鄂尔多斯遗鸥保护区植被_水资源模拟及其

ActaEcologicaSinica

鄂尔多斯遗鸥保护区植被󰀁水资源模拟及其

梁犁丽,王!芳

(中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京!100044)

*

摘要:鄂尔多斯遗鸥保护区是典型的半干旱区内陆湖泊湿地,2002年被列为国际重要湿地,但是近年来湖泊面积急剧萎缩,一级保护动物遗鸥在此基本消失。为了查清湿地缺水的原因,并寻找解决的途径,基于SWAT模型,模拟了集水区的生态水文过程,结合气候演变规律,分析出该湿地缺水1004.3万m3。其中气候因素综合影响的水量为593.4万m3,饲草料基地建设共增加用水377.7万m3,植被封育减少径流24万m3,大口井和截伏流工程耗水9.2万m3。同时,计算了尾闾湿地的生态需水,从资源利用的角度集水区的生态水文过程,提出饲料地发展规模以不超过692hm2为宜、适当放牧以减少封育影响并节省饲料地用水、合理布设水利工程等措施,从而实现集水区坡面生态、尾闾湿地以及经济的协调发展。关键词:鄂尔多斯;生态水文模拟;SWAT模型;生态水文过程

Simulationofwaterresourcesevolutiondrivenbyvegetationconstructionandcontrolofeco󰀁hydrologicalprocessesinErdosLarusRelictusNatureReserve

LIANGLili,WANGFang

DepartmentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044,China

*

Abstract:ErdosLarusRelictusNatureReserveisatypicalinlandwetlandformedbyalakeofsemi󰀁aridarea,whichwaslistedinthewetlandsofinternationalmiportancein2002.ItsrapidshrinkinginrecentyearsmakesLarusrelictus,theFirst󰀁classNationalprotectedanmia,lalmostdisappearinthisregion.Toexplorethereasonsforthelackofwaterinthiswetlandandmoremiportantlytofindthesolutionstoit,thispaperperformsasmiulationoftheeco󰀁hydrologicalprocessesinthecatchmentbasedontheSWATmode.lThesmiulationcombinedwithananalysisofclmiateevolutionindicatesthatasmuchas10.043millionmislackedinthiswetland.Amongthefactorswhichcausethelackedwater,clmiatefactorresultedin5.944millionm,forageconsumed3777thousandm,vegetationconstructionreducedarunoffof240thousandm,andsquare󰀁builtwellsandJieFuliuprojectsconsumedasmuchas92thousandm.Meanwhile,theecologicalwaterdemandofthewetlandiscalculated.Tobetterutilizeresourcesintheregion,theauthorputsforwardsomemeasuresofcontrollingeco󰀁hydrologicalprocessestoachievethecoordinateddevelopmentofslopeecology,wetlandandeconomyinthecatchmen,t.ie.,controllingthesuitablescaleofforagetobenomorethan692hm,grazingappropriatelytoreducetheipactofvegetationconstruction,savingwaterm,andlayingoutwaterconservancyprojectsreasonably.KeyWords:Erdos;eco󰀁hydrologicalmodeling;SWATmode;leco󰀁hydrologicalprocesses

2

3

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鄂尔多斯遗鸥保护区是以保护国家一级保护动物遗鸥(Larusrelictus)及其栖息繁殖地为目标的半干旱区内陆湖泊湿地,2002年被列入󰀂世界湿地名录 。近年来,核心区内的湖泊󰀁󰀁󰀁泊江海子(桃力庙󰀁阿拉善湾海子)面积不断缩小,湿地生境破坏,遗鸥迁徙他处。为了找出湿地缺水的原因,并给出集水区内沙地植被建设、湿地保护与国民经济发展的合理规模,本文从半干旱区的产水和耗水机理出发,基于集水区直接和间接的

基金项目:国家󰀂十五 科技攻关资助项目(2001BA610A󰀁01;2004BA610A󰀁01)收稿日期:2008󰀁09󰀁10;!!修订日期:2009󰀁01󰀁07

