董玉婷, 穆興民, 王雙銀, 高鵬, 趙廣舉, 孫文義, 王哲

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)

產(chǎn)流作為徑流形成的首要環(huán)節(jié),是流域水文過程研究的重要內(nèi)容,也是深刻理解流域水循環(huán)規(guī)律的內(nèi)在需求。近幾十年來,在氣候變化與人類活動(dòng)的雙重影響下,流域的水生態(tài)過程與水沙過程變化明顯[1-2]。隨著大規(guī)模的水土資源開發(fā)活動(dòng)的深入,影響產(chǎn)匯流過程的下墊面條件已經(jīng)發(fā)生顯著改變,極端天氣與水文地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生日趨頻繁[2],土地利用和土地覆蓋變化、城市化等的水文效應(yīng)成為熱點(diǎn)研究問題。因此,為維護(hù)水安全、生態(tài)安全與環(huán)境安全,促進(jìn)“人-水”和諧發(fā)展,需從變化環(huán)境下產(chǎn)流及其規(guī)律的研究入手,進(jìn)一步探尋降雨入滲等水文過程的演變機(jī)理與演變規(guī)律,進(jìn)一步明確滑坡、山洪泥石流等自然災(zāi)害的產(chǎn)生機(jī)制[3]和土壤侵蝕、水土流失等現(xiàn)象的發(fā)展過程,從而有效應(yīng)對(duì)新的生態(tài)與環(huán)境問題。同時(shí),產(chǎn)流規(guī)律與產(chǎn)流機(jī)制的研究對(duì)于降低產(chǎn)流模型參數(shù)與流域特征間關(guān)系的不確定性、優(yōu)化完善流域水文模型與全球水文模型結(jié)構(gòu)[4-5]具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外水文工作者在流域產(chǎn)流研究方面做了大量的工作并取得了豐碩的成果。尤其是在國內(nèi),黃河流域由于近年來顯著的水沙情勢(shì)變化引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注,同時(shí)黃土高原生態(tài)環(huán)境的雙向演變特征(環(huán)境質(zhì)量隨氣候變化和人類活動(dòng)的惡化與改善)為相關(guān)研究提供了良好的試驗(yàn)場(chǎng)所并成了產(chǎn)流研究的熱點(diǎn)地區(qū)[6]。通過對(duì)產(chǎn)流基本特征、產(chǎn)流模式及變化條件下產(chǎn)流機(jī)制的分析與模擬,極大地促進(jìn)了流域降雨產(chǎn)流量計(jì)算、水文模型應(yīng)用、產(chǎn)流機(jī)制辨析及影響因素歸因分析等領(lǐng)域的發(fā)展[7-9]。然而,由于自然環(huán)境的復(fù)雜多變性及研究手段的局限性,產(chǎn)流研究還存在許多未知領(lǐng)域。如:對(duì)混合產(chǎn)流理論缺乏系統(tǒng)化的歸納與總結(jié),對(duì)研究尺度和模型參數(shù)的選擇缺乏全面的考量,對(duì)流域產(chǎn)流的影響因素缺乏深度挖掘。本文旨在回顧產(chǎn)流的概念與理論發(fā)展,厘清產(chǎn)流的特征規(guī)律和影響因素,探討產(chǎn)流的研究方法與研究現(xiàn)狀,指出該領(lǐng)域亟須解決的問題與未來研究的重點(diǎn)方向,以期為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)流域水文過程及推動(dòng)水文模型理論發(fā)展提供有力的科學(xué)支撐和理論依托。

1 產(chǎn)流規(guī)律及其理論發(fā)展

1.1 關(guān)于產(chǎn)流的基本概念與理論發(fā)展

20世紀(jì)30年代,國際上出現(xiàn)了產(chǎn)流及產(chǎn)流機(jī)制的概念。HORTON R E指出產(chǎn)流是流域面積上降雨或者冰雪融水扣除土壤和植被吸收以及蒸發(fā)等損失后產(chǎn)生徑流的現(xiàn)象[10]。機(jī)制是指有機(jī)體或某事物各要素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和運(yùn)行方式。而所謂產(chǎn)流機(jī)制,就是指水在一定的介質(zhì)條件下沿土壤垂向運(yùn)動(dòng)時(shí),由于供水與下滲矛盾的影響而形成多種徑流成分的發(fā)展機(jī)理與過程。不同的供水條件和介質(zhì)條件下表現(xiàn)出的產(chǎn)流機(jī)制不同[11]。

