基于GIS的水源涵养功能研究

由表 3 可知，森林生态系统水源涵养的综合能力主要由土壤层贡献，三个层的贡献率分 别为林冠层 0.39%，地被层 1.3%，土壤层 98.26%。因此，虽说在实际的降雨截留中，林冠 层和枯枝落叶层的截留量相当大，但是森林土壤仍然是水源涵养的潜力最大区；不同植被类 型的水源涵养能力差异性很大，其中亚热带山地冷杉林的水源涵养能力最大 4506.9t/ hm2， 亚热带山地云杉林次之 4469.26 t/ hm2，温带和亚热带柏林最小 2779.25 t/ hm2；因不同植被单 元的分布面积不同，它们的综合水源涵养量相差也很大，其中长绿阔叶灌丛最大 （885.12*108t），占整个长江上游森林生态系统综合水源涵养量（2032.39*108t）的 43.6%。
4）综合水源涵养能力的计算 公式：①Vi=VC+VL+VS ②V=∑ViSi
式中：Vi——第i种评估单元水源涵养能力 VC——植被林冠层饱和降雨截留量 VFra Baidu bibliotek——地被层最大持水量 VS——土壤最大蓄水容量 V——森林生态系统水源涵养总量[7]
通过以上计算，得出长江上游森林生态系统不同评估单元综合水源涵养能力表。（表2）
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参考文献
[1]刘家岗．林冠对降雨的截留过程 [J]. 北京林业大学学报，1987,(2) [2]朱金兆.森林凋落物层水文生态功能研究[].北京林业大学学报，2002. 24：5-6 [3]陈卓梅，秃杉混交林水源涵养功能的研究[J].福建林学院学报，2002 ，22（3） :266 – 269 [4]朱金兆，森林凋落物层水文生态功能研究[J].北京林业大学学报，2002.9，24（5）：31-33 [5]李岚岚，李鸿宇.森林枯枝落叶层的生态效能[J].林业勘察设计，2006（1）：63-65 [6]包维揩，岷江上游典型油松人工幼林的土壤保持与水源涵养功能[J].山地学报，2003，21（6）：662－668 [7]石培礼,吴 波,程根伟,等.长江上游地区主要森林植被类型的蓄水能力的初步研究[J].自然资源学 报,2004,19(3):352-354 [8]王玉宽，邓玉林，彭培好等.长江上游生态屏障建设的理论与技术研究[M].四川科学技术出版社，2005： 95-96
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基于 GIS 的水源涵养功能研究
——以长江上游森林生态系统为例1
胡国红 1，彭培好 1,2，王玉宽 2，廖清泉 3
1.成都理工大学，四川成都（610059） 2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都（610041）
3.四川电力建设三公司，四川内江（641005) 摘 要：长江上游地区是我国关键的生态区域和安全屏障。它面积广大，地形复杂，生态环 境功能特殊，是我国水资源的富集区和供给区，是水力资源的重点开发区，更是全球气候变 化的敏感区。为了加强长江上游地区的生态环境保护工作，为长江上游地区洪水监控和功能 区划提供基础数据和决策依据，本文以 GIS 为手段，对该区森林生态系统的水源涵养功能 进行统计、分析和研究，得出长绿阔叶灌丛综合水源涵养量最大（8.85*1010t），占整个森林 生态系统水源涵养总量（2.03*1011t）的 43.6%，亚热带山地落叶松林的最小(1.72*1010)，占 总量的 0.08%。 关键词：生态系统；水源涵养；评价单元；长江上游
3. 基于 GIS 的长江上游森林生态系统水源涵养能力分级图的生成 及动态数据库的建立
将表 2 的数据经过标准化处理，消除量纲[8]，得出水源涵养能力的分级图（图 2）。从图可以 看出盆东南大部、盆东北小部，宜昌地区是水源涵养能力的良好区域，这些地区必须加强生 态环境保护；盆地北部和盆地内大部分地区是水源涵养能力的薄弱环节，这些地区必须加强 生态环境建设。
地被层最大 土 壤 层 最 单位面积水源 评估单元面
持 水 量 (t/ hm2)
大蓄水容 量 (t/
hm2)
涵 养 总 量 (t/ hm2)
积（1*105hm2）
124.9
3738
3893.5
1.64
11.16
3132
3152.36
36.24
17.75
2746.2
2779.25
4.86
31.73
3757.8
因森林在调节径流和净化水方面还存在很多不定性因素 ，加上篇幅有限，本文仅以森 林拦蓄水的总量代替森林综合水源涵养量。
2. 水源涵养量的计算
1）林冠截留能力及水源涵养量的计算 ①Vi=Pi*Si ②V=∑Pi*Si 式中：
Vi——为第i种评估单元林冠水源涵养截留量（t） Pi——为第i种评估单元林冠单位面积截留能力（t/ha） Si——为第i种评估单元面积（t）
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V——为长江上游森林林冠截留水源涵养能力（t）[1] 2）地被层截留能力及水源涵养量的计算
地被层截留能力及水源涵养量的计算同上，地被层（这里用凋落物层代替）作为森林生 态系统中独特的结构层次，不仅对森林土壤的发育和改良有重要意义，而且它的结构疏松、 具有良好的透水性和持水能力，因此地被层在对降水的截留能力方面实际的贡献率都要高于 土壤和林冠部分。据研究，林地枯枝落叶层对一次性降水的有效持水量约为其最大持水量的 60%-75%[2-5]。 3）土壤蓄水能力及水源涵养量的计算
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图 1 长江上游森林植被类型图 Fig.1 Forest vegetation map in The Upper Reaches of the Yangtze River
1.2 建立评价指标体系
由于森林涵养水源的功能表现在多方面，但主要表现在以下几个方面：拦截蓄水、调节 径流、净化水质等方面，所以长江上游森林生态系统水源涵养功能评估的指标体系的建立主 要以这几个方面为依据（表1）
3805.73
5.35
32.63
3148.2
3186.63
0.54
19.67
3170.4
3197.57
64.24
115.66
4323
