不同土地利用/覆蓋類型下海南島產(chǎn)水量空間分布模擬

吳 哲，陳 歆，劉貝貝，初金鳳，彭黎旭

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南?？?571101;2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境影響評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)分析研究中心，海南海口 571101;3.海南大學(xué)環(huán)境與植物保護(hù)學(xué)院，海南海口 570228;4.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲 056038)

不同土地利用/覆蓋類型下海南島產(chǎn)水量空間分布模擬

吳 哲1，2，3，陳 歆1，2，劉貝貝1，2，初金鳳4，彭黎旭1

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南?？?571101;2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境影響評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)分析研究中心，海南?？?571101;3.海南大學(xué)環(huán)境與植物保護(hù)學(xué)院，海南?？?570228;4.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲 056038)

設(shè)定3種不同的情境，應(yīng)用InVEST模型，利用水量平衡原理模擬土地利用/覆蓋類型變化下海南島產(chǎn)水量的空間分布。結(jié)果表明:海南島年均產(chǎn)水深可達(dá)979.04 mm;其中中部地區(qū)產(chǎn)水量最高，西部地區(qū)產(chǎn)水量最低;當(dāng)林地面積逐漸減少、城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)1倍時(shí)，產(chǎn)水量的增加量最大，年均產(chǎn)水深可達(dá)1004.06 mm;當(dāng)耕地面積逐漸減少、城市和建成區(qū)面積增長(zhǎng)1倍時(shí)，年均產(chǎn)水深則為1002.22 mm。

產(chǎn)水量;InVEST模型;土地利用/覆蓋;海南島

水資源是人類生活生產(chǎn)中最關(guān)鍵的資源之一，水資源的分布直接決定了人口、耕地、企業(yè)等的區(qū)域布局，也會(huì)對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生極其重要的影響。因此，研究分析區(qū)域水資源的時(shí)空分布與產(chǎn)水量、合理開發(fā)和利用水資源是非常有必要的。然而，產(chǎn)水是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它與降水、蒸發(fā)、土地利用/覆蓋、土壤滲透和植被蒸騰等因素密切相關(guān)，目前應(yīng)用于產(chǎn)水量分析的水文模型主要有MIKE SHE 模型［1］、TOPMODEL 模型［2］和 SWAT 模型［3］等，這些模型應(yīng)用范圍廣，模擬精度較高;但是參數(shù)繁多，在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨很多問(wèn)題。2010年，由斯坦福大學(xué)、TNC和世界自然基金會(huì)合作聯(lián)合開發(fā)的模型——InVEST(the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool)模型［4］被引入中國(guó)，該模型對(duì)于模型參數(shù)、特性數(shù)據(jù)要求較低;并且輸入數(shù)據(jù)量少，輸出量大;基于GIS平臺(tái)，可以將量化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以地圖的形式表達(dá)，不再用煩瑣的計(jì)算公式、程序語(yǔ)言以及過(guò)多文字來(lái)表達(dá)［5］。InVEST模型擁有多個(gè)模塊，采用多級(jí)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行多尺度、多情景的分析，已被成功應(yīng)用于夏威夷群島［6］、坦桑尼亞［7］、北京山區(qū)［8-9］、西苕溪［10］、瀾滄江［11］等區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值的評(píng)估。

海南島水資源豐富，屬熱帶季風(fēng)性氣候，受東北和西南季風(fēng)影響，熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)頻繁，由于海南島城市排水系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題，內(nèi)澇嚴(yán)重。隨著海南國(guó)際旅游島的建設(shè)，城區(qū)面積將不斷擴(kuò)大，也將改變產(chǎn)水量的空間格局。筆者設(shè)定3種不同情境，應(yīng)用InVEST模型產(chǎn)水量模塊分析土地利用/覆蓋類型變化下海南島產(chǎn)水量的空間分布，為城市的健康發(fā)展、水資源區(qū)劃保護(hù)和合理開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

海南島是我國(guó)僅次于臺(tái)灣島的第二大島，地處熱帶，介于北緯 18°10'～ 20°10'、東經(jīng) 108°37'～111°03'之間，總面積約3.4萬(wàn)km2;地勢(shì)表現(xiàn)為中間高、四周低;森林覆蓋率為 60.5%［12］，排名全國(guó)前5;屬典型的熱帶季風(fēng)海洋性氣候，年均降水量1500 mm，雨量充沛，但時(shí)空分布不均。全島有3大河流:南渡江、昌化江、萬(wàn)泉河，3大河流流域面積約占全島面積的47%。海南島的土壤普查面積約為308.4萬(wàn)hm2，其中磚紅壤占土地總面積的53.42%;其次是赤紅壤，占總面積的10.01%;其余的自然土壤還有黃壤、燥紅土、新積土、濱海沙土和火山灰土等。