產(chǎn)流研究內(nèi)容可概括為面向自然科學(xué)的產(chǎn)流理論與機(jī)制,以及面向工程的產(chǎn)流計(jì)算與模擬兩個(gè)方面[12]。產(chǎn)流機(jī)制研究是流域產(chǎn)流研究的基礎(chǔ)及核心,也是近年來學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)之一。1935年，HORTON R E在《地面徑流現(xiàn)象》中指出,產(chǎn)流與否取決于降雨強(qiáng)度是否超過地面下滲能力和包氣帶土壤含水量是否超過田間持水量這兩個(gè)條件,即當(dāng)雨強(qiáng)超過地面下滲能力時(shí)超滲部分形成地面徑流,而當(dāng)整個(gè)包氣帶達(dá)到田間持水量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生地下徑流[13]。Horton產(chǎn)流理論正確地闡明了均質(zhì)包氣帶超滲地面徑流及地下水徑流產(chǎn)生的物理?xiàng)l件,也明確了入滲的重要作用。1951年,美國科學(xué)家KOHLER M A和LINSLEY R K基于對(duì)實(shí)測(cè)降雨和徑流數(shù)據(jù)的分析,制作了國際上第一張降雨-徑流相關(guān)圖,并提出了前期影響雨量的概念和計(jì)算方法[14],極大地促進(jìn)了產(chǎn)流計(jì)算的發(fā)展。

受自然界中各種復(fù)雜因素的影響,包氣帶巖石和土壤結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下并非理想的均質(zhì)類型,從而出現(xiàn)了一些Horton產(chǎn)流理論所解釋不了的自然現(xiàn)象[15]。如20世紀(jì)60年代,HEWLETT J D等[16]和ZASLAVSKY D等[17]通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在下滲能力強(qiáng)于降雨強(qiáng)度的地區(qū)發(fā)生了地面徑流,且退水曲線上存在不同流速的多種徑流成分。直到20世紀(jì)70年代初,DUNNE J S根據(jù)觀測(cè)和試驗(yàn),證實(shí)地面徑流的產(chǎn)生除了Horton提出的經(jīng)典超滲產(chǎn)流機(jī)制外,包氣帶土壤中還存在飽和地面徑流產(chǎn)生機(jī)制及非飽和壤中流產(chǎn)流機(jī)制[18],該理論極大地彌補(bǔ)了Horton產(chǎn)流理論的缺陷。KIRKBY M J根據(jù)DUNNE J S的觀測(cè)與試驗(yàn),基于不透水界面理論,提出了壤中徑流和飽和地面徑流的形成機(jī)制以及回歸流的概念[19],進(jìn)一步豐富了產(chǎn)流的研究內(nèi)容。

20世紀(jì)60年代以來,趙人俊等[20]在分析中國濕潤地區(qū)降雨-徑流相關(guān)圖時(shí)發(fā)現(xiàn),影響地區(qū)徑流量的最主要因素是降雨量、初始流域蓄水量和雨期流域蒸發(fā)量,而降雨強(qiáng)度與之關(guān)系不大。隨后,根據(jù)影響次降雨量和總徑流的因素總結(jié)出兩種基本的產(chǎn)流模式,即與降雨強(qiáng)度有關(guān)的“超滲”產(chǎn)流模式和與降雨強(qiáng)度無關(guān)的“蓄滿”產(chǎn)流模式,并提出了濕潤地區(qū)主要為蓄滿產(chǎn)流,干旱地區(qū)主要為超滲產(chǎn)流的理論。這兩種產(chǎn)流模式是現(xiàn)行流域產(chǎn)流計(jì)算方法的基礎(chǔ),也是流域中不同產(chǎn)流機(jī)制組合情況的綜合表現(xiàn)。隨著實(shí)踐的深入,于維忠[11]指出一定區(qū)域的產(chǎn)流機(jī)制并非靜態(tài)的,而會(huì)隨著下墊面條件及降雨情況的變化而變化。為更真實(shí)地反映產(chǎn)流過程,我國學(xué)者又提出了蓄滿和超滲并存的混合產(chǎn)流模式,并通過混合產(chǎn)流模型進(jìn)行產(chǎn)流模擬,并指出混合產(chǎn)流研究應(yīng)是未來產(chǎn)流機(jī)制研究的一個(gè)重要方向[21]。

20世紀(jì)80年代,中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)了“局部產(chǎn)流”問題,即“產(chǎn)流面積變化”的問題。為解決此問題,引入了流域蓄水容量曲線、下滲容量面積分配曲線,以及通過子流域的劃分方法來計(jì)算不同產(chǎn)流模式下的流域產(chǎn)流量[7],這種思路為正確計(jì)算流域產(chǎn)流量和分析流域產(chǎn)流機(jī)制奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。通過分析特殊包氣帶(如凍土層等)的產(chǎn)流機(jī)制、地形坡度對(duì)產(chǎn)流的影響和土層各向異性與非飽和側(cè)向流對(duì)產(chǎn)流的作用等[22],對(duì)產(chǎn)流機(jī)制有了進(jìn)一步的理解。芮孝芳[23]通過引入隨機(jī)產(chǎn)匯流理論,將流域內(nèi)具有一定時(shí)空分布的降雨視為雨滴的無窮集合,采用動(dòng)力學(xué)原理及概率論方法處理雨滴集合的運(yùn)動(dòng)來優(yōu)化產(chǎn)匯流的計(jì)算;通過引入單元嵌套網(wǎng)格產(chǎn)匯流理論,以“大數(shù)據(jù)”為背景,考慮降雨徑流的空間分布和徑流產(chǎn)生下墊面的空間變異性,提出了產(chǎn)匯流計(jì)算方法來提高計(jì)算精度[24]。這兩種理論的出現(xiàn)呈現(xiàn)了交叉學(xué)科的特點(diǎn),將確定性與隨機(jī)性方法相結(jié)合,為產(chǎn)流機(jī)制的研究提供了新的思路與有效途徑。同時(shí),對(duì)黃土高原這一天然試驗(yàn)場(chǎng)的眾多研究成果表明,在氣候、下墊面條件等因素的影響下該地區(qū)的產(chǎn)流模式有從“超滲”向“蓄滿”轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象,且有學(xué)者在實(shí)踐基礎(chǔ)上提出的“淺層蓄滿產(chǎn)流”概念[6]也獲得了廣泛認(rèn)可。

