水文效應的資料第1頁/共118頁我國水資源狀況水資源總量：2.8萬億m3，居世界第六位人均占有量2300m3，是世界人均水平的1/4，列153個國家的121位世界上13個貧水國家之一全國600多個城市中，300多個缺水，嚴重缺水108個北京年人均水資源量<400m3，居國內嚴重缺水城市之首，只有全國平均水平的1/7，世界平均水平的1/25農業缺水量為農業用水量的30.6%工業缺水量為工業用水量的44%第2頁/共118頁地球總水量13.86億km3，

大陸降水總量11.9萬km3。

水資源：短缺過剩，調節方法：水庫、森林、水源涵養、水土保持。水土保持林的水文效應：指水土保持林對一個流域或區域的水文要素的影響。第3頁/共118頁水土保持林與水的關系實質是水土保持林的水量平衡，即水土保持林對水分循環各要素的影響。它對這些要素進行改變、調控，最終改變地下水與地表水的分配比例，從而改變水文過程，調節地表徑流，保持水土。第4頁/共118頁按水文過程的順序講述降雨水分貯存徑流水分消耗第5頁/共118頁一、對降雨三次分配二、地面凈雨量第一節對降雨的再分配第6頁/共118頁一、對降雨的三次分配*林冠層截留泛指所有森林植物的地上部分(喬木、下木、灌木和活地被物)枯枝落葉截留(死地被物)枯枝落葉層下的土壤下滲吸收或產生徑流第7頁/共118頁（一）林冠對降雨的截留作用1.有關概念(1)林冠截留作用*指降水到達林冠層時，有一部分被林冠層枝葉和樹干所臨時容納，而后又蒸發返回大氣中去的作用第8頁/共118頁1.有關概念(2)林冠截留量在降雨過程的某一時段內，從林冠表面通過蒸發返回大氣中的降水量和降水終止時林冠層還保留的降水量。(3)截留率該時段內林冠截留量與林外降水量之比。(4)干流量大氣降水過程中，有一部分雨量從林冠枝葉體轉到樹干流入地表形成樹干徑流，稱為干流量。第9頁/共118頁1.有關概念(5)林內降雨量林外降雨量去除林冠截留量和干流量后的雨量。由林冠間隙直接降落到地面的林冠通過雨量和從林冠枝葉體表面降落至地面的林冠滴下雨兩部分雨量組成。林冠通過雨量林冠滴下雨第10頁/共118頁（1）林冠特性林冠結構：重疊多、孔隙少，截留量多枝葉量：多>少濕潤程度：干>濕樹種：針葉>灌木>軟闊>硬闊林冠貯水量C：一次降雨中林冠所能容納的最大降水量。2.影響林冠截留量的因素第11頁/共118頁C=(1-α)P-T-SIC=P-T-SC=IC-αPIC=C+αP林冠貯水容量的表達式第12頁/共118頁水量平衡觀測第13頁/共118頁土內徑流測量第14頁/共118頁土壤水分觀測第15頁/共118頁土壤入滲試驗第16頁/共118頁

樹種

項目針葉闊葉灌木油松軟闊葉硬闊葉沙柳杭子梢茶條槭山楊海棠遼東櫟樹冠投影面積(m2)29．522．018．93．822．44．04．0郁閉度0．90．80．70．70．90．70．7樹冠厚（m）10．27．55．21．73．51．41．4樹冠形狀塔型圓錐型漏斗型圓錐型饅頭狀圓錐狀圓錐狀平均截留率(%)26．616．514．88．222．218．518．3備注中國科學院地理研究所水文室，陜西黃龍林區仙姑河上游寺溝流域，單叢觀測。樹種與截留率第17頁/共118頁雨量與截留量：正變關系、非直線性

IC<C時成立，否則不成立。（2）雨量、雨的性質第18頁/共118頁林內雨量觀測第19頁/共118頁01020304050420降雨量mm截留量mm油松、山楊林冠截留第20頁/共118頁3.林冠截留的作用增加大氣濕度直接消減徑流量改變林下降雨的雨滴動能相對延長降雨歷時第21頁/共118頁林內觀測第22頁/共118頁（二）枯落物對降雨的截留作用1.枯枝落葉層*由林木及林下植被凋落下來的莖、葉、枝條、花、果實、樹皮和枯死的植物殘體所形成的一層地面覆蓋層。（地表特有的一個層次）第23頁/共118頁枯枝落葉層的兩種分層方法