*通讯作者Correspondingauthor.E󰀁mai:lliangli0921@163.com

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坡面生态建设过程,利用SWAT模型定量分析了引起湖泊水位下降的各种因素的影响程度,计算了生态需水,并根据生态水文过程,从资源利用的角度,提出改善集水区综合目标的措施。1!研究区概况

鄂尔多斯遗鸥保护区位于毛乌素沙地西部边缘,多年平均降水360.1mm,地势相对平缓且地表为砂质组成,地表径流缺乏,年径流深不足10mm,无常年性河流。本文基于保护区的核心区泊江海子所在的集水区进行研究,集水区面积650.96km,外围为丘陵所环绕,形成西、北、东三面较高,南部略高的盆地。1∀5万集水区范围见图1。

2

图1!集水区范围及河流水系

Fig.1!CatchmentandriversystemofErdosLarusRelictusNatureReserve

研究区潜水含水层薄,2006年调查的潜水水位埋深1󰀁5m,局部地区5󰀁10m,含水层厚度为3󰀁6m。地下水水质较好,矿化度多小于1g/L。主要的水资源开发利用形式是截伏流工程和大口井,自2003年以来水利部门结合饲草料基地建设和人畜饮水工程,兴建了6处截伏流工程,基本在沟道的中下游。本区还有近3󰀁5a内开挖的7眼大口井,一般就地挖5󰀁6m深,依靠周围的潜水渗入。

集水区2005年常住人口1.3万,耕地44hm,与2000年相比近一半耕地被退耕还林(草),其中水浇地主要是自2003年实施饲草料基地建设项目以后发展的,以灌溉玉米为主。另外,研究区有一个以沙柳为原材料的刨花板厂,年产8万,t需要沙柳12万t。畜牧业为当地的主要产业,2005年总牲畜11.67万头。2!研究方法与数据源2.1!模型和总体研究思路

利用SWAT(soilandwaterassessmenttool)模型对集水区进行模拟,SWAT模型的优势是地面植被以群落表达,以不同植物群落的生理参数分析水量消耗,可以模拟区域植被的变化对水资源的影响程度;而且研究区面积小,区内没有地下水开采漏斗,可以避免模型对地下水集总式处理的不足。

总体的研究思路是模拟近10a来在集水区综合因素影响下湖泊水量的变化,模拟时段为1996󰀁2005年。根据模拟结果,分析坡面植被恢复的各种措施对尾闾湿地水量的影响,包括直接种草种树以及建设饲草料基地间接置换;结合气候因素的总体变化趋势和近10a的影响,对比不同年代的水量消耗,分析气候变化、植被

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2

!1期!!!梁犁丽!等:鄂尔多斯遗鸥保护区植被󰀁水资源模拟及其!111

建设、饲草料基地建设等不同因素的影响程度;根据湿地保护的临界水位计算生态需水,结合模拟的生态水文过程,从资源利用角度,提出改善集水区综合生态目标的措施(图2)。

图2!研究思路

Fig.2!Mainideasoftheresearch

2.2!数据源及制备方法

研究不考虑点源和非点源污染模拟,模型输入数据有:数字高程模型(DEM)、土地利用图、土壤分布图和气象资料。

(1)数字地形资料及子流域的划分

DEM数据是模型进行流域划分、水系生成和水文过程模拟的基础。本文采用的DEM数据来源于国家基础地理信息中心1980年版1∀5万地形图,生成精度为100m#100m网格。同时输入1∀25万的水系矢量图引导模型划分水系,提高河网的模拟精度,生成子流域,见图3。

(2)土地利用图

土地利用图是分布式水文模型划分水文响应单元的主要条件之一,结合研究需求,本文将坡植被类型细化。以1996年TM影像、2000年中国科学院地理科学资源研究所完成的1∀10万土地利用图、2002年ETM影像和2005年的ETM影像为数据源,结合实地调查,对2005年的遥感影像进行解译,总体解译精度为86%。另据调查,当地20世纪60年代开始植被建设,80年代为主要建设时期,近10a植被基本没有变化,只在退耕地上栽植柠条,由此对其它几期遥感影像和土地利用进行解译和修正。模拟期土地利用情况见表1。

(3)植被生理生态参数

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112!生!态!学!报!!!30卷!