1.2 產(chǎn)流的共同規(guī)律及其特征

產(chǎn)流實(shí)質(zhì)上是流域下墊面對(duì)降雨的再分配過程,即在流域尺度上具有復(fù)雜包氣帶結(jié)構(gòu)的下墊面在多變降雨的影響下,以水循環(huán)為紐帶,通過截留、蒸散發(fā)、入滲和蓄滯等過程對(duì)降雨進(jìn)行再分配產(chǎn)生不同成分徑流的水文過程。根據(jù)不同徑流成分形成機(jī)制的差別,產(chǎn)流機(jī)制又可分為超滲地面徑流產(chǎn)流機(jī)制、壤中流產(chǎn)流機(jī)制、飽和地面徑流產(chǎn)流機(jī)制和地下徑流產(chǎn)流機(jī)制。每種產(chǎn)流機(jī)制都有其發(fā)生的基本條件與影響因素,但不同機(jī)制之間又存在著共性。任何產(chǎn)流機(jī)制形成的必要條件都是要有供水,對(duì)地面徑流來說是降水,對(duì)其他徑流而言是自上而下的下滲供水。形成不同徑流成分的充分條件是下墊面條件的異質(zhì)性,不論何種徑流,都發(fā)生在包氣帶的某些界面上,如包氣帶上界面產(chǎn)生地面徑流,土層中界面上產(chǎn)生壤中徑流等。除以上規(guī)律以外,產(chǎn)流還具有時(shí)空變異性、水分閾值性以及多維性的特征。

1.2.1 產(chǎn)流的時(shí)空變異性

流域降雨存在明顯的多時(shí)間尺度(年際、季節(jié)、日、時(shí)等)和空間尺度差異,且下墊面條件也具有明顯的空間尺度變化特征。流域的氣候條件[25-26]、下墊面特征[27-28]和人類活動(dòng)[29-31]等變化在不同時(shí)空尺度上影響著降雨徑流的形成過程,使得流域產(chǎn)流機(jī)制的類型及組合形式也存在顯著的空間變異性。首先,由于氣候條件和土壤水分條件的不同,產(chǎn)流模式存在空間尺度上的差異性,濕潤地區(qū)多蓄滿、干旱地區(qū)多超滲,而干旱半干旱地區(qū)則存在混合產(chǎn)流的現(xiàn)象[32];其次,由于流域植被調(diào)蓄能力[33]和土壤空間物理特性[34]的變化,產(chǎn)流過程在時(shí)間尺度上也發(fā)生了一定的改變;最后,水土保持、地下水開采和城市化建設(shè)等一系列人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)流特性也產(chǎn)生了影響,如產(chǎn)流量減少、產(chǎn)流時(shí)間滯后、產(chǎn)流歷時(shí)縮短和洪峰流量削減等[35-36]。

1.2.2 產(chǎn)流的水分閾值性

流域內(nèi)降雨通過“蓄-滯-滲”等過程來進(jìn)行產(chǎn)流,根據(jù)包氣帶蓄水能力的大小和下滲能力的變化,產(chǎn)流過程大致可劃分為3個(gè)階段:蓄水期、部分蓄滿產(chǎn)流期和蓄滿產(chǎn)流期。降雨初期,土壤含水量較低,通過植物截留、填洼等蓄水作用,產(chǎn)流量很少甚至不產(chǎn)流,此時(shí)產(chǎn)流處于蓄水期;隨著降雨的持續(xù),當(dāng)降雨強(qiáng)度大于地面下滲能力時(shí)產(chǎn)生超滲地面徑流,且隨著下滲水流的運(yùn)動(dòng)和不同土壤界面的蓄滯作用,開始產(chǎn)生壤中流,此時(shí)產(chǎn)流處于部分蓄滿產(chǎn)流期;隨著土壤內(nèi)部蓄滯水量的增多,當(dāng)土壤中界面上層含水量達(dá)到田間持水量時(shí)產(chǎn)生飽和地面徑流,下滲水流的不斷運(yùn)移會(huì)產(chǎn)生地下徑流,此時(shí)產(chǎn)流處于蓄滿產(chǎn)流期。由此可見,在一定條件下,流域產(chǎn)流過程的判別具有閾值性[37],當(dāng)?shù)陀谠撻撝禃r(shí),流域產(chǎn)流過程主要以蓄水為主;當(dāng)高于該閾值時(shí),流域的產(chǎn)流過程則主要以滯水和產(chǎn)流為主。隨著產(chǎn)流過程的演變,流域的產(chǎn)流機(jī)制也在發(fā)生著變化。

