西南林大森林立地学课件-3森林水文

水文水文1.几个概念2.研究目的3.基本规律4.研究方法5.研究内容6.研究现状与趋势7.研究的正确评价1.几个概念水文：泛指自然界中水的分布、运动和变化规律以及与环境的相互作用。研究水文规律的学科称为水文学。（水文与水资源学，刘俊民、余新晓，中国林业出版社，1999）水分学：研究“水与水有关现象的科学”被称之为水文学，即研究地球上各种水及其发生、循环、分布、理化性质与环境反应（包括与生物反应）的科学。（中国森林生态系统水文生态功能规律，刘世荣、温远光等，中国林业出版社，1996）水文学：是研究地球上水的形成、循环分布、性质及水与周围环境相互作用的科学。（水文学，王晓华，华中科技大学出版社，2006）2.水文学研究的目的：水文学研究的目的：运用水文规律为给水排水工程和市政工程的规划、设计、施工管理提供正确的水文资料及分析成果，以充分开发与合理利用水资源，减免水害，充分发挥工程效益。通过模拟和预报自然界中水量和水质的变化及发展动态，为开发利用水资源，控制洪水和保护水环境等方面的水利建设提供科学依据。森林生态系统水文生态功能是森林和水相互作用后所产生的综合功能的体现，即调节气候、改变降水分布、涵养水源、净化水质、保持水土、减洪、滞洪及抵御旱涝灾害等所发挥的巨大作用。另一方面，森林水循环作为全球物质循环中重要环节，共同影响着大气、土壤和植被的结构、功能、分布格局及动态变化，还影响地球能量收支、转换和分配，籍以在维持生物圈和地圈生态平衡过程中起着重要作用。森林水文研究森林植被对水文现象和相关联环境质量的影响，即研究以降水或其它形式的水分输入到森林生态系统后，再分配、调节、循环、输入、输出过程的变化规律，以及森林对水质和水土保持作用等。森林水文学研究的目的是揭示森林和水的作用关系、森林水文生态功能及其随自然地理、植被条件和人为干扰施加的环境影响下的变化机制。3.水文现象的基本规律：（1）在时程变化上存在着周期性和随机性周期性：产生原因是地球公转，地球公转导致春、夏、秋、冬四季交替，四季中的降水具有一定的周期性变化，因此使得河流的水文情势也具有相应的周期变化。此外，在冰雪水源的河流上，由于气温的日变化，水文现象也具有日周期性的变化。随机性：影响水文现象的因素众多，各因素本身在时间上不断地发生变化，所以受其影响的水文现象也处于不断变化之中。它们在时程上和数量上的变化过程，伴随周期性出现的同时，也存在不重复性的特点，这就是所谓的随机性。（2）在地区上存在着相似性及特殊性相似性：不同流域所处的地理位置（纬度与距海远近等）相似，气候与地理条件也相似，那么，由相似的气候及地理条件综合影响而产生的水文现象，在一定程度上就具有相似性。特殊性：不同流域虽然所处的地理位置和气候因素相似，但由于下垫面因素（指除了气候因素以外的其他一切自然地理因素）的差异，也会有不同的水文变化现象。4.水文现象的研究方法物理成因法：根据水文现象与其影响因素之间存在的内在联系，通过观测资料和实验资料的研究分析，建立两者间的数学物理方程，预测未来的水文现象。此法能够给出比较确切的成果，在水文预报和水文分析计算中用得比较广泛。地理综合法：从地区分布上寻找水文现象的空间分布规律，它假定水文现象在地区上的变化是均匀的，在空间上的变化是连续的。气候因素和地形地质等因素的分布具有地区特征，从而使水文现象的变化在地区上的分布呈现出一定的规律性。此法是确定资料短缺地区水文特征值的重要方法。在我国辽阔的土地上，还有许多流域缺乏研究，因此该方法具有普遍的重要意义。数理统计法：结合水文现象的随机性级周期性，应用概率论理论来研究水文现象的具有统计规律性的方法。只要我们根据数理统计的要求，在收集过去与现在的实测资料时，注意其资料的独立性，就可以利用数理统计法找出水文现象的统计规律，对未来可能发生的水文情势进行预估。此法未阐明水文现象的因果关系，其结果只是一种长期的统计规律，故对于重要工程还必须结合物理成因法和地理综合法进行分析，从而减少设计值的误差。