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    基于InVEST模型的太湖流域水源涵養(yǎng)能力評價及其變化特征分析

    2018-05-28 03:40:23顧晉飴李一平
    水資源保護(hù) 2018年3期
    關(guān)鍵詞:產(chǎn)水量太湖流域產(chǎn)水

    顧晉飴,李一平,杜 薇

    (1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098; 3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042)

    生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成和維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用。它包括各類生態(tài)系統(tǒng)提供的食物和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原料,支撐了地球的生命保障系統(tǒng),維持生命物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)與水文循環(huán)[1-3]。水源涵養(yǎng)和水資源供給是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要服務(wù)類型,生態(tài)系統(tǒng)水資源供給服務(wù)可以采用產(chǎn)水量進(jìn)行評價。氣候及土地利用/覆被變化會影響蒸散發(fā)、滲透和截留量。近幾十年來,氣候變化和頻繁的人類活動,特別是城鎮(zhèn)化和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展引起了土地利用/覆被變化,已經(jīng)對流域水文過程產(chǎn)生了劇烈影響,對地區(qū)水源涵養(yǎng)能力產(chǎn)生了深刻影響。太湖流域是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、社會發(fā)展最具活力的區(qū)域之一。生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能對水資源的規(guī)劃管理和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義,定量描述生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的功能能夠?yàn)榱饔蛏鷳B(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。國內(nèi)外針對歷史時期太湖流域的水文循環(huán)已有一些相關(guān)研究,但時間序列相對較短,且因不同學(xué)者的出發(fā)點(diǎn)和聚焦點(diǎn)不同,針對較長時段的太湖水源涵養(yǎng)能力的計(jì)算及其變化特征的描述十分匱乏。本研究以太湖流域?yàn)榭臻g尺度,以25年為時間尺度,基于InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)產(chǎn)水量模型計(jì)算得到的產(chǎn)水量評價水源涵養(yǎng)能力,分析其時空變化特征,以期為進(jìn)一步研究提供支持。

    1 研究區(qū)域概況與研究方法

    1.1 研究區(qū)域概況

    太湖流域位于我國東部長江三角洲區(qū)域(圖1),北抵長江,東臨東海,南濱錢塘江,西倚天目山、茅山等,面積約3.69萬km2。區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),年均氣溫15~17℃。多年平均降水量為1 180 mm。地勢呈西高東低,四周高中間低,西部是上游山區(qū)獨(dú)立水系,東部為下游平原河網(wǎng)水系。在水資源三級分區(qū)中,劃分了湖西及湖區(qū)、武陽區(qū)、杭嘉湖區(qū)和黃浦江區(qū)4個區(qū)域。2015年太湖流域總?cè)丝诩s5 997萬人,占全國總?cè)丝?.4%,GDP為66 884 億元,占全國GDP的9.9%[4]。

    圖1 太湖流域地理位置及水系分布

    1.2 研究方法

    1.2.1 產(chǎn)水量模型

    采用InVEST產(chǎn)水量模型計(jì)算產(chǎn)水量,該模型由斯坦福大學(xué)、世界自然基金會和大自然保護(hù)協(xié)會于2007年聯(lián)合開發(fā),用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估。它由多個子模塊組成,其中產(chǎn)水量模型是重要的基礎(chǔ)模塊之一,目前的應(yīng)用研究多趨向于大尺度,如區(qū)域、地區(qū)乃至全球尺度[5]。相對于其他水文模型,InVEST產(chǎn)水量模型依托于地理信息系統(tǒng),在空間分析與展示上具有優(yōu)勢。

    InVEST產(chǎn)水量模型主要基于Budyko理論和水量平衡原理。蘇聯(lián)氣候?qū)W家Budyko在研究全球水量和能量平衡時,指出陸面長期平均的蒸散發(fā)主要由大氣對陸面的水分供給(降水量)和蒸發(fā)需求(凈輻射量或潛在蒸散發(fā)量)之間的平衡來決定[6-9]。InVEST3.3.2中產(chǎn)水量模型運(yùn)行基于柵格數(shù)據(jù),只考慮單個柵格的產(chǎn)水量,不考慮柵格之間產(chǎn)水量的計(jì)算,對流域內(nèi)不同土地利用/覆被(柵格單元)的產(chǎn)水量進(jìn)行計(jì)算,匯總得到流域及各子流域的產(chǎn)水量。將地表徑流和地下水補(bǔ)給均看作生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水量,因此不考慮地表水和地下水之間的時空轉(zhuǎn)換,由此得到的產(chǎn)水量,即降水量減去蒸散發(fā)。模型參數(shù)包括年均降水量、年均參考蒸散發(fā)量、植被有效含水量、根限制層深度(用土壤深度代替)、根系深度、植被蒸散發(fā)系數(shù)以及土地利用類型分布等。其中,降水量、蒸散發(fā)量采用多年平均時段的參數(shù)值。

