基于生態(tài)需水量模型的鹽池內(nèi)陸河流域合理植被面積研究

楊 志，王德全

(1.寧夏唐徠渠管理處，寧夏 銀川 751100;2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;3.寧夏瑞沃水資源工程研究院，寧夏銀川 750021)

基于生態(tài)需水量模型的鹽池內(nèi)陸河流域合理植被面積研究

楊 志1，王德全2，3

(1.寧夏唐徠渠管理處，寧夏 銀川 751100;2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;3.寧夏瑞沃水資源工程研究院，寧夏銀川 750021)

生態(tài)需水量;數(shù)學(xué)模型;植被面積;鹽池內(nèi)陸河流域

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，建立了鹽池內(nèi)陸河流域生態(tài)需水量數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了流域的合理植被面積，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，結(jié)果表明:利用本研究所建的模型，可確定鹽池內(nèi)陸河流域合理的種植面積，從而為決策者提供生態(tài)建設(shè)規(guī)劃依據(jù)。

鹽池內(nèi)陸河流域位于寧夏回族自治區(qū)東部，總面積5 032 km2，北與毛烏素沙地相連，南接黃土高原，屬干旱半干旱過(guò)渡區(qū)，植被由干草原向荒漠草原過(guò)渡，土地資源利用上則是從農(nóng)區(qū)向牧區(qū)過(guò)渡。由于氣候干燥、降雨量少、蒸發(fā)量大，加上過(guò)度放牧，一度導(dǎo)致草場(chǎng)退化、土地沙化，因此當(dāng)?shù)夭扇×酥矘湓炝?、退耕還林、禁牧封育等方法來(lái)恢復(fù)草場(chǎng)、改善生態(tài)。但近年來(lái)流域內(nèi)在生態(tài)保護(hù)和建設(shè)中，未能從宏觀水資源承載力角度研究植被的合理布設(shè)面積，容易導(dǎo)致植被面積超出水資源承載力［1］。本研究根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料，首先建立了鹽池內(nèi)陸河流域生態(tài)需水量模型，然后再由模型推求合理的植被面積，從而為決策提供依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 資料的準(zhǔn)備

根據(jù)植被樣方調(diào)查結(jié)果，將鹽池內(nèi)陸河流域分為A、B、C、D、E五個(gè)區(qū)域，各區(qū)域劃分及植物群落構(gòu)成見圖1、表1［2］。

表1是對(duì)現(xiàn)狀年(2010年)流域內(nèi)植物群落和分布結(jié)構(gòu)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，為方便起見，僅以各區(qū)主要植物群落作為統(tǒng)計(jì)類型。由表1可知，現(xiàn)狀年植被面積約占全流域面積的65.5%。

對(duì)流域內(nèi)植物的蒸騰速率、生育期生物量進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果分別列于表2、表3。

圖1 鹽池內(nèi)陸河流域區(qū)域劃分

表1 鹽池內(nèi)陸河流域區(qū)域劃分及植物群落構(gòu)成

表2 鹽池內(nèi)陸河流域主要植物蒸騰速率觀測(cè)結(jié)果 mg/(g·h)

表3 鹽池內(nèi)陸河流域主要植物生育期生物量統(tǒng)計(jì) kg/hm2

1.2 相關(guān)計(jì)算

1.2.1 流域生態(tài)耗水量計(jì)算

以現(xiàn)狀年(2010年)流域植被蒸騰量作為流域生態(tài)耗水量，采用下式計(jì)算:

式中:EP為流域植被蒸騰量，萬(wàn)m3;Evi為第i種植物群落蒸騰速率，mg/(g·h);WPi為第i種植物群落分布面積，hm2;Mi為第i種植物的總生物量，kg/hm2;t為時(shí)間，h。

經(jīng)計(jì)算，流域內(nèi)植被蒸騰總量為53 136.13萬(wàn)m3。

1.2.2 入滲量計(jì)算

流域入滲量包括降雨入滲量和地表徑流入滲量，經(jīng)計(jì)算，鹽池內(nèi)陸河流域2010年總降雨入滲量為17 191.60萬(wàn)m3，地表徑流入滲量為1 382.76萬(wàn)m3，總?cè)霛B量為18 574.36萬(wàn)m3。

1.3 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)實(shí)測(cè)資料可建立生態(tài)需水量模型如下:

式中:Y為生態(tài)需水量，萬(wàn)m3;δi為第i種植物的蒸騰速率，mg/(g·h);t為時(shí)間，h;ρi為第i種植物生育期生物量，kg/hm2;Si為第i種植物的分布面積，hm2。

定義:以ai，J表示J區(qū)域上的水資源對(duì)第i種植物群落的承載系數(shù)，指在一定降水量條件下，可供生態(tài)需水量能夠承載的植物面積權(quán)重值，其影響因素為植物類型、土壤類型及地形。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，在流域范圍內(nèi)，各區(qū)域的降水量不同，水資源所能承載的植物總量亦不相同。i=1，2，…，9，分別代表檸條、甘草、沙蒿、花棒、楊柴、賴草、苦豆子、沙柳、農(nóng)作物等9種植物群落，J分別代表 A、B、C、D、E 區(qū)域，例如a1，A表示 A 區(qū)域上的水資源對(duì)檸條的承載系數(shù)，SA表示A區(qū)域面積。于是，Si可表示如下:

