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1、水文效应,第一节 对降雨的再分配 第二节 土壤水文性质改良作用 第三节 消减洪峰 涵养水源,我国水资源状况,水资源总量：2.8万亿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个国家的121位 世界上13个贫水国家之一 全国600多个城市中，300多个缺水，严重缺水108个 北京年人均水资源量400m3，居国内严重缺水城市之首， 只有全国平均水平的1/7，世界平均水平的1/25 农业缺水量为农业用水量的30.6% 工业缺水量为工业用水量的44%,地球总水量 13.86亿km3， 大陆降水总量 11.9万km3。,水资源：短缺 过剩， 调节方法： 水库、森林、水源涵
2、养、水土保持。 水土保持林的水文效应： 指水土保持林对一个流域或区域的 水文要素的影响。,水土保持林与水的关系实质,是水土保持林的水量平衡，即水土保持林对水分循环各要素的影响。它对这些要素进行改变、调控，最终改变地下水与地表水的分配比例，从而改变水文过程，调节地表径流，保持水土。,按水文过程的顺序讲述,降雨 水分贮存 径流 水分消耗,一、对降雨三次分配 二、地面净雨量,第一节 对降雨的再分配,一、对降雨的三次分配*,林冠层截留 泛指所有森林植物的地上部分(乔木、下木、灌木和活地被物) 枯枝落叶截留(死地被物) 枯枝落叶层下的土壤 下渗吸收或产生径流,（一）林冠对降雨的截留作用,1.有关概念 (
3、1)林冠截留作用* 指降水到达林冠层时，有一部分被林冠层枝叶和树干所临时容纳，而后又蒸发返回大气中去的作用,1.有关概念,(2)林冠截留量 在降雨过程的某一时段内，从林冠表面通过蒸发返回大气中的降水量和降水终止时林冠层还保留的降水量。 (3)截留率 该时段内林冠截留量与林外降水量之比。 (4)干流量 大气降水过程中，有一部分雨量从林冠枝叶体转到树干流入地表形成树干径流，称为干流量。,1.有关概念,(5)林内降雨量 林外降雨量去除林冠截留量和干流量后的雨量。由林冠间隙直接降落到地面的林冠通过雨量和从林冠枝叶体表面降落至地面的林冠滴下雨两部分雨量组成。 林冠通过雨量 林冠滴下雨,（1）林冠特性 林
4、冠结构：重叠多、孔隙少，截留量多 枝叶量：多少 湿润程度：干湿 树种：针叶灌木软阔硬阔 林冠贮水量C：一次降雨中林冠所能 容纳的最大降水量。,2.影响林冠截留量的因素,C=(1-)P-T-S IC=P-T-S C=IC-P IC=C+P,林冠贮水容量的表达式,水量平衡观测,土内径流测量,土壤水分观测,土壤入渗试验,树种与截留率,雨量与截留量：正变关系、非直线性,ICC时成立，否则不成立。,（2）雨量、雨的性质,林内雨量观测,0 10 20 30 40 50,4 2 0,降雨量mm,截留量mm,油松、山杨林冠截留,3.林冠截留的作用,增加大气湿度 直接消减径流量 改变林下降雨的雨滴动能 相对延长
5、降雨历时,林内观测,（二）枯落物对降雨的截留作用,1.枯枝落叶层* 由林木及林下植被凋落下来的茎、叶、枝条、花、果实、树皮和枯死的植物残体所形成的一层地面覆盖层。（地表特有的一个层次）,枯枝落叶层的两种分层方法,未分解层 半分解层 完全分解层 A00层：残体组织结构肉眼可辨 A0层：不可辨,截留、吸收部分降雨； 彻底消灭降雨动能； 形成地表保护层，维持土壤结构稳定； 增加土壤有机质，改良土壤结构，提高土壤肥力； 增加地表粗糙度，分散、滞缓、吸收过虑地表径流； 拦截过滤固体径流，沉积沙粒； 防止土壤蒸发，稳定土壤湿度和温度，利于树木生长 提高土壤入渗能力，增加土壤入渗量，减少地表径流 提高土壤的