2 模型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)

2.1 基本原理

式中:Yxj為第j土地利用類型、柵格x的產(chǎn)水量;Exj為第j土地利用類型、柵格x的每年實(shí)際蒸發(fā)量;Px為柵格x的年降雨量。

Exj/Px計(jì)算水量平衡中的蒸散部分，計(jì)算公式為

式中:ωx為植物可利用水量與年均降雨量的比值;Rxj為第j土地利用類型、柵格x的無(wú)量綱的干燥指數(shù);Z為季節(jié)性因子，即表征季節(jié)性降雨特征的常數(shù);Wx為可利用水量;kxj為第j土地利用類型、柵格x的植被蒸散系數(shù);ET0x為柵格x可能蒸散量。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理

InVEST模型產(chǎn)水量模塊需要的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)有氣象資料(降水量與可能蒸散量)、土地利用/土地覆蓋類型、土層厚度和土壤有效水量以及生物物理參數(shù)資料等。

a.氣象資料來(lái)自于海南島18個(gè)長(zhǎng)期氣象觀測(cè)站1980—2010年30年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。海南島年均降水量空間分布不均，西部少雨，最小的站點(diǎn)年均降水量約為961 mm;東部多雨，最大的站點(diǎn)年均降水量約為2363 mm。根據(jù)克里金差值法制作出年均降水量柵格圖。由于部分氣象要素的缺失，根據(jù)氣象干旱等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的Thornthwaite方法進(jìn)行可能蒸散量ET0的計(jì)算:

式中:Ti為i(i=1，2，…，12)月平均溫度，℃;H為年熱量指數(shù);A為常數(shù)。

b.土地利用/土地覆蓋圖來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)海南島TM遙感影像，經(jīng)過(guò)波段合成、鑲嵌、校正、裁剪和解譯獲得。根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求將土地利用/覆蓋類型分為:常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林、混交林、草原、灌叢、濕地、城市建成區(qū)、裸地、水體、耕地等。

c.土壤厚度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心中國(guó)1∶100萬(wàn)土壤圖，通過(guò)提取土層厚度的數(shù)據(jù)并用ArcGIS中Lookup模塊制作出土層厚度的柵格圖。海南島的土層厚度為1m左右。結(jié)合中國(guó)1∶100萬(wàn)土壤圖與世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中土壤質(zhì)地的分類，將粉粒、砂粒、黏粒、有機(jī)質(zhì)等質(zhì)量分?jǐn)?shù)導(dǎo)入土壤有效水量經(jīng)驗(yàn)公式式(10)［15］，提取得到土壤有效水量柵格圖。

式中:Wx為可利用水量;ωsa為砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;ωsi為粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;ωcl為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;ωOM為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

車牌識(shí)別技術(shù)可以準(zhǔn)確地識(shí)別圖像中的阿拉伯?dāng)?shù)字、字母還有漢字，在識(shí)別了車輛之后，還能夠?qū)④嚺谱R(shí)別的結(jié)果傳送到云端的交通綜合系統(tǒng)，交通綜合系統(tǒng)就能夠確定車輛在校園內(nèi)的停留時(shí)間，并提示對(duì)車輛進(jìn)行收費(fèi)。通過(guò)使用該機(jī)系統(tǒng)，能夠促進(jìn)車輛監(jiān)控管理進(jìn)一步自動(dòng)化和智能化，提高效率的同時(shí)，也能減少人力的投入。

d.生物物理參數(shù)資料反映了土地利用/覆蓋類型的屬性，包括土地利用/覆蓋編碼、作物根系深度、蒸散系數(shù)。作物根系深度數(shù)據(jù)根據(jù)Canadell等［16］對(duì)全球范圍內(nèi)植被最大根深的研究獲得。蒸散系數(shù)則根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織作物蒸散系數(shù)指南、InVEST用戶指南以及Allen等［17］估算獲得。海南島作物根系深度和蒸散系數(shù)見表1。

