南京毛竹林小流域径流组分及CN 值影响因素研究

岳健敏，张金池＊，付达夫，庄家尧，刘 鑫

（1.南京林业大学 林学院，江苏 南京210037；2.国家林业局 中南林业调查规划设计院，湖南 长沙410014）

自然界的水文现象，是多因素相互作用的结果，20世纪初，在瑞士Emmental山地的2个不同森林覆盖率集水区进行的河流流量对比试验，是现代水文学研究的开端［1-2］。流域水文模型的研究始于20世纪50年代，它是针对流域上发生的水文过程进行模拟所建立的数学模型。随着全球生态环境的不断恶化，作为水文循环过程中的重要环节，“森林和水”的研究受到越来越多的关注并开展相关森林水文的研究［3］，由于水文现象的形成机理尚不完全清楚，水文模型成为研究这种复杂现象的重要工具。

SCS模型是由美国农业部水土保持局（Soil Conservation Services）经过长期实地调研提出用来估测降雨径流的经验型模型［4］，其特点是所需资料简单易取，并能反映不同土壤类型、不同土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径流的影响［5］。SCSCN经验模型不仅用于小流域及城市水文、水保、防洪工程计算的水文模型，还作为其他综合模型的一个子模型用于地表径流的计算［6］如：CREAMS［7］、EPIC［8］、AGNAPS［9］等，模型应 用的空间尺度范围从20m×5m的径流小区到1 000km2的中等流域，应用的气候范围分布于气候温湿润带至沙漠地区［10-12］。

SCS-CN经验模型结构简单，只需一个反映降雨前流域下垫面特征的综合参数——径流曲线数（CN），其值的大小反映了流域土壤的湿润状况［13］，它不是单独确定的一个数，是一个系列值（SCS 1985；Hjelmfelt 1991）［14-15］，不同流域 CN 值不同，同一个流域也可能存在一个或多个CN值，CN的变异主要受环境因子的影响，前期降水量和土壤水分含量在很早就被认为是最易处理的可变性来源，这是前期土壤湿润条件（antecedent moisture condition，AMC）概念的起源（SCS 1985）［15］。土壤湿润状况影响着降雨入渗速率和入渗量，因此对地表产流能力及CN有着明显影响［16］，目前对于同一土地利用类型CN值应对不同土壤含水量、降雨量等的变异程度研究较少。

本文的研究对象是南京江宁区禄口镇的铜山林场中的毛竹林小流域，隶属于长江三角洲地区山地丘陵区，该地区水资源紧缺矛盾日益凸显，越来越成为区域社会经济发展的制约因素。本文的目的是通过对毛竹林典型小流域的降雨径流规律进行研究，探讨SCS模型关键参数——CN（径流曲线数）在该流域应用的主要影响因子，以期为该地区域水资源水环境管理和生态用水定额的制定提供理论依据和科学方法。

1 研究区概况

本试验研究选取的小流域为典型流域，林分为毛竹纯林（Phyllostachys heterocycla），流域面积34.895hm2，研究区位于铜山分场（31°35′-31°39′N，118°50′-118°52′E），隶属于南京市近郊国营东善桥林场，距南京市20km。年平均降水量1 100 mm，存在2个多雨期：即春夏之交的梅雨期和夏季的台风雨期，降雨的特点是冬春次乏量少、夏秋频繁量多，全年以4-9月降雨量最盛，约占全年降雨量的7 1%。年平均气温1 5.1℃，全年日照时数为2 199.5h，地形为苏南丘陵，土壤类型为黄棕壤，海拔范围38～388m，坡度22°，植被覆盖度85%。

