CN103425869A - 一种用于涵养水源的流域覆被率的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于涵养水源的流域覆被率的获得方法，包括步骤：1）按照流域森林的四种林分类型：针叶林、阔叶林、针阔混交林，灌木林，分别测定各林分类型面积、林冠截留率和土壤饱和蓄水能力等；2）按各自权重叠加，获得某一林分类型能够实现涵养水源的覆被面积；确定各个林分用于涵养水源的覆被率；3）拟合得到用于涵养水源的流域覆被率。本发明根据地表水流域的森林面积、森林类型，结合所研究流域多年的降水资料，得出流域的用于水源涵养的森林覆被率，在该覆被率的指导下合理规划，有目的地造林或砍伐，在充分发挥森林涵养水源功能的同时，实时调节流域适宜森林面积，避免盲目造林，缓解林农用地矛盾，具有重大的经济意义。

Description

一种用于涵养水源的流域覆被率的获得方法

技术领域

本发明属于面积计量领域，具体涉及一种用于水源涵养的森林面积测定方法。

背景技术

涵养水源是森林生态系统重要的生态服务功能之一。以河南省为例，2007年森林涵养水源功能价值量占该省森林总服务功能价值量的27%，在森林八大服务功能价值量中居于首位。由此可见，森林在涵养水源方面发挥着不可替代的作用。相关研究表明，近年来，水资源短缺及其引发的生态环境问题已成为中国亟需首要解决的问题之一，其中，山区来水大量减少，水资源量衰减严重是造成水资源短缺的重要原因之一。以北京密云水库为例，相比1960-1979年段1980-1997年的年均来水量减少了4亿m³。山区水源地来水量的大量减少，给城市和中下游地区生态环境和社会经济发展带来极大危害。考虑到山区水源地地形限制，人地矛盾更为突出。为此，如何对山区水源地土地利用进行合理规划，在充分发挥森林涵养水源功能的同时，实时调节流域适宜森林面积，切忌盲目造林，以缓解林农用地矛盾，则显得尤为必要。

森林涵养水源功能的发挥主要通过林冠截持降水、枯落物持水和林地土壤蓄水等方式实现。而这些功能的大小，是由森林林冠截流率大小、枯落物最大持水量以及土壤饱和蓄水能力等参数决定的。其中，林冠截留反映了森林地上部分对降水的截持能力；土壤饱和蓄水能力较枯落物持水则是一个反映林内地下部分涵养水源能力综合性更强的指标，其与林下土壤水分、物理、化学特性等高度相关，还与森林的内涵质量、地质地貌等因子紧密相联。因此，林冠截留和森林土壤饱和蓄水能力是反映森林生态系统自身地上、地下部分水源涵养能力的体现，将林冠截留率和土壤饱和蓄水能力作为确定以涵养水源为目标的最佳森林覆盖率的指标具有一定的科学性。然而，不同林分类型林冠截流率以及林下土壤饱和蓄水能力的大小会随着林龄的改变而改变。为此，将不同林龄下的林冠截留率和土壤饱和蓄水能力作为确定流域适宜覆被率的指标将更具合理性。

在现有技术中，流域适宜覆被率的确定方法通常是通过经验或情境模拟方法确定，而且得到的仅是流域多年单一森林覆被率值，忽略了不同森林植被类型涵养水源功能大小随林龄的改变，已无法满足流域土地利用长期规划的需求。

发明内容

针对本领域的不足之处，本发明提出一种用于涵养水源的流域覆被率的获得方法。

实现本发明目的的技术方案为：

一种用于涵养水源的流域覆被率的获得方法，包括步骤：

1）按照流域森林的四种林分类型：针叶林、阔叶林、针阔混交林，灌木林，分别测定各林分类型面积Sm、林冠截留率I土壤饱和蓄水能力W、历年一日出现频率较大的暴雨量、流域总面积；

2）按各自权重叠加，获得某一林分类型能够实现涵养水源的覆被面积；然后根据流域总面积确定该流域内各个林分用于涵养水源的覆被率；

3）根据步骤1）和步骤2)的数值拟合得到用于涵养水源的流域覆被率。

所述针叶林、阔叶林、针阔混交林，灌木林涵盖了现有流域的所有类型。林冠截留率I计算方法为：林外降水量与林内降水量的差除以林外降水量。其中，林内外降水量的测定常规方法为通过在林内外布设自记雨量计的方法来测定。土壤饱和蓄水能力W用土壤饱和持水量来表示，单位可用t/hm²，或者mm来表示。土壤饱和持水量又称“全蓄水量”、“最大持水量”。土壤全部孔隙充满水时所保持的水量，即土壤所能容纳的最大持（含）水量。用浸水饱和法来测定。