5.水文学的研究内容：（1）水循环及水量平衡：大循环与小循环，全球水量平衡、流域水量平衡；（2）河流和流域：水体（径流和沙流），河槽（河床和河道），河流分段、断面等；（3）降水：成因，类型，基本要素（降雨量、历时、强度、面积）；（4）蒸发与散发：水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸腾流域蒸散发；（5）下渗：下渗率，下渗能力；（6）径流：地表径流、地下径流，流量，径流总量，径流深，径流模数（M），径流系数；森林水文的研究内容：（1）森林林冠层：降水的再分配，水量的动态变化（持水量、不同月份的分配）；（2）下层植被：生物量，持水量（3）枯枝落叶层：枯落物产量及现存量、持水率和持水量、透水性实验、对地表蒸发的影响，截留降水动态变化；（4）土壤（矿质层）：土壤层的空隙结构和蓄水量、土壤水分的渗透与调节、土壤水分的季节变化；（5）径流：径流场小区径流（径流量和径流系数、过程及其变化系数、坡面径流的动态变化）、集水区径流（枯水期、融水期、降雨期）、流域径流；（6）水质：原始红松林、天然次生林、人工落叶松林对降雨化学的影响；（7）固土保肥功能：降水与山地坡度对表土流失的影响、植被与掉落物的吸水量对表土流失的影响、土壤的有效贮水量对表土流失的影响、表土流失的一般规律（轻微表土流失期、严重表土流失期）（8）水量平衡：（9）效应评价：6.不同森林类型水文生态背景区域寒温带、温带森林暖温带及黄土高原森林亚热带森林热带森林降雨地理分布位于中纬度西风带的大陆东岸，从沿海向内陆递减各地降水差异大，年等雨量线由800～600～400mm向西北递减由东向西、由南向北递减，山前多雨、山后干旱，降水迂回变化近海迎风区多雨，远海背风区少雨；山区多雨，平原区少雨。总的来说，西部热带降雨量比东部热带少季节分布集中在夏季主要集中在夏季，尤以7、8两月最多，而冬、春特少受夏季风南北循序进退的影响，降雨量在时间上的分布式有南往北逐渐推进的规律降雨不均匀，干湿季节分明变率比较稳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%，夏季降雨强度大，形成降水高变率中心通常，年降雨量的相对变率是降水量多的地区变率小，反之则大；气旋雨、地形雨为主的地区变率小，而稳定性小的台风雨、对流域等地区变率较大年降雨量变化很大，容易出现水、旱灾害。东部热带因热带气旋影响比西部热带降雨年变率要高蒸发温度较低，蒸发量小水分条件自东向西显著减少，依次出现湿润-半湿润-半干旱的水分梯度。干燥的环境家具水分蒸发，蒸发量大于降雨量气温较高，降雨丰沛，蒸发量大西部明显低于东部，各月蒸发量相差很大，7月份最大，可达120mm以上（海南岛），而1月份少到10mm甚至几毫米径流地表水资源丰沛，冬季河道封冻，径流小，春季回温，形成春汛降水量少，蒸发强盛，地表产水量少，河川径流不丰富，呈现明显的径向分布规律径流资源丰富，但地区分布很不均匀；径流的季节分配和年降雨变化深受东亚季风气候影响，变率大；地表水流侵蚀活动强烈，河川固体径流较多时空分布与降雨量分布基本一致。从地域上看，西部小于东部，并由东南向西北递减；从时间分配看，热带地区各流域，径流的季节分配很不均匀水量平衡降水的70%左右被耗于蒸发总趋势是蒸发多于径流，愈往内陆蒸发的所占比例愈大差异较大降雨量高，径流量大，但季节分配不均匀，同样存在干旱和水资源缺乏的问题存在问题集中过伐，火灾频繁，森林资源恶化，气温上升，日温差加大，降雨日减少，蒸发量加大开发早，制备破坏严重过度采伐，森林覆盖率减少，水土流失加剧，土壤肥力下降，土地退化等热带森林徐素消失和破坏，使水循环失调，引起水、旱灾害频繁发生；降雨分配不均，森林土壤蓄水能力下降，使本来很低的水资源利用率下降；森林破坏，水土流失加剧，水库和河道淤塞，土壤肥力下降等7.我国森林水文研究现状

