西南林大森林立地學(xué)課件-3森林水文

水文水文1.幾個(gè)概念2.研究目的3.基本規(guī)律4.研究方法5.研究?jī)?nèi)容6.研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)7.研究的正確評(píng)價(jià)1.幾個(gè)概念水文：泛指自然界中水的分布、運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律以及與環(huán)境的相互作用。研究水文規(guī)律的學(xué)科稱為水文學(xué)。（水文與水資源學(xué)，劉俊民、余新曉，中國(guó)林業(yè)出版社，1999）水分學(xué)：研究“水與水有關(guān)現(xiàn)象的科學(xué)”被稱之為水文學(xué)，即研究地球上各種水及其發(fā)生、循環(huán)、分布、理化性質(zhì)與環(huán)境反應(yīng)（包括與生物反應(yīng)）的科學(xué)。（中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律，劉世榮、溫遠(yuǎn)光等，中國(guó)林業(yè)出版社，1996）水文學(xué)：是研究地球上水的形成、循環(huán)分布、性質(zhì)及水與周圍環(huán)境相互作用的科學(xué)。（水文學(xué)，王曉華，華中科技大學(xué)出版社，2006）2.水文學(xué)研究的目的：水文學(xué)研究的目的：運(yùn)用水文規(guī)律為給水排水工程和市政工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工管理提供正確的水文資料及分析成果，以充分開發(fā)與合理利用水資源，減免水害，充分發(fā)揮工程效益。通過模擬和預(yù)報(bào)自然界中水量和水質(zhì)的變化及發(fā)展動(dòng)態(tài)，為開發(fā)利用水資源，控制洪水和保護(hù)水環(huán)境等方面的水利建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能是森林和水相互作用后所產(chǎn)生的綜合功能的體現(xiàn)，即調(diào)節(jié)氣候、改變降水分布、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、保持水土、減洪、滯洪及抵御旱澇災(zāi)害等所發(fā)揮的巨大作用。另一方面，森林水循環(huán)作為全球物質(zhì)循環(huán)中重要環(huán)節(jié)，共同影響著大氣、土壤和植被的結(jié)構(gòu)、功能、分布格局及動(dòng)態(tài)變化，還影響地球能量收支、轉(zhuǎn)換和分配，籍以在維持生物圈和地圈生態(tài)平衡過程中起著重要作用。森林水文研究森林植被對(duì)水文現(xiàn)象和相關(guān)聯(lián)環(huán)境質(zhì)量的影響，即研究以降水或其它形式的水分輸入到森林生態(tài)系統(tǒng)后，再分配、調(diào)節(jié)、循環(huán)、輸入、輸出過程的變化規(guī)律，以及森林對(duì)水質(zhì)和水土保持作用等。森林水文學(xué)研究的目的是揭示森林和水的作用關(guān)系、森林水文生態(tài)功能及其隨自然地理、植被條件和人為干擾施加的環(huán)境影響下的變化機(jī)制。3.水文現(xiàn)象的基本規(guī)律：（1）在時(shí)程變化上存在著周期性和隨機(jī)性周期性：產(chǎn)生原因是地球公轉(zhuǎn)，地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致春、夏、秋、冬四季交替，四季中的降水具有一定的周期性變化，因此使得河流的水文情勢(shì)也具有相應(yīng)的周期變化。此外，在冰雪水源的河流上，由于氣溫的日變化，水文現(xiàn)象也具有日周期性的變化。隨機(jī)性：影響水文現(xiàn)象的因素眾多，各因素本身在時(shí)間上不斷地發(fā)生變化，所以受其影響的水文現(xiàn)象也處于不斷變化之中。它們?cè)跁r(shí)程上和數(shù)量上的變化過程，伴隨周期性出現(xiàn)的同時(shí)，也存在不重復(fù)性的特點(diǎn)，這就是所謂的隨機(jī)性。（2）在地區(qū)上存在著相似性及特殊性相似性：不同流域所處的地理位置（緯度與距海遠(yuǎn)近等）相似，氣候與地理?xiàng)l件也相似，那么，由相似的氣候及地理?xiàng)l件綜合影響而產(chǎn)生的水文現(xiàn)象，在一定程度上就具有相似性。