水沙变化及其与森林破坏的关系.docx

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水沙变化及其与森林破坏的关系

长江上游干支流的水沙变化及其与森林破坏的关系

许炯心1

（1.中国科学院地理研究所）

摘要本文以长江上游支流岷江、嘉陵江和长江上游干流控制站宜昌站的长系列水文资料对长江上游森林生态系统的环境功能、水文效应和森林破坏后的影响进行了分析。

表明，森林可以显著增大枯水流量，可以显著削减中小洪水的洪峰流量，但对全流域性长历时暴雨所造成的特大洪水的削减作用是有限的。

长江上游支流岷江和嘉陵江的输沙变化表现出一定的趋势，森林破坏和坡地开垦使河流泥沙增多；水库修建后，因水库的拦沙作用而使河流输沙量减少。

但干流宜昌站则看不出明显的趋势性变化。

解决洪水泥沙问题，单靠森林生态系统恢复是不够的，应该生物措施与工程措施（重点为修建水库）并重。

关键词：

森林水文效应；洪水；水沙变化；长江上游

　　1998年大洪水期间和洪水以后，长江上游天然森林的环境功能问题，特别是森林的破坏对洪水灾害的影响问题，引起了从中央到地方的各级领导、全国科学界乃至全社会的广泛重视。

为了使以防洪减灾为目标的长江上游森林生态系统恢复工程建立在坚实的科学基础之上，使国家的巨额投资收到预期的防洪效益，应该对长江上游森林生态系统的环境功能、水文效应和森林破坏后的影响进行深入分析。

以此为出发点，我们以长江上游支流岷江、嘉陵江和长江上游干流控制站宜昌站的长系列水文资料进行了分析，在宏观尺度上研究了森林破坏对洪水和枯水径流以及河流泥沙特征的影响。

1长江上游森林破坏的历史过程与现状特点

　　由于湿润温暖的气候条件，长江上游大部分地区古代森林十分茂密。

但随着人口的增加，需要毁林垦殖，森林逐渐遭到破坏。

在清代中期以前，森林的减少是缓慢的，此后则急剧加快[1]。

民国时期是长江上游森林遭到严重破坏的时期。

据三十年代中期前实业部的统计资料，四川当时的森林面积占全川土地面积的34%，即森林覆盖率为34%，宜林荒山地占15%[2]。

民国时期的农业部1948年1月编发的《中国土地分类表》中，四川省森林覆盖率已减至20%.新中国成立以来，长江上游川西滇北构成我国第二大林区西南林区的主体，森林采伐量急剧增大，以满足国家建设的需要。

同时，由于政策上的失误，例如1958年“大炼钢铁”、十年动乱中毁林开荒和改革开放初期林权不稳定，都导致了大规模的森林破坏。

据解放以来前三次全国森林普查资料[3]，四川省1962年森林覆盖率已降到11.5%，1976年上升至13.3%，但1980年又下降到12%.如前所述，民国以来是长江上游森林植被遭到严重破坏的时期，解放以来天然森林的砍伐进一步加剧，并在1958年左右达到最高峰。

同时，从六十年代末以来，流域中开始大量修建水库，如大渡河的龚咀水库和嘉陵江上游白龙江上的碧口水库等。

水库对河流径流和泥沙的调节作用与砍伐森林的作用是相反的；砍伐森林将增大洪水流量、减小枯水流量、增加河流输沙量，而由于水库对径流泥沙的调节作用，水库下游的枯水流量将会增大，洪峰流量、输沙量和含沙量将会减小。

显然，在大量水库修建以前，河流的水文特性的变化主要受森林破坏的影响，水库修建以后，河流的水沙变化则取决于二者的共同作用和二者的对比关系。

2长江上游干支流洪水特征的变化及其与森林的关系

2.1洪水特征的变化我们在图1a中点绘了岷江流域的出口控制站高场站历年的洪峰流量随时间的变化。

可以看到，由于降雨特别是暴雨特征的年际变化，点据的上下波动较大，但图中的点据仍表现出一定的趋势，如图中的直线A、B、C所示。

从1935年到1952年，无趋势性变化（直线A）；从1953年到1960年，洪峰流量迅速增大（直线B），这与这一时段中大量砍伐森林是相应的，因为岷江上游、大渡河上游是四川省最主要的森工基地。

