基于InVEST模型的大凌河上游匯水區(qū)水源涵養(yǎng)功能評(píng)估

王 耕, 韓冬雪

(遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院， 遼寧 大連 116029)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)為維持人類生存與發(fā)展所提供必不可少的環(huán)境條件與效用[1]，是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有收益[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有多樣性，千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(millennium ecosystem assessment, MA)將其分為調(diào)節(jié)服務(wù)、供給服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)，它既為人類生存與發(fā)展提供基礎(chǔ)保障，也能維持與協(xié)調(diào)自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)過程與區(qū)域生態(tài)環(huán)境[3]。水源涵養(yǎng)作為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)中重要一項(xiàng)，近年來備受學(xué)者關(guān)注。

InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型由美國斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)、世界自然資金會(huì)共同開發(fā)，可將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定量化、價(jià)值化，并以地圖的形式表現(xiàn)出來，輸出結(jié)果的空間化表達(dá)使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要區(qū)域易于識(shí)別[4]。國外學(xué)者對(duì)InVEST模型的研究比較成熟，該模型在美國加利福尼亞州、夏威夷群島、拉丁美洲的亞馬遜流域和非洲坦桑尼亞等地區(qū)研究中應(yīng)用，水源涵養(yǎng)模塊被Mansoor等[5]，Neson等[6]應(yīng)用于西非加納和科特迪瓦、美國俄勒岡州的威拉米特河流域，進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估。近年來InVEST模型在國內(nèi)廣泛發(fā)展，起初研究多以InVEST模型的研究進(jìn)展與原理為主[7-9]，現(xiàn)階段延伸到水土保持模塊[10]、碳儲(chǔ)量模塊[11]及水源涵養(yǎng)模塊。陳駿宇等[12]、潘韜等[13]、張雪峰等[14]分別對(duì)太湖流域、三江源區(qū)、內(nèi)蒙古錫林河流域水源涵養(yǎng)功能及空間分布特征進(jìn)行評(píng)估，Zhang等[15]將InVEST模型應(yīng)用于西苕溪小流域地區(qū)，分析其產(chǎn)水量功能。InVEST模型可將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值量空間化，不僅為學(xué)者研究提供便利，而且為決策者制定決策方針提供科學(xué)依據(jù)。

十九大報(bào)告提出，加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國。近年來中國生態(tài)建設(shè)成效較為顯著，生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙、調(diào)蓄洪水等功能不斷增強(qiáng)，但眾多環(huán)境問題依舊存在，如水土流失、沙漠化等。大凌河流域作為遼河重要水源區(qū)、遼西地區(qū)最大河流，在調(diào)蓄洪水、增補(bǔ)地下水、提供城市用水方面作用顯著。該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)環(huán)境惡劣，水土流失問題顯著。本文擬以大凌河流域上游匯水區(qū)為研究區(qū)，評(píng)估其水源涵養(yǎng)功能及空間異質(zhì)性，以期為大凌河流域水源管理、制定決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大凌河流域位于118°50′—121°20′E，40°24′—42°20′N。發(fā)源于遼寧省凌源縣打鹿溝，流經(jīng)朝陽、義縣后于錦縣東南注入渤海。地處內(nèi)蒙古黃土高原與松遼平原結(jié)合處，屬于土石低山丘陵區(qū)?？邕|寧、內(nèi)蒙古、河北3省，主要支流有老虎山河、牤牛河、西河等。全長397.4 km，流域面積2.35×104km2。本文研究區(qū)為大凌河上游匯水區(qū)，面積為9 330.59 km2。研究區(qū)屬北溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量介于450～580 mm，暴雨集中，洪澇災(zāi)害較為頻繁，流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，河流含沙量大。2016年大凌河流域地表水資源為6.06×108m3，地下水資源為5.99×108m3。大凌河流域在蓄水調(diào)洪、水源供給、城市工業(yè)用水中起到關(guān)鍵作用。

2 InVEST模型水源涵養(yǎng)模塊

2.1 水源涵養(yǎng)模塊原理

InVEST模型中水源涵養(yǎng)模塊是基于水量平衡原理估算產(chǎn)水量，結(jié)合研究區(qū)地形、氣候、土壤深度、土地利用類型等因素，運(yùn)用降水量減去實(shí)際蒸發(fā)量來計(jì)算柵格水源涵養(yǎng)量。水源涵養(yǎng)模塊基于Budyko水熱耦合平衡假設(shè)和年平均降水量。水源涵養(yǎng)量計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：Rxj——第j類土地利用類型在柵格單元x的干燥度指數(shù)，無量綱，為蒸散量與降水量的比值；ωx——自然氣候—土壤性質(zhì)的非物理參數(shù)(無量綱)，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：AWCx——柵格單元x的植被可利用水含量(mm)，由土壤質(zhì)地和土壤有效深度決定，確定土壤為植物生長提供的水量；Z——Zhang系數(shù)。

(4)

式中：ET0——潛在蒸散量(mm/d)；k——蒸散系數(shù)，由LAI(植被葉面積指數(shù))獲得。

2.2 模型數(shù)據(jù)及參數(shù)

