森林水文讲座-2011-10
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∗ 为林冠吸附降雨容量；P 为降雨量 Ic为一次降雨中截持量 (mm)； I cm (mm)； e 为湿润树体表面蒸发强度（ mm h -1 ）； r 为叶面积指数； T 为 降雨历时 (h)；c 为降雨拦截系数，亦即 (1 － c )为自由透流系数，c 近似 等于 0.05 r 。
干流 干流过程比较简单， 一般模型皆为简单 回归方程： Sf =a+bP
林冠截持：
林下降水组分和动能特征 穿过林冠 后的降水 组成成分 单位水体动能特征 林冠降水 不同于林外，决定于林冠降 水雨谱特征和降落高度 林 下 降 水 穿 透 降 水 直接穿透水 同林外 可忽略 干流
简介
林冠截持
无
林冠截持概念模型
∗ + erT I c = I cm
⎛ ⎛ ⎞⎞ ∗ ⋅ ⎜ 1 − exp ⎜ − P ⎟ ⎟ + erT I c = I cm ⎜ ⎜ ∗ ⎟ ⎝ I cm ⎠⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ⎛ ⎞⎞ ∗ ⋅ ⎜ 1 − exp ⎜ − c ⋅ P ⎟ ⎟ + erT I c = I cm ⎜ ⎜ ∗ ⎟ I cm ⎝ ⎠⎟ ⎝ ⎠
1. 森林水文学简介 2. 我国有关生态环境问题 3. 森林水文学研究进展 4. 对森林水文学的要求
森林水文学：
简介
森林生态学和水文学的交叉学科，研究森林植被 对水分循环和环境的影响，包括土壤侵蚀和水质。
水量平衡： •流域水量平衡： 降水＝ 径流+蒸散+流域蓄水变化 •土壤系统水量平衡：
简介
降水+土壤凝结水+地下水或壤中流输入＝ 径流 +渗漏或壤中流输出+蒸散+土壤蓄水量变化 •森林水量平衡
• 输入项：降水+水汽+流入（地表+壤中流+地下水）+ 潜水上升 • 输出项：蒸散（E+T+IC）+水汽+流出（地表+壤中流 +地下水） • 蓄水变化：冠层+空气+地表+地被物+土壤+地下水
简介
降水输入： •降水形式 •降水量 •降水强度 •降雨能量 •降雨侵蚀力 •降水历时 •降水空间分布和面积 •降水过程线 •流域平均降水（算术、多边形、等雨量线平均）
短阵型 普通
一场降雨的动能为 n 个等雨强时段的分段计算值的和： E = ∑ ei Pi
e = 32.98 + 12.13 lg I e = 27.83 + 1155 . lg I
e = 28.95I 0.075 e = 25.92 I 0.172
e = 34.32 I 0.27
n
在描述水土流失量和降雨侵蚀特性之间的关系时，采用降雨侵蚀力 （降雨动能和某一特定时段降雨强度的乘积）这个复合指标比任何一个其 它单独指标都好，因为降雨能量反映了雨滴的土壤击溅分散作用，雨强反 映了降雨产流和搬运土壤的能力。
F = 1 − exp( − (
10 ⋅ D
简介
a
)n )
D 为雨滴直径(cm)；F 为直径 ≤ D 的雨滴累积体积所占总体积比例；a 和 n 为随雨型和雨强 变化的雨谱分布参数。
单位水体雨滴动能 e (j m-2 mm-1)： e =
1 ∑ f i vi 2 2
式中， f i 为某种直径的雨滴体积占总体积的比例。实际中根据单位水体 雨滴动能和降雨强度(I，mm min-1)的关系简化计算，如 雨型 我国西北地区 我国东北地区 南方(福建)地区
S f = aPb
Sf 为一次降雨中单株树木茎流量(mm)；P 为一次降雨事件的降雨量(mm)
据Watanabe & Mizutani（1996）统计，单位叶面积指数吸附降雨容量平均阔叶林 为0.15mm，针叶林为0.20mm
简介
1.4 1.2 1.0
降雨或截持强度（
雨强(mm/min) 截持强度(mm/min)
简介
25
Ec
20 15 10 5 0 0 5 10 H 15 (m) 20 25 30 Ec = 23.788(1-exp(-0.3603H)) R = 0.9996
2
刺槐林冠降雨单位水体雨滴动能(Ec，J m-2 mm-1)与降落高度(H，m)的关系
只存在一层林冠时，一场降雨或某一时间内降雨的穿透降雨动能：
森林水文学讲座
王彦辉 2012-11-12