1.2.3 產(chǎn)流的多維性

流域產(chǎn)流以包氣帶內(nèi)部水系連通及結(jié)構(gòu)層次性為前提產(chǎn)生不同的徑流成分,水分的多向運(yùn)動(dòng)使得產(chǎn)流機(jī)制具有多維性[11],即縱向、側(cè)向和垂向3個(gè)空間維度和1個(gè)時(shí)間維度?？v向運(yùn)行機(jī)制就是包氣帶中降雨的再分配,在功能上,包氣帶對(duì)降雨的重新分配可分為包氣帶地面降雨的再分配和包氣帶土壤層對(duì)入滲水的再分配,其直接結(jié)果是產(chǎn)生不同的徑流成分;側(cè)向運(yùn)行機(jī)制就是在時(shí)程中重新分配不同流速的徑流成分,最終結(jié)果是形成流域出口段的流量過程;而垂向運(yùn)行機(jī)制就是流域產(chǎn)流過程中水分的蒸散發(fā),該過程維持著流域水循環(huán)的平衡。從時(shí)間角度而言,流域的產(chǎn)流會(huì)隨著土壤特性和水文連通性等的變化而變化,如隨著植被恢復(fù)年限的增長,土壤的容重、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和飽和導(dǎo)水率也發(fā)生了變化[38],包氣帶內(nèi)部水文連通性發(fā)生改變,產(chǎn)流過程表現(xiàn)出隨時(shí)間演變的特征。

2 影響產(chǎn)流的因素

產(chǎn)流是作用于空間變異性包氣帶的時(shí)空不均勻降雨運(yùn)移過程的集中表現(xiàn),從產(chǎn)流的要素即降雨、植物截留、填洼、土壤水運(yùn)動(dòng)、下滲、下滲后土壤水的再分配及蒸散發(fā)等方面分析,影響產(chǎn)流的主要因素有氣候因素和下墊面因素[6],其中氣候因素包括降雨特征(雨強(qiáng)、雨量、歷時(shí)、空間分布等)和蒸散發(fā)特性,下墊面因素主要包括地形地貌、植被特征(類型、覆蓋度、枯落物厚度、根系密度等)和土壤特性(容重、孔隙度、導(dǎo)水率)等。從影響產(chǎn)流的成因分析來看,影響因素又可分為系統(tǒng)性影響因素和非系統(tǒng)性影響因素[27],降雨變化對(duì)徑流的影響反映在徑流變化中,這是一個(gè)系統(tǒng)性的影響因素。水資源開發(fā)利用和人類活動(dòng)的影響則是非系統(tǒng)性的,這些因素的綜合作用使得流域下墊面發(fā)生了變化,從而影響流域的產(chǎn)流規(guī)律及產(chǎn)流機(jī)制?，F(xiàn)階段對(duì)產(chǎn)流的影響因素研究主要集中在氣候變化與人類活動(dòng)和下墊面條件這兩個(gè)方面。

2.1 影響產(chǎn)流的氣候與人類活動(dòng)因素

2.1.1 降雨與蒸散發(fā)對(duì)產(chǎn)流的影響

降雨是流域產(chǎn)流的必要條件,其強(qiáng)度、歷時(shí)、雨量與空間分布等直接影響著產(chǎn)流的時(shí)空差異性,而蒸散發(fā)作為產(chǎn)流的必經(jīng)環(huán)節(jié),反映著流域內(nèi)氣候的變化情況。白樂等[39]將降水和蒸發(fā)作為氣候變化因子,分析了窟野河流域的氣候變化對(duì)徑流變化的影響,結(jié)果表明不同時(shí)期降雨與產(chǎn)流量的變化有密切的同步關(guān)系;蒸發(fā)對(duì)產(chǎn)流過程有一定的影響,但產(chǎn)流量變化與其變化并不一致。溫永福等[40]通過野外降雨模擬發(fā)現(xiàn)，隨著降雨強(qiáng)度的增大,產(chǎn)流時(shí)間變短、產(chǎn)流量峰值變大且峰現(xiàn)時(shí)間提前。張軍等[41]在室內(nèi)模擬移動(dòng)降雨,通過分析不同降雨移動(dòng)方向(沿徑流向上、向下)、不同降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的坡面產(chǎn)流特征發(fā)現(xiàn),下移降雨初始產(chǎn)流時(shí)間與峰現(xiàn)時(shí)間均滯后于上移降雨,移動(dòng)方向不同，累積產(chǎn)流量的計(jì)算函數(shù)也不同,且不同的降雨歷時(shí)與降雨強(qiáng)度也使得產(chǎn)流曲線的峰型存在顯著差異,大雨強(qiáng)與短歷時(shí)條件下的產(chǎn)流曲線較陡峭,而小雨強(qiáng)長歷時(shí)條件下的產(chǎn)流曲線較平緩。以上研究說明,降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨空間分布與流域蒸散發(fā)等氣候因素均會(huì)對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)生影響。