    采用InVEST模型計(jì)算不同土地利用類型單元格上的產(chǎn)水量,計(jì)算公式[10]為

    (1)

    式中:Yxj為柵格單元x中植被類型為j的年產(chǎn)水量;AETxj為柵格單元x中植被類型為j的蒸散發(fā)量;Px為柵格單元x的年平均產(chǎn)水量。

    (2)

    式中:PETx為潛在蒸散發(fā);wx為描述自然氣候與土壤性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),即修正植被年需水量與降水量的比值,InVEST3.3.2中模型對wx參數(shù)進(jìn)行較大修正,以更適應(yīng)全球范圍的應(yīng)用,見式(3)。模型中設(shè)定wx最小值為常數(shù)1.25,即對應(yīng)裸土(根系深度為0)的wx值,wx最大值為5。

    (3)

    式中:Z為張系數(shù),是表征當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓卣鞯慕?jīng)驗(yàn)常數(shù),是模型的關(guān)鍵參數(shù),與年均降水事件數(shù)密切相關(guān),對于降水總量相等的區(qū)域,降水次數(shù)越多,則Z值越大,適應(yīng)于降水具有明顯季節(jié)變化且降水次數(shù)較多(一個季節(jié)大約100次降水)的區(qū)域;AWCx為植物有效含水量,一般是指土壤在一定深度內(nèi)能夠貯藏的并能被植物利用的那部分水的數(shù)量,基于土壤紋理和有效根系深度得到。

    1.2.2 數(shù)據(jù)來源和處理

    InVEST模型所需數(shù)據(jù)包括土地利用/覆被、年降水量、年潛在蒸散發(fā)量、根限制層深度、植被可利用水分、集水區(qū)和子集水區(qū)以及反映每種土地利用/覆被屬性的表格。

    a. 土地利用/覆被。對全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)中的中國5年間隔陸地生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)集(1990—2010)進(jìn)行裁剪得到太湖流域5期土地利用/覆被分布圖(圖2)。該數(shù)據(jù)集基于1990年、1995年、2000年、2005年和2010年衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),結(jié)合地面調(diào)查研發(fā),經(jīng)過分類處理得到,空間分辨率為100 m。

    b. 降水量與參考蒸散發(fā)。年降水量采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國地面降水月值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集(V2.0)累加得到,格點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好[12]。模型所需降水?dāng)?shù)據(jù)采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年5期土地利用/覆被條件下對應(yīng)年份的前后共5年的均值,即1990年土地利用/覆被對應(yīng)年降水為1987年9月—1992年8月的年均降水量,1995年土地利用/覆被對應(yīng)年降水為1992年9月—1997年8月的年均降水量,依次類推(圖3)。

    參考蒸散發(fā)是影響作物蓄水量估算的關(guān)鍵因素。目前估算參考蒸散發(fā)的方法主要有Penman-Monteith(PM)、Hargreaves(HG)、Thornthwaite法,Modified-Hargreaves法,Hamon法等。其中Penman-Monteith是由FAO推薦,是受到普遍認(rèn)可的潛在蒸散發(fā)計(jì)算公式為

    (4)

    式中:ET0為參考騰發(fā)量;Rn為冠層表面凈輻射;T為平均氣溫;ea為飽和水汽壓;ed為實(shí)際水汽壓;Δ為飽和水汽壓與氣溫關(guān)系曲線在處的切線斜率;γ為濕度計(jì)常數(shù);U2為2 m高處的風(fēng)速。

    (a) 1990年

    (b) 1995年

    (c) 2000年

    (d) 2005年

    (e) 2010年

    (a) 1990年

    (b) 1995年

    (c) 2000年

    (d) 2005年

    選取太湖流域及其附近的23個站點(diǎn)1987年9月—2012年8月的平均風(fēng)速、日照時數(shù)、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對濕度、日最高大氣壓和日最低大氣壓等氣象資料,計(jì)算得到各站點(diǎn)逐日參考蒸散發(fā),取5年平均得到對應(yīng)時刻的年均參考蒸散發(fā),最終通過反距離權(quán)重法空間差值得到研究區(qū)的年均參考蒸散發(fā)的分布特征。

