1、黃土丘陵區(qū)降雨、徑流、土壤水分的時(shí)空分布與利用對(duì)策徐學(xué)選，張北贏，踞桐軍中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊陵 712100摘要：基于黃土丘陵區(qū)的延安燕溝多年監(jiān)測(cè)資料，通過對(duì)燕溝流域的降雨、徑流、及其不同土地利用方式下土壤水分等時(shí)空分布特征分析，明確了黃土丘陵區(qū)降雨的時(shí)間、空間分布具有顯著差異性。降雨量在69月相對(duì)集中，年際、月際變異大；同時(shí)次降雨量、月降雨量均存在顯著空間異質(zhì)性，如降雨量沿燕溝溝道變化及坡向分異。徑流特征是降雨及其下墊面特征的綜合反映，3月左右由于氣溫上升，河道解凍，徑流量出現(xiàn)小高峰，雨季后2個(gè)月出現(xiàn)最大高峰水量。對(duì)徑流的利用則由于供水/需水時(shí)間錯(cuò)位，利用主要集中在枯水季

2、節(jié)（46月），土壤水資源由于地形、降雨、植被覆蓋等的差異性，特別是植被差異性利用，則存在時(shí)空異質(zhì)性。土壤水分在雨季后12月在0150 cm形成高值期，150 cm以下的土壤恢復(fù)緩慢。植被差異利用形成了土壤水分剖面不同：梯田草地?cái)Q條林?jǐn)Q條五角楓林沙棘林刺槐林。根據(jù)對(duì)水資源系統(tǒng)分析，提出了流域水資源開發(fā)利用的對(duì)策：農(nóng)作物適雨種植制度；植被空間合理布局；降雨、土壤水、徑流三水聯(lián)合御旱，提高水資源利用效率。關(guān)鍵詞：黃土丘陵區(qū)；降雨；徑流；土壤水；空間分布中圖分類號(hào)：P426.62+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2005）06-0890-04近年來國(guó)家對(duì)西部生態(tài)建設(shè)給予了高度重視，實(shí)

3、施了退耕還林還草工程，目前已取得了巨大進(jìn)展。伴隨著退耕還林草工程的實(shí)施，西部水資源問題，如水資源現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)、驅(qū)動(dòng)因子；生態(tài)用水、LUCC與水循環(huán)水平衡、水環(huán)境容量等科學(xué)問題也進(jìn)行了深入的、富有成果的探索。本文旨在通過對(duì)黃土丘陵區(qū)小流域降雨、徑流、土壤水的系統(tǒng)分析，提出該區(qū)三水的時(shí)空特征，為以流域?yàn)閱卧乃Y源管理提供對(duì)策，為西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)服務(wù)。1 研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)方法1.1 研究區(qū)概況圖1 燕溝-延安降雨資料2003年比較Fig. 1 The conparation of rainfall between Yangou and Yan'an研究區(qū)選在黃土高原丘陵溝壑區(qū)第副區(qū)的延安

4、燕溝，位于延安市南10 km處。流域面積47 km2。年平均氣溫9.8 ，多年平均降水量為558.4 mm，其中，69月份降水量占全年降水量的70以上，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年際變化也很大；年蒸發(fā)量1000 mm左右。年徑流深35 mm。1.2 研究方法降雨量測(cè)定則沿主溝道布設(shè)若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在一較小區(qū)域布設(shè)不同坡向、海拔高度雨量桶，測(cè)定降雨空間異質(zhì)性；河道徑流、泉水流量則每月2次，汛期測(cè)洪水徑流量。運(yùn)用土鉆法定位監(jiān)測(cè)土壤水分：以南北向、西向3個(gè)大斷面測(cè)定農(nóng)、林、草、灌土壤水分，布設(shè)28個(gè)采樣點(diǎn)。定位監(jiān)測(cè)每月1次（410月），其中，4月和10月測(cè)深為400 cm，59月測(cè)深為200 cm。01 m