2 材料与方法

2.1 数据来源与观测

2.1.1 数据来源 数据来源于铜山林场2010-2012年毛竹林降雨径流观测数据，采用积分法进行时段以及日、月降雨量、径流量的计算［17］

2.1.2 数据观测 降雨量观测：在观测林分中选取生长条件良好的典型坡面设置观测点，确定样地大小（20m×20m），其内设置3个集水槽（200cm×20cm×20cm），用于收集穿透雨，布设时尽量除去周围过高的草本植被，使其低于径流槽，避免干扰，将降雨导入称重式自动排液式穿透雨测定系统，最后根据集水槽的面积以及3个集水槽收集到的穿透雨量换算出林内降雨量，降雨量结合雨量筒数据取平均值，1.0mm降雨量采用翻斗式雨量计远程信息传输系统通过卫星平台远程发送信息1次。

径流量观测：在毛竹林小流域集水区出口设置了45°顶角三角薄壁堰和浮子式自记水位观测计，用以实时观测径流水位线，水位流量系数计算公式［5］为：

式中：Qs为45°顶角三角薄壁堰在某一时刻流量系数（m3／s）；H 为45°顶角三角薄壁堰某一时刻的水位（m）。

地表径流+壤中流、基流的观测：在毛竹林小流域范围内设置1个径流场（面积5m×20m，坡度15°），用于观测地表径流+壤中流、基流，降雨时径流场观测数据为地表径流+壤中流，无降雨时的观测数据为基流。

土壤体积含水量的测定：采用ECH2O土壤含水率监测系统，ECH2O传感器通过测量土壤的介电常数来计算土壤体积含水率。

参照SCS模型［18］反推得到CN值的计算式：

公式中：A=（5P+254）2-Q（25P-5 080），

B=50 800＊（5P+254）+508 000Q，

C=25 4002

其中P为降雨量，Q是相对应的径流量。

2.2 数据图像处理软件

数据分析软件：Excel 2013对数据进行汇总计算处理；SPSS 19做相关性分析和多元回归分析。

图像处理软件：originpro 8.0。

3 结果与分析

3.1 毛竹林小流域径流及其组分与降雨量影响分析

水文循环的主要组分有降水、蒸散发、储藏水和径流，径流又可分为地面径流、壤中流和地下径流。影响产流的因素很多，包括降水特性、地质地貌特征、下垫面热状况、土壤特性和植被等，本文主要研究毛竹林林内降雨量对径流组分的影响。

3.1.1 毛竹林多年平均径流组分分析 毛竹林小流域多年平均径流组分见表1。

毛竹林小流域多年平均径流量49.61mm，占年降雨量的6.55%，年平均地表径流与壤中流总量为16.90mm，占年降雨量的2.23%；年平均基流量32.63mm，占年降雨量的4.31%。毛竹林年蒸发量为320mm，根据流域系统水量平衡原理，年均地下渗透量为387.39mm，能很好地补给地下水资源，根据土壤系统的水量平衡原理，土壤层中的蓄水量是337.86mm，占年降雨量44.63%，说明毛竹林小流域的森林体系具有巨大的水源涵养功能。

3.1.2 毛竹林径流组分与降雨量变化分析 对南京城郊毛竹林小流域坡地月径流与降雨量分析表明，降雨量与各月径流组分之间存在显著正相关关系，如图1。

表1 毛竹林小流域多年平均径流组分Table 1 Annual averaged runoff components on small watershed in bamboo forest mm

图1 月降雨量与月径流组分的关系Fig.1 Monthly rainfall and monthly runoff components

图1A所示，毛竹林小流域降雨量与月总径流量呈显著正相关，回归关系式为Y=0.064 X-0.102，R2=0.911，图1B表明，毛竹林坡地月降雨量与月壤中流+地表径流线性回归显著相关，呈正相关趋势，回归关系式为Y=0.029 X-0.623，R2=0.946，图1C所示，毛竹林小流域月降雨量与月基流量呈显著正相关，回归关系式为Y=0.035 4 X+0.513 7，R2=0.796。

