重庆缙云山典型林分的坡面糙率系数及影响因素

重庆缙云山典型林分的坡面糙率系数及影响因素 2009 年 6 月中 国 水 土 保 持 科 学Vol . 7 No . 3 () 7 3:19223 Science of Soil and Water Conservation J un. 2009 重庆缙云山典型林分的坡面糙率系数及影响因素 1 1† 1 2 2韩小杰, 齐实, 刘登峰, 吴云, 陈林 ( 11 北京林业大学水土保持学院 ,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室 ,100083 ,北京 ; ) 21 重庆缙云山国家级自然保护区管理局 ,400700 ,重庆 (摘要 根据 2008 年 4 月实测数据 ,以三峡库区重庆缙云山 4 种典型林分 马尾松纯林 、马尾松阔叶混交林 、常绿阔 ) 叶林和楠竹林为研究对象 ,并以农耕地作对照 ,在野外径流小区实验的基础上 ,通过曼宁公式 ,对重庆缙云山林地 坡面糙率系数 n 值进行研究 。结果表明 :地表糙率系数 n 值介于 01007 9,01270 4 之间 ,其中 ,马尾松纯林的糙率 系数 n 值最小 ,马尾松阔叶混交林的糙率系数 n 值最大 ,大小排序为马尾松阔叶混交林 > 阔叶林 > 楠竹林 > 马尾01543 6 x 2 ( ) ( ) ( ) 松纯林 ;糙率系数 n y与枯落物厚度 x的关系为 y = 01020 5e, R= 01923 7 ;地表水分渗透量 y随着糙率系 2 ( ) 数 n x增加而增大 ,其关系式为 y = 37125ln x + 188147 , R= 01778 2 。 关键词 糙率系数 ; 渗透 ; 三峡库区 ; 缙云山 Surface roughness coeff icient and its infl uencing factors on the slope of typical f orests in Jinyun mounta in of Chongqing 1 1 1 2 2Han Xiaojie, Qi Shi, Liu Dengfeng, Wu Yun, Chen Lin (11College of Soil and Water Conservation , Beijing Forest University ; Key Lab. of Soil & Water Conservation and Desertification Combating , Ministry of )Educatio , 100083 , Beijing ; 21Chongqing Jinyunshan National Nature Protection Region Management Bureau , 400700 , Chongqing : China Abstract Surface roughness coefficients on the slope of forestland in J inyun mountain of Chongqing by using ( the Manning Formula are conducted based on the measured field experiments data in 4 typical forests Pinus ) massoniana , mixed with Pinus massoniana and broadleaf trees , broadleaf forest and Phyllostachys pubescens, compared to crop2land , in J inyun mountain , Chongqing City of the Three Gorges Reservoir Area in April 2008 . The results show that the values n of the surface roughness coefficient vary from 01007 9 to 01270 4 . The value n of Pinus massoniana is minimum and the value n of the mixed with Pinus massoniana and broadleaf trees is maximum. The descending order of surface roughness coefficient of 4 typical forests is as follows : mixed with Pinus massoniana and broadleaf trees , broadleaf forest , Phyllostachys pubescens , Pinus massoniana. The relationship s between surface