CN114651652B - 一种流域水源涵养林补植空间配置方法 - Google Patents

一种流域水源涵养林补植空间配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流域水源涵养林补植空间配置方法，包括获取流域内地形、土壤、气象和土地利用等基础数据，并对其进行预处理；对流域水源涵养功能和造林立地适宜性进行评估和分级；将水源涵养功能等级与造林立地适宜性等级进行空间叠加，得到水源涵养弱功能区且立地适宜性等级为适宜的区域，作为补植潜在区域；计算得出流域适宜水源涵养林覆盖面积，同时与现有水源涵养林覆盖面积相减得出需要补植的森林面积；在流域水源涵养林补植潜在区域按水源涵养能力由大到小逐步筛选，直至使得选中区域面积等于需要补植的面积大小，最终确定需要补植区域并根据适地适树原则选择合适林分在补植区域实施建植。本发明可以高效地对流域水源涵养林的补植区域和种植面积进行精确确定。

Description

一种流域水源涵养林补植空间配置方法
技术领域
本发明涉及水土保持技术领域，具体涉及一种流域水源涵养林补植空间配置方法。
背景技术
在当前大力推进新时代生态文明建设的背景下，改造森林植被提高现有森林植被结构与功能是当今林业提质增效的一个重要内容。水源涵养林是区域经济发展的生态屏障，在保护水源、调节径流和保持土壤等方面具有重要功能。在一定的流域范围中，如何进行水源涵养林的用地规划和高效空间配置，使其既达到强大的水源涵养功能，又节约流域森林覆盖面积以缓解林业和农业用地矛盾，成了水源涵养林建造的关键技术之一。以往水源涵养林配置只是从小区尺度单纯考虑林地密度和树种结构配置，而对区域或流域尺度森林覆盖面积和空间配置研究考虑不足，这使得有些地方的森林水源涵养功能较为低下。明确水源涵养林补植面积及空间范围，并以此为基础选择合理的森林类型进行林分建造实践，有利于快速有效地实现森林结构改善，使得防护林植被体系发挥最大的水源涵养功能。通过在区域或流域尺度上确定林木的补植的数量、位置，能够科学地指导水源涵养林建设和经营。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种流域水源涵养林补植空间配置方法，从提升水源涵养角度，计算出流域内适宜森林覆盖面积和种植区域，精确地为林地营造提供方案。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种流域水源涵养林补植空间配置方法，所述方法包括以下步骤
步骤S1：获取流域数字高程、气象数据、土地利用数据、土壤数据，并进行数据预处理；
步骤S2：基于预处理后得到的多年平均降雨量、潜在蒸散发量和土壤最大根系埋藏深度、土壤饱和导水率、地形指数等栅格数据，采用InVEST模型估算流域水源涵养量分布，并在ArcGIS软件上依据水源涵养量大小对流域进行功能分级；
步骤S3：基于预处理后的基础栅格数据，采用加权求和方法对流域造林立地适宜性进行评分并由此进行适宜性等级划分；
步骤S4：将水源涵养功能区域与造林立地条件等级划分进行空间叠加，得到水源涵养林补植潜在区域；
步骤S5：根据土壤水量平衡方程，计算流域内适宜水源涵养林覆盖面积；
步骤S6：对比步骤S5计算的适宜水源涵养林覆盖面积与现有水源涵养林覆盖面积大小，确定需要补植的面积；
步骤S7：依据需要补植的面积大小，在水源涵养林补植潜在区域按水源涵养能力由大到小逐步筛选，确定水源涵养林最终补植区域；
步骤S8：根据适地适树原则，在最终确定水源涵养林改造区域进行林分营造。
优选的，所述步骤S1中气象数据包括平均气温、降水、平均风速、相对湿度、日照时数；所述土壤数据包括土层深度、土壤质地、土壤饱和含水量、土壤饱和导水率。
优选的，所述步骤S1中数据预处理包括依据数字高程数据划分流域边界、得到流域坡度和坡向；根据气象站点的经纬度信息对降雨数据进行空间插值栅格化处理；根据各气象站点平均气温、风速、相对湿度和太阳辐射数据按FAO56 Penman-Monteith公式分别计算参考作物蒸散发量，并进行空间插值栅格化处理。
优选的，所述步骤S2中对水源涵养量进行分级采用自然分界法，将水源涵养量进行分级。
进一步的，所述步骤S3中造林立地条件适宜性评分加权求和计算公式为：
Figure BDA0003505265120000021
