1.2 产流主要影响因素
降雨产流过程受区域气候、雨强、植被、土地利用、地形及土壤等因素的控制。图1-3简单描述了不同降水产流机制下的主要控制因素，它随着气候、地形、土地利用等因素的变化而变化，在干旱、半干旱以及人类活动（如农业活动、城镇化等）影响较大的区域入渗能力是其主要限制因素，其产流机制主要为超渗产流，而在大多数湿润地区主要的产流为壤中流及饱和坡面径流［29］。降水产流的影响因素较多，本研究主要从降水、土地利用及土壤特性等方面分析不同条件下产流变化的主要影响因素。
1.2.1 降雨类型
降雨是水文循环过程的关键要素，降雨的不确定性和时空变异性是影响流域水文模拟结果的关键因素之一。随着气候变化和人类活动影响的加剧，降雨的时空格局也随之发生变化。
降雨是产流的先决条件，降雨特性（如总降雨量、降雨历时、最大降雨强度等）及其变化对产流的形成过程有重要的影响［30］。降雨对产流过程的影响可分为直接影响和间接影响［31］。直接影响即为雨型、降雨强度、降雨历时等因素，通过影响积水前入渗过程、初始积水时间、持续积水时间和积水后入渗过程，进一步影响产流过程。Faurès等［32］采用数值模拟的方法开展了小尺度降雨空间变化对径流影响的研究，结果表明，在小尺度（5hm2）且以对流雷雨为降雨条件的区域，分析降雨的空间变化对产流量的影响是很有必要的。此外，用雨量站的值作为较小区域的降雨量，将使径流评估产生很大的不确定性。Wainwright等［33］通过大量试验研究指出，降雨的时间变异性对控制径流系数的尺度依赖性影响较大。Dunkerley［34］利用降雨入渗试验，研究了雨强的变化对入渗和产流的影响，并指出若采用恒定雨强进行点尺度的降雨产流试验，将会丢失重要的信息，甚至会歪曲径流产生的机理。
一般情况下，总降雨量越大，产流量也越大。Han［35］通过对淮河流域五道沟试验站的30场降雨径流的观测资料分析得出，总降水量与产流之间的相关性最大。雨强的变化会对起流历时、产流量等产生影响。在我国黄土高原地区，起流历时一般与雨强呈幂函数关系，起流历时随雨强的增大而缩短；而暴雨条件下，干燥黄绵土的坡面产流过程可简化为3个阶段：暴雨产流阶段、产流后入渗率不稳定阶段及入渗率相对稳定且变化主要受雨强影响阶段［36］。David等［34］利用人工降雨模拟器对变化雨强和恒定雨强下的产流和入渗过程进行对比分析，变化雨强下的径流系数及峰值流量比远高于恒定雨强，差异非常显著。因此在进行点/小尺度上的入渗和侵蚀研究时，连续采用一个恒定雨强来模拟天然降雨很可能无法观测到径流产生过程中一些很重要的信息，并使产流机制失实。在平原区天然降雨极值强度与径流系数关系成立的前提是土壤饱和度不超过0.6，次平均降雨量要大于0.05mm/min［37］。
我国沈冰等［38］通过黄土坡地降雨径流形成过程的试验，研究了短历时降雨强度对坡地入渗、坡面产流等过程的影响，阐明短历时雨强对入渗的影响表现为地表积水前，雨强对入渗量及湿锋下移速率有明显影响，积水后影响甚小可忽略不计。李裕元等［39］通过人工模拟降雨试验，研究了黄绵土不同雨强条件下坡面入渗过程与产流特征。结果表明，在地表坡度15°、土壤容重1.28～1.30g/cm3的条件下，坡面平均入渗率与降雨强度具有极显著的抛物线函数关系；初始产流时间随雨强的增大而减小，二者呈幂函数关系。坡面产流以后，入渗率随降雨历时呈幂函数形式降低，坡面产流强度随降雨历时的延长呈对数函数形式增加。王占礼等［40］采用试验的方法研究了黄土裸坡地的降雨产流过程，结果表明，雨强对径流深的影响可用线性相关方程表示，且影响程度远大于坡长、坡度因子。屈丽琴等［41］利用室内小流域降雨产流试验得出，稳定雨强条件下，流量过程线呈现出产流、稳定和退水3个明显的阶段，产流和退水过程涨落的剧烈程度、稳定阶段的流量大小随雨强增大而增大，稳定阶段的持续时间与降雨历时成正比；变雨强的情况下，流量过程线没有稳定的阶段，流量随雨强变化而变化。
