誕村流域,在5月13日、5月24日、6月18日時,老爺嶺流域0.5 h累積降雨量均高于圣誕村流域,但是其洪峰滯時分別比圣誕村流域延緩了2.5、1.5、3.5 h;7月28日的0.5 h累積降雨量比圣誕村流域低,其洪峰滯時比圣誕村流域高0.5 h,流域間的平均滯時從大到小依次為老爺嶺流域、圣誕村流域,平均滯時延緩了2.0 h。為了清晰地體現降雨和洪峰間的滯時效應,以表7中準配對流域最大降雨過程(80.2、75.0 mm)為例,利用0.5 h的降雨-洪峰過程計算降雨形心至洪峰形心的時間(圖5),老爺嶺流域降雨形心和洪峰徑流形心分別在6月17日06時、6月18日17時30分,歷經總時間為35.5 h;而圣誕村流域降雨形心和洪峰徑流形心分別為6月17日05時30分、6月18日13時30分,歷經總時間為32.0 h。由此可見,森林質量越高的流域,其降雨后的洪峰延滯時間越長。

3.6 森林結構差異對流域退水特征的影響

為了進一步說明配對流域徑流退水快慢,根據準配對流域徑流過程線(圖6),選取7次主要洪水衰退過程,利用退水曲線方程計算退水系數(k)、退水常數(α),以退水系數和退水常數反映流域退水特征,隨著退水系數增加,退水常數變大,退水時間延長,退水過程越穩定,否則,退水過程越快。由表8可知,老爺嶺的退水系數通常大于圣誕村流域,二者均值分別為16.9、8.5 d;準配對流域的退水常數變化范圍分別為0.841 5～0.975 7、0.730 6～0.938 6,均值分別為0.909 4、0.862 6。老爺嶺流域相比圣誕村流域平均退水時間延緩了8.4 d。以上結果表明,老爺嶺流域退水過程比圣誕村流域穩定,進一步證明了森林結構好、森林質量高的流域,森林對徑流調節能力提高,促使退水過程表現的相對平緩。從季節性動態上看,退水系數、退水常數隨時間增加呈現增長趨勢,5月初,流域徑流退水過程較快;9月的徑流退水過程更加平緩,退水系數、退水常數均達到最大值,說明以基流為主要來源的時期(秋季)徑流補給更為穩定,退水過程緩慢。

表7 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)間不同洪峰滯時

圖5 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)洪峰滯時特征

4 討論

本研究通過準配對流域的對比發現,森林結構差異導致了枯水徑流情勢顯著變化,老爺嶺流域比圣誕村流域的平均枯水徑流深提高0.65 mm、枯水變異系數降低33%、枯水歷時減少4 h,然而洪峰徑流情勢差異卻不顯著。由于森林結構變化導致枯水徑流的顯著改變,也在海流圖河流域的研究中被發現[8],由于耐旱樹種增加,海流圖河流域枯水流量顯著增加。同時有研究表明,森林覆蓋率提高,枯水期徑流量增加[23]。段亮亮等[10]對大興安嶺地區研究發現,森林擾動后,配對流域洪峰徑流情勢差異不顯著。在歐洲地區28個流域的水文調查中發現,闊葉混交林覆蓋率降低沒有導致峰值流量顯著改變[24]。一方面,森林結構綜合指數小的流域,經歷植被生長季耗水最旺盛的階段,林木耗水量可能較大[25],從而導致枯水徑流量的降低以及枯水持續時間的延長;同時,進入枯水期,主要依靠基流補給,由于森林更新演替后樹種組成豐富度不同,導致各流域土壤性質及下滲能力改變[26],老爺嶺流域的樹種組成最為豐富,而圣誕村流域樹種組成較為單一,使其土壤的水源涵養能力較樹種組成豐富的流域差,致使土壤下滲和持水能力減弱,造成枯水徑流減少。另一方面,2021年為豐水年(年降雨量均在660 mm以上),期間發生了多場次強度大的降雨,造成森林對降雨的可調控作用減弱[27],枯落物層、土壤層可能處于近飽和狀態,導致穿透雨多以地表徑流的方式匯集到流域出口,從而降低森林對降雨的再分配,而且2個流域洪峰徑流多發生于5月份,此時凍土活動層可能未完全融化,土壤垂直入滲能力較差,導致降雨后主要以地表徑流的方式產流[28],所以在降雨量基本接近(空間異質性較小)的前提下,流域間洪峰徑流情勢差異較小。