其中，Hi是第i项评价因子的等级赋值，wi是评价因子i相应的权重。
优选的，所述步骤S4中水源涵养林补植潜在区域为水源涵养弱功能区且造林立地适宜性评价等级为适宜以上区域。
进一步的，所述步骤S5中采用土壤水量平衡法估算适宜水源涵养林覆盖面积的公式为：
Figure BDA0003505265120000022
式中，Af为流域内水源涵养林面积(hm2)；P为历年一日最大降雨量(mm)；W为森林平均土壤饱和蓄水能力(mm)；Sf为研究流域内现有林地面积(hm2)。
进一步的，在水源涵养林改造潜在区域根据水源涵养量从小到大逐步筛选，直至使得选中区域面积等于需要改造的面积大小。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明从提升水源涵养量角度，计算出流域内适宜森林覆盖面积和种植区域，精确地为水源涵养林补植提供了方案。本发明解决了现有技术中水源涵养林补植空间配置针对性难的难题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是流域水源涵养功能强弱空间分级示意图；
图2是流域造林立地适宜性等级划分示意图；
图3是流域水源涵养林改造潜在区域示意图；
图4是流域水源涵养林改造确定区域示意图；
图5是本发明的方法流程图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
一种流域水源涵养林补植空间配置方法，包括步骤：
步骤S1：获取流域内数字高程数据(DEM)、气象数据、土地利用数据、土壤数据，并对数据进行预处理；所述气象数据包括：年降雨量、次降雨量、风速、平均气温、相对湿度和日照时数；所述土壤数据包括：土壤质地、土壤厚度、土壤饱和含水量、土壤饱和导水率；
所述预处理包括：对年降雨量进行插值栅格化处理；根据各气象站点平均气温、风速、相对湿度和日照时数数据按FAO56 Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散发量，并进行插值栅格化处理。
其中，数据预处理包括利用DEM数据划分流域得到流域范围、坡度和坡向；根据流域内及周边气象站点的经纬度信息，采用Kriging空间插值法，将气象站点的统计气象数据在空间上插值，得到整个流域各气象因子多年平均数值栅格图。该部分插值栅格处理在地理信息系统平台ArcGIS软件上实现。
步骤S2：根据预处理得到的多年平均降雨、潜在蒸散发量、土壤最大根系埋藏深度、土壤饱和导水率、地形指数等栅格数据，构建InVEST模型估算流域多年平均水源涵养量及其空间分布，并根据计算出的多年平均水源涵养量大小依据临界点的分值将流域划分为强功能区、中功能区和弱功能区。
其中，所述流域水源涵养功能等级划分是基于ArcGIS平台空间分析模块中的重分类工具，采用自然分界法，按水源涵养量由大到小分为强功能区、中功能区和弱功能区(如图1所示)。
步骤S3：将流域土壤厚度、土壤质地、土壤有机质、海拔高程、坡度、坡向、年平均降雨量等立地条件数据分别按表1进行等级划分和打分，之后采用加权求和方法得出各评价单元造林立地适宜性综合评分，并根据计算出的综合评分大小依据临界点的分值将流域划分为不适宜区、勉强适宜区、适宜区、最适宜区(如图2所示)。
Figure BDA0003505265120000041
S为评价单元造林立地条件适宜性综合评分；Hi是第i项评价因子的等级赋值，wi是评价因子i相应的权重。
进一步地，所述立地适宜性等级临界点分值在ArcGIS软件上利用nature break工具确定。
表1林地适宜性评价因子及量化分级表
Figure BDA0003505265120000042
步骤S4：根据流域水源涵养量等级划分结果和林地适宜性等级划分结果，利用ArcGIS软件进行空间叠加分析确定流域水源涵养弱功能区且适宜造林区域，该区域为水源涵养林补植潜在区域。
步骤S5：根据预处理后的土壤饱和含水量和历年最大日降雨数据，利用公式计算流域适宜水源涵养林覆盖面积。
所述计算适宜水源涵养林覆盖面积公式为:
Figure BDA0003505265120000051
式中，Sa为流域内适宜水源涵养林面积(hm2)；P为历年一日最大降雨量(mm)；W为森林平均土壤饱和蓄水能力(mm)；Sf为研究流域内现有水源涵养林地面积(hm2)。