未分解層半分解層完全分解層

A00層：殘體組織結構肉眼可辨

A0層：不可辨第24頁/共118頁①截留、吸收部分降雨；②徹底消滅降雨動能；③形成地表保護層，維持土壤結構穩定；④增加土壤有機質，改良土壤結構，提高土壤肥力；⑤增加地表粗糙度，分散、滯緩、吸收過慮地表徑流；⑥攔截過濾固體徑流，沉積沙粒；⑦防止土壤蒸發，穩定土壤濕度和溫度，利于樹木生長⑧提高土壤入滲能力，增加土壤入滲量，減少地表徑流⑨提高土壤的抗蝕能力。2.枯枝落葉的水土保持作用*第25頁/共118頁①枯落物的水容量*單位干重枯落物所能吸收的水分的數量，一般用它干重吸水的百分數或相當的降雨毫米數表示。

LC(%)=SL/WL×100%LC(mm)=SL/(ρ·AL)×10Lc－水容量；SL－截留降雨量(g)；WL－枯落物干重(g)；ρ－水的密度(g/cm3)；AL－樣本面積(cm2)。3.影響枯落物截留量的因素第26頁/共118頁則干重為WL的枯落物截留量If:

If=WL×LC

影響水容量的因子：

枯落物的組成：葉90％以上

分解程度

第27頁/共118頁②枯落物的數量枯落物的數量決定于輸入量和分解速度輸入量闊＞針，密度大＞小，年齡大＞小，旺盛＞衰弱分解速度：微生物完成闊＞針，高溫＞低溫，濕潤＞干燥數量與厚度的關系1cm以上有作用第28頁/共118頁③枯枝落葉的干燥程度干燥＞濕潤暴雨時明顯，連續降雨不明顯。第29頁/共118頁枯枝落葉的水容量森林類型枯落物年產量(kg/hm2)枯枝落葉層特征組成各組成物重量(kg/hm2)自然含水率(%)最大持水率(%)有效蓄水率(%)一次降水正常有效儲水深度(mm)厚度(cm)重量(kg/hm2)松林20303．52782枝葉半腐物1621025160064119552．3251027711818264櫟林26804．02865枝葉半腐物36592015804272302．7482982509710646第30頁/共118頁二、地面凈雨量的測定與計算地面凈雨量：經過林冠層、枯枝落葉層的兩次分配作用后，到達林地地面的實際有效降雨量。

Pe＝T＋S－IfPe＝P－Ic－IfPe凈雨量；T林內降雨；S干流量；If枯落物截留量；Ic林冠截留量第31頁/共118頁1.林冠層截留量Ic測定實測法Ic＝P－T－S模型法①統計：

IC=aP+b

IC=alnR0+blnt+C(Jackson,1975)R0平均雨強，t歷時第32頁/共118頁

②經驗：

IC=C[1-e(-P/λ)](崔起武，1982)λ＝C/φ(m.△t)IC=C[1-e(-P/C)]+E0t(Merrian,1960)E0:葉面蒸發強度第33頁/共118頁參數值表

參數橡樹松樹杉幼樹蘋果刺槐油松白楊C2017201523212016φ(m.△t)0.200.170.200.180.210.200.200.18第34頁/共118頁2.枯枝落葉層截留量If測定長期無雨

If＝Sl＝Lc·WL前期有雨

If=(Lc-Ls).WL

Ls為前期枯落物含水量考慮蒸發

If=(Lc-Ls).[1-e(-(T+S)/(Lc-Ls))]+EiT第35頁/共118頁三、小結

①林冠、枯枝落葉截留的作用，干旱與多雨地區的差別②截留對消減洪水的作用是有限的③水土保持林配置對截留的要求④枯枝落葉的效益中心作用、分解速度的控制⑤針葉、硬闊葉的特點第36頁/共118頁超聲波測雪第37頁/共118頁第二節土壤水文性質改良作用

一、土壤水分常數與運動水勢：在標準大氣壓下，從水池中把極少量的純水從基準面上等溫的、可逆的移動到土壤中某一吸水點，使之成為土壤水所必需做的功。1．基本參數第38頁/共118頁總水勢：ψt=ψm+ψg+ψp+ψsSPAC：ψsp=ψm+ψs