2.1.2 人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)流的影響

人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)流的影響主要包括水土保持實(shí)施、農(nóng)業(yè)灌溉、城市化建設(shè)、人工集雨、地下水超采和土地利用類型及耕作方式的改變等。人類活動(dòng)改變了局部氣候和下墊面狀況[42],從而直接或間接影響降雨徑流關(guān)系和徑流形成過程,且人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)流的影響是持續(xù)推進(jìn)的。XUE Dongxiang等[43]在西北石羊河流域研究了人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)流變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,結(jié)果表明:不同的土地利用類型具有不同的水循環(huán)特征;種植結(jié)構(gòu)的變化和土地利用面積的變化會(huì)影響需水量,從而間接影響區(qū)域產(chǎn)流及水流條件。王紅[44]通過研究不同水土保持措施對(duì)降雨徑流的演化影響發(fā)現(xiàn),水土保持綜合治理具有蓄洪補(bǔ)枯的作用,使得流域土壤濕度增加從而引起流域蓄水及下滲過程的改變。姜姍姍等[45]以地下水開采嚴(yán)重的海河流域?yàn)檠芯繀^(qū),分析了地下水開采活動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響,結(jié)果表明地下水超采使得流域土壤濕度降低而蒸散發(fā)量增加,進(jìn)而使得流域蓄水空間增大,地表徑流減少。隨著城市化進(jìn)程的加快,不同功能區(qū)由于不透水面積的比例不同,降雨產(chǎn)流特征呈現(xiàn)明顯差異[46],如商業(yè)和居住用地區(qū)的產(chǎn)流量均高于大型公園和天然綠地區(qū)的。

2.2 影響產(chǎn)流的下墊面因素

2.2.1 地形地貌對(duì)產(chǎn)流的影響

流域的地形地貌特征也是產(chǎn)流研究必須考慮的因素之一,其與產(chǎn)流特性密切相關(guān)。其中坡度直接影響著流域的受雨面積和土壤的水平入滲面,進(jìn)而影響產(chǎn)流量與產(chǎn)流時(shí)間;地表糙度通過增加地表填洼和增強(qiáng)入滲能力影響坡面的產(chǎn)流效應(yīng)。李致家等[47]根據(jù)不同流域水文模擬的對(duì)比分析指出,由于局部產(chǎn)流現(xiàn)象的普遍存在,相較于流域平均坡度,河道坡度對(duì)產(chǎn)流的影響更大;當(dāng)流域的氣候條件接近時(shí),地形地貌對(duì)產(chǎn)流的影響比降雨大,流域內(nèi)發(fā)生蓄滿產(chǎn)流的可能性隨著地形指數(shù)的增大而增大。陳曉安等[48]對(duì)比了不同坡度(5°、10°、15°、20°)下紅壤坡耕地地表徑流與壤中流過程,結(jié)果表明:地表產(chǎn)流起始時(shí)間隨坡度的增加而減小,壤中流起始時(shí)間隨坡度的增加先減小后增大,且隨著坡度的增大,地表徑流強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。以10°為轉(zhuǎn)折點(diǎn),隨坡度的增大壤中徑流峰值減小且峰現(xiàn)時(shí)間也相應(yīng)提前。通過對(duì)地表糙度與產(chǎn)流機(jī)制的響應(yīng)研究[49]發(fā)現(xiàn),地表糙度越大,流域填洼量越大,而洼地積水會(huì)增加土壤的入滲水頭與入滲水量,從而在延緩坡面產(chǎn)流的同時(shí)也會(huì)減少產(chǎn)流量。