图3!子流域划分结果

Fig.3!Resultofsub󰀁basinspartitionaccordingtothemodel

表1!近10a不同时期土地利用

Table1!Landusesofdifferentperiodsinthepast10years

年份Year1996󰀁1998

土地利用类型Landuse

面积Area/hm21359.32531.918.50800.471303.542038.913290.4369.952732.352312.951623.873310.985037.682192.596335.5510077.56154.4565096

比率

Percent/%2.090.820.011.232.003.135.0510.214.203.552.495.097.743.3.7315.4823.79100

1999󰀁2001面积

Area/hm21212.10795.74127.777.811303.552038.273308.176685.622730.722312.1623.383272.755037.122105.226306.079993.5615453.3065096

比率

Percent/%1.861.220.201.212.003.135.0810.274.193.552.495.037.743.239.6915.3523.74100

2002󰀁2003面积Area/hm2698.961009.780.847.771283.802038.273271.016574.172730.722312.1623.383246.665036.652201.596329.5598.9115443.0565096

比率

Percent/%1.071.550.981.211.973.135.0210.104.193.552.494.997.743.3.7215.1523.72100

2004󰀁2005面积

Area/hm2443.711083.446.167.501283.802037.3265.576596.972729.092312.821622.3251.445036.062209.596329.549772.8215434.9365096

比率

Percent/%0.681.661.381.211.973.135.0210.144.193.552.495.007.743.3.7215.0123.71100

水域Water水浇地Cornland干涸湖面Drylake盐碱地Salineland草甸Meadow

柽柳Tamariskchinensis沼泽Marsh

柠条Caraganakorshinsk河道Riverway

柠条、油蒿混交CaraganakorshinskiiandArtemisiaordosica乔木Arbor

针茅、冷蒿等地带性植被Zonationofvegetation沙柳Salix

低覆盖度柠条Caraganakorshinskiioflowcoverage低覆盖度油蒿Artemisiaordosicaoflowcoverage退耕地Abandonedland油蒿Artemisiaordosica总计Total

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!1期!!!梁犁丽!等:鄂尔多斯遗鸥保护区植被󰀁水资源模拟及其!113

植物光合作用和水分代谢有关的参数是计算植被蒸散发和生物量的关键因子,本文主要靠查阅文献资料综合分析后给出。

∃光能利用效率(RUE),是和植物生长及其生物量多少有关的参数。计算光能利用效率首先需要确定光合有效辐射(PAR)和同时期植被的地上部分生物量(kg/hm),利用植被地面生物量及其所截获的总PAR(MJ/m)的线性回归法确定,直线的斜率即是RUE。如油蒿光能利用效率是研究区附近各地区光合有效辐射值

[1]

2

2

和油蒿群落地上部分生物量

[2]

的曲线斜率,为0.451。柠条、沙柳、荒化草原、草甸等主要植被的生物

量靠查阅植被水分生态相关文献

[3󰀁4]

并适当调整计算出其光能利用效率,结果见表2。

%叶面积指数(LAI),与植物群落蒸腾作用和光合作用相关,根据叶面积指数及叶面积生长曲线求出的4个参数都是模型需要的,4个参数为:相应于最佳叶面积生长曲线上第一、第二点的热量分别占总潜在热量的百分数(FRGRW1、FRGRW2)、最佳叶面积生长曲线上第一、第二点的叶面积指数分别占最大叶面积指数的百分数(LAIMX1、LAIMX2),这里所指的󰀂第一点 和󰀂第二点 是最佳叶面积生长曲线的叶面积迅速上升和下降的两个拐点。油蒿、柠条和玉米的叶面积指数根据人工植被蒸腾量确定。