roughness coefficient and litter depth is shown as linear 01543 6 x 2( ) ( ) relationship , the formula of surface roughness coefficient yand litter depth xis : y = 01020 5e, R ( ) is 01923 7 respectively , and there is a logarithmic relationship between surface roughness coefficient xand 2 ( ) infiltration capacity of surface water y , the formula is : y = 37125ln x + 188147 , Ris 01778 2 . The infiltration capacity of surface water increases with the increase of surface roughness coefficient . Key words infiltration ; surface roughness coefficient ; Three Gorges Reservoir Area ; J inyun mountain 收稿日期 : 2008210216 修回日期 : 2009204217 () 项目名称 : 国家自然科学基金“三峡库区以流域为单元森林植被对洪水的影响研究”30571486“; 十一五”科技支撑计划“重庆 ()北部水源区水源涵养林构建技术试验示范”2006BAD03A1802 () 第一作者简介 : 韩小杰 1983 —,男 ,硕士研究生 。主要研究方向 :流域治理 。E2mail :misshan0319 @163. com () † 责任作者简介 : 齐实 1964 —,男 ,副教授 。主要研究方向 :水土保持 ,流域治理 。E2mail : qishi @bjfu. edu. cn 洪能力与水土保持措施决策具有重要的现实意义 。技术提供依据 。 目前 ,国内外很多学者对地表糙率系数 n 值进 1 研究区概况 1 26 7 行了研究,张洪江等通过室内实验 ,测定了特 定坡度和流量条件下 ,不同枯落物种类及其数量和 研究区位于重庆市北碚区境内 ,嘉陵江小三峡 8 29 之温塘峡西岸的缙云山自然保护区 ,其地理坐标 E糙率系数 n 值的关系 。张洪江等还在晋西和三 ( 峡花岗岩区 ,通过野外实验 ,研究了不同林地状况或 106?22′,N 29?45′。缙 云 山 的 土 壤 以 酸 性 p H 值 为 ) 不同土地利用类型对糙率系数 n 值分异规律的影 410, 415 黄 壤 及 水 稻 土 为 主 , 山 上 最 高 处 海 拔 10 响 。张志强等针对林地地表径流运动的形成过 95115 m ,山顶到山脚相对高差 600 m 。该区为典型 程和运动特点 ,建立了林地渗透坡面地表径流运动 的中亚热带常绿阔叶林气候带 ,年均气温 1316 ?, 基本方程 ,通过讨论土壤水分运动和地表径流运动 年均降水量 1 61118 mm ,年均蒸发量 77711 mm 。缙参数 ,将土壤水分运动简化为一维模型 ,将地表径流 云山保护区内植物资源异常丰富 ,植被类型较多 ,主 简化为运动波模型 ,通过叠代计算获取了林地地表 要有 6 种 植 被 类 型 , 分 别 为 常 绿 阔 叶 林 、暖 性 针 叶 11 径流的有效糙率 。杨海龙等在三峡库区四面山 林 、竹林 、常绿阔叶灌丛 、亚热带灌草丛和水生植被 。 ( ) 响水溪流域 ,通过野外小区径流实验 ,测定了 11 块 主要 优 势 树 种 为 马 尾 松 Pinus massoniana 、杉 木 ( ) ( 具有典型代表性林地的地表糙率系数 ,通过曼宁公 Cunninghamia lanceolata 、樟 Cinnamomum campho2 12 ) ( ) ( 式 ,对地表糙率进行了定量研究 。何常清等通过 ra、栲 Castanopsis f argesii 、华 山 松 Pinus armandii ) ( ) 在宁夏固原六盘山叠叠沟小流域坡面径流小区的地 Franch、四川大头茶 Gordonia acuminata 和四川山 14 ( ) 表径流试验 ,研究了地表径流流速与枯落物覆盖的 矾 Symplocos setchuanensis 等。在 该 自 然 保 护 区 内 ,选取马尾松纯林 、马尾松阔叶混交林 、阔叶林和 关系 ,及曼宁阻力系数 n 值和枯落物量的关系 。王 13( ) 通过对裸地坡面和植被坡面进行水土流失楠竹 Phyllostachys pubescens 林 4 个 主 要 的 林 分 类 丽等 型 ,在每种林分类型 3 个径流小区 ,对其林下地 观测 ,以损失雨量 、曼宁糙率系数和水土流失发生区 面积为参数 ,对坡面的泥沙流失量进行了模拟计算 。 