从1967年以后，即龚咀水库建成以后，洪峰流量又保持在较低的水平上（直线C），且低于1952年前的水平。

这说明，自水库修建之后，森林破坏增大洪峰的作用已为水库的调节作用大大削减以至于抵消。

应该指出，直线A、B所示的变化，也可能是降雨的趋势性变化所致。

为了排除这一可能，我们在图1中还点绘了具有长系列降雨资料的岷江紫坪铺站汛期（5～10月）的降雨量随时间的变化。

可以看到，在与洪峰流量关系中B线对应的时段中，汛期降雨量并无增加，证明了这一时段中洪峰流量的增大与降雨关系不大，森林砍伐确实产生了增大洪峰流量的后果。

图1a岷江高场站历年的洪峰流量与紫坪铺站汛期（6～10月）的降雨量随时间的变化

图1b长江宜昌站1872年至1998年的洪峰流量随时间的变化

图1c长江宜昌站自1860年以来60000m3/s以上大洪水的机率随时间的变化

图1岷江和长江流域的洪峰流量特征

　　值得注意的是，长江上游森林的破坏对干流洪水的影响是有限的。

我们在图1b中点绘了宜昌站1872年至1998年的洪峰流量随时间的变化。

从图中可以看到，尽管年际之间波动很大，但在总体上看不出趋势性的变化。

图上标出了解放以后森林遭到严重破坏的1958年，可以看到，1958年以后并无洪峰流量增大的趋势。

这说明，森林破坏对洪峰流量的影响取决于流域尺度，随着流域尺度的增大，森林破坏后增加洪峰的效应变小，因为暴雨笼画的范围是有限的，暴雨区与非暴雨区的洪水有互补作用，加以长距离上河槽容蓄调节作用，洪峰流量的变化便不会太大。

　　为了进一步说明这一效应在大尺度流域中的影响，我们对宜昌站自1860年以来共26次大于60000m3/s的洪水进行了研究。

分别计算出了每20年中发生60000m3/s以上大洪水的频率（最后一个时期即1980～1998年为19年），并将其变化点绘在图1c中。

可以看到，从1920年以来，发生60000m3/s以上大洪水的机率明显下降。

1960～1998年间的39年中，更跌至有水文记录以来的最低点。

这说明，四十年代以来森林的严重破坏，并没有增加大洪水发生的频率。

还可以指出，以1958年作为森林遭到严重破坏的分界时期，则在此前的40年中，共发生了60000m3/s以上的大洪水12次，而在此后的40年中，仅发生了4次。

这说明，森林破坏对大尺度流域中的大洪水的影响是有限的，应该确切地评价森林的破坏对长江干流洪水的影响。

从这种意义上说，长江上游森林植被的破坏不是产生1998年这样的大洪水的主要原因。

2.2森林对洪水影响的讨论

　　森林可以削减洪峰流量，这是公认的事实[4]。

然而，森林对洪水的削减作用是有条件的，受到很多因素的影响，如土壤前期含水量、枯枝落叶层被前期降雨所饱和的程度、暴雨的强度与历时、森林所分布的地貌部位、土壤层的厚度与下伏岩石的透水性能、流域尺度的大小等，都会在不同程度上发挥作用，不能一概而论。

在某些不利组合下，森林的削峰作用会变得十分有限。

　　根据高山暗针叶林区米亚罗试验站的资料[3]，我们在图2a、2b中点绘了一次暴雨截留系数（截留量（mm）与降水量（mm）之比）与降雨量和降雨强度的关系。

可以看到，截留系数随降雨量和降雨强度的增大而迅速减小。

当雨强为0.25mm/min或次降雨量达到20mm左右时，林冠截留量降低到降水量的5%左右。

位于四川盆地常绿阔叶林和针叶林地区的凯江试验站的资料也表现出类似的关系（图2c、2d）.随着日雨量的增大，截留量的增加变得十分有限。

　　森林下的枯枝落叶层和物理性状良好的森林土壤对降水的容蓄作用，也起到了削减洪水的作用。

然而，枯落层的容蓄量和土壤的容蓄量均有一个最大值，当这一最大值被满足后，削峰作用就会急剧减小。

除川西暗针叶林地区，林下土壤渗透性好、稳渗率较大外，其余大部分地区土壤蓄渗能力十分有限。

不少地区坡度陡峻，土层浅薄，仅30cm左右，下伏基岩透水性能差，故土壤的容蓄能力和入渗能力都很有限，极易形成蓄满产流的条件。

因此，对于处于离散状态的小暴雨、中等暴雨而言，森林的削峰作用比较显著，而在长历时的连续暴雨的情况下，森林的作用便十分有限。

据文献[5]报道，江忠善曾研究了汉江支流褒河流域1981年8月大暴雨过程中的降雨径流关系。

此次暴雨过程从8月13日至24日，流域雨量为484.1mm，其间有5次降雨过程，时段总雨量分别为115.4、137.8、88.7、108.9、33.3mm，相应径流深为57.7、104.7、81.0、107.2、33.1mm，形成了5次洪峰。

