流域生态系统服务的新方法进行评估,以避免储层沉积及其经济价值:一个案例研究在雅砻江二滩水库,中国

文摘

建立了一个模型来模拟一个生态系统服务避免储层沉积及其经济价值基于沉积物交付的过程在一个分水岭。模型包括捏造研究流域的水库。不同土地覆盖类型的沉积物保留系数是用来模拟的空间模式的年度数量也被禁止进入水库的泥沙每个单元中的植被后流路径的分水岭。生态系统服务的经济价值在这个模型是由水库清淤的边际成本决定的。本研究采取了二滩水库为例。结果表明,大多数侵蚀土壤是由不同类型的生态系统拦截泥沙输送的过程中在一个分水岭。该地区更高数量的泥沙滞留在储层。平均泥沙保留林地的绝对数量较低,林地的沉积物保留能力未能充分发挥在分水岭。

1。介绍

侵蚀的土壤和沉积物的生成一个分水岭可能导致重要的沉积储层相关联。随后减少存储容量不仅减少水库的有效运行,也会引起其他问题。沉积蔓延到河上游地区会影响环境。沉积在落后地区可以改变船舶的航行条件和船只。底部的淤泥水库可以导致水质恶化。极端的沉积物坝墙后面可以威胁大坝的安全。水库泄水可以改变下游河道的河(1]。定期沉积物切除是一种常见的解决方案,避免长期沉降的问题,但它导致一个昂贵的维护预算。土壤的生态系统提供了一种自然的服务或功能保留通过根部土壤,和拦截的过程,吸收,和饱和度可以减少径流的冲刷能力(2]。的服务或功能避免储层沉积土壤保留的是一个非常重要的方面(3- - - - - -5]。

在中国当前的方法评估生态系统服务的功效为避免储层沉积都很相似。他们计算土壤保留在整个景观的数量基于通用土壤流失方程(USLE)或修正通用土壤流失方程(RUSLE),然后乘以一个系数(0.24)按照规定沉积物交付在中国(3,6]。这个服务的经济价值计算的替代工程方法基于建设水库的单位体积费用(6]。这种方法决定了生态系统服务的避免储层沉积的数量和价值对整个研究区域的景观。它不专注于一个特定的水库和水库的地区产生沉淀物。因此,这种方法无法识别此服务的供应商和受益人。这些结果不能指导决策生态系统集成管理和生态补偿。不同地区的使用相同的全国系数为这些领域可能会导致不准确的结果。

生态系统的模式和过程是生态系统服务供给的物质基础7]。在一场势均力敌的分水岭,生态系统的空间分布模式是过程的载体,水和沉积物一起交付。模式的变化会影响随机生态过程虽然许多动态因素和推动力量,模具模式包含在交货的过程。防止泥沙进入相对储层的功能是由空间分布模式的生态系统之间的相互作用和过程泥沙输送的分水岭。相对的生态系统服务是一种表示函数提供人类福利和由此产生。

的基础上,在这种情况下,深入地研究生态系统之间的复杂关系模式和沉积物的交付过程,以pattern-processes-services为其故事情节,数量模型评估沉积物保留在每个像素的规模流域建立了积分系数,介绍了沉积物的能力保留在不同土地覆盖类型。为例,调查应用,证实该模型下雅砻江二滩水库在2005年通过使用数据。的结合的能力之间的关系,防止泥沙进入水库雅砻江流域的生态系统(上图二滩水库)和土地覆盖的模式被发现。结果不仅为选择决策提供指导生态项目的位置保持二滩水库的安全,但也给一些支持的公司之间建立生态补偿和平衡机制运作的水库和土地管理器分水岭。

2。研究领域和方法

2.1。的地理概况

(雅砻江流域范围:25°12′22′′~ 34°9′22′′N, 96°47′23′′~ 102°42 21′′′E)位于四川省西部,青藏高原的东南。这是最大的支流金沙江。雅砻江的水资源是多产的,秋天是相当大的。主要和分支河流都包含丰富的水电资源潜力。主要河流的长度是1571公里从河里去排水口(8]。流域的面积约为13.0×10⁴公里²。自然下降约3830米。的平均流速排水口大约是1910米³·年代⁻¹而年平均径流量约为600×10⁸米³。气候情况非常复杂,在地面和更高的差异非常明显。年平均降水从600 - 1800毫米不等。森林植被的主要类型,刷子和草甸(见图1)。二滩电站是第一雅砻江水电站开发的低。它是一个大型综合功能的水控制项目。发电是这个项目的主要目的是1999年年底前完成。大坝的高度约240米,和总容量约为58×10⁸米³。二滩库区的形状类似于一个不对称的树状结构和总面积101公里²。