特殊性：不同流域雖然所處的地理位置和氣候因素相似，但由于下墊面因素（指除了氣候因素以外的其他一切自然地理因素）的差異，也會(huì)有不同的水文變化現(xiàn)象。4.水文現(xiàn)象的研究方法物理成因法：根據(jù)水文現(xiàn)象與其影響因素之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，通過觀測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)資料的研究分析，建立兩者間的數(shù)學(xué)物理方程，預(yù)測(cè)未來的水文現(xiàn)象。此法能夠給出比較確切的成果，在水文預(yù)報(bào)和水文分析計(jì)算中用得比較廣泛。地理綜合法：從地區(qū)分布上尋找水文現(xiàn)象的空間分布規(guī)律，它假定水文現(xiàn)象在地區(qū)上的變化是均勻的，在空間上的變化是連續(xù)的。氣候因素和地形地質(zhì)等因素的分布具有地區(qū)特征，從而使水文現(xiàn)象的變化在地區(qū)上的分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。此法是確定資料短缺地區(qū)水文特征值的重要方法。在我國(guó)遼闊的土地上，還有許多流域缺乏研究，因此該方法具有普遍的重要意義。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法：結(jié)合水文現(xiàn)象的隨機(jī)性級(jí)周期性，應(yīng)用概率論理論來研究水文現(xiàn)象的具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的方法。只要我們根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的要求，在收集過去與現(xiàn)在的實(shí)測(cè)資料時(shí)，注意其資料的獨(dú)立性，就可以利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法找出水文現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)未來可能發(fā)生的水文情勢(shì)進(jìn)行預(yù)估。此法未闡明水文現(xiàn)象的因果關(guān)系，其結(jié)果只是一種長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故對(duì)于重要工程還必須結(jié)合物理成因法和地理綜合法進(jìn)行分析，從而減少設(shè)計(jì)值的誤差。5.水文學(xué)的研究?jī)?nèi)容：（1）水循環(huán)及水量平衡：大循環(huán)與小循環(huán)，全球水量平衡、流域水量平衡；（2）河流和流域：水體（徑流和沙流），河槽（河床和河道），河流分段、斷面等；（3）降水：成因，類型，基本要素（降雨量、歷時(shí)、強(qiáng)度、面積）；（4）蒸發(fā)與散發(fā)：水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物蒸騰流域蒸散發(fā)；（5）下滲：下滲率，下滲能力；（6）徑流：地表徑流、地下徑流，流量，徑流總量，徑流深，徑流模數(shù)（M），徑流系數(shù)；森林水文的研究?jī)?nèi)容：（1）森林林冠層：降水的再分配，水量的動(dòng)態(tài)變化（持水量、不同月份的分配）；（2）下層植被：生物量，持水量（3）枯枝落葉層：枯落物產(chǎn)量及現(xiàn)存量、持水率和持水量、透水性實(shí)驗(yàn)、對(duì)地表蒸發(fā)的影響，截留降水動(dòng)態(tài)變化；（4）土壤（礦質(zhì)層）：土壤層的空隙結(jié)構(gòu)和蓄水量、土壤水分的滲透與調(diào)節(jié)、土壤水分的季節(jié)變化；（5）徑流：徑流場(chǎng)小區(qū)徑流（徑流量和徑流系數(shù)、過程及其變化系數(shù)、坡面徑流的動(dòng)態(tài)變化）、集水區(qū)徑流（枯水期、融水期、降雨期）、流域徑流；（6）水質(zhì)：原始紅松林、天然次生林、人工落葉松林對(duì)降雨化學(xué)的影響；（7）固土保肥功能：降水與山地坡度對(duì)表土流失的影響、植被與掉落物的吸水量對(duì)表土流失的影響、土壤的有效貯水量對(duì)表土流失的影響、表土流失的一般規(guī)律（輕微表土流失期、嚴(yán)重表土流失期）（8）水量平衡：（9）效應(yīng)評(píng)價(jià)：6.