&植物生长的最佳温度和最小温度,是计算植被蒸散发的重要参数。SWAT模型利用基温计算植被每天积累的热量,并默认生长季内基温不变。某种植被生长的基本温度和最佳温度基本稳定,但其值直接测量比较困难,根据当地的气候条件,设定所有植被的最佳生长温度都为25∋,最小生长温度为6󰀁8∋。

表2!主要植物群落的特征数据

Table2!Maincharacteristicdataoftheplantcommunity

衰落时生长光能利用季百分数

最大

最大根系深Maximumrootdepth

/m12102631

植被生长

最小温度

Minimum土地利用temperatureC因子forplantgrowth

/∋688710610

0.0030.050.050.0030.0030.0010.05USLE󰀁C

1996󰀁19990.10.950.050.40.400.99

收获指数Harvestindex

[5󰀁6]

给出,红柳、沙柳依照乔木的各参数给

[7]

出,草甸、地带性植被、退耕地等根据大针茅、禾草、杂类草群落及典型草原叶面积指数的叶面积指数曲线

植物群落

Plantcommunity

冠层高

效率Fractionof

Maximum

Radiation󰀁growing

cover/plantcanopy

useseasonwhen

classificationheight

efficiencyleafarea

/m

declinesPerinnalPerennialPerennialPerennialPerenniallegumeTrees

6.550.250.580.450.131.601.39

0.0.950.950.570.700.990.81

0.802.505.001.003.007.002.00

分类

Land叶面积指数Leafareaindex

2000󰀁20010.10.950.050.40.400.99

2002󰀁20030.10.950.030.20.200.99

2004󰀁200500.9500000.99

草甸meadow沙柳Salix柽柳Chinese

tamarisk油蒿Artemisiaordosica柠条Korshinskpeashrub杨树Poplar

1.904.54.51.150.955.005.14

水浇地CornlandPerinnal

!!*杨树的生物量包括地上和地下部分,其它植物群落的生物量是指地上部分

(土地利用的C因子最小值,是用来表征适度放牧和地被植物对土壤侵蚀的减少作用的参数,该值越小表示侵蚀越少,因为残余物多增加地面覆盖。该参数适用于没有泥沙资料、但能从其它文献中查到放牧强度和草地利用率的地区,其取值范围在0.001󰀁0.5。根据经验,好、中、差3个标准的初始值用0.003、0.05和0.1表示。

(4)土壤图及相关参数

土壤图不仅为模型划分水文响应单元提供依据,而且决定了流域的径流状况。根据中国科学院土壤研究所完成的1∀100万土壤数字图及参照)美国土壤分类系统∗给出的相关数据。研究区域有20个土壤斑块,共12种土壤类型(表3)。

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表3!研究区域内土壤类型(土属)Table3!Typesofsoilofthestudyarea

30卷!

土壤类型SoilType栗钙土(亚类1)Chestnutsoil

沙化淡栗钙土

Sandedlightchestnutsoil盐化潮土(亚类1)SalineFlavo󰀁aquicSoil钙质粗骨土Calcicregosols洪积砂砾质栗钙土

Diluvialgrittychestnutsoil流动草原风沙土

Movingglasslandaeoliansoils

面积Area/hm27367.40

比率

Percent/%11.318

土壤类型

Solitype

淡栗钙土(亚类)Lightchestnutearth盐化潮土(亚类2)SalineFlavo󰀁aquicSoil流动草甸风沙土

Fluidmeadowaeoliansoils栗钙土(亚类2)Chestnutsoil固定草原风沙土

Fixedglasslandaeoliansoils半固定草原风沙土Semi󰀁fixedglasslandaeoliansoils

面积

Area/hm22074.48

比率Percent/%3.187

3108.084.77521086.9532.394

552.142670.93

2.03

0.8484.1030.003

73.154230.798063.13

11.3516.49912.387

24.733.8256061.199.311

主要土壤参数为土壤水文分组、渗透性、空隙率、反照率等,除数据库本身自带的参数外,其他参数的取值如下:

∃土壤渗透率和土壤孔隙率,土壤渗透率参考USDA土壤调查局分类标准一般值和已有研究成果出。各类土壤的孔隙率参照土壤普查结果

[11]

[8󰀁10]

给

,土壤剖面最大孔隙率由每层的田间持水率和土壤容重计算。

%土壤反照率,即地面反射的辐射与投射在地面上的辐射之比,在一定程度上决定了土壤的蒸发量。它不仅和含水量的多少有关,还和土壤的颜色、粗糙度等有关。土壤数据库中设定水面的反照率为0.9,根据以往研究成果射率。

(5)气象数据及农业管理措施

气象数据包括日降雨资料、日最高最低气温、风速、气温站位置高程、雨量站位置高程等。研究所用气象数据来自距离研究区的泊江海子52.5km的东胜气象站1996󰀁2005年的日降雨和日最高、最低气温数据。

研究区作物种类比较单一,灌溉地主要是玉米,灌溉方式粗放,几乎是漫灌式。截伏流和大口井工程都是通过管道供水,另外有一部分直接抽取地下水灌溉,模型统一取地下水灌溉措施。根据日降雨量和当地实际的灌溉情况,为灌溉地制定了每年的灌溉制度。2.3!模拟过程的关键技术处理

(1)水文模拟中关键问题处理

∃根深植被的处理!SWAT模型处理土壤层为1m深,即土壤水含量只计算1m深的范围,对能够直接汲取地下水的深根植被的蒸腾量计算不精确。本研究增加了植被蒸发补偿系数EPCO,使土壤中有足够多的水分供根深植被吸收。

%湖泊处理!将研究区尾闾湖泊当作不泄水无调度的水库,库容及其相应的参数由湖容曲线∃给出,取最大库容为略大于最大水面面积(11.70km)对应的水体体积,保证模拟期间不发生泄水;默认水库底部不发生渗漏。

(2)基于尾闾湖泊湖容曲线的模型校核

SWAT模型常采用河道断面洪水过程线进行拟合校正,但当地缺乏实测资料,本文提出了基于尾闾湖泊湖容曲线的模型校核方法,即将1996󰀁2005年模拟的尾闾湖泊水量代入湖容󰀁面积曲线计算出湖泊面积,与

∃

2

[12󰀁14]

给出的土壤湿度与土壤反射率的关系以及范围,结合潮土反射模型

[15]

,得到各类土壤的反

王芳,梁犁丽.半干旱区沙地植被建设󰀁水资源󰀁湖沼湿地演变模拟模型结构.第十三届世界湖泊大会会议论文.

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!1期!!!梁犁丽!等:鄂尔多斯遗鸥保护区植被󰀁水资源模拟及其!115

同期遥感实测的面积比较,误差控制在10%以内,拟合情况见图4。3!结果分析

3.1!集水区水资源及其各种转化量

集水区模拟期间年平均降水总量为23435万m,水资源量28万m,占降水量的11.3%,其中由降水直接形成的径流量以及由壤中流和地下水转化而来的地表水资源量1080万m,土壤水资源量1172万m,模拟期间的地下水动态变化较大,但模拟期的始末总体上减少3675万m,即总体上水位呈下降趋势。各年份集水区内的水资源量见表4。

3

3

3

3

3

图4!湖面面积模拟值与实测值的比较

!Fig.

4!Comparisonofsimulatedareaandmeasuredareaof

BojiangLake

表4!流域内水资源量

Table4!Waterresourcesofthecatchment

时间

Time

地下水地表水资地下水资源

直接形成

壤中流转化量源总量土壤水资源量动态变化量蒸发量

降水量地表径流量43434343转化量/(#10m)/(#10m)/(#10m)/(#10m)/(#104m3)/(#104m3)/(#104m3)

/(#104m3)GroundwaterSurfaceSoilwaterDynamicEvapotran󰀁

PrecipitationSurface

Lateralflowcontributionwatercontentchangeofspiration

runoff

tostreamflowresourcesgroundwater2482121378359201803212075210982583033414274441434123435