圖6 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)洪峰退水過程

表8 準配對流域(老爺嶺、圣誕村)不同洪峰退水過程的退水系數、退水常數

然而,在加拿大Baker Creek流域的研究中發現,森林覆蓋率降低也會導致枯水徑流量顯著增加、變異系數減小[13],這主要是因為森林變動后土壤擾動較小,并且森林覆蓋率降低導致耗水量減少,所以枯水徑流明顯升高。周勇等[29]在遂川縣域的研究發現,隨著森林質量指數的提升,森林也可起到顯著的滯洪作用。在俄勒岡州西部大小流域研究中發現,森林采伐,即森林質量降低,致使小流域、大流域的洪峰徑流分別增加50%、100%[30]。由此可知,森林覆蓋率的增加或減少都可能促使枯水徑流和洪峰徑流的改變,這主要取決于森林變動后的土壤下滲能力、林木蒸騰耗水量的變化[22]以及降水的影響和下墊面的調節能力[31-32]。

雖然近配對流域排除了氣候差異對徑流情勢的影響,但仍然有其他因素的干擾,比如地形地貌差異對產流的影響。一般認為,坡度越大,徑流變化越劇烈[33]。本研究中,老爺嶺流域坡度稍大,但是該流域的枯水徑流情勢比坡度小的圣誕村流域更穩定,說明,在該流域中森林植被比地形對徑流的調節作用更強。

在一段時期內無降水或降水較小時,河川徑流逐漸的消退被稱為流域退水過程,對反映流域內水文過程至關重要[4]。不同場次降雨經由流域下墊面的調蓄作用而形成大小洪峰,洪峰的消退影響著蓄水量的多少。本研究選取準配對流域7場降雨,探討洪峰-退水過程,經分析發現,降雨后快速形成洪峰,并且降雨停止后洪峰徑流迅速消退,以退水常數體現流域間徑流退水快慢,結果發現森林結構綜合指數較高的老爺嶺流域退水過程比圣誕村流域穩定。前人關于退水過程的研究,發現流域退水特征主要取決于多方面因素,如降雨量[34-35]、洪峰大小[36]、下墊面特征[37]。黃欣祺等[38]在韓江流域的研究中發現,土壤地形指數均值與流域退水系數呈正相關,即土壤地形指數均值越大,退水過程越穩定;張清杰[39]在小理河流域次洪退水分析中發現,退耕還林實施以來,下墊面條件改變,次洪退水參數增大,退水過程更加穩定。森林蓄積量、樹種組成、郁閉度、齡級等森林結構指標提升的前提下,森林質量更高,流域退水過程逐步趨向相對穩定的狀態。一方面,由于森林質量高的流域,土壤下滲作用更強,降雨過后,產生的快速流減少,而以穩定的壤中流等緩慢的補給河流為主[14],所以,致使流域退水歷經時間延長,退水過程穩定;5月初,準配對流域間退水常數十分接近,在后續退水中,退水常數差值逐漸增加,這是因為5月初,凍土活動層未完全融化,土壤接受降雨的入滲能力較差,流域間產流后退水過程基本表現相同的趨勢,同樣證實了上述推測原因;另一方面,根據退水曲線方程可知,徑流量(總徑流或基流)的高低也決定退水過程的快慢,森林結構綜合指數降低,生長季的峰值流量較高,且處于中齡林的林木生長需水量較多,導致進入生長季后,徑流量會明顯減少,峰值流量距徑流下降至平緩流量的差值增加,致使退水過程劇烈。

5 結論

通過準配對流域(老爺嶺、圣誕村)的對比,研究森林結構差異(蓄積量、樹種組成、郁閉度、齡級)對大興安嶺地區森林小流域徑流情勢的影響。結果表明,隨著森林結構綜合指數的提高,老爺嶺流域全年洪峰歷時延長5 h,平均洪峰滯時增加2 h,但是未能引起其他洪峰徑流情勢的顯著變化。

森林結構差異對枯水徑流情勢產生了顯著影響(P<0.05)。隨著森林結構綜合指數的增加,森林質量提升,枯水徑流持續時間減少4 h,枯水徑流深明顯增加,表現為老爺嶺流域比圣誕村流域高0.65 mm,是圣誕村流域徑流深的3倍,平均枯水徑流變異系數比圣誕村流域降低33%。

老爺嶺、圣誕村流域的退水常數均值分別為0.909 4、0.862 6,退水系數分別為16.9、8.5 d,老爺嶺流域平均退水時間比圣誕村延緩了8.4 d。