不同森林類型水文生態(tài)背景區(qū)域寒溫帶、溫帶森林暖溫帶及黃土高原森林亞熱帶森林熱帶森林降雨地理分布位于中緯度西風(fēng)帶的大陸東岸，從沿海向內(nèi)陸遞減各地降水差異大，年等雨量線由800～600～400mm向西北遞減由東向西、由南向北遞減，山前多雨、山后干旱，降水迂回變化近海迎風(fēng)區(qū)多雨，遠(yuǎn)海背風(fēng)區(qū)少雨；山區(qū)多雨，平原區(qū)少雨?？偟膩碚f，西部熱帶降雨量比東部熱帶少季節(jié)分布集中在夏季主要集中在夏季，尤以7、8兩月最多，而冬、春特少受夏季風(fēng)南北循序進(jìn)退的影響，降雨量在時(shí)間上的分布式有南往北逐漸推進(jìn)的規(guī)律降雨不均勻，干濕季節(jié)分明變率比較穩(wěn)定最大年降水量一般是最小年的2～3倍；最小年一般是平均年降雨量的35%～50%，夏季降雨強(qiáng)度大，形成降水高變率中心通常，年降雨量的相對(duì)變率是降水量多的地區(qū)變率小，反之則大；氣旋雨、地形雨為主的地區(qū)變率小，而穩(wěn)定性小的臺(tái)風(fēng)雨、對(duì)流域等地區(qū)變率較大年降雨量變化很大，容易出現(xiàn)水、旱災(zāi)害。東部熱帶因熱帶氣旋影響比西部熱帶降雨年變率要高蒸發(fā)溫度較低，蒸發(fā)量小水分條件自東向西顯著減少，依次出現(xiàn)濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)-半干旱的水分梯度。干燥的環(huán)境家具水分蒸發(fā)，蒸發(fā)量大于降雨量氣溫較高，降雨豐沛，蒸發(fā)量大西部明顯低于東部，各月蒸發(fā)量相差很大，7月份最大，可達(dá)120mm以上（海南島），而1月份少到10mm甚至幾毫米徑流地表水資源豐沛，冬季河道封凍，徑流小，春季回溫，形成春汛降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)盛，地表產(chǎn)水量少，河川徑流不豐富，呈現(xiàn)明顯的徑向分布規(guī)律徑流資源豐富，但地區(qū)分布很不均勻；徑流的季節(jié)分配和年降雨變化深受東亞季風(fēng)氣候影響，變率大；地表水流侵蝕活動(dòng)強(qiáng)烈，河川固體徑流較多時(shí)空分布與降雨量分布基本一致。從地域上看，西部小于東部，并由東南向西北遞減；從時(shí)間分配看，熱帶地區(qū)各流域，徑流的季節(jié)分配很不均勻水量平衡降水的70%左右被耗于蒸發(fā)總趨勢(shì)是蒸發(fā)多于徑流，愈往內(nèi)陸蒸發(fā)的所占比例愈大差異較大降雨量高，徑流量大，但季節(jié)分配不均勻，同樣存在干旱和水資源缺乏的問題存在問題集中過伐，火災(zāi)頻繁，森林資源惡化，氣溫上升，日溫差加大，降雨日減少，蒸發(fā)量加大開發(fā)早，制備破壞嚴(yán)重過度采伐，森林覆蓋率減少，水土流失加劇，土壤肥力下降，土地退化等熱帶森林徐素消失和破壞，使水循環(huán)失調(diào)，引起水、旱災(zāi)害頻繁發(fā)生；降雨分配不均，森林土壤蓄水能力下降，使本來很低的水資源利用率下降；森林破壞，水土流失加劇，水庫(kù)和河道淤塞，土壤肥力下降等7.我國(guó)森林水文研究現(xiàn)狀

（祝志勇,季永華.我國(guó)森林水文研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)概述[J].江蘇林業(yè)科技,2001,28(2):42~45）蒸發(fā)散：森林蒸發(fā)散是森林水量平衡中最重要的指標(biāo)，一般地，森林蒸發(fā)散大于無林區(qū)的蒸發(fā)散，但實(shí)際上，森林總蒸發(fā)量與無林地的自由水面的蒸發(fā)量較接近。據(jù)大多數(shù)研究者的研究成果，森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸發(fā)散最大約占降雨量的40%~80%。由于受測(cè)定方法手段和實(shí)際操作技術(shù)困難的限制，國(guó)內(nèi)開展森林蒸發(fā)散的測(cè)定和研究不很深入和廣泛，據(jù)現(xiàn)有兒個(gè)不同地理帶不同森林類型的蒸發(fā)散比較，森林蒸發(fā)散受樹種、林齡、海拔、降水量等諸多因了的影響，隨著降水量的增加，森林蒸發(fā)散略顯增加趨勢(shì)，相對(duì)蒸發(fā)散則呈減少的規(guī)律性變化。水循環(huán)：森林生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)功能主要體現(xiàn)在森林植被對(duì)降水調(diào)蓄、消耗與轉(zhuǎn)化上，特征包括森林植物的截留、發(fā)散、水分入滲和滲透、徑流等幾個(gè)方面。水質(zhì)：森林生態(tài)系統(tǒng)不僅因?yàn)橛辛謱铀晃飳雍屯寥缹?，?duì)污染物質(zhì)有較強(qiáng)的截留過濾作用，而目能有效地減少地表徑流，使得輸出的水質(zhì)具有較高的凈化效果。8.國(guó)外森林水文研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