5、每10 cm取樣，1 m以下每20 cm取樣。土樣用烘箱在105110 下烘干計(jì)算水分，用干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）表示。2 降雨資源時(shí)空異質(zhì)性分析與利用對(duì)策2.1 燕溝流域降雨量與延安氣象站雨量比較 延安氣象站與燕溝流域距離812 km，2000 2003年各年降水量分別是367.3 mm、512.6 mm、453.7 mm、644.1 mm，較延安氣象站降水：367.3 mm、573.5 mm、538.5 mm、608 mm明顯偏少。4 a平均燕溝為494.4 mm，延安站為521.8 mm，年均偏少27.4 mm。結(jié)合2003年降水年內(nèi)分配圖（圖1），表明降水具有年際與年內(nèi)分配巨大差異性。2.2

6、燕溝流域降雨空間分布的差異性 降雨與地形地貌關(guān)系：為了分析降雨的時(shí)空分布不均勻性，更細(xì)致的說明這種降水差異，在微型溝流域（0.32 km2）布設(shè)不同坡向與海拔降雨裝置測(cè)定降雨（陰坡、陽坡、峁頂部、溝底）。結(jié)果表明（圖2）：降雨量陽坡與溝底基本相當(dāng)（曲線幾乎重疊），陰坡最多，峁頂部最少，說明降雨場(chǎng)降雨在流域上分配是不同的。表1 流域內(nèi)7月降雨沿溝口-溝掌的空間變化Table 1 The special characters of Precipitation of the watershed in July東經(jīng)北緯海拔7月合計(jì)降雨量/mm7月3日降雨量/mm109°28'25&q

7、uot;109°30'26"109°31'06"109°32'08"109°32'16"109°31'45"109°22'55"36°32'59"36°32'08"36°30'49"36°30'28"36°29'44"36°28'20"36°37'

8、;40"1000 m1050 m1080 m1130 m1130 m1270 m1020 m102.658.143.764.140.713.56.555.126.911.712.216.32.56.5降雨量按溝口溝頭的沿程變化：我們以2002年7月降水總計(jì)和7月3日次降水量表示降雨的空間不均勻性。如表1所示，7月降水，7月3日次降水均表現(xiàn)出由溝口向溝掌顯著減少的特征，減少幅度很大。月總計(jì)從102.6 mm減少到6.5 mm，減少幅度16倍，次降水減少幅度更大，由溝口55.1 mm減少到溝掌2.5 mm，減少21倍。這種降雨的非均勻性足以對(duì)河流徑流特征、降水作物利用等研究形成造成影響。

9、 由于降水的變異不僅反映在空間的量變，也放映在降水發(fā)生時(shí)間上，因此我們?cè)谘芯拷邓脝栴}時(shí)是需要對(duì)降水的量、供應(yīng)時(shí)間及其保證率進(jìn)行分析。為此提出降雨適量、適時(shí)、有效性3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)降雨-作物需水的功能指標(biāo)1。 利用對(duì)策：降水是一切水資源的來源，是三水聯(lián)合御旱的第一到防線。研究降水資源時(shí)間、空間分布特征，進(jìn)而調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，即順應(yīng)降水時(shí)間動(dòng)態(tài)，合理調(diào)整作物布局，提高降雨利用率。同時(shí)，根據(jù)降雨的空間變化，對(duì)陰陽坡、不同海拔高度采取不同植被治理。3 燕溝流域徑流資源量動(dòng)態(tài)分析與利用對(duì)策圖2 累計(jì)降雨量隨坡向與海拔的分異Fig. 2 Slope aspect and elevation impect

10、s on accumulated rainfall 分析徑流動(dòng)態(tài)是為進(jìn)一步利用徑流資源做準(zhǔn)備。強(qiáng)化降雨就地入滲，增加土壤水庫水資源的同時(shí)，徑流水資源是對(duì)工農(nóng)業(yè)用水，包括植被用水的重要補(bǔ)充。有必要對(duì)徑流動(dòng)態(tài)作深入分析。2002年：月/month徑流深/mm0134578123456789101112-50.000.0050.00100.00150.00200.00250.00降雨量/mm月徑流深降雨量62024681012123456789101112徑流深/mm020406080100120140160降雨量/mm月徑流深降雨量2003年：月/month圖3 降雨-徑流動(dòng)態(tài)變化Fig.3 th