272226962333383152104923362508

61845917162443573741653190525

14469014031048

17254160919552972517928832511080

21555532239413667182070317997855811172

4071-20672272573-3204-18301663673-4598396

1770422166272491639714417187672131329657221031810720788

长系列

降水频率/%Frequencyofprecipitation

466068492143292

1996199719981999200020012002200320042005平均Average

3.2!植被耗水动态和耗水量

从各类植被10a的平均耗水来看,除水浇地外,以杨树为主的乔木和沙柳都达到350mm;地带性植被、柠条和油蒿等沙地植被ET较低,但由于其种植面积比较大,耗水占本区耗水量的比例较大,分别为11.37%、25.23%、22.54%。杨树等乔木的生长虽然需要水资源的额外支撑,但是面积小,总的水量消耗占2.68%。沙柳是半干旱区优良的固沙树种,但相比同面积的油蒿来说,多消耗近20%的水分,而且水分袭夺导致林下不生长其它植物,因此沙柳对已经固定的沙地来说,不是适合的树种。3.3!饲草料基地建设消耗的水资源量

集水区水浇地大部分种植饲草料玉米进行青储,水浇地灌溉用水多,植被蒸发量大,10a平均消耗水深763mm,而地带性植被只有2.6mm。2002年灌溉地为824.01hm,近3a由于饲草料基地的建设,2003和2004年分别为1009.784hm和1083.44hm,2005年底则增加到1136.2hm。相比同面积的地带性植被,2002󰀁2005年共增加耗水量377.72万m。3.4!植被封育对径流形成的影响

近10a集水区内植被格局基本不变,自2002年东胜市全面禁牧以来,保护区内生态环境得到了改善,封育使植物的生物量明显增加,根据调查目测估计生物量增加20%󰀁50%。1996󰀁1997年降水接**水年,在

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2

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116!生!态!学!报!!!30卷!

其他数据及参数不变的情况下,使草甸及地带性等坡面植被叶面积指数增加50%,利用模型再次模拟1996󰀁1997年尾闾湖泊的水体积,并比较两次模拟结果,湖泊体积的变化即反映平水年植被生物量增加50%对水资源量的影响。

结果表明,植被叶面积增加50%所引起的入湖水量的变化为8万m,由此可以初步推断,近几年的封育措施,多年平均来水情况下,年减少入湖水资源量约8万m,占地表水资源总量的7.4%,封育3a共减少入湖径流量24万m。

3.5!水利工程拦截径流引起的水量消耗

集水区内水利工程近几年才逐渐兴建,近3a来水利部门兴建6处截伏流工程和7处大口井(即小型水库)。截伏流工程改变水循环方式,主要是局部地区地下水位抬高,蒸发蒸腾增加。根据现场调查,截伏流工程周边的植被长势好,由于时间短,植被类型还没有发生变化,这里根据潜水蒸发随埋深的递减规律,以此工程影响的植被面积约1.25hm乘以2.5m平均埋深,计算6处截伏流工程的年蒸发量约为1万m,2002󰀁2005年截伏流工程共消耗水量约2.01万m。

2002年以来修建的大口井有7处,这种大口井大多呈长方形,长约100󰀁200m,宽30多米,坡度较缓,工程简单,一般分2󰀁3层阶梯。主要修建在入渗水量丰富的水浇地附近,用于引水灌溉。每眼井的面积约4500m,按照多年平均水面蒸发量1428.9mm减去本应该生长油蒿的年耗水量294.7mm后的净蒸发量1134󰀂2mm计算,2005年7处大口井比通常种植油蒿的沙地每年多消耗水量3.57万m,2002󰀁2005年共多耗水7󰀂15万m。

3.6!气候因素对径流形成的影响

根据东胜市气象站1957󰀁2004年的气象资料进行分析,气温升高明显,平均升高速率为0.48∋/10a,其中冬季增温最为明显,每10a平均增温0.79∋。集水区多年平均降水量为375.8mm,略呈减少趋势,多年平均的递减率为10.7mm/10a,1995年以后降雨年差别较大且偏枯,特别是1999󰀁2001年连续3a干旱,2000年总降水量181mm,达到近几十年的最低水平。多年年均蒸发能力为1428mm,近50a来总体趋势略有上升,但是20世纪90年代以前呈下降趋势,90年代以后呈稳定增加的趋势(图5)。这与我国西北地区的气候变化趋势

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图5!鄂尔多斯东胜气象站年均蒸发能力

!Fig.