2.2.2 植被對(duì)產(chǎn)流的影響

植被對(duì)流域產(chǎn)流的影響主要取決于植被的三要素,即植被覆蓋度、枯落物厚度以及根系密度[27]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)降雨產(chǎn)流過程與機(jī)理進(jìn)行了大量的野外觀測(cè)和試驗(yàn)研究,從全球尺度而言,植被變化是產(chǎn)流機(jī)制變化最主要的驅(qū)動(dòng)因素[50]。植被通過截留、植物蒸騰和改變水流路徑等方式影響降雨的再分配過程,進(jìn)而影響產(chǎn)流過程。劉曉燕等[51]在流域尺度上建立了林草植被覆蓋率與河川徑流的定量響應(yīng)關(guān)系,結(jié)果表明,林草植被在干旱地區(qū)的減水量遠(yuǎn)大于半濕潤區(qū)的。干旱區(qū)植被覆蓋度的增大在增加土壤水分吸收的同時(shí)也會(huì)增大流域的蒸散發(fā)量,進(jìn)而減小流域的產(chǎn)水率。何玉廣等[52]為量化林地枯落物對(duì)坡面產(chǎn)流的影響,通過模擬降雨發(fā)現(xiàn),相較于裸地,有枯落物覆蓋時(shí)，產(chǎn)流趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間更短且產(chǎn)流量更小。地表枯落物能避免降雨直接打擊地表,截留前期降雨,消耗水流動(dòng)能,減小徑流流速,從而降低坡面徑流流出量,增加一定的入滲量,同時(shí)由于枯落物的存在，增加了流域坡面的糙率,延長了滲流路徑，從而增加了降雨的入滲時(shí)間,不同的枯落物種類及厚度對(duì)產(chǎn)流的影響也不盡相同。植被覆蓋度的增大和根系密度的增加會(huì)引起土壤孔隙度的增大,土體間孔隙的相互連通使得整個(gè)包氣帶中各類管網(wǎng)密布[53]。大孔隙流和管流作為土壤優(yōu)先流的常見類型在植被覆蓋區(qū)普遍存在。大孔隙和管網(wǎng)在加快降雨入滲的同時(shí),也促進(jìn)了水流的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起了快速產(chǎn)流[54]。一般而言,植被對(duì)降水量的影響不大,對(duì)調(diào)節(jié)枯水徑流、削減洪峰以及影響流域蒸散發(fā)等的作用則因地帶和流域尺度而異[55]。

2.2.3 土壤對(duì)產(chǎn)流的影響

土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度與飽和導(dǎo)水率等特性影響著包氣帶的蓄水容量和水流的下滲與側(cè)向運(yùn)動(dòng)過程,進(jìn)而影響流域的產(chǎn)流。流域地質(zhì)條件、土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)層次性影響著下墊面的滲透性[56],不同質(zhì)地的土壤飽和滲透系數(shù)存在差異,如砂壤土>粉砂壤土>粉砂質(zhì)黏壤土[57],土壤不同層面的下滲能力不同,隨著深度的增加,土壤容重增加,水穩(wěn)性團(tuán)粒逐漸瓦解,孔隙度及飽和滲透系數(shù)逐漸下降,在水流下滲過程中由于上層的滲透能力大于下層的,上層土壤內(nèi)會(huì)蓄積一定的水分,土層間滲透能力差異越大,蓄積水量越多,從而使得土壤側(cè)向滲流量增加，同時(shí)不同土壤結(jié)構(gòu)層次也會(huì)使得徑流路徑有所不同。土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量以及孔隙度決定了流域土壤的透水性、持水性和排水能力,影響包氣帶蓄水以及向地下水供給的能力[58]。顧朝軍等[38]發(fā)現(xiàn),隨著植被的恢復(fù)，黃土高原土壤特性發(fā)生了改變,土壤容重的降低以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增多,在增大蓄水能力的同時(shí)也增強(qiáng)了流域的徑流調(diào)節(jié)能力;土壤飽和導(dǎo)水率的增加使得流域內(nèi)土壤水入滲能力和地下水出流能力增強(qiáng),最終表現(xiàn)出流域內(nèi)蓄滿產(chǎn)流及混合產(chǎn)流模式比例增大的現(xiàn)象。因此,土壤特性與土壤結(jié)構(gòu)的縱向差異都會(huì)對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)生一定影響。

3 產(chǎn)流的研究方法

流域產(chǎn)流機(jī)制的判別較為復(fù)雜,除了確定降雨量、徑流系數(shù)、潛在蒸散發(fā)、植被覆蓋度等因素,還需要考慮降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)與徑流量的相關(guān)關(guān)系、洪水過程線、地下徑流所占比例和土壤缺水量等因素[59]。目前,關(guān)于產(chǎn)流過程的研究可分為水文試驗(yàn)觀測(cè)法、水文模型法和同位素水化學(xué)示蹤法。各類方法通過結(jié)合室內(nèi)室外試驗(yàn)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、同位素示蹤等手段,再利用數(shù)值模擬綜合分析等方法,對(duì)流域的產(chǎn)流過程與發(fā)展機(jī)理進(jìn)行辨析。