11、e dynamic of rainfall and riverflow 依據(jù)圖3所示，2002年年降雨量538.5 mm(延安站)，徑流量61萬m3，降雨峰值出現(xiàn)在6月，徑流在8月形成單峰形式；2003年降雨有所增加，達(dá)到608 mm(延安站)，徑流159萬m3，降雨6月形成第1個(gè)峰值，在7月降低后，8月出現(xiàn)該年第2個(gè)峰值，由于降雨形成雙峰，第2個(gè)峰值出現(xiàn)較2002年峰值落后2個(gè)月，徑流也在2個(gè)月后的10月出現(xiàn)了該年度最大峰值。 徑流量在3月為1個(gè)小峰值，45月為年度低谷，這與3月土壤解凍，冬季以來富積在淺土層冰水在地表出露，而水流增加；45月氣溫回升過快，風(fēng)大、干燥，蒸發(fā)量加大，形成河流流量

12、減少。 利用對(duì)策：利用3月小峰期和45月出現(xiàn)的低谷期，制定灌溉制度和灌溉規(guī)模，使水資源利用科學(xué)化和高效化，同時(shí)避免過分夸大水資源可利用量，提高水資源保證率2。根據(jù)徑流峰值落后降雨峰值12個(gè)月的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)利用降雨-徑流資源，提高流域水資源利用能力。包括采用截滲提灌方式補(bǔ)充土壤水資源，達(dá)到降雨、徑流、土壤水的協(xié)調(diào)利用。我們?cè)诹饔騼?nèi)發(fā)展畜牧業(yè)，養(yǎng)羊、牛等，養(yǎng)魚，提高了流域水資源利用率。其中：人畜飲水6.88萬m3, 菜地灌溉3.12萬m3，工業(yè)用水2.2萬m3，果園灌水0.3萬m3。總的用水12.50萬m3。2003年徑流利用率達(dá)7.3%，2002年則達(dá)到了14.9%。4 土壤水資源異質(zhì)性及其原因、

13、對(duì)策4.1 土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài) 我們對(duì)林地2003年土壤水剖面作分析（圖4）：在2003年豐水年，土壤水分得到逐漸恢復(fù)，但恢復(fù)則集中在0150 cm，而且直到10月時(shí)150 cm以下土層較8月還低。結(jié)合610月土壤水分剖面與降雨月動(dòng)態(tài)，可明顯看到土壤水分顯著受降雨量影響，深層土壤水分恢復(fù)進(jìn)程緩慢，植被的作用不可忽視3-5。圖4 林地土壤水分季節(jié)比較Fig. 4 The soil water changes of frorest land4.2 植被利用下的土壤水分異質(zhì)性圖5 不同植被下土壤水分表現(xiàn)Fig. 5 Soil moisture of vegetation land 對(duì)2002年10月不

14、同植被下的土壤水分進(jìn)行分析，結(jié)果表明，雨季恢復(fù)后不同植被類型下土壤水分仍差異明顯6, 7（圖5）：整個(gè)土壤剖面為：梯田草地?cái)Q條林?jǐn)Q條五角楓林沙棘林刺槐林。即農(nóng)地水分好于草、灌地，草灌地好于喬木地。在1 m以下表現(xiàn)的尤為明顯。梯田水分除01 m略低外，深層水分達(dá)1619，刺槐地在50 cm以下則基本低于9，變動(dòng)于710。草灌中沙棘水分最低，草地較高。草地深層水分明顯好于灌木林、喬木林。4.3 土壤水資源開發(fā)潛力 水土保持措施對(duì)改善土壤水環(huán)境的作用8：水土保持工程措施包括梯田、魚鱗坑、水平階等，其中以梯田措施最為重要。研究表明不同整地方式下可增加一定土壤水資源量：以荒山為對(duì)照，豐水年（550 mm