（祝志勇,季永华.我国森林水文研究现状及发展趋势概述[J].江苏林业科技,2001,28(2):42~45）蒸发散：森林蒸发散是森林水量平衡中最重要的指标，一般地，森林蒸发散大于无林区的蒸发散，但实际上，森林总蒸发量与无林地的自由水面的蒸发量较接近。据大多数研究者的研究成果，森林生态系统的蒸发散最大约占降雨量的40%~80%。由于受测定方法手段和实际操作技术困难的限制，国内开展森林蒸发散的测定和研究不很深入和广泛，据现有儿个不同地理带不同森林类型的蒸发散比较，森林蒸发散受树种、林龄、海拔、降水量等诸多因了的影响，随着降水量的增加，森林蒸发散略显增加趋势，相对蒸发散则呈减少的规律性变化。水循环：森林生态系统的水循环功能主要体现在森林植被对降水调蓄、消耗与转化上，特征包括森林植物的截留、发散、水分入渗和渗透、径流等几个方面。水质：森林生态系统不仅因为有林层她被物层和土壤层，对污染物质有较强的截留过滤作用，而目能有效地减少地表径流，使得输出的水质具有较高的净化效果。8.国外森林水文研究现状和进展

(王德连,雷瑞德,韩创举.国内外森林水文研究现状和进展[J].西北林学院学报,2004,19(2),156~160)研究历史：国外森林和水的关系的科学研究始于20世纪初，森林水文研究早期发展阶段主要集中在森林变化（主要是砍伐森林）对流域产水量的影响，1900年瑞士埃曼托尔（Emmental）山地的2个小流域对比试验是这类研究的开端，也是现代实验森林水文学开端的标志。

20世纪50年代，森林水文学开始向2个主要方向发展：一方面致力于森林水文机制和水文特征的研究，探讨森林中水分运动规律，包括降水截留、地被物截留、土壤渗透等；另一方面，随着生态学理论的发展，开始从单一森林植被对有关水文学现象的影响转移到水文系统与能量流动、物质循环和水质变化等紧密联系在一起的生态系统水平，从宏观上阐明森林生态系统的基本功能与水文特征的相互关系。

20世纪60年代，美国生态学家Bormann和Likens、提出了森林小集水区技术，开创了森林生态系统研究和森林水文学研究相结合先河。

80年代以后，森林水文学进入到一个崭新的阶段，森林水文作用被划分为3个相互联系的领域，森林对水分循环量、质的影响，森林对水循环机制的影响，建立基于森林水文物理过程分布式参数模型。降水：在森林与降水关系中，林冠截持降水是森林对降水第一次阻截，也是对降水的第一次分配。其余大部分降水通过林内降水形式到达地面枯枝落叶层，形成土壤蓄水。穿透降水量与林分密度成反比，随树冠截留增加而减少，随离树干距离增大而增加，数值上等于降水量减去树冠截留量与树干径流量之和。森林枯枝落叶层具有较大的水分截持能力，从而影响穿透降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应。枯枝落叶层具有比土壤更多更大的空隙，因而水分易蒸发。林地土壤水分入渗和水分贮存对森林流域径流形成机制具有重要意义。一般森林土壤疏松，物理结构好，孔隙度高，具有比其它土地利用类型高的入渗率。对于良好的森林土壤，其土壤稳定入渗率高达8.0cm/h以上，林地入渗过程的模拟以Philip模型为主。径流：蒸发散：森林蒸发散受树种、林龄、海拔、降水量及其它气象因了的影响，随纬度的降低、降水量增加，森林蒸发散略呈增加趋势，相对蒸发散则减少。水质：近几年定量评价大气污染对森林流域水文循环、化学物质输入输出变化，森林水质影响受到了广泛重视。9.正确评价森林水文效应