6、抗蚀能力。,2.枯枝落叶的水土保持作用*,枯落物的水容量* 单位干重枯落物所能吸收的水分的数量，一般用它干重吸水的百分数或相当的降雨毫米数表示。 LC(%)=SL/WL100% LC(mm)=SL/(AL)10 Lc水容量；SL截留降雨量(g)； WL枯落物干重(g)；水的密度(g/cm3)； AL样本面积(cm2)。,3.影响枯落物截留量的因素,则干重为WL的枯落物截留量If : If=WLLC 影响水容量的因子： 枯落物的组成：叶90以上 分解程度,枯落物的数量,枯落物的数量决定于输入量和分解速度 输入量 阔针，密度大小，年龄大小，旺盛衰弱 分解速度：微生物完成 阔针，高温低温，湿润干燥
7、数量与厚度的关系 1cm以上有作用,枯枝落叶的干燥程度,干燥湿润 暴雨时明显，连续降雨不明显。,枯枝落叶的水容量,二、地面净雨量的测定与计算,地面净雨量：经过林冠层、枯枝落叶层的两次分配作用后，到达林地地面的实际有效降雨量。 PeTSIf PePIcIf Pe净雨量； T林内降雨； S干流量； If枯落物截留量； Ic林冠截留量,1.林冠层截留量Ic测定,实测法 IcPTS 模型法 统计： IC=aP+b IC=alnR0+blnt+C (Jackson,1975) R0平均雨强，t历时,经验：,IC=C1-e(-P/) (崔起武，1982) C/(m.t) IC=C1-e(-P/C)+E0t
8、 (Merrian,1960) E0:叶面蒸发强度,参数值表,2.枯枝落叶层截留量If测定,长期无雨 IfSlLcWL 前期有雨 If=(Lc-Ls).WL Ls为前期枯落物含水量 考虑蒸发 If=(Lc-Ls).1-e(-(T+S)/(Lc-Ls)+EiT,三、小结,林冠、枯枝落叶截留的作用，干旱与多雨地区的差别 截留对消减洪水的作用是有限的 水土保持林配置对截留的要求 枯枝落叶的效益中心作用、分解速度的控制 针叶、硬阔叶的特点,超声波测雪,第二节 土壤水文性质改良作用,一、土壤水分常数与运动,水势：在标准大气压下，从水池中把极少量的纯水 从基准面上等温的、可逆的移动到土壤中某 一吸水点，使
9、之成为土壤水所必需做的功。,1基本参数,总水势：t=m+g+p+s,SPAC：sp=m+s m基模势；g重力势； p压力势；s溶质势,水力势：h=m+g+p,非饱和流：uf=m+g 饱和流：sf=g+p 土壤水吸力：S=-(m+s) PF= lg (S),水分常数： 田间持水量： PF=22.52 1/101/3个大气压 100333cm水柱高 凋萎湿度（系数）： PF=4.18 15个大气压 15000cm水柱高 有效土壤含水量: PF=24.18,入渗率：地表与处在大气压之下的水体 保持接触时，通过地表进入土 壤的水分通量。 导水率：土壤剖面内部水分的传导速率。 水容比： 单位吸力所能保持
10、的水分量。,2入渗过程*：,渗吸阶段（通量控制阶段） m g表层K()=Ks 渗漏阶段（剖面控制阶段） ttp,m 0,g ； m=0，g为主 稳渗阶段 g，Ks,f,f0,0,tp,t,供水强度,稳渗率,积水,定强供水入渗,t0,入渗模型：,Phlip: I(t)=St1/2+At i(t)=S-1/2+A Green-Ampt: i= ic + b/I Kostiakove: i=Bt-n,霍顿： if、i0、k分别为稳渗率、初渗率和土壤特性参数。,二、林地入渗特征,1影响因子 土壤含水量： 土壤物理性质： 孔隙度、结构、质地、间层、结皮,2入渗特征*,一般规律：林地非林地 初始入渗率和稳