    c. 根限制深度。指由于物理或化學(xué)特性的影響而強(qiáng)烈阻礙根系穿透時的土壤深度。根限制深度用土壤深度替代。土壤深度數(shù)據(jù)來自面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集的soil profile depth PDEP.nc數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)為柵格格式,空間分辨率為30″。此數(shù)據(jù)集的源數(shù)據(jù)來自第二次土壤普查的1∶100萬中國土壤圖和8 595個土壤剖面。數(shù)據(jù)集包括了全國范圍內(nèi)的土層厚度、土壤密度、土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)等數(shù)據(jù)[13]。考慮到數(shù)據(jù)集中水體為無數(shù)據(jù),結(jié)合土地利用類型,將水體(水庫和河流)和人工硬表面(聚落)的土壤深度設(shè)定為0,最終得到土壤深度圖。

    d. 植被可利用水分。指土壤在一定深度內(nèi)儲存的能被植物所利用的那部分水量。一般植被有效含水量可用田間持水量和永久萎蔫系數(shù)之間的插值來估算,InVEST3.3.2中植被有效含水量的取值范圍為0~1,采用周文佐[14]的基于土壤質(zhì)地和土壤有機(jī)質(zhì)的非線性擬合模型估算。

    e. 生物物理參數(shù)。土地利用/覆被的生物物理因子包括代碼、名稱描述、植被最大根系深度和植被蒸散發(fā)系數(shù)。植被蒸散發(fā)系數(shù)用來調(diào)整參考蒸散發(fā)從而得到潛在蒸散發(fā)。對于作物而言,該系數(shù)可以通過聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的灌溉與園藝手冊查詢,取值范圍為0~1.5。實(shí)際蒸散發(fā)計(jì)算代碼用于判別土地利用類型是否為植被覆蓋,用于蒸散發(fā)的計(jì)算。InVEST產(chǎn)水量模型部分參數(shù)見表1。此外,模型還需輸入張系數(shù),其值的范圍為1~20,基于太湖流域自然地理特點(diǎn),參考相關(guān)文獻(xiàn)將其取值為6.5[15]。

    2 結(jié)果與分析

    結(jié)合研究區(qū)自然地理及社會經(jīng)濟(jì)特點(diǎn),根據(jù)模型計(jì)算可得,影響水源涵養(yǎng)能力最主要的驅(qū)動因素為降水量和土地利用/覆被。

    表2為太湖流域各區(qū)不同時期年降水量。由圖3和表2可知,總體上4個區(qū)域的年降水量在時間序列變化趨勢上是一致的,均在1995年和2005年出現(xiàn)了下降,其中2005年降幅最大,即氣候的波動性最大。2010年降水量基本維持了1990年的水平,杭嘉湖區(qū)因?yàn)樽匀坏乩項(xiàng)l件的差別,其降水量最大,時間趨勢上波動幅度也最大。從空間分布上,降水量整體上呈自北向南增大趨勢。每個年份降水量空間分布差異性較大,1990、2005年為自東北向西南增大趨勢,1995、2000年為自西北向東南增大趨勢,2010年為自北向南增大趨勢。

    表2 太湖流域各區(qū)不同時期年降水量 mm

    表3為太湖流域不同時期土地利用/覆被類型比例變化情況。農(nóng)田為主要優(yōu)勢的土地利用/覆被類型,森林和水體濕地次之,草地和其他兩種類型所占比例最小,均小于0.5%。但是,農(nóng)田所占比例呈逐年下降趨勢,累計(jì)下降超過了總面積的12%;森林所占比例基本穩(wěn)定,波動較??;草地總體呈下降趨勢,自2000年以來,面積占比穩(wěn)定在0.44%;水體濕地所占比例則呈連續(xù)上升趨勢,但增長幅度不大,共增加了總面積的0.73%;聚落面積則大幅增加,累計(jì)增加超過總面積的10%;其他類型面積變化幅度不大,較為穩(wěn)定。從時間序列上分為4個階段:1990—1995年為第一階段,1995—2000年為第二階段,2000—2005年為第三階段,2005—2010年為第四階段。第三階段是4個階段中變化劇烈的時段。

    表3 太湖流域不同時期土地利用/覆被類型比例變化情況 %

    分析4個階段不同土地利用/覆被類型之間的相互轉(zhuǎn)換情況,可以看出農(nóng)田被大幅度占用,聚落特別是建設(shè)用地大幅增加。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口的增多,工業(yè)化與城市化的發(fā)展、交通建設(shè)用地增加與農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整是農(nóng)田減少的主要原因。耕地的大量流失是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)面臨的普遍問題,表明經(jīng)濟(jì)是耕地?cái)?shù)量變化的最主要的驅(qū)動因素之一[16-17]。太湖流域以耕地減少為主的土地利用變化深受包括開放沿海城市、房地產(chǎn)改革和沿江發(fā)展戰(zhàn)略等國家宏觀政策影響[18-20]。