该流域森林覆盖率为60%.第一次降雨中，森林对洪水的拦蓄作用较显著，径流系数为0.5，但在随后的4次降雨中，径流系数急剧增大。

第二次和第三次分别为0.50和0.76，第四次和第五次更高达0.98和0.99，森林对洪水的削减作用已基本消失。

　　森林的空间分布与暴雨空间分布的关系也对森林削减洪水的作用有很大影响。

川西原始暗针叶林群落具有良好多层结构，土层厚，枯落物厚，对洪水的削减作用强，但目前天然林分布的主要地区已并非暴雨中心区；暴雨中心区的森林主要为人工林，枯落物薄，土层薄，林龄低，故对暴雨的截留、容蓄作用小，很容易满足蓄满产流条件。

故从总体上说，在现状条件下长江上游的森林对洪峰的削减是有限的。

　　还应该指出，从图1c中可以看到，1960年以后大洪水频率的显著降低，与长江上游大量水库群的修建是有关的。

水库的拦洪削峰作用使得长江干流的洪峰流量和大洪水发生的频率明显减小。

图2a一次暴雨截留系数与降雨量的关系

图2b一次暴雨截留系数与降雨强度的关系

图2c截留系数与日降雨量的关系

图2d截留量与日降雨量的关系

图2森林的截留作用与降水特征的关系

3枯水径流的变化

　　森林对枯水流量的调节作用十分明显，无论对小流域还是对大流域而言都是如此，这与森林对洪水流量的调节程度依赖于流域尺度是不同的。

我们在图3a,3b,3c中分别点绘了岷江高场站、嘉陵江北碚站和长江宜昌站历年的枯水流量（以年最小流量代表）随时间的变化。

可以看到，1953年以前，高场站的年最小流量无趋势性变化，从1956年起则持续减小。

北碚站从1937年开始就呈现出持续减小的趋势。

宜昌站1920年以前年最小流量无趋势性变化，1920年以后开始出现持续减小的趋势。

　　岷江的枯水流量自1956年开始持续减小，与解放后大量伐木的时间是吻合的。

前已指出，四川省东部森林的破坏要比西部早得多，因而嘉陵江的枯水京戏量自1947年就开始减小了。

宜昌站枯水流量的减小始于1920年前后，也与长江上游森林的大规模破坏始于民国以后是一致的。

应该指出，图中所示的枯水流量的变化，也可能是枯季降雨的趋势性变化所致。

为了排除这一可能，我们在图3a,3b,3c中还点绘了相应河流非汛期降雨量随时间的变化。

可以看到，历年间非汛期降雨量在均值上下波动，并无减少的趋势，证明森林砍伐确实产生了减小枯水流量的后果。

　　应该指出，六十年代后期以来水库的修建，有可能增加枯水季节流量在年径流中所占的比例。

图3d中以岷江为例，点绘了枯水期1～3月的平均流量与年平均流量之比值随时间的变化。

可以看到，自1967年以来有增大的趋势，说明了水库的调节作用。

然而，水库的作用并没有抵消森林破坏使一年中最枯时的流量（年最小日流量）持续减小的趋势。

图3a嘉陵江北碚站

图3b长江宜昌站

图3c历年最小流量以及岷江高场站枯水期1～3月的平均流量与年平均流量之比值

图3d随时间的变化

图3岷江高场站

4河流泥沙特征及流域侵蚀产沙的变化

　　长江干支流的泥沙特征变化同时受到森林破坏和水库拦沙的影响，这两种作用是相反的，如果同时发生的话，将部份地互相抵消。

4.1岷江和嘉陵江的变化图4中分别点绘了岷江高场站历年的最大30天洪量与年输沙量的关系，最大30天洪量与产沙模数的关系以及年径流深与产沙模数的关系。

由于森林的严重破坏发生在1958年，而水库发生显著影响始于1969年，故我们将所有点据分成3个时段，即1953～1957年，代表森林未遭严重破坏；1958～1968年，代表森林已遭严重破坏；1969～1979年，代表水库已发挥了显著作用，分别用不同的符号表示。