11、渗率都升高，曲线上移； 入渗率随时间增加而平缓降低，曲线呈圆滑形； 土壤的积水前时间tP明显延长； 单位时间内的入渗量提高，对暴雨、大强度降雨的作用明显。,入渗率与土壤结构和植被的关系,不同林地土壤水文性质平均值,北海道各地不同地被的终期入渗率（mm/h）,黄土地区（吉县）不同地类和地形条件下30分钟土壤累积入渗量（mm）,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 农耕地 （甘肃径川）,三、土壤水分贮存与评价,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
12、木生长,土壤含水量：W=,吸收贮水量指标：水容比 C()，田间持水量，毛管孔隙度 重力持水量指标：非毛管孔隙度,2评价方法,土壤重力持水量： Wg=10000HdSf Wg=10000Hd（W0-Wf）rd Wg土壤重力持水量，t/hm2 HD土层厚度，m Sf土壤粗孔隙度， W0土壤饱和含水量， Wf土壤田间持水量， rd土壤容重，g/cm3,土壤实际蓄水量：,Wm = (WaWb)HmrD1000 Wm 降雨后土壤实际蓄水量，t/hm2 Wa 降雨后土壤含水量， Wb 降雨前土壤含水量， Hm 土壤湿润深度，m rD 土壤容重，g/cm3,土壤吸收贮水量：,Ws=10000HzrD(WfW
13、o) Ws土壤吸收贮水量，t/hm2 Hz有效土层厚度，m rD土壤容重，g/cm3 Wf土壤最大持水量，% Wo土壤最小持水量，%,四、土内径流,1形式 基质流：结构孔隙中所流水流，层流 管流：大孔隙中的水流，紊流 亚表层降雨径流：近地表层快速径流,土壤刨面示意图,土壤剖面结构：,（A00,A0） （A） （B） （C） （D）,2分布,枯枝落叶层（A00,A0） 有机质层 （A） 淀积层 （B） 母质层 （C） 母岩层 （D）,3发生条件,雨强，入渗率，导水率 土壤剖面的垂直梯度变化 土壤间层,土层深,1.地表径流,2.层流,6.层流,7.基流,4.土壤基质吸收,5.从土壤基质进入基流,3
14、.从6进入基流,不透水层,有机质层,土内径流示意图,4特征,影响因子 质地：粗，垂直流占优势；细，流路优先 结构：稳定性，裂隙产生 孔隙度：高，发生深；低，发生浅 特征 垂直梯度缓和，入渗能力提高，结构稳定，根系穿透间层 深度增加，反应时间延迟，浅层发生机会减少,一、消减洪峰的作用 二、水源涵养作用 三、计量方法,第三节 消减洪峰 涵养水源,产流过程：降雨初损，坡面漫流，流域汇流 产流机理：蓄满产流，超渗产流,一、对径流的影响,蓄满产流* 包气带未达到蓄水容量以前不产流，达到蓄水容量以后全部产流，受控条件为包气带的水分亏缺量。 超渗产流* 指降雨强度超过土壤入渗能力时就产流，否则不产流，受控条
15、件为降雨强度和入渗能力的大小。,1影响坡面漫流的因素,流量： Q=AV,P,Rd,h,I,坡面径流示意图,容重,水力半径,水力坡度,水流切应力,湿周,能量差,长度,过水断面积,均匀流沿程水头损失与切应力的关系,V坡面径流的流速 q坡面的单宽流量 h坡面末端的径流深 坡度,坡面漫流的流量、流速：,V流速（cm/s) Q单宽流量(l/m.mim),草地：,裸地：,草、裸地流速经验公式：,水土保持林的作用：,h: 林冠、枯枝落叶截留 入渗量增加 整地洼蓄 对雨强、历时的影响 : 整地 n : 枯枝落叶、整地、林木及林下植被,2.研究成果,方法：皆伐、造林、现有植被,皆伐,地表径流量增加：1.52.0倍 洪峰流量增加： 1.12.0倍,丽林 红松林：径流系数2.3% 迹地：径流系数12.4% 春季融雪径流：红松林 1 迹地23.9 ,皆伐后直接流量和洪峰流量的增加率,更新造林,直接径流量与洪峰流量都减小,美国松树河流域： P=150mm:幼苗 郁闭，20年 径流量是无林流域的1148