4469.26
28.46
水源涵养总 量(1*108t)
6.38 114.24 13.52 20.25 1.72 205.42 127.19
1.8 1.9 1.10 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 平均值 总量
1. 基础数据
1.1 森林生态系统水源涵养功能评价单元的确立和图件的生成
按照中国植被分类原则（即生态外貌原则）将长江上游森林生态系统评价单元合并为 35 个评价单元，其中森林类型占 21 个（图 1）。
1本课题得到中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所子项目（GFL-2328-2740-4882）：国家环保总局“长 江上游关键生态功能评估与生态功能保护区规划”项目的资助。
5.4 16.9 20.6 8.3 19.3 13.6 10.6 10.6 8.6 35.2 5.1 6.5 6.5 6.5 13.76
59.70 16.80 45.23 18.23 25.28 3.59 6.29 20.50 106.85 58.92 95.20 4.90 90.16 84.55 47.13
森林水源涵养功能 拦截蓄水
调节径流 净化水质
表 1 评估指标 Tab.1 evaluation units
一级指标 地被层截留量
土壤蓄水量
林冠截留量 防洪能力 增加水资源能力
不同元素的百分比
二级指标
枯枝落叶层最大持水量 毛管孔隙度 非毛管孔隙度 土层厚度 林冠截留率
减小洪水的立方数 提高农田灌溉能力 增加城市供水能力 有害元素的百分比 有益元素的百分比
4. 结论与讨论
4.1 结论
将 GIS 用于长江上游森林生态系统的研究，是生态环境保护与建设步入现代化、信息 化的重要步伐，GIS 将地理信息、实时信息、工程图纸信息等集于一身，在理论和实践上都 实现了真正意义上的数据信息的唯一性，为环保部门、水利部门、林业部门等职能部门提供 了适时的、动态的一手资料，推进了各职能机构的现代化管理。但森林的价值不仅在于涵养 水源，因此以 GIS 为平台，建立整个长江上游地区的适时动态平衡体系才能真正有效地促 进长江上游地区的生态环境保护与建设。
评估单 元
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
林冠层饱 和截留量 (t/ hm2)
30.6 9.2 15.3 16.2 5.8 7.5 30.6
表 2 森林生态系统水源涵养能力
Tab.2 The forest ecological system water conservation
Water Conservation Study Based on GIS Technology ——on the forest ecological system in the Upper Reaches of
the Yangze River
图 2 长江上游森林生态系统水源涵养能力分级图 Fig.2 classified map of the forest ecological system water conservation in The Upper Reaches of the Yangtze River
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森林是多效益的生态系统，人们往往只是把森林生产木材的多少当作森林的主要效益和 价值，而轻视了它在其它方面的效益。近年来随着环境问题的日益突出和人们生态意识的逐 步提高，森林在水源涵养方面的能力引起了高度关注。长江作为我国的第一大河，流域总面 积 180.85 万 km2，占国土总面积的 18.8％，养育着全国三分之一的人口；长江产业带作为 世界最大的内河产业带和制造业基地,2000 年出口商品总值达 799.09 亿美元,占中国出口总 值的 32.06%。这就意味着保护好长江流域的生态环境,不仅与我国生态环境直接相关,与我国 经济发展和提高市场竞争力,也息息相关。为了加强长江上游地区的生态环境保护工作，本 文以 GIS 为手段，旨在对长江上游地区森林生态系统的水源涵养功能进行统计分析和研究， 并建立地理分析模型和数据库。
4.2 讨论
长江上游从江源至湖北省宜昌市，长约 4500 公里，流域面积 100 多万平方公里，在数 据的采集、收集和处理过程中出现某些以点代面、以偏代全的现象；在植被类型的合并和水 源涵养能力的计算过程中存在一定的不合理性；在进行分级处理的过程中没有统一的标准； 加之长江上游地区森林生态系统自身的不确定性和复杂多样性，计算出的水源涵养能力与实 际值存在一定差异，因此在研究方法和数据处理上还有待改进。
一般来说，木本植被的主要根系分布于 60cm 土层以内，所以在计算土壤蓄水能力时森 林土壤层厚度用 60cm 计算。
相关数据处理公式如下[6]： ① V=10000×P×D ② P=Pn+Pe ③ Vn=10000×Pn×D 式中：V——为单位面积土壤最大蓄水量( t/ ha) D——为土壤根系层深度(m) P——为土壤总孔隙度（%） Pn——为土壤非毛管孔隙度（%） Pe——为土壤毛管孔隙度（%） Vn——为单位面积土壤有效贮水量( t/ ha)
4441.8 3201.6 3512.4 3426 3166.68 3529.8 2544 3734.7 3541.2 3954.6 3331.5 4380 2731.8 2851.2 3445.85
4506.9 3235.3 3578.23 3452.53 3211.26 3546.99 2560.89 3765.8 3656.65 4048.72 3431.8 4391.4 2828.46 2942.25 3506.74
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32.48 1.42 1.61 11.60 10.03 5.97 4.51 8.75 15.01 7.58 8.68 201.56 85.98 1.81
538.29
146.37 4.61 5.75 40.05 32.22 21.16 11.55 32.96 54.90 30.68 29.79 885.12 243.18 5.33 96.78 2031.39