    基于InVEST3.3.2產(chǎn)水量模型得到5期產(chǎn)水量分布(圖4)及4個分區(qū)的產(chǎn)水量統(tǒng)計(jì)(表4)。1990年太湖流域產(chǎn)水量為286.1億m3,單位面積生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水能力為493~1 306 mm,均值為775 mm;從單位面積產(chǎn)水能力來看,整體上產(chǎn)水量由東北向西南遞增趨勢。山區(qū)丘陵地帶較平原地帶產(chǎn)水量相對較高。單位面積產(chǎn)水量從大到小排序?yàn)楹技魏^(qū)、湖西及湖區(qū)、黃浦江區(qū)和武陽區(qū)。杭嘉湖區(qū)受海洋影響較大,產(chǎn)水量較其他3個分區(qū)高;武陽區(qū)靠近內(nèi)陸,受海洋氣候影響相對較小,單位面積產(chǎn)水量最小。1995年太湖流域產(chǎn)水量為255.3億m3,單位面積生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水能力為270~1 351 mm,均值為691 mm;從單位面積產(chǎn)水能力來看,整體上產(chǎn)水量呈由西北向東南遞增趨勢,其余空間分布特征與1990年相似;與1990年相比,絕大部分區(qū)域的單位面積生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水能力在減少。2000年太湖流域產(chǎn)水量為324.7億m3,單位面積生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水能力為473~1 455 mm,均值為880 mm;從單位面積產(chǎn)水能力來看,整體上產(chǎn)水量由西北向東南遞增趨勢,產(chǎn)水能力較1990和1995年大幅增加,增幅超過10%。2005年太湖流域產(chǎn)水量為227.7億m3,單位面積生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水能力為291~1 062 mm,均值為617 mm;從單位面積產(chǎn)水能力來看,整體上產(chǎn)水量由東北向西南遞增趨勢,產(chǎn)水能力較1990—2005年大幅減少。2010年太湖流域產(chǎn)水量為276.0億m3,單位面積生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水能力為280~1 398 mm,均值為748 mm;從單位面積產(chǎn)水能力來看,整體上產(chǎn)水量由北向南遞增趨勢,產(chǎn)水能力與1990年大致持平,但空間分布較1990年區(qū)別很大,差異性和不均衡性較1990年大。

    表4 太湖流域各區(qū)產(chǎn)水量統(tǒng)計(jì) mm

    1990—2010年,太湖流域產(chǎn)水量波動性明顯。總體上,山區(qū)丘陵地帶較平原地帶產(chǎn)水量大。單位面積產(chǎn)水量從大到小排序?yàn)楹技魏^(qū)、湖西及湖區(qū)、黃浦江區(qū)和武陽區(qū)。4個分區(qū)在時間序列變化趨勢上是一致的,均在1995年和2005年出現(xiàn)了下降,其中2005年降幅最大。單位面積產(chǎn)水量與降水量空間分布特征相一致,其大小變化與降水量高度相關(guān)。對4個分區(qū)年降水量和產(chǎn)水量相關(guān)性進(jìn)行分析,其確定性系數(shù)R2從大到小排序?yàn)椋狐S浦江區(qū)、武陽區(qū)、杭嘉湖區(qū)和湖西及湖區(qū)。這是因?yàn)辄S浦江區(qū)和杭嘉湖區(qū)人類活動作用巨大,建設(shè)用地快速增加,杭嘉湖區(qū)同時受到海洋性氣候影響,而湖西及湖區(qū)則存在丘陵山地,土地利用/覆被類型復(fù)雜。特別值得注意的是,產(chǎn)水量空間分布的差異性和不均衡性正在增大,聚落特別是建設(shè)用地增加使產(chǎn)水量增加,即增加了區(qū)域水源涵養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)功能??傮w上,降水量對產(chǎn)水量的影響要大于土地利用/覆被。有關(guān)自然資源管理的決定應(yīng)該圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的相互協(xié)同作用兩個方面開展[18-20]。

    (a) 1990年 (b) 1995年 (c) 2000年

    (d) 2005年 (e) 2010年

    3 結(jié) 論

    將InVEST產(chǎn)水量模型應(yīng)用于太湖流域,得到1990—2010年每5年共5期的水源涵養(yǎng)能力即產(chǎn)水量變化情況。結(jié)果表明:太湖流域總產(chǎn)水量為227.7~324.7億m3,波動性明顯。山區(qū)丘陵地帶較平原地帶產(chǎn)水量大,南部地區(qū)較北部產(chǎn)水量大。單位面積產(chǎn)水量從大到小排序?yàn)楹技魏^(qū)、湖西及湖區(qū)、黃浦江區(qū)和武陽區(qū),這是自然地理特征和人類活動共同作用的結(jié)果。4個分區(qū)在時間序列變化趨勢上是一致的??傮w上,降水量對產(chǎn)水量的影響要大于土地利用/覆被。

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