表糙度以及相应入渗量进行实地测量 ,并以农耕地 作为对照 ,林分基本情况见表 1 。 上述研究都未对不同林地地表糙率系数对森林水文 过程的影响机制进行深入研究 。笔者通过采用野外 不同林分地的基本情况表 1 Basic information of different stands Ta b. 1 海拔 坡度 地被物盖度 枯落物厚度 林分类型 起源 龄级 主要树种 主要地被物物种 ()m % cm ? 650 45 马尾松纯林 11,20 天然 ? 马尾松 蕨类 015,113 马尾松 、四川大头茶 、四川 厥 类 、里 白 、狗 脊 700 75 310,510 马尾松阔叶混交林 16,20 天然 ? 山矾厥 、淡竹叶 四 川 大 头 茶 、白 毛 新 木 姜 厥类 、狗脊厥 、淡竹 750 70 阔叶林 10,19 天然 ? 312,412 子 、四川杨桐叶 蕨类 、竹叶草 、鸭跖 800 20 111,117 楠竹林 9,20 天然 ? 楠竹 草 、蝴蝶花 750 15 农耕地 采伐迹地 — — — — — ( ( ) ( ) ( ) ) 注 :白毛新 木 姜 子 Neolitsea aurata var . glauca 、四 川 杨 桐 Adinandra bockiana 、蕨 类 Pteridophyta 、里 白 Diplopterygium glauca 、狗 脊 厥 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Woodwardia japonica、淡竹叶 Lophantherum gracile、竹叶草 Oolism enus compositus、鸭跖草 Commelina communis、蝴蝶花 Iris japonica。 第 3 期韩小杰等 : 重庆缙云山典型林分的坡面糙率系数及影响因素 21 m 1 l ( v = v) v= j j2 试验区设计及试验方法 ? m tj j = 1 211 小区设计 式中 : v 为 水 流 流 速 , m/ s ; v为 第 j 次 试 验 水 流 流 j 速 ,m/ s ; m 为试验次数 ; l 为小区长 度 , m ; t为 第 jj 在标准地内选择坡面平整顺直 ,土壤性质 、植物 次水流从小区上端到达下端所用时间 ,s 。群落类型 、地表死活地物状况具有一定代表性的坡 ) 3渗透量的计算 。公式如下 :地 ,沿 顺 坡 方 向 两 侧 用 30 cm 高 度 的 钢 板 做 成 长 Q- Qu d 40 cm 、宽 30 cm 的径流小区 。在小区上端设一出水P = lb 槽 ,出水槽上方布设消能供水槽与供水水源连接 ,向 2 )( ; b 为 径 流 小 区 宽式中 : P 为 渗 透 量 , mL/ s 〃m 恒水位水箱供水 ,通过溢流口使水箱内的水位保持 度 ,m 。在某一特定高度 ,以保证产生稳定的水头压力 。用 ) 4过水断面积计算 。公式如下 : 透明塑料软管经恒水位水箱的水量调节阀门 ,将恒 Q水位水箱的出水口与实验水槽 的 无 压 储 水 槽 相 联 ω = v 结 。储水槽内的水以溢流形式向实验槽供水 。用木 2 ω 式中 为过水断面积 ,m。锤将钢板打入土壤中 ,打入深度以小区内土壤与钢 ) 5水深计算 。公式如下 :() 板外侧土壤不发生侧渗为原则 见图 1。 ω h = b 式中 h 为水深 ,m 。当过水断面为宽浅式矩形时 ,其 水力半径 r 约等于水深 h 。 ) 6单宽流量的计算 。公式如下 : Q q = b ( ) 式中 q 为单宽流量 ,mL/ s〃m。 ) 7比降 i 的计算 。 θi = sin 1 —溢流 口 ; 2 —进 水 管 ; 3 —稳 压 水 槽 ; 4 —出 水 管 ; 5 —无 压 储 水 θ) ( 式中 为小区坡度 , ?。 槽 ;6 —林地地表 ;7 —钢板 ;8 —集水槽 ;9 —集水池 。) 8糙率系数 n 的计算 。根据曼宁公式可得糙 图 1 地表径流小区示意图率系数 n 的计算公式 : Fig. 1 Diagram of the runoff plot - 1 5/ 3 1/ 2 n = q h i 打开供水水源节水阀门 ,待地表径流稳定 ,土壤 达到稳渗后 ,在小区上端滴入蓝色墨水 ,测定到达小 3 结果与 区下端的时间 ,并用量筒测量该段时间内的出流量 。 311 不同土地利用状况对糙率系数的影响 212 试验方法 ) 1流量的测定 。由供水水箱以一定流量 Q向 u 根据实测流量 Q 计算的林地糙率系数 n 见表出水水槽供水 ,使径流小区内形成稳定的恒定水流 。 2 。可以看出 : 缙云山试验区的糙率系数 n 值介于由于沿程土壤的渗透作用 ,径流小区下端的出水水 01007 9,01270 4 之间 ,由大到小排序为马尾松阔叶 量 Q小于上端供水流量 ,随着时间的变化 ,下端出 d 混交林 、阔叶林 、楠竹林 、马尾松纯林 。