基于灰色关联分析的水库流域森林覆被与林型关系研究

基于灰色关联分析的水库流域森林覆被与林型关系研究

森林水文研究的重点和发展趋势因地区自然、社会和经济形势而异。有长期定位研究和综合水文过程的探索。有小型径流场和小流域研究，也有小型流域和大流域研究。森林的作用、森林对降水的再分配、森林水循环、蒸发和土壤溶蚀、森林地区的水量平衡、屠宰和焚烧等人类干预对水文的影响。关于林型结构及森林覆被率与森林涵养水源功能的研究,多数集中在对定位观测结果进行对比分析,研究的具体方法主要集中在对森林涵养水源各组成要素进行定位观测,包括林冠截流、树干径流、降雨过程的分配、蒸发散、凋落物以及土壤水分物理性质等。不仅观测耗费大量的时间与精力,而且由于观测的方法、仪器精度和操作员的素质都影响着研究精度。在数学方法上主要运用统计学、模糊数学、灰色关联分析以及层次分析法等。例如,运用层次分析法对中条山地区9种主要森林植被的水源涵养功能进行了评价研究;利用层次分析法确定权重,模糊数学方法确定各因子的分值来评价西充贯垭流域森林涵养水源的能力;对湖南省8种主要森林植被类型的现实林分和标准成熟林分的涵养水源能力进行系统计量,分析计算各种植被类型的土壤调蓄系数。利用灰色关联分析法分析森林生态系统植被状况对地表径流系统的影等。将灰色关联分析法应用到林型结构与水源涵养功能关系上的研究并不多见。本文以公别拉河西沟坝址以上流域为例,在基于RS和GIS的水库流域土地利用类型划分的研究基础上,尝试利用灰色关联分析法,通过研究流域降水量和流域出流径流量两个森林水量平衡的“入口”与“出口”,分析不同林型结构和森林覆被率等因子与森林水源涵养功能之间的相关关系。此法可以减少对森林涵养水源各组成要素进行定位观测的工作量,为从宏观上研究林型结构与森林水源涵养的关系探讨新的方法。研究区域概况、图件及属性数据参见水库流域土地利用类型划分的研究。1水文站观测结果分析本文以西沟电站水情自动测报系统4个水文站和12个雨量站测报数据为基础。该系统具有实测资料较多、实测结果质量较好等特点,流量观测值由该系统4个水文站自动观测获得。4个水文站设立的位置为:库纳尔水文站设在库纳尔河口;洪湖吐水文站设在洪湖吐河口;哈拉台水文站设在哈拉台河口;富库尾水文站设在公别拉河(包括秀水河、孤川河)河口。降雨量是由该系统布设在4个主要支流的12个雨量站自动观测获得。1.1流域单元划分由于研究流域内雨量站站网分布不均匀,流域面平均降雨量由雨量站的记录经过加权平均计算获得。计算公式如下:P=(Σipiai)/AΡ=(Σipiai)/A式中:ai为第i个雨量站所代表的面积(km2);pi为第i个雨量站测得的降雨量(mm);A代表公别拉河西沟坝址以上流域的面积;ai代表每个雨量站的覆盖面积,可根据站网分布图用泰森多边形确定。考虑到流域内降雨分布的不均匀性,以及支流流域的分散性,采用泰森多边形对流域进行单元划分,划分的依据主要是考虑雨量站分布、支流分布及汇流条件。将流域划分为5个单元,各单元面平均降雨量根据雨量站测报结果,利用泰森多边形计算,计算结果见表1。1.2径流深计算流域出流径流量由设在库纳尔河口、洪湖吐河口、哈拉台河口、公别拉河(包括秀水河、孤川河)河口4个水文站测报获得,换算为径流深的计算结果见表2。2森林结构与森林水源保护的关系分析2.1被率的处理森林水文学的数学方法有统计学、模糊数学、灰色关联分析法以及层次分析法等,本文尝试利用灰色关联分析法研究林型结构与森林涵养水源关系。(1)确定母序列。为了从宏观上探讨新的方法来研究林型结构与森林水源涵养的关系,减少对森林涵养水源各组成要素进行定位观测的工作量,这里不考虑森林涵养水源的全部组成要素,只通过研究流域降水量和流域出流径流量两个森林水量平衡的“入口”与“出口”,来分析不同林型结构和森林覆被率等因子与森林水源涵养功能之间的相关关系。所以确定母序列为两个因素,即年径流量(y1)与年降雨量(y2),记为{yi}={y1,y2},见表3。(2)确定子序列。本项是在“水库流域土地利用类型划分的研究”基础上进行的。该流域森林类型划分为白桦林、落叶松林、落白混交林、白落混交林、樟子松林、柞树林、阔叶混交林等7种。所以确定子序列为8个因素,即白桦林x1、落叶松林x2、落白混交林x3、白落混交林x4、樟子松林x5、柞树林x6、阔叶混交林x7、森林覆被率x8,记为{xi}={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8},见表4。(3)无量纲化处理。由于降雨量、径流量、森林覆被率和不同林型的面积百分比等单位不一致,这里要对所有因子进行无量纲化处理,结果如下:y1=(130.56870.19880.4076)y2=(10.93780.89740.8408)x1=(11.20761.23200.9633)x2=(10.47670.68604.7791)x3=(11.02911.01781.0313)x4=(10.96821.02410.9770)x5=(10.00007.00001.0000)x6=(10.50001.10000.0000)x7=(10.00000.07690.0000)x8=(10.99870.90431.0505)(4)求关联系数。