5!

AverageannualevaporationcapacityofDongsheng

weatherstationinErdos

一致。这也使90年代以后气候变化对径流形成的影响表现比较明显。

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湖泊面积从1996年的11.7km减少到了2005年的2.63km,湖泊缺水1004.32万m。从以上分析可以看出,近10a来,饲草料基地建设共增加用水377.72万m,植被封育减少径流24万m,大口井和截伏流工程耗水9.16万m,由此得出,因全球变暖及近期干旱减少的水量为593.44万m,占总缺水量的59.1%。3.7!湿地生态需水

遗鸥生存和繁殖对核心区泊江海子水位过高和过低都有

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,作为国际重要湿地,平常年份应保障其

适宜湖泊面积9.06km;另外尽量采取措施进行水文,减少水文丰枯波动对遗鸥生存繁衍的影响,本文以90%的降水频率年不低于最小湖面面积4.88km,进行最小生态需水计算。

1997年属于平水年,1999年属于75%降水频率年,2005年属于90%降水频率年。本文以湖泊及其周围整体湿地生态系统的范围

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为计算区,得到其土地利用类型的面积,依据近10a模型计算的各类植被的耗水

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情况,以1997年、1999年和2005年的植被类型单位面积耗水量分别计算平水年以及75%和90%降水频率年的湿地总需水,结果分别是3121.6、2169.3万m和2063.8万m(表5)。

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!1期!!!梁犁丽!等:鄂尔多斯遗鸥保护区植被󰀁水资源模拟及其

表5!枯水年和平水年湿地需水量

Table5!Waterdemandofthewetlandindryyearandaverageflowyear90%降水频率年

Frequencyofprecipitation90%面积/km2

Area10.970.487.091.900.7318.371.014.881.005.395.2211.7268.77

需水量/(万m3)Waterdemand

240.4813.23155.4651.6316.08403.5973.255.5527.29112.91147.90257.392063.76

75%降水频率年

Frequencyofprecipitation75%面积/km2

Area8.110.486.971.900.7316.220.794.885.216.675.3911.4368.77

需水量/(万m3)Waterdemand

215.5911.69187.7043.8419.80437.9456.43558.07124.80116.17119.12278.122169.25

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土地类型Landuse

平水年

Frequencyofprecipitation50%面积/km2

Area8.110.480.151.900.7316.220.7911.705.216.675.3911.4368.77

需水量/(万m3)

Waterdemand

259.9416.885.1662.3723.69524.7968.681295.24169.14153.03178.88363.793121.60

草甸Meadow

柽柳ChinensisTamarisk干涸湖面Drylake柠条CaraganaKorshinsk乔木Arbor沙柳Salix水浇地Cornland水域Water

退耕地Abandonedland盐碱地Salineland油蒿Artemisiaordosica沼泽地Marsh总计Total

3.8!生态水文过程

由于气候因素的不可控性,且集水区的水文过程都会影响尾闾湖泊水量,故本文针对影响湖泊水量的人为因素,从资源利用的角度,分析集水区水文过程的措施。

(1)集水区内适度发展饲草料基地,减少水资源利用

饲草料地是集水区的耗水大户,适当发展饲草料地,以保障集水区内各种用水的平衡。平水年适宜的湖泊面积为9.06km,2000年9月份的湖泊面积8.85km与适宜湖面接近,对应的沼泽地面积约为33.08km。集水区尾闾湿地之外的坡面植被组成以现状2005年为准,各种植被耗水定额采用平水年(1997年)的模拟结果。通过集水区的水量平衡计算和总面积不变原则,反推饲草料地的面积。由此可以得到集水区内在平水年保障适宜生态需水的情况下,可以发展692.09hm饲草料地。