因为雅砻江流域的具体环境条件、河道沉积物交付潜力巨大。减少自然森林,耕作陡峭的斜坡,过度放牧草地排水地区是很常见的。侵蚀强度在雅砻江流域是如此严重,这已成为该地区最强烈的水土流失在长江上游8]。大量的沉积物是交付给河道和水库的安全和操作有很大影响这巨大的节水项目。

2.2。量的评价模型

处理大量的数据,可用于电脑动画通过集成模型的生物物理评估避免储层沉积与ArcGIS9.2的软件。具体方法是使用ArcGIS9.2作为接口和控制平台。在栅格数据建立的模型形式。映射可以看到生物物理评估的流程图如图2。

2.2.1。确定流域的程度

分水岭是确定为供应地区的地表水和地下水,也就是说表面和地面水域的水体被认为是作为一个群体。流域的面积是可以接收的总地区降水和供应水通过河道及其支流(9]。这个流域沉积物生成feed的口地区流域所定义的合并后的水和沉积物输送理论的水侵蚀。

为了修改DEM数据(细胞尺寸是30米),fill-sinks工具(填充)水文ArcGIS9.2的工具是用于识别和DEM数据填补下沉。流向数据来源于修订民主党通过八法流方向(D8)。流向数据用于生成积累数据流根据其他像素的像素造成的记录。使用该工具”倾点,“这就倾点细胞高积累的邻居通过指定临时半径取决于流的数据积累和水库的位置。建立了流域的工具“分水岭”根据调整后的倾点和流动方向(10]。

2.2.2。确定实际土壤侵蚀

USLE主要用于预测的数量在逐步坡地土壤侵蚀基于径流小区的考试。这个模型的经验发现,很难用于中型盆地。自1980年以来,GIS已被用于预测和评估的数量在不同大小的流域土壤侵蚀积分USLE [11]。相比,使用传统集中式方法预测土壤侵蚀的数量,这种分布式的方法可以预测土壤侵蚀的数量为每个像素的空间分析功能用于GIS栅格数据集。方便,发现严重的水土流失地区的区域经理,他可以提出最佳管理实践(bmp)。它可以提高预测的效率和有效的显示结果的可用性12]。估计公式实际土壤侵蚀土地覆盖,管理和支持实践因素考虑:

在这些公式,水土流失是实际的数量(t·嗯⁻²·一个⁻¹),R降雨和径流的因素是由地理位置(乔丹吗·毫米·嗯⁻²·h⁻¹·一个⁻¹),K是土壤侵蚀度因子(t·h·乔丹⁻¹·毫米⁻¹),LS斜率是length-gradient因素,C是作物/植被和管理因素,P是实践的支持因素。每个因素选择的计算公式的基础上,研究区域的具体情况。

张提出的简单算法和傅13是用来计算降雨和径流的因素:

在这个公式,月降水月吗,年我(毫米)是数量的年,平均年降雨量与径流因子(乔丹吗·毫米·嗯⁻²·h⁻¹·一个⁻¹),α和在这个模型中参数(的价值吗是0.1833的吗是1.9957)。这个公式的降水数据是由中国气象局提供的2005年。数据集包含纬度、经度和海拔高度在中国743个气象站(57台覆盖雅砻江流域)。每月每个气象站降水(mm)也包括在内。克里格插值分析方法。输出光栅的细胞大小设置为1公里×1公里。

erosion-productivity影响计算器的方法(史诗)模型提出的威廉姆斯et al。14)是用来估计土壤侵蚀度的因素。它可以估计因素从土壤颗粒有机碳包含的数据:

在这个公式,K是英语单元,土壤侵蚀度因素转化为国际单位是乘以0.132 (t·h·乔丹⁻¹·毫米⁻¹),砂粒的含量(%)粉末颗粒的含量(%),粘土颗粒(%)的内容,然后呢C有机碳的含量(%)。这个公式中的土壤数据来自中国数字土壤地图(等级1:1000000)资源和环境科学数据中心的中国科学院(RESDC)。它包含了不同土壤类型的物理和化学属性数据库。

斜率length-gradient因素LS包含length-gradient因子和斜率因子。提出的方法Wischmeier和史密斯15使用:

在这个公式,是因素像素,是length-gradient像素(m)斜率是在像素(°)。斜率数据来源于民主党(细胞尺寸是30米)。length-gradient数据来源于方面,光栅的斜坡,和细胞大小。

作物/植被和管理因素估计基于植被覆盖率(16,17]:

在这个公式,是一年一度的植被覆盖率(%)。有关系区域植被覆盖率和归一化植被指数(NDVI)基于古特曼的研究[18]:

在这个公式,和的最大和最小归一化植被指数在生长季节每个植被类型。2005年的NDVI数据在这个公式来自中国环境调查数据库。细胞的大小是1公里×1公里。时间分辨率是一个月。栅格数据格式是一个网格。

支持实践因素代表了影响水土保持措施对土壤侵蚀。如果在同一海拔耕地,比如梯田或带状种植,和其他使用,相应的控制措施值小于1。如果研究区被自然植被覆盖和倾斜的农田,值等于1。的因素是由民主党和流域的土地利用数据(2005年,规模1:100000)。

2.2.3。沉积物被植被的空间变异性

小景观单位出口的沉积物可能占领大部分的泥沙负荷在整个流域出口的同时或演习确定影响接收水体沉积。这些地区成为地区的关键来源造成的相对储层沉积在河的下游。这与一些景观单位可能只出口一个小点的下沉沉积物或一些人甚至成为沉积物。

沉淀物的数量被在流域植被是生态系统服务的生物物理数量防止泥沙进入出口的分水岭。它可以获得实际的土壤侵蚀模拟USLE和沉积物保留系数不同的土地覆盖类型。沉积物保留系数(值的范围从0到1,沉积物的价值趋向1意味着能力保留在特定土地覆盖类型)表达的沉积物所截获的比例通过土地覆盖在其交付的道路。设定的系数是指研究在国外的发展对地表径流中的泥沙被不同类型的植被缓冲(19- - - - - -24)由于许多这个系数的影响一方面和缺乏相关研究成果在这一地区的另一方面。二滩水库流域的泥沙保留系数在林地被设置为0.87,在草原至0.73,农田0.60,和0.40累积和荒地。

每个像素都有其流路径,它来自流域的流域水文表面上的插座。基于累积数据流(单元尺寸是30米)来自民主党,像素流累积超过30000细胞被确认了河流和相对流方向设置为0,这意味着持平通过整合研究流域的实际河道的分布。每个像素的分水岭将搜索和流入下一个邻居像素根据流向数据,直到流入河道(见图3(一个))。沉积物保留植被在每个像素的数量[t /公里²·)将模拟计算模型的基础上推理的前四个细胞被列在表中1。避免储层沉积的生物物理评估生态系统服务在每个像素和相对空间分布地图。

2.3。价值评价模型

价值的评价模型对防止泥沙进入水库在每个像素在一个分水岭的计算公式如下:

在这个公式,的值是防止泥沙进入水库每像素在结构的剩余寿命设计分水岭(元),是一年一度的沉积物禁止进入水库的数量每像素(t·一个⁻¹),MC的成本每吨泥沙从研究水库在元(人民币吗·t⁻¹)。如果二滩水库使用疏浚的沉淀物去除方法干扰砂储层的底部,为目的的经济分析沉积物清除单位体积的成本约为0.55元·米⁻³(25]。沉积物的密度约为1.35 t·米⁻³。所以的沉淀物去除成本元每吨约为0.407元·t⁻¹。是市场贴现率(%),它反映了社会的倾向于直接的收益在未来收益。最新的市场贴现率在中国被指中国比尔净(http://www.zgpj.net/)。T其余的设计寿命的结构(a)。是当前水库沉积物的体积(t)。在水库沉积物的体积,它的功能是不利影响(t),如果不考虑的和,生态系统服务价值评估只在当下,在价值评价模型可以简化如下:

3所示。结果和分析

3.1。土壤侵蚀和泥沙输送不同的土地覆盖类型

表2展示面积及其比例流域不同土地覆盖类型的二滩水库在2005年。主要生态系统类型是草地、林地和荒地。这三个地区占总土地面积93.3%的分水岭。

实际流域土壤侵蚀的总额是2.337×10⁸t·一个⁻¹2005年,根据公式(1)。量水平的实际平均单位面积土壤侵蚀在流域不同土地覆盖类型表达了农田≫累积和荒地>林地和草地。单位面积上的平均实际土壤侵蚀农田为187.5×10²t·公里⁻²·一个⁻¹。这是更大的,因为CP这些生态系统类型的因素更大。尽管农田的面积仅覆盖流域总土地面积的6.0%左右,其贡献的实际土壤侵蚀总量最高(占总数的一半以上),达到1.43×10⁸t·一个⁻¹。值得注意的是,单位面积上的平均实际土壤侵蚀在累积也有高价值的比较。这是因为在山区人口持续增长的压力加剧土地和人类之间的矛盾。实际增加的累积是大多数位于这些区域有高海拔偏离程度和陡峭的斜坡。所以LS因素积累了一定程度的推广。

根据模型计算泥沙滞留的数量的植被在每个单元后面跟着流路径表1二滩水库泥沙出口的数量,每个像素也可以计算出来。沉积物在流域出口的总量达到3822.54×10⁴t·一个⁻¹在2005年。量水平的平均出口沉积储层单位面积在流域不同土地覆盖类型表达的是耕地>草地>荒地>林地>集结。从灌溉和水文条件考虑,水资源和附近的农田是最接近相应的河道。所以大量的农田土壤侵蚀的不会拦截效率不同类型的生态系统过程中沉积物交付在一个分水岭。出口平均沉积储层单位面积的农田是最高的。二滩水库的泥沙出口总额农田达到2645.05×10⁴t·一个⁻¹在2005年。它占据了整个流域的69.2%。所以很明显,耕地是最重要的产沙量来源二滩水库。如果农田的面积和耕作强度分布在河道附近的山坡地不是约束,就会产生严重的水土流失和大量的水库沉积物,这加剧了环境问题。雅砻江流域的大河湾,县在二滩水库,在水文敏感地区广泛分布的农田造成沉积物的数量出口急剧上升(见图1和图3 (b))。林地虽然大多数位于中间和上部雅砻江流域最侵蚀土壤是拦截更好的流动路径。因此,水库的泥沙平均出口单位面积在林地最低(45.8 t·公里⁻²·一个⁻¹)。

3.2。沉积物保存在不同的土地覆盖类型及其经济价值

沉淀物的数量保留的生物物理评估生态系统服务的防止泥沙进入二滩水库的5种不同的生态系统类型为整个流域在2005年使用表中列出的模型模拟1。结果表明,沉积物保留的总量为1.94×10⁸t·一个⁻¹2005年占领的水土流失总量的83.01%。所以大多数侵蚀土壤是由不同类型的生态系统拦截泥沙输送过程中在一个分水岭。在地表径流泥沙的能力保留林地和草地是最强的。但是他们的相对生态系统服务没有充分发挥因为他们位于地区边坡陡峭,海拔高,距离远河道为主。单位面积的平均泥沙保留林地和草地只有1705.7和940.2 t·公里⁻²·一个⁻¹,分别。因此,森林或灌木带应该种植在池塘、溪流、山谷以及径流的斜坡底部。弯曲的结构合理的草地附近应设置倾斜的字段。这些植被缓冲带可以充分发挥能力的泥沙保留在分水岭。平均泥沙保留农田的绝对数量最高(6525.0 t·公里⁻²·一个⁻¹),因为它是最位于该地区水土流失严重。沉积物平均出口和保留在一个单位面积增加的积聚在山区也高,因为增加了土壤侵蚀发生在这个土地覆盖类型。