3.1 水文試驗(yàn)觀測(cè)方法

水文試驗(yàn)觀測(cè)方法是在試驗(yàn)流域觀測(cè)得到各水文要素?cái)?shù)據(jù),根據(jù)水量平衡原理,分析不同水文要素的動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)因素。該方法的核心要點(diǎn)在于流域尺度與時(shí)間尺度的選擇。由于氣候要素和下墊面因素的時(shí)空差異性較大,該方法在小流域尺度上的適用性優(yōu)于大流域尺度的。胡彩虹等[59]根據(jù)佳蘆河流域?qū)崪y(cè)降雨徑流數(shù)據(jù)以及林草覆被數(shù)據(jù)分析了流域內(nèi)30年的洪水過程線、產(chǎn)流特征值、植被覆蓋度等的變化規(guī)律,在綜合判定場(chǎng)次洪水的產(chǎn)流模式的基礎(chǔ)上,分析了流域林草覆被對(duì)產(chǎn)流機(jī)制變化的響應(yīng)機(jī)理。除了直接應(yīng)用觀測(cè)數(shù)據(jù)外,還可以通過野外試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)的方法,選擇特定流域或氣候和下墊面條件相似的小流域,通過自然或人工模擬,分析相應(yīng)的降雨徑流過程,確定流域產(chǎn)流規(guī)律及其影響因素。趙夢(mèng)杰等[60]通過野外人工模擬降雨試驗(yàn),研究了植被覆蓋度變化對(duì)土壤含水率、坡面入滲及產(chǎn)流的影響,為揭示植被作用下土壤入滲與產(chǎn)流機(jī)理提供了支撐。

3.2 水文模型法

流域水文模型基于產(chǎn)流理論與數(shù)理方法對(duì)流域水文過程進(jìn)行模擬,其優(yōu)勢(shì)主要反映在計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理空間技術(shù)、遙感技術(shù)等的綜合應(yīng)用方面?，F(xiàn)階段流域的產(chǎn)流模擬多采用混合產(chǎn)流模型,混合產(chǎn)流模式主要包括3種,即包為民等[21]提出的垂向混合產(chǎn)流模式(垂向混合產(chǎn)流模型)、雒文生等[61]提出的兼容產(chǎn)流模式和LIANG Xu等[62]提出的VIC混合產(chǎn)流模式。這3種混合產(chǎn)流模式都是在蓄滿產(chǎn)流模式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。垂向混合產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu)簡單,相關(guān)研究應(yīng)用較多,且在模型結(jié)構(gòu)[63-64]、參數(shù)率定[65-66]、蒸發(fā)輸入[67]和模擬精度[68-69]等方面得到了廣泛研究及完善發(fā)展;超滲-蓄滿兼容產(chǎn)流模式的結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜,因此相關(guān)研究相對(duì)較少[70];VIC模型作為大尺度水文模型,結(jié)合水量平衡原理并考慮水汽的熱交換,近年來相關(guān)研究比較廣泛。在運(yùn)用VIC模型進(jìn)行干旱與蒸散量評(píng)估[71]、流域徑流模擬[72-73]和土壤水分的時(shí)空變化[74]時(shí)發(fā)現(xiàn),其對(duì)大尺度下的陸氣耦合、變化環(huán)境下的徑流響應(yīng)與水分變化等方面具有良好的適用性。目前，流域混合產(chǎn)流模擬的方法[68]主要有兩種:一為面積比例法，將流域按面積比例劃分為超滲和蓄滿兩種產(chǎn)流區(qū)，利用相應(yīng)產(chǎn)流公式分別計(jì)算不同區(qū)域的產(chǎn)流量，然后相加求得流域總產(chǎn)流量;另一種是垂向混合法，將蓄滿和超滲兩種產(chǎn)流模式進(jìn)行垂向組合計(jì)算產(chǎn)流量。這兩種方法可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出產(chǎn)流量,但對(duì)于混合產(chǎn)流的時(shí)空變化情況還存在模擬不夠準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。

3.3 同位素水化學(xué)示蹤法

同位素水化學(xué)示蹤法是一種通過示蹤水化學(xué)成分及同位素的變化來反映徑流變化過程及物質(zhì)輸移過程的方法[75]。在水文過程研究中,該方法多用于基流分割[76],將同位素和水化學(xué)試劑相結(jié)合,用前者進(jìn)行流動(dòng)路徑的識(shí)別和分割,用后者進(jìn)行水分來源的識(shí)別和分割。同位素與水化學(xué)示蹤法可以較為清楚地顯示水流路徑,分析水流流速以及干擾波波速,水文模型采用一系列具有明確物理意義的參數(shù)對(duì)徑流過程線進(jìn)行概化模擬,二者結(jié)合可以對(duì)模型進(jìn)行細(xì)化,從而提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性。傳統(tǒng)水文模型多關(guān)注徑流過程線的模擬,對(duì)模型中波速和流速兩個(gè)物理參數(shù)的耦合不夠重視,缺少對(duì)示蹤劑輸移轉(zhuǎn)化過程的描述,對(duì)徑流的水源解析和產(chǎn)流過程的機(jī)理刻畫也不夠全面和清晰。由于水分示蹤劑受氣候變化、水文地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境等多種因素影響,目前水文示蹤多應(yīng)用于小尺度或中尺度流域的徑流路徑及其時(shí)空變化特征[77-80]等相關(guān)研究。