ψm基模勢；ψg重力勢；ψp壓力勢；ψs溶質勢水力勢：ψh=ψm+ψg+ψp

第39頁/共118頁

非飽和流：ψuf=ψm+ψg

飽和流：ψsf=ψg+ψp

土壤水吸力：S=-(ψm+ψs)PF=lg(S)第40頁/共118頁

水分常數：

田間持水量：

PF=2－2.521/10－1/3個大氣壓

100－333cm水柱高

凋萎濕度（系數）：

PF=4.1815個大氣壓

15000cm水柱高有效土壤含水量:

PF=2－4.18第41頁/共118頁入滲率：地表與處在大氣壓之下的水體保持接觸時，通過地表進入土壤的水分通量。導水率：土壤剖面內部水分的傳導速率。水容比：單位吸力所能保持的水分量。第42頁/共118頁2．入滲過程*：

滲吸階段（通量控制階段）

ψmψg表層K(θ)=Ks滲漏階段（剖面控制階段）

t≥tp,ψm0,ψg∞；

ψm=0，ψg為主穩滲階段

ψg，Ks第43頁/共118頁ff00tpt供水強度穩滲率積水定強供水入滲t0第44頁/共118頁入滲模型：

Phlip:I(t)=St1/2+Ati(t)=S-1/2+AGreen-Ampt:i=ic+b/IKostiakove:i=Bt-n第45頁/共118頁霍頓：if、i0、k分別為穩滲率、初滲率和土壤特性參數。第46頁/共118頁二、林地入滲特征

1．影響因子土壤含水量：土壤物理性質：孔隙度、結構、質地、間層、結皮

第47頁/共118頁2．入滲特征*一般規律：林地>非林地初始入滲率和穩滲率都升高，曲線上移；入滲率隨時間增加而平緩降低，曲線呈圓滑形；土壤的積水前時間tP明顯延長；單位時間內的入滲量提高，對暴雨、大強度降雨的作用明顯。第48頁/共118頁入滲率與土壤結構和植被的關系

土壤結構入滲能力（mm/h）裸土植被覆蓋的土壤粘土0～55～10粘壤土5～1010～20壤土10～1520～30沙壤土15～2020～40沙土20～2540～50第49頁/共118頁不同林地土壤水文性質平均值處理容重(g/cm3)前期含水量(cm3/cm3)吸力(10-4m/s)有效飽和導水率(m/s)集水前時間(s)未擾動1．0929．151．1645．145×10－534．3集材道1．1628．000．9490．545×10－519．1碾壓1．3932．210．5280．070×10－55．8第50頁/共118頁北海道各地不同地被的終期入滲率（mm/h）

地被類別

林地草地耕地放牧地裸露地終期下滲率

414128563714第51頁/共118頁黃土地區（吉縣）不同地類和地形條件下30分鐘土壤累積入滲量（mm）

地類部位灌木林油松林刺槐林荒草地農耕地陰坡708．3166．5152．877．294．1陽坡179．261．578．494．828．4坡底131．885．282．259．964．5坡頂205．4136．895．062．675．3平均306．2112．5102．173．665．6第52頁/共118頁第53頁/共118頁I=5.7360t1/2+0.7340t刺槐林地（8年生）I=4.1813t1/2+0.2015t荒草地I=3.1008t1/2+0.1220t農耕地（甘肅徑川）第54頁/共118頁三、土壤水分貯存與評價

1．概念重力持水量、吸收持水量降雨的水分吸收、多余水分排出暴雨吸收、林木生長第55頁/共118頁土壤含水量：W=

吸收貯水量指標：水容比C(θ)，田間持水量，毛管孔隙度重力持水量指標：非毛管孔隙度第56頁/共118頁2．評價方法

土壤重力持水量：

Wg=10000×Hd×SfWg=10000Hd×（W0-Wf）×rdWg－土壤重力持水量，t/hm2HD－土層厚度，mSf－土壤粗孔隙度，％

W0－土壤飽和含水量，％

Wf－土壤田間持水量，％

rd－土壤容重，g/cm3第57頁/共118頁土壤實際蓄水量：

Wm=(Wa－Wb)×Hm×rD×1000Wm－降雨后土壤實際蓄水量，t/hm2Wa－降雨后土壤含水量，％Wb－降雨前土壤含水量，％Hm－土壤濕潤深度，mrD－土壤容重，g/cm3第58頁/共118頁土壤吸收貯水量：