表1 海南島作物根系深度和蒸散系數(shù)

2.3 情境的設(shè)定

2010年，隨著海南國(guó)際旅游島建設(shè)正式步入正軌，城市化進(jìn)程將不斷加快。目前，海南島城市規(guī)模較小，城鎮(zhèn)化率偏低，因此擴(kuò)大城市的空間框架，提高城市的規(guī)模等級(jí)是加快城市化進(jìn)程的重要步驟。2010年，海南島城市建成區(qū)面積比2000年增長(zhǎng)了62.63%。依據(jù)海南土地利用總體規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)年鑒建成區(qū)的擴(kuò)展趨勢(shì)，并結(jié)合近20年中國(guó)城市建成區(qū)的發(fā)展格局，預(yù)計(jì)至2020年，海南島城市建成區(qū)面積將比2010年增長(zhǎng)1倍。然而城區(qū)面積的增長(zhǎng)必然引起耕地、林地等土地利用類型面積的縮減，從而影響區(qū)域水循環(huán)的過(guò)程。本文設(shè)定3種不同情境，分析土地利用變化對(duì)產(chǎn)水量的影響。

情境1:2010年海南島土地利用/覆蓋狀況;

情境2:假設(shè)其他因子不變，林地向城市建成區(qū)轉(zhuǎn)化，林地面積減少，至2020年各個(gè)市(縣)城市建成區(qū)面積翻番;

情境3:假設(shè)其他因子不變，耕地向城市建成區(qū)轉(zhuǎn)化，耕地面積減少，至2020年各個(gè)市(縣)城市建成區(qū)面積翻番。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 模型校驗(yàn)

調(diào)節(jié)季節(jié)性因子，取值范圍為1～10，對(duì)產(chǎn)水量模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。根據(jù)歷年海南省水資源公報(bào)以及海南省統(tǒng)計(jì)年鑒，經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)水量模塊的反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)季節(jié)性因子取值為7.5時(shí)，較接近海南島多年平均產(chǎn)水量。年均產(chǎn)水量為335億m3，折算為多年平均產(chǎn)水深為979.04 mm。

圖1 3種情景下海南島年產(chǎn)水深空間分布

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)3種情境的設(shè)定，海南島年產(chǎn)水深、年產(chǎn)水量空間分布模擬結(jié)果如圖1、圖2所示。

根據(jù)圖1、圖2和表2情境1的模擬結(jié)果可知，海南島中部地區(qū)產(chǎn)水量最大，可達(dá)12239.67m3/hm2，西部地區(qū)產(chǎn)水量最少，最低值僅為為5021.18 m3/hm2，可見海南島產(chǎn)水量的空間分布是極不平衡的。中部地區(qū)雨量充沛，年均降水量可達(dá)2 000 mm以上，并且該地區(qū)地勢(shì)較高，是多條河流的發(fā)源地。西部地區(qū)處于東南季風(fēng)的背風(fēng)坡，年均降水量在1000mm以下，而蒸散量較大，產(chǎn)水量較少。由情境2的模擬結(jié)果可見，隨著林地向城市建成區(qū)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)水量將大幅增加。年均產(chǎn)水深可達(dá)1004.06mm，最大產(chǎn)水量為12744.99 m3/hm2，最小產(chǎn)水量為 5 392.16 m3/hm2。每個(gè)市(縣)的產(chǎn)水量都出現(xiàn)大幅上漲，其中?？谑械漠a(chǎn)水量由情境1的9 117.95 m3/hm2增長(zhǎng)至9570.00m3/hm2，三亞市的產(chǎn)水量由8651.52 m3/hm2上升至8 873.95 m3/hm2。由情境3的模擬結(jié)果來(lái)看，耕地面積減少，城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)1倍，年均產(chǎn)水深將增長(zhǎng)到 1 002.22 mm，最大產(chǎn)水量為12243.12 m3/hm2，最小產(chǎn)水量為5838.43 m3/hm2。