集水区现有饲草料地1136.2hm,在不考虑其他措施减少水资源的利用,就应该消减现有饲草料地的39%,以保障集水区内尾闾湿地的生态需水。

(2)适度放牧,减少封育直接对径流形成的影响,同时弥补饲料基地的减少,间接减少水资源利用根据遗鸥保护区现有的水资源供需矛盾,应在保护坡面生态的基础上适当放牧以控制牧草的长势,降低其耗水总量。按照封育后产干草量增加30%计算,则干草产量增加270kg/hm,根据集水区内地带性植被面积3251.44hm(表1)和一个羊单位的食草量700kg/a计算,可以承载1254只标准羊。

从增加的总干草量来看,饲料地按照106kg/hm的产量计算,放牧可以减少饲料地82hm,这样既减少了由于植被封育所引起的径流减少量,同时在载畜量不变的情况下等于减少了饲料地面积,即间接减少了水资源利用量。研究区草场和饲料地总共能承载标准羊20107只,而2005年牲畜总量折合标准羊125901只,虽大部分圈养但仍处于超载状态,从积极保护和合理利用资源出发,需要合理安置本流域生态载畜量。

(3)合理布设水利工程,增加直接形成的地表径流,减少径流拦截引起水资源转化过程中的消耗该区季节性河流汛期地表径流和其他季节沿河道侧渗的潜水是尾闾湖泊的主要水源,因此,除人畜饮水工程外,禁止流域内各条支流上修建淤地坝等水利工程,减少水资源的无效消耗量。

(4)集水区沙柳继续发展,减少高耗水植被的水分消耗

2007年以来,随着内蒙古沙柳生物质能源发电、沙柳制浆造纸以及沙柳高密度板等企业的兴建运营,促进了沙柳资源的开发利用。而本区水资源可利用量有限,沙柳耗水量较大,不适合固定沙地种植,应其发

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118!生!态!学!报!!!30卷!

展。另外,尽量不在集水区内种植乔木等高耗水植被以减少蒸发量,沙化治理后期应种植低耗水的植被,并促进植被的多样性发展。4!结论与讨论

(1)本文利用SWAT模型模拟了鄂尔多斯遗鸥保护区整个集水区的生态水文过程。在技术方法层面,建立了基于尾闾湖泊湖容曲线的模型校核方法;修改了模型植被数据库,调整了相应植被的生理参数,在一定程度上提高了模拟精度。但是,部分植被参数缺乏长期监测数据,大比例土壤图数据不易获得,以及模型本身对地下水的集总式处理,使模型的应用受到一定,今后还需加强植被和土壤数据库的建设和模型的改进。

(2)集水区近10a平均降水总量为23435万m,水资源量28万m,占降水量的11.3%。从模拟结果分析,湿地缺水的原因主要是气候因素、饲草料地建设、植被封育和水利工程本身,近10a湖泊总缺水1004󰀂3万m,其中气候因素影响为593.4万m,占59.1%,饲料地建设用水量377.7万m,占37.6%,封育减少径流24万m,水利工程增加的无效蒸发9.2万m。

(3)根据遗鸥生存繁殖的临界水文条件,整个湿地在平水年、75%和90%降水频率年的生态需水量分别是3121.6、2169.3万m和2063.8万m。依据模拟的集水区生态水文过程,从资源利用的角度分析得出:集水区内饲料地发展规模不超过692hm;适当放牧后可增加载畜量1254只标准羊或减少饲料地82hm,既可消除植被封育所引起的径流减少量,又可间接减少水资源利用量;合理布设水利工程,禁止淤地坝建设,减少无效蒸发;同时限止高大乔木的种植以及沙柳面积的发展。

致谢:中国水利水电科学研究院贾仰文教授和清华大学杨芳副教授对本文写作给予帮助,在此一并感谢。

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