基于野外/室内降雨产流试验可以具体地分析和比较不同条件下的产流过程，建立产流与其影响因素之间的关系式，便于对降雨产流过程的深入研究。但是这种基于试验的研究，受其研究尺度和研究范围所限，在一些较大的研究区域或流域，很难反映其空间变异对产流结果的影响。水文模型的产生和发展则为不同尺度的降水产流过程模拟和计算提供了一个很好的平台。降雨作为模型的主要输入参数，其准确性对模型的输出结果产生很大的影响，因此，降雨分布不确定性、空间变异性等是水文科学研究一直探讨的热点问题［42，43］。
Shah等［44，45］建立了随机降雨模型并结合SHE模型对降雨的空间变异性与流域响应之间的关系进行研究和探讨，结果表明：在不同的状态下，采用流域平均计算的降雨对径流预测结果影响很大，降雨的空间变异性和土壤含水率的空间分布之间的相互作用，使得湿润状态下流域响应具有高度的非线性。降雨分布的不确定性会影响到径流量、洪峰流量和产沙量的不确定性，尤其是雨量站站网密度、雨量站的空间布局以及暴雨的时空特性等都对流域径流计算和模拟有较大的影响［46］，同时降雨的空间分布及观测精度会影响流量过程线，引起模型参数的变异［47］。Bronstert等［48］通过对山坡小流域尺度上降雨强度的时间变异性对超渗产流过程影响的研究，得出山坡小流域尺度上，尤其是在超渗产流时，降雨对水文过程起更为主导的作用，且降雨强度的时间变异性会引起产流量的增加。张士锋等［49］分析了黄河流域降雨的时空不均性与产流量的关系，结果表明：降水的空间分布不均匀对黄河流域天然径流量的影响十分显著，而时间非均匀性对年径流量的影响并不显著。郝芳华等［50］则用SWAT模型分析了降水空间不均匀性对产流量的不确定性，认为径流量的不确定性随着降雨的空间分布不均匀性的增加而增加，降雨空间分布越均匀，模拟的径流量越趋于确定。范荣生［51］对岔巴沟流域的降水资料进行分析，构建了考虑降水空间变化的流域产流模型，认为考虑了降雨空间不均匀性的模型更具有适用性。
因此，在模型计算与模拟中是否能够充分考虑到降水的时空变异性会直接影响模型的模拟精度，目前应用较多的分雨量站计算的方法能够考虑到降雨空间分布不均，但雨量站密度对计算精度起重要作用。网格法一般基于雷达测雨、卫星遥感测雨和GIS 技术的发展来描述降雨和下垫面因子的空间分布，可直观、合理地考虑其空间分布不均对流域产流的影响［52］。
1.2.2 土地利用/覆被变化
土地利用/覆被变化会使植被截留量、土壤入渗能力和蒸发等因素发生改变，进而对流域的水文情势和产汇流机制产生影响，也影响到流域洪涝灾害发生的频率和强度［53］。土地利用变化对水资源的时空分布格局、区域生态、环境及经济发展等多方面有直接影响。平原地区由于人类活动频繁，耕地面积大量减少而建设用地面积急剧增加，使降雨产流过程发生了明显变化［54］。例如，太湖流域20世纪80—90年代上游产流量增加40%，洪涝灾害加剧［55］；黄土高原沟壑地区农田用地及草地的产流量减少，而林地、果园和居住用地等产流量有不同程度增加［56］。