圖2 3種情景下的海南島年產(chǎn)水量空間分布

表2 海南島各市(縣)產(chǎn)水量

由以上分析可知城市建成區(qū)面積的擴(kuò)展，林地和耕地面積的下降對(duì)海南島年均產(chǎn)水量有較大影響。熱帶森林具有很深的根系，能夠吸取深層土壤的水分;且林地土壤的滲透性強(qiáng)，對(duì)降雨有較強(qiáng)的攔截作用。耕地較于林地對(duì)降雨的攔截能力較弱，根系較淺，因此當(dāng)耕地轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地時(shí)，產(chǎn)水量的增加量小于林地轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地的增加量。城市建成區(qū)的地表一般由混凝土、瀝青、水泥等構(gòu)成，下滲幾乎為零。隨著區(qū)域城市化快速發(fā)展，城區(qū)面積不斷擴(kuò)大，大面積的天然植被和耕地被住宅、街道、工廠等商業(yè)用地代替，蒸散減少，地下水位降低，不透水面積也將大量增加［18-20］。城市化過(guò)程破壞了土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤含水量，因此城市建成區(qū)的產(chǎn)水量較大。

3.3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)中國(guó)水資源公報(bào)、海南省水資源公報(bào)、海南省統(tǒng)計(jì)年鑒以及海南島各個(gè)水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)徑流量等相關(guān)數(shù)據(jù)，情景1的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致。各個(gè)市(縣)多年產(chǎn)水量模擬值的相對(duì)誤差在0.9%～36.1%之間。

4 結(jié)論

a.海南島水資源豐富，但時(shí)空分布不均，年均產(chǎn)水深可達(dá)979.04 mm。中部地區(qū)產(chǎn)水量最多，產(chǎn)水量可達(dá)12239.67 m3/hm2，西部地區(qū)產(chǎn)水量最少，產(chǎn)水量?jī)H為5021.18 m3/hm2。

b.當(dāng)林地面積逐漸減少、城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)1倍時(shí)，產(chǎn)水量的增加量最大，年均產(chǎn)水深可達(dá)1004.06 mm，最大產(chǎn)水量和最小產(chǎn)水量分別為12744.99 m3/hm2和5392.16 m3/hm2。

c.當(dāng)耕地面積逐漸減少，城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)1倍時(shí)，年均產(chǎn)水深增加到1 002.22 mm，最大產(chǎn)水量和最小產(chǎn)水量分別為12 243.12 m3/hm2和5838.43 m3/hm2。

d.不同土地利用/覆蓋方式的轉(zhuǎn)換，其水文效應(yīng)有較大的差別。其中林地向城市建成區(qū)轉(zhuǎn)化，其產(chǎn)水增加量最大，水文效應(yīng)的敏感性也最高。海南島城市排水系統(tǒng)較為脆弱，內(nèi)澇頻繁。暴雨期間，多地道路被水淹沒(méi)。因此，隨著海南島國(guó)際旅游島的建設(shè)，城市面積的擴(kuò)展應(yīng)將產(chǎn)水量等水文因子考慮在內(nèi)，對(duì)水資源進(jìn)行合理的規(guī)劃和管理，確定合適的城市規(guī)模和發(fā)展速度，盡量減少對(duì)林地的侵占，增加城市綠化面積，從而減少不透水面積的增加，增強(qiáng)城市的防洪抗災(zāi)能力。

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Simulation of spatial distribution of water yield of Hainan Island with different types of land use/land cover

WU Zhe1，2，3，CHEN Xin1，2，LIU Beibei1，2，CHU Jinfeng4，PENG Lixu1
(1.Environment and Plant Protection Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Haikou 571101，China;2.Environmental Assessment and Risk Analysis Center，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Haikou 571101，China;3.College of Environment and Plant Protection，Hainan University，Haikou 570228，China;4.School of Urban Construction，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)

In this study，the InVEST model was used to simulate the spatial distribution of water yield of Hainan Island under conditions of changing land use/land cover types in three scenarios according to the principle of water balance.The results show that the annual average water yield depth of Hainan Island was 979.04mm.The central area of the island had the highest water yield and the western area had the lowest water yield.When the forest area was gradually reduced and the urban built-up area was doubled，the water yield increased most significantly，with an annual average water yield depth of 1 004.06 mm.When the cultivated area was gradually reduced and the urban built-up area was doubled，the annual average water yield depth reached 1002.22mm.

water yield;InVEST model;land use/land cover;Hainan Island

TV213.4

A

1004-6933(2014)03-0009-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.003

中央級(jí)公益性科研院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1630042013018);中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院本級(jí)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1630042014004)

吳哲(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。E-mail:zhoushanshi@163.com

彭黎旭，研究員。E-mail:Penglixu@hotmail.com

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(收稿日期:2013-10-10 編輯:徐 娟)