在降雨产流过程中，随着土壤水分的运动，水分从土壤表面渗入土层，随着土壤水分的运动，水分有部分渗漏，这种现象称之为入渗，是土壤水分最常见向下运动的现象，也是径流形成过程的重要环节。一般可划分为渗润阶段、渗漏阶段、渗透阶段，土壤蒸发是土壤水耗损的一个重要组成，也是土壤水向上运动最常见的一个现象，在径流产生过程中，土壤水分向上和向下移动造成的损失称为产损，如图1D所示，主要的降雨事件都集中在20～100mm，随着降雨量的逐步增加，产损量也呈同步上升的趋势，二者呈显著正相关，回归关系式为Y=0.936 X+0.102，R2=0.999。说明在降雨产流过程中，降雨是影响该地区径流年际变化的主要因素。

3.2 毛竹林小流域CN值与各影响因素相关性分析

3.2.1 毛竹林小流域CN值与各影响因素相关性 SCS模型中，径流曲线数（CN）是反映降雨前流域下垫面特征的综合参数，对降雨径流的预测有着显著的影响，研究表明CN值与前期土壤湿度（antecedent moisture condition，简称 AMC）、坡度、植被、土壤类型和土地利用方式有关，取值范围为0～100［6］。本文主要研究分析了CN值与降雨量、径流量、产损量、土壤体积含水量以及降雨量／土壤体积含水量（RSVW）的相关关系，Pearson分析结果如表2。

表2 CN值与各影响因子的Pearson相关性Table 2 The Pearson correlation from the value of CN with each influence factor

如表3所示，CN值与径流量和土壤体积含水量相关性不强，与降雨量、产损量、RSVW之间呈极显著高度负相关，其中与产损量相关性最高，达0.950，与降雨量相关性达0.943，与RSVW的相关性达0.902，说明本流域影响CN值的主要因子是降雨量、产损量、降雨量／土壤体积含水量。

3.2.2 毛竹林小流域CN值与各显著影响因子关系建立 不同立地、不同环境条件下，越湿润的流域，CN值越大，表明流域湿润状况越佳，地表越容易产流［19］。当CN→0时，相对的S→∞（S-流域最大蓄水量），表示流域具有完全意义的渗透能力，即地表无径流产生；CN→100时，相对的S→0，即流域无渗透，降雨全部转化为地表径流。对毛竹林小流域各影响因子与CN值回归分析如图2、表3。

降雨量、产损量、土壤体积含水量均影响着土壤的湿润度，在同一立地条件下，对于不同降雨事件，产流受土壤湿润程度和降雨量的共同作用。毛竹林小流域单因子降雨量与CN值之间呈负相关关系（图2A），20～40mm小降雨事件对应的CN值较大，表明毛竹林小流域土壤水源涵养能力较好，流域水分渗透作用较小，利于产流。大降雨量对应较小的CN值，可能是因为大降雨事件发生在夏季，间隔期较长，并且毛竹林蒸腾蒸发作用较强，土壤水分受植被的蒸腾拉力和土壤毛管空隙的双重作用，导致土壤水分的向上向下移动，造成土壤层相对较干燥，CN值相对较小。

图2 CN值与各影响因子关系Fig.2 The relationship between the value of CN and each influence factor

土壤体积含水量可以作为土壤湿润情况的参量，研究结果显示，降雨量和土壤体积含水量相关性较差，相关系数为0.408；CN值和土壤体积含水量呈负相关，相关系数也仅为-0.428。但是前期降水量和土壤水分含量在很早就被认为是最易处理的可变性来源，这就是前期土壤湿润条件（antecedent moisture condition，AMC）概 念 的 起 源 （SCS 1985）［15］，因此本文利用毛竹林降雨量、降雨前土壤水分得到降雨量与土壤体积含水量的比，用其来反映前期土壤湿润条件（antecedent moisture condi-tion，AMC），分析CN值与降雨量／土壤含水率的关系（图2B），毛竹林小流域的湿润等级主要分布在0～4范围，CN值和降雨量／土壤含水率呈显著指数函数负相关关系，即随着降雨量／（土壤体积含水量×100）的增加，CN值逐步平缓，降雨量／（土壤体积含水量×100）的增加，反映的是流域土壤较干旱，CN值减小。