在 4 种林分 水流量由小逐渐变大 ,待下端出水流量基本稳定后 类型中 ,马尾松纯林的糙率系数 n 最小 , 马尾松阔 进行测定 。全程流量由下式计算 :叶混交林的糙率系数 n 最大 。马尾松阔叶混交林 糙率 系 数 n 值 是 马 尾 松 纯 林 的 912 倍 , 阔 叶 林 的 Q- Q u dQ = 116 倍 ,楠竹林的 314 倍 。马尾松阔叶混交林由于其2 林冠结构搭配合理 ,林下枯落物无论从厚度 、数量还 式中 : Q 为全程平均流量 , mL/ s ; Q为上端供水流 u 是结构 、性质等方面 ,对改良林地土壤 、吸收地表径 量 ,mL/ s ; Q为下端出水流量 ,mL/ s 。d ) 流 、提高糙率系数 n 都具有很大作用 ; 马尾松纯林 2流速的计算 。流速测定采用水体染色法 ,2 林地枯落物厚度小 ,且单一 ,土壤腐殖质层积累少 ,次测定到的流速值相对误差小于 3 %时 , 取其平均 值作为流速 v 。 地表板结 ,径流流速较快 ;阔叶林林地下层植被覆盖 ( ) 松针阔混交林 、阔叶林 、楠竹林和马尾松纯林的糙率的林下枯落物厚度和土壤性质有关 表 3。可以看 ,缙云山 、四面山在其枯落物厚度和土壤密度上有出 系数分别是农耕地的 2513 、1610 、714 和 217 倍 。 11 缙云山试验区和杨海龙等的四面山 11 块试 明显差异 ,其差异主要体现在糙率系数 n 值上 。 表 2 缙云山标准地林地糙率系数 n 计算表 ) ( Ta b. 2 Roughness coefficients nof forestland in sample plots of Jinyun mountain Q v P h 枯落物厚度 林分 试验 n 平均值 i n - 1- 1- 1- 2 类型区号cm cm mL〃s cm〃s mL〃s 〃m 0120 184 109 105 1020 0 17 1 43000 01022 7 71106 2 0120 9176 4113 0108 01019 7 015 马尾松纯林 0120 55149 6164 0128 01028 5 017 3 4 130 190 135 149 1253 3 15 0191004 0130 26122 1145 0160 01270 4 510 5 01208 9 135110 马尾松阔叶混交林 0130 30123 2173 0137 01103 0 312 6 0120 135 100 142 1125 9 14 2520037 0130 29121 2105 0143 01152 2 315 8 1132 1 121156 0阔叶林 0120 30161 2122 0145 01118 2 314 9 10 120 117 164 129 1053 4 12 0313001 01060 8 102148 11 0130 33193 4100 0128 01059 0 114 楠竹林 12 0130 34155 3164 0132 01070 0 115 125 193 185 105 1008 7 01170013 — — 0125 22197 10182 0107 01007 9 01008 3 243142 农耕地 14 15 0125 24133 10182 0107 01008 2 — 表 3 缙云山和四面山糙率系数 n 对照表 ) ( Ta b. 3 Comparison of the roughness coefficients nbetween Jinyun mountain and Simian mountain - 3 )(试验地 林分类型 糙率系数 n 枯落物厚度/ cm 土壤密度/ g〃cm 01060 8 137 145 11楠竹林 缙云山 马尾松针阔混交林 01208 9 4123 1144 01044 4 180 131 21楠竹林 四面山 马尾松针阔混交林 01100 7 3100 1135 312 糙率系数与枯落物厚度的相关关系 不同 。 313 糙率系数与渗透量的关系( ) ( ) 糙率系数 n y 与枯落物平均厚度 x 的数量 ( ) 关系 基 本 成 指 数 关 系 见 图 2, 其 关 系 式 为 : y = 地表水分渗透量受糙率系数的影响 ,地表水分 01543 6 x 2 ( ) ( ) ( ) 01020 5e, R= 01923 7 。从表 1 和表 3 可以看 渗透量 y和糙率系数 n x的数量关系 图 3基本 2 出 :不同林分类型 ,地表枯落物的结构和厚度不同 , 成对数关系 : y = 37125ln x + 188147 , R= 01778 2 。 随着林地枯落物量的增加 , 地表 n 值增大 , 渗 从而其 n 值大小也不同 ,其中马尾松阔叶混交林林 () 透水量也明显升高 表 2。这是因为地表枯落物的 下枯落物厚度最大 ,平均厚度值为 4123 cm ,马尾松 分解可改变土壤结构 。据现场观察 ,森林表土层中 纯林最小 ,平均厚度值为 0163 cm 。