Ws=10000×Hz×rD×(Wf－Wo)Ws－土壤吸收貯水量，t/hm2Hz－有效土層厚度，mrD－土壤容重，g/cm3Wf－土壤最大持水量，%Wo－土壤最小持水量，%第59頁/共118頁四、土內徑流

1．形式

基質流：結構孔隙中所流水流，層流管流：大孔隙中的水流，紊流亞表層降雨徑流：近地表層快速徑流第60頁/共118頁土壤刨面示意圖腐殖質層：腐敗物質的沉淀層表土層：含有豐富的有機物有機質層底土層：有機物含量較少，礦物質含量很高淀積層母質層：不含任何有機物質基巖：土壤中礦物質的來源母巖層土壤剖面結構：（A00,A0）

（A）

（B）（C）（D）第61頁/共118頁2．分布

枯枝落葉層（A00,A0）有機質層（A）淀積層（B）母質層（C）母巖層（D）第62頁/共118頁3．發生條件

雨強，入滲率，導水率土壤剖面的垂直梯度變化土壤間層第63頁/共118頁土層深1.地表徑流2.層流6.層流7.基流4.土壤基質吸收5.從土壤基質進入基流3.從6進入基流不透水層有機質層土內徑流示意圖第64頁/共118頁4．特征

①影響因子質地：粗，垂直流占優勢；細，流路優先結構：穩定性，裂隙產生孔隙度：高，發生深；低，發生淺②特征垂直梯度緩和，入滲能力提高，結構穩定，根系穿透間層

深度增加，反應時間延遲，淺層發生機會減少第65頁/共118頁一、消減洪峰的作用二、水源涵養作用三、計量方法第三節消減洪峰涵養水源

第66頁/共118頁產流過程：降雨初損，坡面漫流，流域匯流產流機理：蓄滿產流，超滲產流一、對徑流的影響

第67頁/共118頁蓄滿產流*包氣帶未達到蓄水容量以前不產流，達到蓄水容量以后全部產流，受控條件為包氣帶的水分虧缺量。超滲產流*指降雨強度超過土壤入滲能力時就產流，否則不產流，受控條件為降雨強度和入滲能力的大小。第68頁/共118頁1．影響坡面漫流的因素

流量：Q=A·V第69頁/共118頁PRdhIθ坡面徑流示意圖第70頁/共118頁容重水力半徑水力坡度水流切應力濕周能量差長度過水斷面積均勻流沿程水頭損失與切應力的關系第71頁/共118頁V－坡面徑流的流速q－坡面的單寬流量h－坡面末端的徑流深θ－坡度坡面漫流的流量、流速：第72頁/共118頁V－流速（cm/s)Q－單寬流量(l/m.mim)草地：裸地：草、裸地流速經驗公式：第73頁/共118頁水土保持林的作用：h:林冠、枯枝落葉截留入滲量增加整地洼蓄對雨強、歷時的影響θ:整地

n:枯枝落葉、整地、林木及林下植被第74頁/共118頁第75頁/共118頁2.研究成果方法：皆伐、造林、現有植被第76頁/共118頁皆伐地表徑流量增加：1.5－2.0倍洪峰流量增加：1.1－2.0倍麗林紅松林：徑流系數2.3%

跡地：徑流系數12.4%

春季融雪徑流：紅松林<1％跡地23.9％第77頁/共118頁皆伐后直接流量和洪峰流量的增加率

試驗地點一次雨量級直接徑流量平均增加率(％)最大洪峰流量平均增加率(%)最大釜淵二號集水區20～30436611860430～4025466120540～5020366228350～6023525011960～801841365280～10024332441100～120833968120～16018233838160～28393184龍之口北谷20～30793894310330～40653493311140～50441065911450～603611111013160～8029767512980～100596746110100～120517064124120～1404577113153140～16053796982第78頁/共118頁更新造林直接徑流量與洪峰流量都減小美國松樹河流域：

P=150mm:幼苗郁閉，20年徑流量是無林流域的11－48％（直接徑流量）

10－30％（洪峰流量）日本多摩川：

P=31－32mm:

荒地：直接徑流量4.3mm，洪峰流量1.4m3/s

幼林：直接徑流量0.79mm，洪峰流量3.3m3/s

成林：直接徑流量0.048mm，洪峰流量0.51m3/s

第79頁/共118頁第80頁/共118頁現有植被流域對比法，森林有巨大的調蓄作用東北三省：匯流歷時延長1.62－5.0倍梨樹徑流站匯流歷時平均延長7.65倍，最高13.3倍有林流域洪峰流量4.92m3/s，匯流歷時30.4h

