基于地表能量平衡与SCS模型的祁连山水源涵养能力研究

基于地表能量平衡与SCS模型的祁连山水源涵养能力研究

第17卷第3期2010年5月

地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)

EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences(Beijing);PekingUniversity)Vol.17No.3May2010

基于地表能量平衡与SCS模型的祁连山水源涵养能力研究

聂忆黄

1,2

1 东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨1500402 环境保护部卫星环境应用中心,北京100029

NieYihuang

1,2

1 SchoolofForestry,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China

2 SatelliteEnvironmentCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100029,China

NieYihuang.AstudyofthewaterconservationofQilianMountainsbasedonsurfaceenergybalanceandSCSmodel.EarthSci enceFrontiers,2010,17(3):269 275

Abstract:Inthispaper,weproposeapracticalmethodforquantitativeassessmentofregionalwaterconserva tionbasedonregionalwaterbalance,actualevapotranspirationfromlandsurfacescalculatedbyapplyingtheprinciplesofthesurfaceenergybalancesystem,andsurfacerunoffbySCS(SoilConservationService)ingthismethodandGISsoftwareplatformcombinedwithmeteorologicaldatafrom1980to2003,wecalcu latedandanalyzedthespatialdistributionanditsvariationofwaterconservationinQilianMountains.There sultshowsthat:(1)inthewaterconversationareaofQilianMountains,water holdingcapacitiesincentralandsoutheasternregionarehigherthanthatofinwesternregion;(2)water holdingcapacitiesincentralandsoutheasternregionhavebeendecreasingobviously,andthedeteriorationareawasconstantlyformedwiththeMenyuanHuiautonomouscountyasthecenter.

Keywords:waterconservation;landevapotranspiration;SCSmodel

摘!要:基于区域水量平衡,利用地表能量平衡的原理计算陆地实际蒸散发量,采用SCS模型计算地表径流量,提出了一种定量评估区域水源涵养量的实用方法。利用该方法和GIS软件平台,结合1982 2003年遥感数据和对祁连山水源涵养重要区水源涵养能力强弱的空间分布及其变化规律进行了计算和分析。结果表明:(1)祁连山山地水源涵养重要区内水源涵养能力最强的区域为中部和东南部地区,而西部地区涵养水源的能力相对较弱;(2)祁连山山地水源涵养重要区内中部和靠东南部的水源涵养能力减弱比较明显,特别是以门源回族自治县为中心,形成了水源涵养能力持续减弱带。关键词:水源涵养;陆地蒸散;SCS模型

中图分类号:P332!文献标志码:A!文章编号:1005 2321(2010)03 0269 07

收稿日期:2010 01 07;修回日期:2010 01 25

基金项目:国家环境保护部专项 青藏高原重要生态功能保护研究

作者简介:聂忆黄(1972 ),男,副研究员,主要从事区域生态保护和生态服务功能评估方面研究。E mail:neiyh@

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聂忆黄/

地学前缘(EarthScienceFrontiers)2010,17(3)

回族自治县、互助土族自治县东部,共涉及1个市和

0!引言

涵养水分是生态系统的一项重要功能。不同的

生态系统其水源涵养能力是不同的,森林、草地和湿地具有很强的水源涵养能力,而荒漠等无植被覆盖的地方水源涵养能力则很低,一般可以根据不同的

9个区县,总面积约9 32万km2,与国家发布的祁连山山地水源涵养重要区范围基本一致。

2!数据和方法

2 1!降雨数据

生态系统类型划分出不同水源涵养功能强弱单元。降雨量一般以各气象站点实测数据为基础,但是不同的森林树种、不同的草地类型水源涵养能根据各种气候条件插值而得。本研究所采用的降力也不尽相同,甚至差异很大,同时水源涵养能力还受到气候因子、土壤理化性质、地形地貌等诸多因素的影响。在较大的空间范围内,如何准确地评价水源涵养能力在空间上的分布和水源涵养的生态价值一直是研究生态系统水源涵养功能中的难点。目前关于生态系统涵养水源物质量的测算有多种方法,比如替代工程法、土壤蓄水能力法、水量平衡法、地下径流增长法、采伐损失法等[1]。不同的学者从不同的专业角度和资料的可获取性选择了不同的评估方法[2 5],其中水量平衡法是研究水源涵养机理的基础,能够比较准确地计算水源涵养量,而且容易操作,因此理论上来说是计算水源涵养量最完美的方法,也是目前使用频率最高的方法。但在实际应用中,该方法存在以下两个缺陷:(1)实际的陆地蒸散发量难以计算,经验系数法易导致显著的计算误差;(2)传统方法多利用径流系数法来估算流域径流深,径流量也并非真正的生态系统涵养水分量,的不足之处,本文选取了青藏高原东南边缘的祁连山山地水源涵养区,利用地表能量平衡原理(SEBS)来计算陆地实际蒸散发量,利用流域产流机理结合地形地貌来计算地表径流,从而比较准确地量化区域水源涵养能力。

[6]

雨数据主要来源于中国科学院地理所提供的1982 2003年全国年平均降雨数据。通过Arcgis等软件平台,采用空间插值等处理方法得到研究区内空间分辨率为1km2的降雨分布状况[7]。2 2!陆地蒸散数据(ET)

陆地蒸散(ET)一般是指水分从地表(包括土壤和植被)进入大气的过程,是一个很复杂的物理过程。理论上这一过程的问题已经基本解决,就计算方法而言,可分为统计法(经验公式)、能量平衡法和湍流扩散法。本文主要采用了SEBS方法即根据地表能量平衡系统估算地表蒸发量方法,该方法是荷兰学者苏中波先生于2000年提出的

[8 11]

,其理论主

要包括4方面:(1)通过对遥感图像的处理获得一系

列地表物理参数,如反照率、比辐射率、温度、植被覆盖度等;(2)建立热传导粗糙度模型;(3)利用总体相似理论确定摩擦速度、显热通量和奥布霍夫稳定度;(4)利用地表能量平衡指数(SEBI)(SurfaceEn 要基于1982 2003年NOAA/AVHRR卫星影像,计算过程通过ENVI和IDL编程软件实现。数据范围包括祁连山水源涵养重要区,空间分率是1km2;时间范围为1982 2003年,时间分辨率为1d,单位为mm/d。

2 3!地表径流(R)

本文主要采用了SCS(SoilConservationServ ice)模型来计算区域地表径流,该模型是美国农业部水土保持局开发研制的流域水文模型,由于其结果简单,参数需求少等特点得到了广泛的应用[13 15]。本论文选择SCS模型主要基于以下考虑:(1)利用该模型可以在水文参数和遥感信息之间建立联系,它能反映不同土壤类型及前期土壤含水量对降雨径流的影响,看出间接反映人类活动的影响。(2)该方法计算过程简单,所需的资料易于获取,对降雨等观,[12]

并非完全对人类有利[1]。针对以上2个研究方法上ergyBalanceIndex)计算蒸发比。本次计算数据主

1!研究区概况

祁连山位于我国青藏高原东南边缘青海省与甘肃省交界处,其丰沛的降水、广袤的冰川和强大的水源涵养孕育了众多的河流,是黑河、疏勒河等诸多河流的源头区。本次研究区祁连山山地范围大致位于北纬37 ~40 ,东经95 ~103 ,是甘肃和青海交界地带,具体包括了甘肃的肃北蒙古族自治县、肃南裕固族自治县、民乐县、天祝藏族自治县,青海省的德

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聂忆黄/

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区。其计算公式如下:

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