年径流量、枯水径流量和洪水过程的变化是反映径流变化的重要方面，目前土地利用变化的水文效应研究主要侧重在径流影响的研究上［57，58］。全球尺度上，土地利用变化的主要驱动因素是造林和毁林，森林水文水资源效应研究备受关注，但是森林植被的变化对径流量的影响是正效应还是负效应目前尚未有统一的认识。一部分学者认为森林植被减少会使流域径流量增加；一部分则持相反观点，认为森林植被增加能够增加流域径流量；一部分则认为森林植被的变化对流域径流量影响不大；还有一部分认为森林植被的变化对径流量影响是根据空间尺度和时间尺度而变化。石培礼等［59］对我国不同森林植被变化的水文效应进行了综合分析，研究了森林植被变化对降水分配格局、土壤水及蒸散发的影响。在东北地区，森林皆伐则会使流域总径流量增加，森林覆盖度的增加在一定程度上会使较大流域的河川径流量随之增加，这与径流小区的实测结果恰恰相反。流域森林植被变化的水文响应关系非常复杂，同时由于研究领域、方法、尺度及观测资料等的影响，其研究结论很难达到一致，如何量化和深入分析森林植被变化的流域水文响应研究将是一个难点和焦点问题。
土地利用变化对区域径流值、尤其是热带地区的径流量变化影响很大，其对径流的影响已经远远超过了气候变化，土地利用变化已使全球径流量平均增加速率达到0.08mm/a2，占20世纪全球径流趋势重建的约50%［60］。Hundecha等［61］将构建的降水产流概念模型应用到德国95个流域中以模拟土地利用变化对径流的影响，结果表明城镇化的加剧导致夏季暴雨引起的较低洪峰流量增加，而冬季降水引起的高洪峰值的增加量非常小，与此同时，人工造林则使洪峰流量及总产流量明显减少。中尺度流域土地利用变化对降水产流的影响很大程度上取决于降水特性及空间尺度，如这种影响仅与对流型强降水有关，小雨强且持续时间长的平流降水事件下的影响则相反［62］。Nunes等［63］对葡萄牙地区6种不同土地利用和植被覆盖下的产流和产沙情况进行分析认为，牧场的降水入渗能力最大，土壤侵蚀最小，定量分析土地利用变化的水文响应的关键因素是植被的动态变化形式。
我国针对土地利用/覆被变化的水文响应研究虽然略晚，但通过近几十年的研究也取得了很大进展。Li等［64］用SWAT模型对我国淮河上游地区不同土地利用情景下的产流特性进行比较，耕地、稻田、林地对降水产流的敏感性依次下降。Yang等［65］应用统计学方法分析了我国内蒙古西拉木伦河近20年的土地利用及径流量变化，发现该地区的年径流量随着土地利用的变化不断减小。高美荣等［66］在对川中丘陵区旱坡地3种典型耕作制度的产流过程试验中指出，产流过程遵循二次函数，产流量大小分别为聚土免耕＜平板种植＜顺坡种植，且聚土免耕条件下，产流过程明显滞后。宋孝玉［67］在进行黄土沟壑不同下垫面条件对农田降雨入渗及产流关系影响的研究时，在其他条件相同的情况下，坡度越大产流量越大；覆盖越好，产流量越少。李元寿等［68］研究长江源区北麓河支流左冒西孔曲流域天然降水和人工模拟降水在相同坡度、不同植被覆盖下的降水产流产沙效应时指出，典型高寒草甸草地30°坡面上，相同降水条件下，低覆盖度场地的地表产流量、产沙量明显大于覆盖度较高区域。夏军等［69］在对黄河岔巴沟流域不同下垫面类型、不同下垫面覆盖度以及不同的处理方式等进行试验分析时指出，耕作措施的使用对降雨径流关系的影响远大于地表覆盖率变化所产生的影响；雨强相同条件下，草地的出流量约为裸地出流量的50%；草地与裸地对降雨径流关系的影响差异也较大。朱冰冰等［70］通过野外人工模拟降雨试验，研究了草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响。结果表明植被覆盖度为0%～60%时，产流产沙量随植被覆盖度的增加迅速降低；植被覆盖度80%时，覆盖度的增加不能引起产流、产沙量的大幅度下降，植被水沙调控作用趋于稳定。汪邦稳等［71］采用人工模拟降雨的方法，研究了南方红壤区典型小流域8种不同利用土地的径流、泥沙在不同降雨条件下的流失特征，并指出相同降雨条件下径流调控排序为果园>旱平地>油茶>弃土场>水保林>坡耕地>水田>裸地。张旭昇等［72］研究黄土高原祖厉河流域雨强和植被覆盖度对典型坡面产流产沙的影响时指出，不同雨强条件下，人类扰动撂荒地的产流量明显大于植被自然恢复的撂荒地，且覆盖度低的撂荒平均径流系数较高。此外，还有在南方喀斯特地貌、黄土高原农业发展区域等不同土地利用和植被变化下的径流变化、水文响应过程的研究［73-75］。