其中，所述历年为3-30年。“历年”从统计学的角度来讲是指近30年。但因某些流域气象数据有限，降水数据系列可能不足30年，那么只能根据实际情况而定，可能是20年内一日出现频率较大的暴雨量，也可能是10年内一日出现频率较大的暴雨量。统计年代越多，得出的暴雨值则更具代表性。

所述历年一日出现频率较大的暴雨量，是基于统计的历年（3-30年）内统计降暴雨（日降水量大于50mm）的日子中，出现频率最大的暴雨量，单位为mm。

其中，所述步骤2）林冠截留率为不同林龄森林的林冠截留率，所述不同林龄森林包括幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林。

其中，所述步骤2）中按各自权重叠加的公式为

$A_m=\frac{P(1-I)\·S_m}{W_m}=\frac{P(1-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_{\mathrm{mi}}}{S_m}\·I_{\mathrm{mi}})\·S_m}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_{\mathrm{mi}}}{S_m}\·W_{\mathrm{mi}}}---\left(1\right)$

式（1）中Am为第m林分的最佳森林覆被面积，单位：hm²；

P为历年一日出现频率较大的暴雨量，单位：mm；

I为林冠截留率，%；

Wm为第m林分的森林土壤饱和蓄水量，单位：mm；

i为不同林龄森林，其中i=1幼龄林,i=2中龄林,i=3近熟林,i=4成熟林;

Smi为第m林分在林龄为i时的面积，单位：hm²；

Imi为第m林分在林龄为i时的截留率，%；

Wmi为第m林分在林龄为i时的森林土壤饱和蓄水量，单位：mm。

权重参数指：某一林分类型面积占研究流域森林总面积的百分比。不同林龄体现在式（1）中，更符合实际。林龄不一样，涵养能力不一样。现有技术中没有考虑林龄的差异。

所述步骤2）中根据流域总面积确定该流域内各个林分用于涵养水源的覆被率所用的公式为：

$F_m=\frac{A_m}{S_t}\×100\%---\left(2\right)$

式（3）中：S_t为该流域的总面积，单位：hm²；

其中，所述步骤3）中拟合的公式为

$C=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_m\·F_m}{S_f}\×100\%=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{S_m}^{2}P(S_m-S_{\mathrm{mi}}\·I_{\mathrm{mi}})}{S_t\·S_{\mathrm{mi}}\·S_f\·W_{\mathrm{mi}}}\×100\%---\left(3\right)$

式（2）中C为用于涵养水源的流域覆被率。

其中，所述用于涵养水源的流域覆被率每年根据参数变化获得，为一系列动态数值。

所述获得方法还包括按照获得的流域覆被率进行造林或砍伐。即将流域覆被率与实际森林覆被率比较，从而得出所研究的流域是否应进行造林、造林类型、是否应砍伐的结论。如果流域现有森林覆被率低于本发明的数值，表明该流域需要通过造林等手段增加覆被率，以达到涵养水源的目的。如果高于该值，表明从涵养水源的角度讲，未来5到10年内本流域可以不在造林，也可以适当采伐。

本发明的有益效果在于：

本发明用于涵养水源的覆被率的给出解决了原有覆被率计算方法的滞后效应，更利于指导流域土地管理部门的应用实践，对流域土地利用长期规划有重要的实际参考价值。

根据地表水流域的森林面积、森林类型，结合所研究流域多年的降水资料，得出流域的用于水源涵养的森林覆被率，在覆被率的指导下合理规划，有目的地造林或砍伐，在充分发挥森林涵养水源功能的同时，实时调节流域适宜森林面积，避免盲目造林，缓解林农用地矛盾，具有重大的经济意义。

附图说明

图1为流域不同时期覆被率动态变化趋势。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

以北京市密云县潮关西沟流域1989—2009年覆被率变化为例，流域面积St=930hm²，历年一日出现频率较大的暴雨量P为153.0mm。

针叶林、阔叶林、针阔混交林，灌木林，各林分类型面积S_mi，m为林分类型种类(m=1,代表针叶林；m=2,代表阔叶林；m=3,代表针阔混交林；m=4,代表灌木林)；i为不同林龄，其中i=1幼龄林,i=2中龄林,i=3近熟林,i=4成熟林;以下是1989年潮关西沟流域各林分类型面积S_mi(hm²)，林冠截留率I_mi(%)和土壤饱和蓄水量W_mi(mm)