(王德連,雷瑞德,韓創(chuàng)舉.國(guó)內(nèi)外森林水文研究現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2004,19(2),156~160)研究歷史：國(guó)外森林和水的關(guān)系的科學(xué)研究始于20世紀(jì)初，森林水文研究早期發(fā)展階段主要集中在森林變化（主要是砍伐森林）對(duì)流域產(chǎn)水量的影響，1900年瑞士埃曼托爾（Emmental）山地的2個(gè)小流域?qū)Ρ仍囼?yàn)是這類研究的開端，也是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)森林水文學(xué)開端的標(biāo)志。

20世紀(jì)50年代，森林水文學(xué)開始向2個(gè)主要方向發(fā)展：一方面致力于森林水文機(jī)制和水文特征的研究，探討森林中水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括降水截留、地被物截留、土壤滲透等；另一方面，隨著生態(tài)學(xué)理論的發(fā)展，開始從單一森林植被對(duì)有關(guān)水文學(xué)現(xiàn)象的影響轉(zhuǎn)移到水文系統(tǒng)與能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和水質(zhì)變化等緊密聯(lián)系在一起的生態(tài)系統(tǒng)水平，從宏觀上闡明森林生態(tài)系統(tǒng)的基本功能與水文特征的相互關(guān)系。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)生態(tài)學(xué)家Bormann和Likens、提出了森林小集水區(qū)技術(shù)，開創(chuàng)了森林生態(tài)系統(tǒng)研究和森林水文學(xué)研究相結(jié)合先河。

80年代以后，森林水文學(xué)進(jìn)入到一個(gè)嶄新的階段，森林水文作用被劃分為3個(gè)相互聯(lián)系的領(lǐng)域，森林對(duì)水分循環(huán)量、質(zhì)的影響，森林對(duì)水循環(huán)機(jī)制的影響，建立基于森林水文物理過程分布式參數(shù)模型。降水：在森林與降水關(guān)系中，林冠截持降水是森林對(duì)降水第一次阻截，也是對(duì)降水的第一次分配。其余大部分降水通過林內(nèi)降水形式到達(dá)地面枯枝落葉層，形成土壤蓄水。穿透降水量與林分密度成反比，隨樹冠截留增加而減少，隨離樹干距離增大而增加，數(shù)值上等于降水量減去樹冠截留量與樹干徑流量之和。森林枯枝落葉層具有較大的水分截持能力，從而影響穿透降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)充和植物的水分供應(yīng)?？葜β淙~層具有比土壤更多更大的空隙，因而水分易蒸發(fā)。林地土壤水分入滲和水分貯存對(duì)森林流域徑流形成機(jī)制具有重要意義。一般森林土壤疏松，物理結(jié)構(gòu)好，孔隙度高，具有比其它土地利用類型高的入滲率。對(duì)于良好的森林土壤，其土壤穩(wěn)定入滲率高達(dá)8.0cm/h以上，林地入滲過程的模擬以Philip模型為主。徑流：蒸發(fā)散：森林蒸發(fā)散受樹種、林齡、海拔、降水量及其它氣象因了的影響，隨緯度的降低、降水量增加，森林蒸發(fā)散略呈增加趨勢(shì)，相對(duì)蒸發(fā)散則減少。水質(zhì)：近幾年定量評(píng)價(jià)大氣污染對(duì)森林流域水文循環(huán)、化學(xué)物質(zhì)輸入輸出變化，森林水質(zhì)影響受到了廣泛重視。9.正確評(píng)價(jià)森林水文效應(yīng)