研究土地利用变化的水文响应机制并量化其贡献，是认识变化环境下水循环规律的基础，而关于土地利用变化的水文响应耦合模拟与量化研究的相关理论也是目前水文学与气候学交叉领域研究的前沿和热点问题，其量化研究主要借助模型工具，即流域水文模型。陈利群等［76］采用SWAT和VIC模型对20世纪60—90年代黄河河源区的气候变化和土地利用对径流变化的影响进行了分析，发现70年代以前气候变化是径流减少的主要原因，土地覆被变化对径流影响很小，而在70—90年代土地利用变化的影响不断增加，为6%～16%。土地利用变化改变了水系格局，致使产流量、洪峰和洪涝灾害的时空分布格局不断发生变化。随着人类活动的加剧，下垫面变化相对更复杂，农业开发、城市化进程等都与土地利用密切相关。因此，越来越多的水文研究学者也开始逐渐重视以流域为单元的农业土地利用变化的水文过程响应研究。
1.2.3 土壤物理特性
土壤特性，如土壤结构、土壤容重和孔隙度、土壤团聚体等影响着土壤入渗特性，是降水产流过程的关键影响因素之一。其中，土壤结皮是降水过程中形成的一种土壤物理性状的改变，对降水入渗过程及产流有明显影响。土壤结皮伴随着土壤团聚体或者大颗粒分散开始形成的同时，还伴随着大孔隙的形成［77］。土壤结皮包括物理结皮和生物结皮，其中物理结皮是一种普遍存在于土壤表层的致密层［78］，而生物结皮是土壤表层由苔藓、藻类、地衣等隐花植物和微生物菌类等为主体的生物组分与土壤构成的有机复合体［79，80］。
土壤结皮具有减少降雨入渗、促进产流等作用，使产流条件和产流量发生改变，进而影响坡面土壤侵蚀过程，国内外的许多学者也就土壤结皮与降水产流之间的关系开展很多研究。Mcintyre等［78］测定了小面积上形成的结皮及耕作层土壤渗透率，结果是耕作层的渗透率是淋入层的200倍、结皮层的2000倍；Tackett等［82］则通过试验分析认为下部耕作层的渗透率是结皮层的5倍多，但两人的研究结果均表明，土壤结皮会使土壤水分入渗率减小，Moore［83］、Ben-Hur［84］等人也得出了相同的研究结果。Ferris等［85］通过试验测试分析了20种不同土壤类型下土壤结皮对入渗、产流及土壤侵蚀的影响，发现土壤结皮会使入渗率减少1.2～36mm/h。
程琴娟等［86］对黄土地区超渗产流条件下土壤结皮对产流临界雨强的影响进行分析，认为在室内控制条件下，土壤结皮会降低入渗，从而降低产流时的临界雨强，但实际情况下，要考虑不同雨强下土壤结皮对产流量的影响；吴发启等［87］对结皮和无结皮土壤条件下降雨入渗和产流产沙特性进行了试验分析和对比：无结皮土壤的入渗率是结皮土壤的1.25倍，而结皮土壤的产流量是无结皮的1.15倍左右，且雨强越大，土壤结皮对减少入渗、增加产流、抑制产沙的作用越小；李鹏等［88］对通过室内试验模拟的方法研究了生物土壤结皮对降雨产流的影响，也得出了与上述相同的结论。
生物土壤结皮具有固土培肥、增加土壤养分、改变土壤水分状况等方面的生态功能［80，88］，其对土壤-水分关系的影响具有高度的地区/区域特征，在干旱温带荒漠地区，生物土壤结皮具有较强的保持水分的能力，可明显地影响土壤水文过程［89］。而微生物结皮对降雨入渗的影响则一直争论不断，一部分人认为微生物结皮可促进降雨入渗，另一部分人则持相反观点，认为微生物结皮会降低降雨入渗，还有一部分人则认为微生物结皮对降雨入渗无明显作用［90］。
近年来，有关地表结皮对土壤水文过程的影响机理研究备受关注，尤其是生物结皮下土壤水文过程模型的建立及土壤结皮对水文过程影响的定量化分析也是水文研究中需要不断深入研究的方向之一。