求算子序列各因子与母序列各因子之间的关联系数,结果如下:ξ11=(10.34231.07251.03770.8631)ξ12=(10.33681.03291.40060.9426)ξ13=(10.34091.05661.04250.8600)ξ14=(10.34051.05711.03870.8591)ξ15=(10.33331.80171.04031.0438)ξ16=(10.33701.06270.97400.8434)ξ17=(10.33330.99210.97400.8249)ξ18=(10.34081.04841.04390.8583)ξ21=(12.35433.48921.35352.0492)ξ22=(10.50420.6893-0.13520.5146)ξ23=(11.24161.34531.68401.3177)ξ24=(11.06941.37001.40941.2122)ξ25=(10.3333-0.08321.51400.6910)ξ26=(10.51711.76040.35800.9089)ξ27=(10.33330.36370.35800.5138)ξ28=(11.14911.01471.80921.2433)(5)求关联度矩阵。经计算得出子序列各因子与母序列各因子之间的关联矩阵。rij=y1y2∣∣∣∣x10.86312.0492x20.94260.5146x30.861.3177x40.85911.2122x51.04380.691x60.84340.9089x70.82490.5138x80.85831.2433∣∣∣∣rij=y1y2|x1x2x3x4x5x6x7x80.86310.94260.860.85911.04380.84340.82490.85832.04920.51461.31771.21220.6910.90890.51381.2433|2.2不同林型结构对年降雨分配的影响从分析关联矩阵可以看出,白桦林x1、落叶松林x2、落白混交林x3、白落混交林x4、樟子松林x5、柞树林x6、阔叶混交林x7、森林覆被率x8这8个因子与年径流量的关联度都很大,在0.8249～1.0438之间,表明该流域的不同林型和年径流量的关联度都很大。樟子松林和落叶松林较其它林型对年径流量的影响作用大,并且森林覆被率对降雨有较强的影响作用。白桦林x1、落白混交林x3、白落混交林x4、柞树林x6、森林覆被率x8这5个因子与年降雨量的关联度均在0.9以上,表明这5个因子对年降雨量分配的影响作用较强。然而落叶松林x2、樟子松林x5、阔叶混交林x7这3个因子对年降雨量分配的影响作用较弱。不难看出,不同林型结构对年降雨量的影响作用有着明显的差异;森林覆被率对年降雨量、年径流量均有较强的影响作用,因此在研究森林涵养水源作用时,森林覆被率是一个很重要的因素。由于森林通过增强土壤水分下渗,抑制地面蒸发,减少地表径流,增加降雨量,改变积雪和融雪过程等功能,分别对涵养水源功能起到有效作用,因此柞树林x6、落白混交林x3、白落混交林x4这3个因子和年径流量的关联度与这3个因子和年降雨量的关联度之间的差异较小,这表明落白混交林、白落混交林、柞树林这3种林型对森林涵养水源起到很重要的作用。3结论和讨论3.1白桦纯林生态恢复技术研究结果表明,落白混交林、白落混交林、森林覆被率、柞树纯林、白桦纯林这5个因子与年径流量和年降雨量2个因子的关联度都比较大,表明这5个因子与年径流量和年降雨量的分配关系密切。但白桦纯林与径流和降雨2个母序列关联度差异较大,表明白桦纯林对水分的调节能力较差。柞树纯林虽然与径流和降雨2个因素关联度差异较小,但在整个流域内面积很小,对水分的调节作用难以发挥,应该加强经营。落白混交林、白落混交林和森林覆被率3个因子在森林调节水分的作用中占主导作用。涵养水源功能最强的优势林型是柞树纯林,其次是落白混交林和白落混交林。另外,森林覆被率和森林涵养水源的关系密切。因此,森林经营要遵循适地适树的原则,营造和保护柞树林;改造白桦林,冠下营造落叶松;保护现有针阔混交林;保护林下凋落物;因地制宜,将部分耕地退耕还林,提高森林覆被率;保护森林资源,禁止滥砍滥伐。3.2原因分析3.2.1林下植被的群落结构柞树纯林水源涵养功能最强,其原因是:①柞树的冠形结构和宽厚的树叶对降雨的再分配作用较强;②柞树林下有一层厚而松软的枯枝落叶层,不但对降雨具有较强的缓冲与蓄存作用,而且有利于保持土壤水分、湿度、温度,有利于微生物活动,促使枯落物分解,增加土壤有机质含量,改善土壤结构,增加土壤蓄水功能(野外测定土壤结构多为团粒状,土壤质地多为壤质)。落叶松和白桦组成的混交林(白桦为优势树种或者落叶松为优势树种)具有较强的水源涵养功能,其原因是:①落叶松和白桦组成的混交林具有多层复合林冠结构,并且林下植被种类多样,植被层次结构复杂,增强了森林对降雨的调节功能。②不易分解的针叶落叶的存在,使得成分复杂的枯枝落叶层既有效地缓冲和蓄存降雨,又保持了土壤的水分、湿度及温度,促进微生物的部分分解活动,使土壤结构得到改善。3.2.2森林覆被率与森林覆被率关系研究结果表明,森林覆被率和森林水源涵养功能之间有着较密切的关系。据法国学者哥里任斯基(Gra