(周晓峰,赵惠勋,孙慧珍.正确评价森林水文效应[J].自然资源学报,2001,16(5),420~426)确立系统观是根本：在任何条件下都应肯定:森林是一种结构复杂、功能多样的生态系统，它符合系统论的基木原理，即:系统功能决定于系统结构;合理的、优化的结构，可以产生良好的效应（正效应）；不合理的结构则会降低功能，甚至产生负效应。森林在水分循环中的作用：（1）林冠能够截留大量降水降水进入森林即行再分配。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)主要受降雨量与林冠郁闭度的影响。在郁闭度越高、降雨量越少的情况卜，截留率越大，甚至可达100%。在降雨强度很大，或降雨持续时间很长、林冠已饱和的情况卜，则截留率趋于0。（2）树干径流（干流、茎流)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，很少超过10%，在我国东部的主要针阔叶树种中，栋类的十流量较大。例如:黑龙江省的蒙占栋十流率可高达15.45%，这是它能适应十旱、瘠薄立地条件的重要原因。（3）林冠层使雨滴动能增强当降雨量再增大（林内开始出现因枝叶汇集作用而产生的大雨滴），林内降雨动能亦随之增大，并超过同期林外雨的降雨动能。这就是在暖温带刺槐林、热带按树林等结构不良林分（缺灌草层，特别是缺凋落物层）内均出现地表侵蚀的原因。这也说明，为保证森林的水上保持作用，必须保护林下的灌、草层，尤其是凋落物层，使雨滴不能直接冲击上壤，从而免除水蚀危害。（4）森林的蒸发散能力很强蒸发散包括两个过程：蒸发是指林地上壤和植物枝、干、叶表面的水分蒸发，这是个物理过程;蒸腾是指森林中所有植物通过叶片气孔和皮孔散发出水分的生理过程。蒸发散是森林生态系统的水分循环中最主要的输出项，又由于在蒸发散过程中要消耗大量热能，因此，它又是森林生态系统热量平衡中最主要的过程，这也是森林能调节局域温度和湿度的机理所在。（5）森林阻滞地表径流的作用很明显各气候带的主要森林类型中的测定均表明：森林林冠层能有效地截持一部分降水，特别是凋落物层，其有效吸水量通常为其自重的2~4倍，可达每公顷11~33t；林地上壤结构疏松，有利于水分的下渗，其稳定入渗率通常是农耕地和放牧草地的3~12倍。因此，林地的地表径流很少发生或显著削弱。在各类森林中测定结果表明，在月降雨量不超过80-90ml的情况下，均米产生地表径流;次降雨量不超过60~65ml，（黑龙江省海浪河流域云冷杉林）时，无地表径流产生。（6）森林对河流总径流量的影响长期存在争论（7）森林能有效地削减和延缓洪峰森林通过乔、灌、草及枯落物层的截持含蓄、大量蒸腾、上壤渗透、延缓融雪等过程，使地表径流减少，甚至为0，从而起到削减洪水的作用。这一作用的大小，又受到森林类型、林分结构、林地上壤结构和降水特性等的影响。通常，复层异龄的针阔混交林要比单层同龄纯林的作用大;对短时间的次降水过程的作用明显，随降水时间的延长，森林的削洪作用也逐渐减弱，甚至到0。因此，森林的削洪作用有一定限度，但不论作用程度如何，各地域的测定分析结果证实，森林的削洪作用是肯定的。（8）森林能补枯，有时也可能减枯我国是典型的季风，气候国家，绝大部分地区降水的年内季节分配不均，或春旱或夏旱，少雨季节的枯水径流主要靠流域蓄水补给。森林对枯水径流的作用有两类，一是在降水较多时，而且林地上壤透水性能良好，