每个县的高价值的平均泥沙保留集中在雅砻江流域的下游2005(见图3 (d))。这些县平均泥沙滞留超过4000 t·公里⁻²·一个⁻¹集中在二滩水库。他们花坪,延边,米易县,会理,和宁波德县。因此,人类活动和它所带来的土地利用和覆盖变化(LUCCs)附近的水库需要考虑。这是沉积物生成的主要来源,应仔细监测和管理。

结果表明,两种主要生态系统类型的总价值避免储层沉积在流域林地和草原2005年(见表3)。林地和草地的生态系统服务价值占总价值的89.98%的分水岭。平均单位面积农田生态系统服务价值,增加,林地是最高的。的总价值避免二滩水库沉积的分水岭是785.8×10⁸元2005年。

4所示。结论和讨论

在中国,生物物理和估值评估生态系统服务是一个粗略的估计基于相关系数的不同类型的生态系统为主。这种情况逐渐变成研究之间的关系相对生态过程和生态系统服务能力的深入。因此,在此背景下,研究之间的相关性和复杂关系模式的生态系统,生态系统服务和生态过程已成为一个热点话题在未来生态系统服务的7]。本研究把避免储层沉积的生态系统服务为研究对象。生物物理和估值模型建立了基于沉积物的土地覆盖格局和过程保留和他们一直研究和应用的土地覆盖pattern-relative生物物理process-ecosystem服务随着故事情节。这个研究的前景可以设置一系列的土地覆盖场景通过整合研究流域的土地利用规划。生态系统服务的响应及其经济价值对未来土地利用/覆盖模式场景进行了研究。各种场景模式重服务的好处和场景让相关群体的福利最大增加被选中。

也存在一些局限性和简化模型和相关案例研究中需要完善。(1)模拟结果的数量和空间分布防止泥沙进入水库的分水岭。这个模型并不需要泥沙运动的规定较低的河流。在实践中,沉积物的一部分将被存入水库(主要是推移质和悬移质)和沉积物的另一部分将降低河地区。未来的研究将调查的实际沉降行为特定的水库。为了彻底评估生态系统服务,我们应该确定的比率低河沉积物送到总泥沙进入水库。(2)研究地区的侵蚀类型包括表面侵蚀和河道侵蚀(属于水侵蚀)以及重力侵蚀。USLE方程,我们只考虑表面侵蚀。它简化了模型,但增加的困难验证模型精度的同时减少验证过程。未来的研究将检查的模块可以模拟沉积物生成的河道侵蚀和重力侵蚀的评价模型。(3)本研究旨在分析沉积物交付过程的反应在流域下垫面条件的模式在区域范围内。然而,这是不可否认的,有高泥沙输送的过程之间的相关性和气候情况尤其是在风暴强度。因此,不确定性是在分析的过程中生成的沉积物保留和交付由于沉淀状态的差异。消除的影响气候状况对沉积物的过程交付超出了当前的知识水平。我们应该深入研究这一领域的组合因素的升级方法和空间信息技术基于实验和调查典型的分区机制。(4)影响沉积物保留系数的因素在流域不同土地覆盖类型很多(precipitation-runoff因素,沉积物源、质地、通道密度,等等都包括)。这是很难建立一个综合模型,该模型包括所有因素准确的系数设置。这种情况下仅仅是集系数通过咨询成果在国内外现有文献的科学研究。该模型模拟实际的基于USLE的水土流失。模拟结果应该验证和修正的直接测量土壤侵蚀的实际数量,因为USLE的不同行为在不同的研究领域。模拟结果表明,沉积物对二滩水库的出口总额是3822.54×10⁴t·一个⁻¹在2005年。然而,根据现场测量的数据Xiaodeshi雅砻江流域水文站近年来,平均每年2720×10的悬移质⁴t在床上负载67×10⁴t。因此,沉积物出口的总量是2787×10⁴t (26]。有一些模拟结果和测量数据之间的差异。生态系统的类型应该准确除以集植被覆盖率、土地利用程度和泥沙质地,等等。为了更准确地模拟,各种需要调整基于相关系数的基本机制研究和观察典型的分区。

基础项目

联合国环境规划署/ GEF自然保护和长江流域的防洪(imi:金五环- 2328 - 2740 - 4822;经前综合症:GF / 3030-04-05-01);国家公共有利环境保护的科学研究(200709029);自然资本项目。

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