15、以上）水平階整地造林種草：40 mm，竹節(jié)型水平溝：4070 mm，隔帶梯田：5070 mm，梯田：2540 mm。 利用對(duì)策：我們根據(jù)對(duì)全流域土壤水分調(diào)查，流域總土壤水資源在2003年4月04 m的儲(chǔ)量達(dá)到2971.7萬m3，相當(dāng)水深620 mm。農(nóng)地占到38%，林地31%，灌草地31%。由于林草等植被對(duì)土壤水分利用差異性存在，降雨對(duì)土壤水資源的支配性影響，在具體利用上應(yīng)該以合理林草布局為主，輔以工程集雨技術(shù)，達(dá)到水資源供需平衡。5 小結(jié)黃土丘陵區(qū)屬低水多變的脆弱水環(huán)境，在西部環(huán)境建設(shè)中應(yīng)以水資源高效利用為目標(biāo)，以水資源環(huán)境容量研究及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成為核心，在對(duì)區(qū)域降雨、徑流、土壤水資源的時(shí)空

16、分布特征充分研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)林牧業(yè)生態(tài)用水需求，采取土壤水庫、地表/地下水庫、大氣水庫三庫連動(dòng)御旱的整體水資源開發(fā)技術(shù)，借助于先進(jìn)的補(bǔ)水灌溉等節(jié)水技術(shù)，提高半濕潤(rùn)偏旱區(qū)水資源利用效率。由于降雨、徑流、土壤水之間存在顯著關(guān)聯(lián)性9，時(shí)間上的一定滯后效應(yīng)，我們可以采取三水聯(lián)合的用水策略，以峰補(bǔ)枯，提高水資源保證率。降雨的時(shí)空異質(zhì)性是流域水資源管理需要針對(duì)的主要問題，采取作物適雨種植，聯(lián)合用水后還應(yīng)該包括合理人工林草植被種植的空間格局，采用林草地人工保持水土的技術(shù)，其他節(jié)約用水技術(shù)等，保證流域水資源利用安全、高效。參考文獻(xiàn)：1 徐學(xué)選, 蔣定生, 高鵬. 延安降水對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)適宜性的模糊分析J.

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19、on the effect of soil water on vegetation rehabilitation in a watershed of loess hilly area J. Journal of Natural Resources, 2002, 17(3): 339344.4 李玉山. 黃土高原森林植被對(duì)陸地水循環(huán)影響的研究J. 自然資源學(xué)報(bào), 2001, 16(5): 427432.LI YU-SHAN. Effects of forest on water circle on the loess plateau J. Journal of Natural Resources

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22、re distributional diversity in hilly loess plateau regionJ.Ecology and Environment, 2003, 12(1):5255.8 徐學(xué)選, 催小林, 穆興民. 黃土高原水土保持與水環(huán)境J. 水土保持通報(bào), 1999, 19(5): 4448.XU XUE-XUAN1, CUI XIAO-LIN, MU XING-MIN. Soil-water conservation and hydro-environment on loess plateauJ. Bulletin of Soil and Water Conserva

23、tion, 1999, 19(5): 4448.9 徐學(xué)選, 劉文兆, 王煒. 黃土丘陵區(qū)小流域尺度生態(tài)建設(shè)的水文響應(yīng)研究J. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2005, 13(2): 155157.XU XUE-XUAN, LIU WEN-ZHAO, WANG WEI. Study on hydrological response of eco-construction in a small watershed of loess hilly region J. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2005, 13(2): 155157.The Spatial-temp

24、oral distribution of rainfall, runoff, and soil water in small watershed and its utilizationXU Xue-xuan, ZHANG Bei-ying, JU Tong-junInstitute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, ChinaAbstract: Based on several years d

25、ata of Yangou watershed in Yanan city, the distribution Pattern of water resources, such as rainfall, river flow, and soil water content of different land use were analyzed spatially and temporally. The rainfall is also affected by slope aspect. The study showed that rainfall amount differed obvious

26、ly within a small watershed and in yearly and monthly. The rain season is during June to September which results in obvious difference in the river flow and soil water content. The dynamic of river flow reflected the balance of interaction of rainfall and watershed topography. The moderate peak happens during March and the largest peak is in one to two months after rainfall event. Considering the unmatched water