表2流域适宜水源涵养林覆盖面积
Figure BDA0003505265120000052
进一步地，所述历年年限为10-30年。
步骤S6：根据计算出的适宜水源涵养林覆盖面积，与现有林地覆盖面积比较确定需要补植的水源涵养林面积。
所述需要补植的水源涵养林覆盖面积计算公式为:S＝Sa-S0
式中，S为流域需要补植的水源涵养林覆盖面积(hm2)；Sa为流域计算适宜水源涵养林覆盖面积(hm2)；S0为流域现有水源涵养林覆盖面积(hm2)。
步骤S7：在流域水源涵养林补植潜在区域根据水源涵养量从大到小逐步筛选，直至使得选中区域面积等于需要补植的面积大小，选择区域为流域水源涵养林最终补植区域(如图4所示)。根据适地适树原则，在确定水源涵养林最终补植区域进行林分营造。
进一步，如果现有水源涵养林覆盖面积小于适宜水源涵养林覆盖面积，则按步骤S7确定的区域进行补植；如果现有水源涵养林覆盖面积大于适宜水源涵养林覆盖面积，则可根据需要在步骤S4确定的潜在补植区域采用水源涵养能力高的森林类型置换水源涵养能力低下的森林类型，或者对水源涵养功能低下林分进行适当砍伐换作他用。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种流域水源涵养林补植空间配置方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤
步骤S1：获取流域数字高程、气象数据、土地利用数据、土壤数据，并进行数据预处理；
数据预处理包括依据数字高程数据划分流域边界、得到流域坡度和坡向；根据气象站点的经纬度信息对降雨数据进行空间插值栅格化处理；根据各气象站点平均气温、风速、相对湿度和太阳辐射数据按FAO56 Penman-Monteith公式分别计算参考作物蒸散发量，并进行空间插值栅格化处理；
步骤S2：基于预处理后得到的多年平均降雨量、潜在蒸散发量和土壤最大根系埋藏深度、土壤饱和导水率、地形指数等栅格数据，采用InVEST模型估算流域水源涵养量分布，并在ArcGIS软件上依据水源涵养量大小对流域进行功能分级；
步骤S3：基于预处理后的基础栅格数据，采用加权求和方法对流域造林立地适宜性进行评分并由此进行适宜性等级划分；
其中，造林立地条件适宜性评分加权求和计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，H i 是第i项评价因子的等级赋值，w i 是评价因子i相应的权重；
步骤S4：将水源涵养功能区域与造林立地条件等级划分进行空间叠加，得到水源涵养林补植潜在区域；
步骤S5：根据土壤水量平衡方程，计算流域适宜水源涵养林覆盖面积；
其中，采用土壤水量平衡法估算适宜水源涵养林覆盖面积的公式为：
Figure 205959DEST_PATH_IMAGE002
式中，S a 为流域内适宜水源涵养林面积（hm2）；P为历年一日最大降雨量（mm）；W为森林平均土壤饱和蓄水能力（mm）；S f 为研究流域内现有林地面积（hm2）；
步骤S6：对比步骤S5计算的适宜森林覆盖面积与现有森林覆盖面积大小，确定需要补植的面积；
步骤S7：依据需要改造的面积大小，在水源涵养林改造潜在区域根据水源涵养能力由大到小逐步筛选，确定水源涵养林最终补植区域；
步骤S8：根据适地适树原则，在最终确定水源涵养林补植区域进行林分建造。
2.根据权利要求1所述的一种流域水源涵养林补植空间配置方法，其特征在于：所述步骤S1中气象数据包括平均气温、降水、平均风速、相对湿度、日照时数；所述土壤数据包括土层深度、土壤质地、土壤饱和含水量、土壤饱和导水率。
3.根据权利要求1所述的一种流域水源涵养林补植空间配置方法，其特征在于：所述步骤S2中对水源涵养量进行分级采用自然分界法，将水源涵养量进行分级。
4.根据权利要求1所述的一种流域水源涵养林补植空间配置方法，其特征在于：所述步骤S4中水源涵养林改造潜在区域为水源涵养弱功能区且造林立地适宜性评价等级为适宜以上区域。
5.根据权利要求1所述的一种流域水源涵养林补植空间配置方法，其特征在于：在水源涵养林补植潜在区域根据水源涵养量从小到大逐步筛选，直至使得选中区域面积等于需要补植的面积大小。
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