基于生态需水量模型的盐池内陆河流域合理植被面积研究

杨 志，王德全

(1.宁夏唐徕渠管理处，宁夏 银川 751100;2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021;3.宁夏瑞沃水资源工程研究院，宁夏银川 750021)

基于生态需水量模型的盐池内陆河流域合理植被面积研究

杨 志1，王德全2，3

(1.宁夏唐徕渠管理处，宁夏 银川 751100;2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021;3.宁夏瑞沃水资源工程研究院，宁夏银川 750021)

生态需水量;数学模型;植被面积;盐池内陆河流域

根据实测资料，建立了盐池内陆河流域生态需水量数学模型，计算了流域的合理植被面积，并用实测数据对简化后的模型进行了计算验证，结果表明:利用本研究所建的模型，可确定盐池内陆河流域合理的种植面积，从而为决策者提供生态建设规划依据。

盐池内陆河流域位于宁夏回族自治区东部，总面积5 032 km2，北与毛乌素沙地相连，南接黄土高原，属干旱半干旱过渡区，植被由干草原向荒漠草原过渡，土地资源利用上则是从农区向牧区过渡。由于气候干燥、降雨量少、蒸发量大，加上过度放牧，一度导致草场退化、土地沙化，因此当地采取了植树造林、退耕还林、禁牧封育等方法来恢复草场、改善生态。但近年来流域内在生态保护和建设中，未能从宏观水资源承载力角度研究植被的合理布设面积，容易导致植被面积超出水资源承载力［1］。本研究根据实际观测资料，首先建立了盐池内陆河流域生态需水量模型，然后再由模型推求合理的植被面积，从而为决策提供依据。

1 模型的建立

1.1 资料的准备

根据植被样方调查结果，将盐池内陆河流域分为A、B、C、D、E五个区域，各区域划分及植物群落构成见图1、表1［2］。

表1是对现状年(2010年)流域内植物群落和分布结构的调查统计，为方便起见，仅以各区主要植物群落作为统计类型。由表1可知，现状年植被面积约占全流域面积的65.5%。

对流域内植物的蒸腾速率、生育期生物量进行观测，结果分别列于表2、表3。

图1 盐池内陆河流域区域划分

表1 盐池内陆河流域区域划分及植物群落构成

表2 盐池内陆河流域主要植物蒸腾速率观测结果 mg/(g·h)

表3 盐池内陆河流域主要植物生育期生物量统计 kg/hm2

1.2 相关计算

1.2.1 流域生态耗水量计算

以现状年(2010年)流域植被蒸腾量作为流域生态耗水量，采用下式计算:

式中:EP为流域植被蒸腾量，万m3;Evi为第i种植物群落蒸腾速率，mg/(g·h);WPi为第i种植物群落分布面积，hm2;Mi为第i种植物的总生物量，kg/hm2;t为时间，h。

经计算，流域内植被蒸腾总量为53 136.13万m3。

1.2.2 入渗量计算

流域入渗量包括降雨入渗量和地表径流入渗量，经计算，盐池内陆河流域2010年总降雨入渗量为17 191.60万m3，地表径流入渗量为1 382.76万m3，总入渗量为18 574.36万m3。

1.3 建立数学模型

根据实测资料可建立生态需水量模型如下:

式中:Y为生态需水量，万m3;δi为第i种植物的蒸腾速率，mg/(g·h);t为时间，h;ρi为第i种植物生育期生物量，kg/hm2;Si为第i种植物的分布面积，hm2。

定义:以ai，J表示J区域上的水资源对第i种植物群落的承载系数，指在一定降水量条件下，可供生态需水量能够承载的植物面积权重值，其影响因素为植物类型、土壤类型及地形。根据实测资料，在流域范围内，各区域的降水量不同，水资源所能承载的植物总量亦不相同。i=1，2，…，9，分别代表柠条、甘草、沙蒿、花棒、杨柴、赖草、苦豆子、沙柳、农作物等9种植物群落，J分别代表 A、B、C、D、E 区域，例如a1，A表示 A 区域上的水资源对柠条的承载系数，SA表示A区域面积。于是，Si可表示如下:

由实测资料，以降水量(流域2010年的降水量为295.21 mm)减去入渗量和蒸发量(表4)的结果作为当年可供生态需水量。由表4的结果可知，流域现状年可供生态需水量为5 032×100 ×0.295 21 －18 574.36 －59 151.39=70 823.92(万 m3)。

表4 盐池内陆河流域多年平均蒸发量计算汇总

代入公式(2)可以得出关于ai，J的方程。其中有14个未知数，因此不能直接求出这些未知数。本研究通过建立约束条件，求出ai，J的取值范围，从而找到ai，J的一些组合，进而得到合理植被面积的组合。

由于未知数过多，求解过程比较繁琐，因此将上述模型进行简化，即在盐池内陆河流域只选择两种植物群落进行概化计算，其中一种植物选择农作物，另外一种为概化植物。于是(2)式可简化为

式中:Y为生态需水量，万m3;S为盐池内陆河流域总面积，hm2;δ农为农作物蒸腾速率，mg/(g·h);ρ农为农作物生育期生物量，kg/hm2;a农为作物承载系数;δ概为概化植物蒸腾速率，mg/(g·h);ρ概为概化植物生育期生物量，kg/hm2;a概为概化植物承载系数;t为时间，h。

根据实测资料可得到可供生态用水量，记为Y，代入(3)式，再由0＜a农＜1，0＜a概＜1等约束条件，可求出a农、a概的取值范围。于是可求出植被合理分布总面积:

2 模型验证及分析

2.1 模型验证

根据1.1中的实测资料，以简化模型为例进行计算验证、分析，其中概化植物的相关参数取除农作物外的其他8种植物的平均值。由实测数据和数学模型，可求现状降水量条件下，充分利用降水且不超出其实际承载力的组合，通过试算得出最优系数值a农=0.026 2，a概=0.715。

对上面的组合进行验证(以2010年观测数据为例):由前述计算可知，可供生态用水量为Y=70 823.92万m3。将承载系数代入式(3)，可求出相应的种植面积为:S农=S·a农=5 032 ×100 ×0.026 2=13 183.84(hm2)，S概=S·a概=5 032 ×100 ×0.715=359 788(hm2)，S总=372 971.84(hm2)。

2.2 分析与讨论

现状农田分布于流域中北部地势平坦区域，虽然适宜耕作的种植面积受地形、土壤、灌溉等条件限制，但其耗水量较大，面积变化对水资源承载能力敏感，因此与其他植被相比，应单独作为生态需水量影响因子进行分析;计算流域蒸腾量时，结合土地利用现状，将植被蒸腾、湖泊水体的水面蒸发、非生育期的冰雪蒸发、潜水蒸发以及无植被覆盖的裸地蒸发分别进行计算，并以植被蒸腾量作为生态需水量;因盐池内陆河流域的地表径流以壤中流溢出形式形成的湖泊水面为主，流域内无长流水径流，因此在入渗量计算时按照现状湖泊水面的入渗量进行计算，同时计入可产生入渗的降水入渗量;根据计算结果，相比现状年流域植被面积分布，在现状降水量条件下，流域可承载的植被面积尚有较大空间，即合理的植被面积应在现状基础上增加约8%。

［1］李瑞，张克斌，杨俊杰，等.宁夏盐池荒漠化草原人工封育区生态位研究［J］.干旱区资源与环境，2006(4):171－175.

［2］王德全.盐池内陆河流域水循环研究［D］.银川:宁夏大学，2011.

［3］张蔚榛.地下水与土壤水动力学［M］.北京:中国水利水电出版社，1996:240 －242.

［4］温存.宁夏盐池沙地主要植物群落土壤水分动态研究［D］.北京:北京林业大学，2007.

X171.4

A

1000－0941(2011)12－0046－03

杨志(1967—)，男，宁夏中卫市人，高级工程师，硕士，长期从事水利管理工作;通信作者王德全(1968—)，男，宁夏平罗县人，副教授，博士，主要从事水文与水资源方面的教学与研究工作。

2011－09－15

(责任编辑 徐素霞)