4 產(chǎn)流研究亟待解決的問題與展望

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)產(chǎn)流理論不斷更新,模擬方法也有較大發(fā)展,但由于研究尺度、研究區(qū)域、研究對(duì)象、研究環(huán)境及研究方法等方面的差異性,使得對(duì)產(chǎn)流機(jī)制的判定、產(chǎn)流模式的變化和影響因素的定量分析等沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及一致的結(jié)論。同時(shí),對(duì)于水文模型中產(chǎn)流模塊參數(shù)的區(qū)域化規(guī)律以及產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu)的物理化表達(dá)方面也缺少系統(tǒng)的研究,影響模型模擬的精度與應(yīng)用的適用性。為進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)流的相關(guān)研究,根據(jù)現(xiàn)存問題提出以下幾個(gè)方面的建議:

1)加強(qiáng)混合產(chǎn)流與水文學(xué)基本原理的研究。目前，混合產(chǎn)流的相關(guān)研究大多集中在超滲與蓄滿兩種產(chǎn)流模式的耦合上,而對(duì)流域蓄滿和超滲產(chǎn)流模式的時(shí)空轉(zhuǎn)化機(jī)制缺乏清晰定量的描述。為更準(zhǔn)確地模擬非線性產(chǎn)流過程,探尋其發(fā)展機(jī)理,結(jié)合水文學(xué)基本原理進(jìn)行混合產(chǎn)流模式的區(qū)域化研究,以期形成相對(duì)完整且獨(dú)立的混合產(chǎn)流理論。

2)優(yōu)化耦合產(chǎn)流模塊的水文模型的參數(shù)與模型結(jié)構(gòu)。水文模型是研究流域水文過程和認(rèn)識(shí)水文規(guī)律的重要工具。目前，基于GIS和RS的水文模型能夠客觀地反映氣候和下墊面因素時(shí)空分布不均對(duì)降雨徑流過程的影響,但地理數(shù)據(jù)與遙感資料還未完全融入模型結(jié)構(gòu)中。因此,加強(qiáng)GIS技術(shù)和RS技術(shù)與水文模型的集成和從中提取地理參數(shù)和水文變量的方法研究,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源與模型尺度、參數(shù)結(jié)構(gòu)的匹配,使得未來水文模型結(jié)構(gòu)更合理、機(jī)制更明確。

3)加強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)流規(guī)律的影響研究。系統(tǒng)評(píng)估水土保持、農(nóng)業(yè)灌溉、土地利用變化與耕作方式改變等人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)流影響的大小和時(shí)空差異性;進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)流過程與植被變化之間的反饋機(jī)制研究,并將土壤-植被-大氣這一復(fù)雜系統(tǒng)的水文過程結(jié)合起來,進(jìn)行小尺度產(chǎn)流規(guī)律向大尺度推廣轉(zhuǎn)換的研究,為研究流域甚至全球尺度上水循環(huán)規(guī)律提供有力支持。

5 結(jié)語

隨著產(chǎn)流研究的不斷深入,其基本理論、計(jì)算方法、相關(guān)水文模型及不同區(qū)域的案例研究在國內(nèi)外得到了飛速發(fā)展。從研究現(xiàn)狀分析,當(dāng)前的研究內(nèi)容主要圍繞3個(gè)方面展開:一是流域產(chǎn)流機(jī)理與計(jì)算方法研究;二是產(chǎn)流的影響因素分析及影響程度的量化分析;三是產(chǎn)流模式的時(shí)空變化規(guī)律及相關(guān)水文模型的耦合研究。雖然產(chǎn)流的相關(guān)研究在促進(jìn)流域水循環(huán)認(rèn)識(shí)和變化環(huán)境下的水文響應(yīng)分析等方面取得了重要的研究成果,但目前仍存在一些問題。今后的產(chǎn)流研究應(yīng)聚焦于以下幾個(gè)方面:從理論研究出發(fā),補(bǔ)充建立混合產(chǎn)流理論;從研究的尺度出發(fā),注重不同尺度之間水文信息的轉(zhuǎn)換,以期在空間和時(shí)間尺度上都能更真實(shí)地反映研究對(duì)象與影響因素間的相關(guān)關(guān)系;從模型的構(gòu)建與應(yīng)用方面出發(fā),注重模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)的合理性、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的全面性和模型適用性及推廣的可行性;從產(chǎn)流規(guī)律改變歸因分析方面出發(fā),應(yīng)考慮產(chǎn)流機(jī)制與影響因素之間的相互作用,以期對(duì)其變化有更全面的理解。

致謝:在論文撰寫過程中,河海大學(xué)包為民教授、張行南教授,合肥工業(yè)大學(xué)金菊良教授以及南京水利科學(xué)研究院金君良教高曾提出諸多建設(shè)性的修改建議,值論文發(fā)表之際特表感謝！