無林流域洪峰流量37.66m3/s，匯流歷時4.0h西峰水保站：森林平均攔蓄暴雨徑流70％以上，最高90％以上消減洪峰流量60％以上第81頁/共118頁第82頁/共118頁第83頁/共118頁各測站相似雨情洪峰過程線特征比較

雨洪日期測站雨情洪峰最大流量模數kg/s.km2洪峰過程的峰度系數Ce相對歷時％雨量cm歷時min強度mm/h歷時min徑流深mm9月22～30王家河119.60131.200．73140.77724．850．90187黨家川106.8114.050．91681.605167．5010．501007月26～28王家河55.036.101．51140.23402．751．75119黨家川56.918.561．5960.321011．9613．0010010月6～13王家河28.776.40．41560.19984．850．62130黨家川28.650.240．61200.24556．8613．80100第84頁/共118頁前期雨量影響土壤干燥，小雨或中雨，有林與無林流域徑流都比較小土壤干燥，大雨，森林削洪作用明顯連續小雨，中雨，森林削洪作用明顯連續降雨，大雨，森林有一定的削洪作用第85頁/共118頁第86頁/共118頁第87頁/共118頁二、水源涵養作用定義*：指暫時貯存的水分的一部分以土內徑流形式或以地下水的方式補充給河川，從而起到調節河流流態的作用，特別是調節季節性河川水文狀況的作用。第88頁/共118頁1.影響因子大氣、流域參數、植被條件流域總水量：在某一時段流域出口總的徑流量Q－流量P－雨量B－輻射平衡L－汽化潛熱第89頁/共118頁2.基本觀點森林可以起到涵養水源，改善河流水文狀況的作用在一些地區恢復植被可以增加流域的出水量在另外一些地區恢復植被降低流域的總水量一般來說，恢復植被都可以增加地下徑流量第90頁/共118頁總水量的一些研究結果俄羅斯：方法：相關分析，55－100個流域結果：森林覆被率增加或減少1％，河川流量增加或減少1mm

沼澤度增加或減少1％，河川流量減少或增加0.4－0.5mm

春汛隨流域覆被率增加而減小美國：方法：流域對比結果：森林采伐后總徑流量可以增加20－40％同時采伐后地表徑流量增加水量增加的時間主要在7－12月

第91頁/共118頁多林區與少林區河流洪、枯流量與含沙量對比

河流名稱最大流量與最小流量比平均含沙量(kg/m3)多林區的河流亞馬孫河3.00.06剛果河3.50.05多瑙河10.00.14松花江3.60.16伊洛瓦底江4.90.62怒江18.00.39少林區的河流尼羅河49.01.25印度河637.02.08密蘇里河210.02.97科羅拉多河

16.60遼河9000.06.86永定河40000.060.80黃河5600.037.00第92頁/共118頁第93頁/共118頁第94頁/共118頁第95頁/共118頁三、計量方法攔洪作用總徑流地下徑流第96頁/共118頁1.攔洪量的計量方法引入削洪系數森林覆被率作為一個因子進行統計分析使用對比分析利用產流理論計算最大蓄水量第97頁/共118頁削洪系數計算第98頁/共118頁覆被率因子計算

日本，27個流域，面積64～3370km2M—歷年最大的洪水比流量，m3/(s.100km2)fr—流域森林覆被率，%A–流域面積，km2B—流域平均寬度，km或第99頁/共118頁對比分析法W蘭＝I林－I非W蘭－林地的攔洪效益I林－林地的滲蓄雨量與地上植物截留之和I非－非林地的滲蓄雨量與地上植物截留之和第100頁/共118頁θ產流理論計算法I=0.1×rd×h×(θ0－θi)I－一次降雨的土壤蓄水量rd－土壤的容重（g/cm3）h－下滲的鋒面深（cm）θ0－下滲鋒面內土壤的最大含水量（％）θi－下滲鋒面內土壤的初始含水量（％）第101頁/共118頁產流響應層深度及相應土壤蓄水量

地類產流相應層最小深（cm）相應土層的平均容重(g/cm3)前期土層平均含水率（％）土壤蓄水量(mm)道路51.4