内容
1.森林水文学简介 2.我国有关生态环境问题 3.森林水文学研究进展 4.对森林水文学的要求 专题报告：
• 北方多功能森林可持续经营要综合考虑水资源管理 • 森林水文与水资源管理学科2000-2010年研究总结 • “多功能林业”理念及其应用探索
基本参考书： 马雪华主编《森林水文学》，1993，中国林业出版社
E ct = E c + E t = ec ⋅ P − I c − S f − Pt + (1 − A) ⋅ E
(
)
Ect、Ec、Et 和 E 表示穿透降雨、林冠降雨、直接穿透雨和空旷地降雨的动能； ec 表示林冠降雨单位水体雨滴动能；P、Ic、Sf 和 Pt 表示空旷地降雨量、林冠截 持量、干流量和直接穿透雨量(Pt =(1-A)P)；A 表示林冠纯郁闭度。 林冠消弱降雨动能的作用可用穿透降雨动能和空旷地降雨动能之差来表示：
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
降雨历时 (hr)
一次实测降雨(历时 2.7 小时，雨量 10.9 毫米)的雨强和林冠截持强度过程
林冠对降水性质的影响：
林冠降雨雨谱 • 直接穿透雨的降雨特征同空旷地相比没发生变化 • 林冠降雨的雨滴撞碎或重新汇聚成大雨滴，降雨特征变化
ΔE =Ect－E
林冠削减降雨动能有限，一般不超过50%，有些情况下反而会增加
地被物
简介wenku.baidu.com
是第二防护层，由活地被物和死地被物（枯落物层）组成， 直接保护土壤。地被物可截持降水、减缓径流速度和冲刷力、过 滤泥沙、消耗降雨动能、保护地表不被雨滴打击避免形成表皮 层、形成和维持良好的土壤结构。地被物防护作用非常重要，若 没有完好的被物层，则防护林的结构是不完整的。 • 地被物数量及动态变化 • 地被物截持降水作用 最大截持量依树种和成分组成不同可达自重 2 ～ 4 倍，但实际 上只有历时很长（24小时以上）降水事件中才能达到。 陕西宜川中龄山杨次生林（高6～7m，胸径9～11cm，郁闭度 0.7，枯落物层厚2cm（蓄积量8.34 t hm-2），枯落物截持能力为 自重的 2.73 倍，相当于 2.3mm 的降雨。在研究年份内（年降水 477.4 mm ），枯落物年截留量 90.0 mm ，对应年截留率为 18.9 ％。次降水截留率随降水量增加明显减少。
干流 干流过程比较简单， 一般模型皆为简单 回归方程： Sf =a+bP
林冠截持：
林下降水组分和动能特征 穿过林冠 后的降水 组成成分 单位水体动能特征 林冠降水 不同于林外，决定于林冠降 水雨谱特征和降落高度 林 下 降 水 穿 透 降 水 直接穿透水 同林外 可忽略 干流
简介
林冠截持
无
林冠截持概念模型
∗ + erT I c = I cm
⎛ ⎛ ⎞⎞ ∗ ⋅ ⎜ 1 − exp ⎜ − P ⎟ ⎟ + erT I c = I cm ⎜ ⎜ ∗ ⎟ ⎝ I cm ⎠⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ⎛ ⎞⎞ ∗ ⋅ ⎜ 1 − exp ⎜ − c ⋅ P ⎟ ⎟ + erT I c = I cm ⎜ ⎜ ∗ ⎟ I cm ⎝ ⎠⎟ ⎝ ⎠
1. 森林水文学简介 2. 我国有关生态环境问题 3. 森林水文学研究进展 4. 对森林水文学的要求
森林水文学：
简介
森林生态学和水文学的交叉学科，研究森林植被 对水分循环和环境的影响，包括土壤侵蚀和水质。
水量平衡： •流域水量平衡： 降水＝ 径流+蒸散+流域蓄水变化 •土壤系统水量平衡：
简介
降水+土壤凝结水+地下水或壤中流输入＝ 径流 +渗漏或壤中流输出+蒸散+土壤蓄水量变化 •森林水量平衡
• 输入项：降水+水汽+流入（地表+壤中流+地下水）+ 潜水上升 • 输出项：蒸散（E+T+IC）+水汽+流出（地表+壤中流 +地下水） • 蓄水变化：冠层+空气+地表+地被物+土壤+地下水
简介
降水输入： •降水形式 •降水量 •降水强度 •降雨能量 •降雨侵蚀力 •降水历时 •降水空间分布和面积 •降水过程线 •流域平均降水（算术、多边形、等雨量线平均）
短阵型 普通
一场降雨的动能为 n 个等雨强时段的分段计算值的和： E = ∑ ei Pi