S₁₁=8.14    S₁₂=6.3     S₁₃=10.61    S₁₄=9.15

S₂₁=59.7    S₂₂=42.2    S₂₃=53.6     S₂₄=77.2

S₃₁=8.4     S₃₂=23.7    S₃₃=20.5     S₃₄=5.4

S₄₁=105.9   S₄₂=145.2   S₄₃=182.6    S₄₄=94

I₁₁=15      I₁₂=20      I₁₃=25       I₁₄=30

I₂₁=20      I₂₂=25      I₂₃= 30      I₂₄=35

I₃₁=25      I₃₂=30      I₃₃=35       I₃₄=40

I₄₁=20      I₄₂=25      I₄₃= 30      I₄₄=35

W₁₁=38      W₁₂=45      W₁₃=72       W₁₄=76

W₂₁=42      W₂₂=48      W₂₃=80       W₂₄=84

W₃₁=49      W₃₂=52      W₃₃=61       W₃₄=60

W₄₁=50      W₄₂=55      W₄₃=76       W₄₄=84

代入公式（1）

$A_m=\frac{P(1-I)\·S_m}{W_m}=\frac{P(1-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_{\mathrm{mi}}}{S_m}\·I_{\mathrm{mi}})\·S_m}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_{\mathrm{mi}}}{S_m}\·W_{\mathrm{mi}}}---\left(1\right)$

求得A1=14.97397;A2=90.69345;A3=24.18234;A4=197.0014

代入式（2）中，

$F_m=\frac{A_m}{S_t}\×100\%---\left(2\right)$

F1=1.61%，F2=9.75%，F3=2.60%，F4=21.18%

基于以上结果，求得1989年潮关西沟流域用于水源涵养的覆被率为

$C=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_m\·F_m}{S_f}\×100\%=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{S_m}^{2}P(S_m-S_{\mathrm{mi}}\·I_{\mathrm{mi}})}{S_t\·S_{\mathrm{mi}}\·S_f\·W_{\mathrm{mi}}}\×100\%---\left(3\right)$

C₁₉₈₉=62.4%

按此方法可得到一系列动态覆被率。

随着时间的推移，各林龄林分类型面积势必会发生变化。以潮关西沟为例，以其1989年森林现状面积为本底值，经过10年的自然生长，到1999年各林分类型树龄发生变化，1989年的幼龄林到1999年已变为中龄林，中龄林成为近熟林，近熟林成为成熟林。相应的面积也发生改变，幼龄林的面积仅为10年内的幼苗更新，而中龄林面积为1989年幼龄林的面积，近熟林面积为1989年中龄林面积，成熟林面积为1989年近熟林面积与成熟林面积之和。同样，2009年以1999年为依据，得出各林分类型不同树龄的面积。林龄的改变势必会对林冠截留率及土壤饱和蓄水能力造成重要影响。因此，根据本发明公式计算，1999年和2009年潮关西沟流域用于水源涵养的覆被率分别为：

C₁₉₉₉=76.7%

C₂₀₀₉=74.2%

图1显示了潮关西沟流域不同时期用于水源涵养覆被率动态变化。

根据本实施例的计算结果，以潮关西沟流域2009年森林覆被率为例，2009年现有覆被率为91.68%，流域适宜覆被率约为74.2%，按照这一数值，从涵养水源的角度认为，潮关西沟现阶段可以伐林（以采伐过熟林、灌木林为主）100～162.6hm²。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做出一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于涵养水源的流域覆被率的获得方法，包括步骤： 

1）按照流域森林的四种林分类型：针叶林、阔叶林、针阔混交林，灌木林，分别测定各林分类型面积Sm、林冠截留率I、土壤饱和蓄水能力W、历年一日出现频率较大的暴雨量、流域总面积； 

2）按各自权重叠加，获得某一林分类型能够实现涵养水源的覆被面积；然后根据流域总面积确定该流域内各个林分用于涵养水源的覆被率； 

3）根据步骤1）和步骤2)的数值拟合得到用于涵养水源的流域覆被率。 

2.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，所述历年为3-30年。 

3.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，所述步骤2）林冠截留率为不同林龄森林的林冠截留率，所述不同林龄森林包括幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林。 

4.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，所述步骤2）中按各自权重叠加的公式为 

式（1）中Am为第m林分的最佳森林覆被面积，单位：hm²； 

P为历年一日出现频率较大的暴雨量，单位：mm； 

I为林冠截留率，%； 

Wm为第m林分的森林土壤饱和蓄水量，单位：mm； 

i为不同林龄森林，其中i=1幼龄林，i=2中龄林，i=3近熟林，i=4成熟林； 

Smi为第m林分在林龄为i时的面积，单位：hm²； 

Imi为第m林分在林龄为i时的截留率，%； 

Wmi为第m林分在林龄为i时的森林土壤饱和蓄水量，单位：mm。 

5.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，所述步骤2）中根据流域总面积确定该流域内各个林分用于涵养水源的覆被率所用的公式为： 

式（3）中，S_t为该流域的总面积，单位：hm²。 

6.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，所述步骤3）中拟合的公式为 

式（2）中C为用于涵养水源的流域覆被率。 

7.根据权利要求6所述的获得方法，其特征在于，所述用于涵养水源的流域覆被率每年根据参数变化获得，为一系列动态数值。 

8.根据权利要求1-7任一所述的获得方法，其特征在于，所述获得方法还包括按照获得的流域覆被率进行造林或砍伐。 

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