大小排序为马尾 形成了较多的团粒结构 ,尤其在马尾松针阔混交林松阔叶混交林 > 阔叶林 > 楠竹林 > 马尾松纯林 。由 中比较明显 。随着地表糙率系数 n 值的提高 ,地表 图 2 可以看出 ,随着枯落物的厚度增加 ,其糙率系数 径流流速变小 ,通过单位坡长时间增大 ,促使渗透量 n 增大 。因 枯 落 物 可 以 影 响 到 地 表 径 流 流 速 的 降 第 3 期韩小杰等 : 重庆缙云山典型林分的坡面糙率系数及影响因素 23 关系 。 由于林下糙率系数 n 受林下枯落物及其性质 () () 分解 、未分解、林木类型 针叶 、阔叶、表层土壤厚 度 、土壤机械组成以及与之关联的土壤砾石含量 、土 壤孔隙度等因素的影响和制约 ,并且即使相同的马 尾松纯林下 ,地表的 n 值也与多个制约因子有关 , 因而 ,如何更为精确地测量和估算地表糙率 ,以及更 加明确地确定它与各影响因子的关系 ,是今后有待 于全面深入探讨的问题 。 糙率系数 n 和枯落物平均厚度的关系图 2 Relationship between roughness coefficient Fig. 2 参考文献5 ( ) nand the litter depth 日野擀雄 . 明解水理学 . 东京 : 丸善株式会社 , 1983 1 Morgan R P C. Soil erosion. New York : Longman Inc , 1997 2 李宪浩 , 芝野博文 . “ 9 2层中 な流下 する雨水 の理水 3 () 特性 . 日林 ,1990 , 72 2:85289 朱金兆 , 刘建军 , 朱清科 , 等 . 森林凋落物层水文生态 4 () 功能研究 . 北京林业大学学报 , 2002 ,24 5/ 6:30234 J ulien P , Simons B. Sediment transport capacity of overland 5 () flow. Transaction of the ASAE , 1986 , 283:7552762 Nearing M , Sinanton R , Norton D , et al . Soil erosion by 6 surface water flowon a stony , semiarid hill slope . Earth Sur2 图 3 糙率系数 n 与渗透量的关系 face Processes and Landforms , 1999 , 24 :6772686 Fig. 3 Relationship between roughness coefficient 张洪江 , 北原曜 , 远藤泰造. 几种林木枯落物对糙率 7 ( ) nand infiltration () 系数 n 值的影响 . 水土保持学报 , 1994 , 1 12:4210 张洪江 , 解明曙 , 杨柳春 , 等 . 长江三峡花岗岩区坡面 处于良好的膨松状态 ,其本身有较好的储水和渗水 8 () 糙率系数研究 . 水土保持学报 , 1994 , 1 3:33238 性能 ,同时由于林木根系所形成的根孔透水作用 ,其 张洪江 , 北原曜 , 远藤泰造 , 等 . 晋西不同林地状况对 保水性和透水性都得以增强 。 9 糙率系数 n 值影响的研究 . 水土保持通报 , 1995 , 15 () 2:10221 4 结论与讨论 张志强 , 王礼先 , 余新晓 , 等 . 渗透坡面林地地表径流10 ) 1林地地表粗糙程度是表征森林水文作用的 () 运动的有效糙率研究 . 林业科学 , 2000 , 36 5:22227一个重要参数 ,可以通过野外林地地表径流实验用 杨海龙 , 朱金兆 , 齐实 , 等 . 三峡库区森林流域林地的 11 水力学 中 的 曼 宁 公 式 计 算 得 到 的 糙 率 系 数 n 来 () 地表糙率系数 . 北京林业大学学报 , 2005 , 27 1:38241 表示 。 何常清 , 于澎涛 ,管伟 , 等 . 华北落叶松枯落物覆盖对 12 ( ) ) 地表径 流 的 拦 阻 效 应 . 林 业 科 学 研 究 , 2006 , 19 5: 2在缙云山的几种林地 , 糙率系数 n 值 介 于 5952599 01007 9,01270 4 之间 ,其中 ,马尾松纯林的糙率系 王丽 , 陈晓楠 . 植被覆盖对水土流失影响的研究 . 水 数 n 值最小 ,马尾松阔叶混交林的糙率系数 n 值最 13 () 土保持应用技术 , 2008 2:12214 大 ,大小排序为马尾松阔叶混交林 > 阔叶林 > 楠竹 王云琦 , 王玉杰 , 朱金兆 . 重庆缙云山典型林分林地 14 林 > 马尾松纯林 。 () 土壤抗蚀性分析 . 长江流域资源与环境 , 2005 , 14 6: ) 3在除了农耕地以外的林地中 ,糙率系数随着7752780 林下枯落物厚度的增加而增大 ,并使得渗透水量呈 现出增大的趋势 ,但需进一步研究不同林分枯落物 ()责任编辑 :宋如华 组成 、吸 水 特 性 以 及 枯 落 物 量 和 n 值 以 及 渗 透 的