(周曉峰,趙惠勛,孫慧珍.正確評(píng)價(jià)森林水文效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報(bào),2001,16(5),420~426)確立系統(tǒng)觀是根本：在任何條件下都應(yīng)肯定:森林是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣的生態(tài)系統(tǒng)，它符合系統(tǒng)論的基木原理，即:系統(tǒng)功能決定于系統(tǒng)結(jié)構(gòu);合理的、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生良好的效應(yīng)（正效應(yīng)）；不合理的結(jié)構(gòu)則會(huì)降低功能，甚至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。森林在水分循環(huán)中的作用：（1）林冠能夠截留大量降水降水進(jìn)入森林即行再分配。第一步即林冠截留，截留率截留量占同期降雨量的百分比值)主要受降雨量與林冠郁閉度的影響。在郁閉度越高、降雨量越少的情況卜，截留率越大，甚至可達(dá)100%。在降雨強(qiáng)度很大，或降雨持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)、林冠已飽和的情況卜，則截留率趨于0。（2）樹干徑流（干流、莖流)量不大森林的十流量通常很小，占降水量的比值通常在5%以下，很少超過10%，在我國(guó)東部的主要針闊葉樹種中，棟類的十流量較大。例如:黑龍江省的蒙占棟十流率可高達(dá)15.45%，這是它能適應(yīng)十旱、瘠薄立地條件的重要原因。（3）林冠層使雨滴動(dòng)能增強(qiáng)當(dāng)降雨量再增大（林內(nèi)開始出現(xiàn)因枝葉匯集作用而產(chǎn)生的大雨滴），林內(nèi)降雨動(dòng)能亦隨之增大，并超過同期林外雨的降雨動(dòng)能。這就是在暖溫帶刺槐林、熱帶按樹林等結(jié)構(gòu)不良林分（缺灌草層，特別是缺凋落物層）內(nèi)均出現(xiàn)地表侵蝕的原因。這也說明，為保證森林的水上保持作用，必須保護(hù)林下的灌、草層，尤其是凋落物層，使雨滴不能直接沖擊上壤，從而免除水蝕危害。（4）森林的蒸發(fā)散能力很強(qiáng)蒸發(fā)散包括兩個(gè)過程：蒸發(fā)是指林地上壤和植物枝、干、葉表面的水分蒸發(fā)，這是個(gè)物理過程;蒸騰是指森林中所有植物通過葉片氣孔和皮孔散發(fā)出水分的生理過程。蒸發(fā)散是森林生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)中最主要的輸出項(xiàng)，又由于在蒸發(fā)散過程中要消耗大量熱能，因此，它又是森林生態(tài)系統(tǒng)熱量平衡中最主要的過程，這也是森林能調(diào)節(jié)局域溫度和濕度的機(jī)理所在。（5）森林阻滯地表徑流的作用很明顯各氣候帶的主要森林類型中的測(cè)定均表明：森林林冠層能有效地截持一部分降水，特別是凋落物層，其有效吸水量通常為其自重的2~4倍，可達(dá)每公頃11~33t；林地上壤結(jié)構(gòu)疏松，有利于水分的下滲，其穩(wěn)定入滲率通常是農(nóng)耕地和放牧草地的3~12倍。因此，林地的地表徑流很少發(fā)生或顯著削弱。在各類森林中測(cè)定結(jié)果表明，在月降雨量不超過80-90ml的情況下，均米產(chǎn)生地表徑流;次降雨量不超過60~65ml，（黑龍江省海浪河流域云冷杉林）時(shí)，無地表徑流產(chǎn)生。（6）森林對(duì)河流總徑流量的影響長(zhǎng)期存在爭(zhēng)論（7）森林能有效地削減和延緩洪峰森林通過喬、灌、草及枯落物層的截持含蓄、大量蒸騰、上壤滲透、延緩融雪等過程，使地表徑流減少，甚至為0，從而起到削減洪水的作用。這一作用的大小，又受到森林類型、林分結(jié)構(gòu)、林地上壤結(jié)構(gòu)和降水特性等的影響。通常，復(fù)層異齡的針闊混交林要比單層同齡純林的作用大;對(duì)短時(shí)間的次降水過程的作用明顯，隨降水時(shí)間的延長(zhǎng)，森林的削洪作用也逐漸減弱，甚至到0。因此，森林的削洪作用有一定限度，但不論作用程度如何，各地域的測(cè)定分析結(jié)果證實(shí)，森林的削洪作用是肯定的。（8）森林能補(bǔ)枯，有時(shí)也可能減枯我國(guó)是典型的季風(fēng)，氣候國(guó)家，絕大部分地區(qū)降水的年內(nèi)季節(jié)分配不均，或春旱或夏旱，少雨季節(jié)的枯水徑流主要靠流域蓄水補(bǔ)給。森林對(duì)枯水徑流的作用有兩類，一是在降水較多時(shí)，而且林地上壤透水性能良好，