e = 32.98 + 12.13 lg I e = 27.83 + 1155 . lg I
e = 28.95I 0.075 e = 25.92 I 0.172
e = 34.32 I 0.27
n
在描述水土流失量和降雨侵蚀特性之间的关系时，采用降雨侵蚀力 （降雨动能和某一特定时段降雨强度的乘积）这个复合指标比任何一个其 它单独指标都好，因为降雨能量反映了雨滴的土壤击溅分散作用，雨强反 映了降雨产流和搬运土壤的能力。
F = 1 − exp( − (
10 ⋅ D
简介
a
)n )
D 为雨滴直径(cm)；F 为直径 ≤ D 的雨滴累积体积所占总体积比例；a 和 n 为随雨型和雨强 变化的雨谱分布参数。
单位水体雨滴动能 e (j m-2 mm-1)： e =
1 ∑ f i vi 2 2
式中， f i 为某种直径的雨滴体积占总体积的比例。实际中根据单位水体 雨滴动能和降雨强度(I，mm min-1)的关系简化计算，如 雨型 我国西北地区 我国东北地区 南方(福建)地区
S f = aPb
Sf 为一次降雨中单株树木茎流量(mm)；P 为一次降雨事件的降雨量(mm)
据Watanabe & Mizutani（1996）统计，单位叶面积指数吸附降雨容量平均阔叶林 为0.15mm，针叶林为0.20mm
简介
1.4 1.2 1.0
降雨或截持强度（
雨强(mm/min) 截持强度(mm/min)
简介
25
Ec
20 15 10 5 0 0 5 10 H 15 (m) 20 25 30 Ec = 23.788(1-exp(-0.3603H)) R = 0.9996
2
刺槐林冠降雨单位水体雨滴动能(Ec，J m-2 mm-1)与降落高度(H，m)的关系
只存在一层林冠时，一场降雨或某一时间内降雨的穿透降雨动能：
森林水文学讲座
王彦辉 2012-11-12
内容
1.森林水文学简介 2.我国有关生态环境问题 3.森林水文学研究进展 4.对森林水文学的要求 专题报告：
• 北方多功能森林可持续经营要综合考虑水资源管理 • 森林水文与水资源管理学科2000-2010年研究总结 • “多功能林业”理念及其应用探索
基本参考书： 马雪华主编《森林水文学》，1993，中国林业出版社
E ct = E c + E t = ec ⋅ P − I c − S f − Pt + (1 − A) ⋅ E
(
)
Ect、Ec、Et 和 E 表示穿透降雨、林冠降雨、直接穿透雨和空旷地降雨的动能； ec 表示林冠降雨单位水体雨滴动能；P、Ic、Sf 和 Pt 表示空旷地降雨量、林冠截 持量、干流量和直接穿透雨量(Pt =(1-A)P)；A 表示林冠纯郁闭度。 林冠消弱降雨动能的作用可用穿透降雨动能和空旷地降雨动能之差来表示：
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
降雨历时 (hr)
一次实测降雨(历时 2.7 小时，雨量 10.9 毫米)的雨强和林冠截持强度过程
林冠对降水性质的影响：
林冠降雨雨谱 • 直接穿透雨的降雨特征同空旷地相比没发生变化 • 林冠降雨的雨滴撞碎或重新汇聚成大雨滴，降雨特征变化
ΔE =Ect－E
林冠削减降雨动能有限，一般不超过50%，有些情况下反而会增加
地被物
简介wenku.baidu.com
是第二防护层，由活地被物和死地被物（枯落物层）组成， 直接保护土壤。地被物可截持降水、减缓径流速度和冲刷力、过 滤泥沙、消耗降雨动能、保护地表不被雨滴打击避免形成表皮 层、形成和维持良好的土壤结构。地被物防护作用非常重要，若 没有完好的被物层，则防护林的结构是不完整的。 • 地被物数量及动态变化 • 地被物截持降水作用 最大截持量依树种和成分组成不同可达自重 2 ～ 4 倍，但实际 上只有历时很长（24小时以上）降水事件中才能达到。 陕西宜川中龄山杨次生林（高6～7m，胸径9～11cm，郁闭度 0.7，枯落物层厚2cm（蓄积量8.34 t hm-2），枯落物截持能力为 自重的 2.73 倍，相当于 2.3mm 的降雨。在研究年份内（年降水 477.4 mm ），枯落物年截留量 90.0 mm ，对应年截留率为 18.9 ％。次降水截留率随降水量增加明显减少。