由實(shí)測(cè)資料，以降水量(流域2010年的降水量為295.21 mm)減去入滲量和蒸發(fā)量(表4)的結(jié)果作為當(dāng)年可供生態(tài)需水量。由表4的結(jié)果可知，流域現(xiàn)狀年可供生態(tài)需水量為5 032×100 ×0.295 21 －18 574.36 －59 151.39=70 823.92(萬(wàn) m3)。

表4 鹽池內(nèi)陸河流域多年平均蒸發(fā)量計(jì)算匯總

代入公式(2)可以得出關(guān)于ai，J的方程。其中有14個(gè)未知數(shù)，因此不能直接求出這些未知數(shù)。本研究通過(guò)建立約束條件，求出ai，J的取值范圍，從而找到ai，J的一些組合，進(jìn)而得到合理植被面積的組合。

由于未知數(shù)過(guò)多，求解過(guò)程比較繁瑣，因此將上述模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，即在鹽池內(nèi)陸河流域只選擇兩種植物群落進(jìn)行概化計(jì)算，其中一種植物選擇農(nóng)作物，另外一種為概化植物。于是(2)式可簡(jiǎn)化為

式中:Y為生態(tài)需水量，萬(wàn)m3;S為鹽池內(nèi)陸河流域總面積，hm2;δ農(nóng)為農(nóng)作物蒸騰速率，mg/(g·h);ρ農(nóng)為農(nóng)作物生育期生物量，kg/hm2;a農(nóng)為作物承載系數(shù);δ概為概化植物蒸騰速率，mg/(g·h);ρ概為概化植物生育期生物量，kg/hm2;a概為概化植物承載系數(shù);t為時(shí)間，h。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料可得到可供生態(tài)用水量，記為Y，代入(3)式，再由0＜a農(nóng)＜1，0＜a概＜1等約束條件，可求出a農(nóng)、a概的取值范圍。于是可求出植被合理分布總面積:

2 模型驗(yàn)證及分析

2.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)1.1中的實(shí)測(cè)資料，以簡(jiǎn)化模型為例進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證、分析，其中概化植物的相關(guān)參數(shù)取除農(nóng)作物外的其他8種植物的平均值。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，可求現(xiàn)狀降水量條件下，充分利用降水且不超出其實(shí)際承載力的組合，通過(guò)試算得出最優(yōu)系數(shù)值a農(nóng)=0.026 2，a概=0.715。

對(duì)上面的組合進(jìn)行驗(yàn)證(以2010年觀測(cè)數(shù)據(jù)為例):由前述計(jì)算可知，可供生態(tài)用水量為Y=70 823.92萬(wàn)m3。將承載系數(shù)代入式(3)，可求出相應(yīng)的種植面積為:S農(nóng)=S·a農(nóng)=5 032 ×100 ×0.026 2=13 183.84(hm2)，S概=S·a概=5 032 ×100 ×0.715=359 788(hm2)，S總=372 971.84(hm2)。

2.2 分析與討論

現(xiàn)狀農(nóng)田分布于流域中北部地勢(shì)平坦區(qū)域，雖然適宜耕作的種植面積受地形、土壤、灌溉等條件限制，但其耗水量較大，面積變化對(duì)水資源承載能力敏感，因此與其他植被相比，應(yīng)單獨(dú)作為生態(tài)需水量影響因子進(jìn)行分析;計(jì)算流域蒸騰量時(shí)，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀，將植被蒸騰、湖泊水體的水面蒸發(fā)、非生育期的冰雪蒸發(fā)、潛水蒸發(fā)以及無(wú)植被覆蓋的裸地蒸發(fā)分別進(jìn)行計(jì)算，并以植被蒸騰量作為生態(tài)需水量;因鹽池內(nèi)陸河流域的地表徑流以壤中流溢出形式形成的湖泊水面為主，流域內(nèi)無(wú)長(zhǎng)流水徑流，因此在入滲量計(jì)算時(shí)按照現(xiàn)狀湖泊水面的入滲量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)入可產(chǎn)生入滲的降水入滲量;根據(jù)計(jì)算結(jié)果，相比現(xiàn)狀年流域植被面積分布，在現(xiàn)狀降水量條件下，流域可承載的植被面積尚有較大空間，即合理的植被面積應(yīng)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上增加約8%。

［1］李瑞，張克斌，楊俊杰，等.寧夏鹽池荒漠化草原人工封育區(qū)生態(tài)位研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006(4):171－175.

［2］王德全.鹽池內(nèi)陸河流域水循環(huán)研究［D］.銀川:寧夏大學(xué)，2011.

［3］張蔚榛.地下水與土壤水動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1996:240 －242.

［4］溫存.寧夏鹽池沙地主要植物群落土壤水分動(dòng)態(tài)研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2007.

X171.4

A

1000－0941(2011)12－0046－03

楊志(1967—)，男，寧夏中衛(wèi)市人，高級(jí)工程師，碩士，長(zhǎng)期從事水利管理工作;通信作者王德全(1968—)，男，寧夏平羅縣人，副教授，博士，主要從事水文與水資源方面的教學(xué)與研究工作。

2011－09－15

(責(zé)任編輯 徐素霞)