在降雨产流过程中，土壤水分会有一部分损失，导致土壤湿润状况下降，CN值也随之下降，随着产损量的逐步增加，CN值有逐步下降的趋势，如图2C所示，主要原因可能是，在降雨产流过程中，由于地表蒸发、植被蒸腾、土壤层的下渗作用，土壤的水分会有部分损失，导致土壤的湿润状况发生改变，引起CN值的变化。

表3 CN值与各显著影响因子多元回归模型Table 3 The multiple linear regression model of the value of CN

4 结论

分析了在毛竹林小流域这个特定研究区域内，径流及其组分与降雨量的关系，SCS模型中的关键参量CN值与各影响因素相关分析。

毛竹林具有巨大的水源涵养功能，毛竹林小流域月降雨量与月总径流量、月地表径流量+壤中流、月基流量、产损量呈显著正相关，降雨是影响该地区径流年际变化的主要因素。

本流域影响CN值的主要因子是降雨量、产损量、降雨量／土壤体积含水量（RSVW）。

根据毛竹林小流域CN值与各影响因子相关性强弱建立回归模型，模型显著，在一定程度上CN值分别与降雨量呈现负相关关系，回归关系式为Y=67.493e-0.011x+22.07，R2=0.925；CN 值和降雨量／土壤含水率的比呈显著指数函数关系，Y=73.39e-0.225x+21.26，相关系数R2=0.894；CN值和产损量呈线性负相关关系，回归关系式为Y=80.426-0.315 X，R2=0.899。

5 讨论

本试验没有根据该流域的地形特征和土壤特征对该流域土地类型进行划分，没有对流域土壤理化性质进行测定分析，土壤性质的不同会影响土壤入渗、土壤蒸发和壤中流等土壤水分运动［20］。根据程根伟［21］等人的研究分析发现林地土壤具有较大的孔隙度，尤其是非毛管孔隙度大，因此相对于其他土地利用类型的土壤，森林土壤的入渗率较高、入渗量大。不同土壤层对土壤含水量也有较大影响，如刘小林［22］等人的研究表明，0～10cm土层与其他土层土壤含水率相比差异较大，这可能与表层枯落物层厚度大有关，和该研究区域10～20cm土层容重较大、孔隙度较小有较大的关系。

对于毛竹林林分的考虑不周全，不同的林分特征对降雨径流过程的影响主要是林冠层截留量和植物的蒸腾作用。森林生态系统的水文循环主要受林木冠层对降雨过程的影响［23］，这又分为穿透雨和林冠截留这两部分，根据降落形式细化，穿透雨为经过林木冠层截留后的滴落水和穿过林木缝隙直接到达林地表面的穿透水［24］，这些都与林分类型、林龄、林冠郁闭度、叶面积指数密切相关；同时不同林龄林地水分含蓄功能也存在差异，根据徐小牛［25］等人的研究发现，在亚热带存在由于人为干扰的林分自然恢复，在植被恢复过程中，林地土壤初渗速率和稳渗速率显著提升，并且随着林龄的增加，林地土壤的总蓄水量和有效需水量逐渐增加。因此在研究降雨径流水分循环时，应该着重考虑林分的林龄效果。

在降雨量的分析过程中，应该按降雨强度、雨量大小划分区间；对于产损的分析，应适当综合气象因子如太阳福射、空气水汽压亏缺、温度、湿度、风速等和植被因子如气孔导度、叶片温度、叶面积指数、蒸腾速率等综合考虑。对于SCS模型的应用，最好提前对模型的参数进行率定。

在今后的研究中应该加入土地类型划分，确定流域的潜在蓄水能力，精确流域的CN值，提升降雨径流分析的精度，加入林冠层，林分类型林龄研究，综合考虑气候因子，深入研究SCS模型的影响因素，对模型进行改进，提高SCS模型在该地区的使用精度，有利于模型的应用。

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