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华北地区近年来受需求增加和气候变化的影响，缺水问题十分严重。作为华北平原的水源地，华北山区河流水量不断减少，山区水文过程的变化直接影响入库径流量和可供下游地区利用的地表水资源量。然而，目前针对这一地区水文过程的研究还很少，对其变化规律还缺乏深入的认识。
坡面是流域产水的源区，更是流域降雨-径流过程研究的基本单元。对华北石质山区坡面水文过程的试验和数学模拟研究，可为研究该地区水量转换过程的一般性规律提供参考和依据，也是更大尺度的水文过程模拟研究的基础。
本论文依托中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室的科研条件，在河北易县崇陵流域进行野外流域坡面水文过程观测和试验，获得了天然和人工模拟降雨条件下的植被截留、坡面和壤中产流、土壤含水量等动态变化数据，对人工模拟和天然降雨条件下的水文过程进行了研究，并在此基础上建立了一个耦合了坡面产流和入渗过程的具有物理机制的坡面产流模型。
自行设计了穿透降雨和树干径流自动采集系统，通过对植被截留试验数据的分析，比较了油松和侧柏这两种在华北石质山区广泛分布的典型人工林在天然降雨条件下的树干径流和林下穿透降雨过程的差异。试验数据表明，油松林的林冠截留量大于侧柏林，而树干径流量则小于侧柏林，总体而言油松林的截留效应较强。两种林分的树干径流和林冠截留的过程都与林外降雨呈正相关关系。在分析过程中，提出了“有效林冠面积”(等于林冠面积乘以林冠密度或郁闭度)这一概念，即认为只有有效林冠面积上的降雨才会被林冠截留。这一概念的提出有利于在不同种类、不同郁闭度的林分之间进行对比和转换计算。此外，还使用洒水称重法研究了灌木和草本植被的最大截留量，发现单纯荆条灌木的最大截留量仅为0.1kg/kg鲜重左右，而荆条灌木和草本混合植被的最大截留量则为0.4kg/kg鲜重左右。
进行了28场林下模拟降雨小区试验，分析了包括雨强、坡度、雨前土壤含水量、下垫面状况等在内的各个因素对坡面水文过程的影响。研究表明，相同雨量下，随着雨强的增加，产流的速度加快、径流系数增加；在相同的雨强下，坡面的坡度越大、土壤结构越致密，径流系数越大。而且，坡度的增加有利于坡面流的快速产生和土壤内侧向入渗速率的增加。此外，较高的土壤前期含水量有利于径流的形成，同时土壤的不均匀性也影响着坡面的水量转化过程。人工模拟降雨的径流和土壤水分同步观测数据表明，研究区的产流机制是以超渗产流为主，入渗过程线与经典的Horton入渗曲线非常相似。利用水量平衡原理计算出的稳定入渗率在0.3-0.4mm/min的范围内。
在天然降雨条件下，重点比较了两块大小相同、地质地貌条件相似而仅有植被覆盖类型不同的坡面径流小区的出流过程。分析发现，在相同的雨前土壤湿度+降雨量条件下，油松林径流小区的出流量小于荆条灌草小区，其出流历时和壤中流相对较大，表明油松林下土壤相对于荆条灌草下土壤对雨水具有较大的滞蓄能力或调蓄能力。
根据水量平衡原理，使用Penman-Monteith参考作物蒸散模型、分段单值平均作物系数和实际蒸散计算模型相结合，利用实测的降雨、气象资料推算了逐日土壤含水量动态变化曲线。通过与坡面实测土壤含水量变化过程进行对比，发现二者吻合得较好。这表明该方法具有可行性。这为华北石质山区的土壤含水量动态变化研究提供了一种新的计算模式。
将具有物理机制的运动波模型和Green-Ampt入渗相耦合，建立了一个适用于华北石质山区的次降雨坡面产流模型。模型在均匀降雨条件下模拟的出流量的合格率达到了80％，且模拟与实测的坡面流过程线比较吻合。同时，分析了模型模拟的坡面出流过程对坡度、雨强、地表糙率、饱和导水率、雨前土壤含水量等影响因子的响应，发现各因子与出流量呈不同的函数关系，且符合实际观测到的坡面产流规律。由于本模型没有考虑长历时降雨过程中土壤水消退过程的影响，使其对天然降雨-径流过程的模拟效果尚不甚佳，还需在未来的研究中进一步改进和完善。若将该产流模型模型与坡面土壤含水量动态变化计算相结合，可为更大时间和空间尺度的流域水文模拟研究提供参考。