可以看到，在图4中的3个关系中，3个时期的点据都各自成为一条直线。

代表森林遭到严重破坏时期（1958～1968）直线的位置最高，说明森林的破坏明显增大了相同洪量和径流深条件下的输沙量和产沙模数。

代表森林未显著破坏时期（1953～1957）的直线位置居中，而代表水库发挥显著作用时段（1969～1979）的直线位置最低。

这清楚地表明，由于水库的拦沙作用，使输沙量和产沙模数都大大减小，这种作用甚至抵消了森林破坏的增沙作用而有余，使得1969～1979年间的直线位于森林显著破坏前的直线（1953～1957年）之下。

图4a最大30天洪量与年输沙量的关系

图4b最大30天洪量与产沙模数的关系

图4c年径流深与产沙模数的关系

图4岷江高场站的泥沙特征与径流的关系

　　输沙率与流量（或输沙量与径流量）的双累积曲线是揭示河流泥沙是否有趋势性变化的一种常用的方法。

图5a中以历年的流量、输沙率资料为基础，点绘了岷江高场站的径流-泥沙双累积曲线。

从图中可以看到两个明显的转折点，即从1958年开始，拟合直线明显上偏，说明相对于径流而言，泥沙有趋势性增多，这显然与从1958年“大炼钢铁”开始的大规模森林砍伐有关。

从1967年开始，拟合直线明显下偏，说明相对于径流而言，泥沙发生了趋势性的减小，则与水库的修建有关。

从1978年开始，拟合直线又再度上偏，这可能与农村改革开放初期林权不稳定，发生大规模砍树有一定关系。

　　嘉陵江北碚站的径流-泥沙双累积曲线表现出类似的变化（见图5b），但第一个上偏转折点出现在1963年，1958年的转折不明显。

这可能是由于四川东部盆地森林在解放前就遭到彻底破坏，使嘉陵江的输沙量处于很高的水平，1958年开始的植被破坏的增沙作用已不十分显著。

与第一个上偏转折点相对应的1963年，正是四川“三线”建设大规模开展的时间，使嘉陵江上游山区的植被遭到破坏，随之而来在十年动乱中的毁林开荒使增沙趋势继续保持下去。

从1968年开始，水库发挥了较强的拦沙作用，因而拟合直线向下偏转。

　　水库的拦沙作用在汉江表现得最为明显（见图5c）.汉江丹江口水库建成于1959年，1959年至1967年水库处于滞洪运用阶段，从1968年起则开始用于蓄水。

在滞洪运用阶段，即已具有较强的拦沙作用，使拟合直线向下偏转；从蓄水运用开始，水库几乎拦截了全部泥沙，故1968年以后的拟合直线基本上与横轴平行，意味着泥沙的增量几乎为0.

图5a岷江高场站的径流-泥沙双累积曲线

图5b嘉陵江北碚站的径流-泥沙双累积曲线

图5c汉江黄家港站的径流-泥沙双累积曲线

图5d长江宜昌站年输沙量和年均含沙量随时间的变化

图5e长江宜昌站的径流-泥沙双累积曲线

图5长江干支流的水沙变化

4.2长江上游支流泥沙特性的变化对干流宜昌站的影响图5d中点绘了宜昌站年输沙量和年均含沙量随时间的变化。

可以看到，输沙量、含沙量的年际波动很大，表现某种准周期特征，即五十年代表现出从最低到最高再回到最低的变化；1960～1970年也经历了类似的变化；1970～1975年表现为一个较短的周期；1975～1985年也表现为一个周期。

但在总体上说，并无趋势性增大的变化，历年数值均在多年平均值上下波动。

　　宜昌站的输沙量、径流量双累积曲线（见图5e）基本上呈一直线，也说明了泥沙量的累积值与径流量的累积值是协调增大的，年输沙量并无趋势性增大的变化。

上述两图表明，长江上游支流泥沙量的变化对干流输沙量的影响是不显著的，无论是森林破坏的增沙作用还是水库的拦沙作用，都未对宜昌站的输沙特性产生明显的影响。

其原因可以解释如下。

4.2.1流域对泥沙的滞留作用流域某一出口控制站的输沙量与该控制站以上的侵蚀量与之比称为泥沙输移比。

湿润气候下的流域，由于植被作用较强，输移比是较小的。

从坡面侵蚀下来的泥沙，在坡麓将发生堆积、形成坡积裙，在坡麓植被（如灌木、草类）较好的地方，这种堆积作用尤其显著。

在沟谷支流的出口处也会发生堆积而形成洪积扇和冲积扇。

进入河道之后，向下游去，在河谷开阔、河漫滩发育的地方，会在河漫滩上发生堆积。

美国的研究资料表明，输移比与流域面积的0.2次方成反比[6]，对于流域面积达100.5万km2的长江上游流域而言，尺度效应对输移比的影响是很大的。

同时，长江上游大部分地区来沙均较粗，而泥沙输移比随粒径的增大而减小。

所有这些因素，都使得长江上游流域的输移比较小。

因此，森林破坏使侵蚀加剧所增加的泥沙，只有一小部分能够被输送到宜昌以下。

4.2.2泥沙输移的滞后作用除了细颗粒悬移质泥沙之外，泥沙的运动是高度不连续的，因而流域坡面上侵蚀加剧后产生的后果要在大河的输沙中反映出来，常常有一个时间上的滞后。

泥沙颗粒越粗，流域面积越大，滞后的时间就越长。

4.2.3水库拦减泥沙与植被破坏增沙的作用可能相互抵消前已指出，长江上游森林破坏所导致的增沙作用，1958年以后表现得十分明显；而水库拦减泥沙的作用，则是从七十年代以后才明显地显示出来的。

如前所述，从流域中侵蚀加剧到大河中下游输沙显著增多之间，可能有一个时间上的滞后。

很可能在这一滞后时段之内，水库拦沙作用已经使得下游输沙量大大减少，从而使森林破坏的增沙作用来不及在宜昌站表现出来。

这就是宜昌站双累积曲线中显示不出森林破坏的增沙作用的主要原因之一。

4.3森林破坏后增洪增沙作用与水库削洪减沙作用的比较按多年平均值，长江上游1987年以前的大中小型水库群的年拦沙淤积量约1.16亿m3，约合1.51亿t；塘堰群年拦沙量0.60亿m3，约合0.78亿t[7]。

两项合计，每年可拦沙2.29亿t.然而，水利工程的拦沙量，并不等于宜昌站输沙量的减少量，因为水库下游会发生冲刷，使输沙量增多；水库所拦减的部分粗泥沙，即使不被拦截也会在适当的部位淤积，而不至于输移到宜昌以下。

据研究，长江上游水库拦减的泥沙量，只有17%可能被输送到寸滩站以下[7]，即每年减沙3893万t.粗略地看，这部分泥沙可能大致相当于森林破坏、坡地开垦以及其他人为侵蚀作用在宜昌站所产生的增沙效应，二者抵消后使宜昌站的输沙量在长时段平均意义上大致不变。

但是，目前还缺乏资料来对此做出更精确的论证，有待于今后做更多的工作。

5结论

（1）森林可以显著增大枯水流量，可以显著削减中小洪水的洪峰流量，但对全流域性长历时暴雨所造成的特大洪水的削减作用是有限的。

五十年代末为解放后大规模破坏森林的开始时期，对此前和此后四十年的水文系列进行比较后表明，对于大于60000m3/s的大洪水而言，森林的破坏并未增大其发生的频率。

因此，森林的破坏不是1998年特大洪水的主要原因，长江上游森林生态资料的恢复也不能避免今后类似于1954年、1998年型特大洪水的发生。

（2）目前长江上游天然林所分布的地区已不属于暴雨中心区，这一地区对的长江中游洪水和泥沙的贡献不大。

因此，虽然天然林的禁伐作为一种生态恢复的途径是十分必要的，但却不能在较大程度上解决长江中游的洪水灾害问题。

　　（3）长江上游支流岷江和嘉陵江的输沙变化表现出一定的趋势。

森林破坏和坡地开垦使河流泥沙增多；水库修建后，因水库的拦沙作用而使河流输沙量减少。

但干流宜昌站则看不出明显的趋势性变化。

一方面，虽然前期森林破坏和坡地开垦使侵蚀加剧，但泥沙的向下输移是不连续的，在各种有利的地貌部位将会发生堆积，故沿程向下干流产沙量的增大表现出某种滞后；另一方面，当这种增大有可能传递到干流宜昌站时，上游支流水库群的拦沙作用已明显表现出来，使这种可能的增大受到抑制。

故从总体上说，宜昌的输沙无趋势性增大的现象。

　　（4）解决洪水泥沙问题，单靠森林生态系统恢复是不够的，应该生物措施与工程措施（重点为修建水库）并重。

从五十年代以来宜昌站来沙无趋势性增加的变化，与水库拦沙有一定的关系。

水库调节可以作为在植被的防洪作用尚较小的过渡时期中起主要作用的调洪手段，等到具有较强防洪功能的森林生态系统在广大的地域上建立起来之后，工程与植被措施共同发挥作用，将有效地削减进入长江中游的洪水。

致谢：

本工作为国家科技部科技减灾项目资助成果。

参加考察的还有景可、吴凯、李荣生三位教授，谨此致谢。

参考文献

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四川省的土地侵蚀与土地退化[J]。

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