InVEST模型水源涵養(yǎng)模塊所需數(shù)據(jù)分別為降雨量、潛在蒸散量、土壤深度、植被可利用水含量、土地利用/土地覆被、流域及子流域，Zhang系數(shù)。模塊中所需數(shù)據(jù)圖地理坐標(biāo)均為Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_41。數(shù)據(jù)來源見表1—2。

表1 大凌河流域土壤數(shù)據(jù)

2.2.1 降雨量 根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)2015年大凌河流域內(nèi)15個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算年平均降雨量值，通過ArcGIS軟件進(jìn)行Kriging插值，得到降雨量柵格圖。

2.2.2 潛在蒸散量 本文選取Modified-Hargreaves法公式[17]計(jì)算潛在蒸散量，其公式為：

ET0= 0.001 3×0.408×RA×(Tavg+17)×

(TD-0.012 3P)0.76

(5)

式中：RA——太陽大氣頂層輻射〔MJ/(m2·d)〕；Tavg——日最高氣溫均值和日最低氣溫均值的均值(℃)； TD——日最高氣溫均值與日最低氣溫均值的差值(℃)，其中太陽大氣頂層輻射、氣溫?cái)?shù)據(jù)均由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得，通過ET0公式計(jì)算后，由ArcGIS軟件空間分析模塊Kriging插值得到所需潛在蒸散量柵格圖。

2.2.3 土壤深度 土壤深度數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(harmonized world soil database version)(http:∥www.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/HTML/)。在ArcGIS中經(jīng)空間分析、轉(zhuǎn)換工具模塊處理，獲得土壤深度圖層。

2.2.4 植被可利用水含量 植被可利用水含量可評(píng)估土壤為植被生長所儲(chǔ)蓄的總水量，也可確定田間持水量和萎蔫點(diǎn)的差值[18]。計(jì)算公式選取周文佐等[19]所提出的AWC模型進(jìn)行估算，公式如下：

AWC= 〔54.509-0.132×SAN-0.03×SAN2-

0.055×SIL-0.006×SIL2-0.738×

CLA+0.07×CLA-2.688×C+

0.501×C2〕×100%

(6)

式中：SAN——土壤的沙粒含量(%)； SIL——土壤的粉粒含量(%)； CLA——土壤的黏粒含量(%)；C——土壤的有機(jī)質(zhì)含量(%)。

大凌河流域土壤數(shù)據(jù)如表1所示。將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)公式(6)計(jì)算后，運(yùn)用ArcGIS空間分析模塊中Kriging插值功能，得到所需植被可利用水含量圖層。

2.2.5 土地利用/土地覆被 基于地理空間數(shù)據(jù)云Landsat 8所提供的研究區(qū)2015年分辨率30 m遙感影像圖，在ENVI軟件中分別通過幾何校正、融合、鑲嵌、裁剪處理，采用監(jiān)督分類方法進(jìn)行解譯，將研究區(qū)土地利用類型分為林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)及工礦用地、水域及水利設(shè)施和其他用地6類。

2.2.6 流域、子流域劃分 基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件平臺(tái)空間分析模塊中的水文分析，分別進(jìn)行填洼、流向、流量、河流鏈接、柵格計(jì)算器及分水嶺的處理。由于將流域劃分?jǐn)?shù)量較多時(shí)，模型運(yùn)行后，部分柵格單元數(shù)據(jù)缺失，經(jīng)過多次模型運(yùn)行及調(diào)整，最終將研究區(qū)劃分為162個(gè)流域和283個(gè)子流域。

2.2.7 Zhang系數(shù) Zhang系數(shù)，是表征降水特征的常數(shù)[14]。Zhang系數(shù)可以通過Z=0.2N計(jì)算，N表示降水事件，Zhang系數(shù)受年降水次數(shù)影響，年降水次數(shù)越多值越大，其范圍為1～30。模型默認(rèn)值5，本文根據(jù)研究區(qū)年平均降雨量和年降水次數(shù)，以及水源涵養(yǎng)模型的運(yùn)行與校正，最終本文采用Zhang系數(shù)值為22.5。

表2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)量評(píng)估

大凌河作為遼寧省朝陽市重要水源涵養(yǎng)區(qū)，為朝陽市提供生活用水、工業(yè)用水。對(duì)大凌河水源涵養(yǎng)量的評(píng)估對(duì)朝陽市的生產(chǎn)生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。近年來張丹等[20]、吳麗等[21]、劉鑫等[22]研究發(fā)現(xiàn)，大凌河上游地區(qū)徑流呈顯著的下降趨勢(shì)，大凌河上游地區(qū)水源涵養(yǎng)量分析對(duì)大凌河流域水源涵養(yǎng)功能評(píng)估具有指導(dǎo)意義。

研究區(qū)2015年水源涵養(yǎng)量分布不均，水源涵養(yǎng)深度最低值、最高值分別為63.33，410.6 mm，水源涵養(yǎng)總量達(dá)1.823×109m3。根據(jù)ArcGIS軟件平臺(tái)自然斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks)將研究區(qū)水源涵養(yǎng)量劃分5級(jí)(如圖1所示)。

圖1 大凌河流域水源涵養(yǎng)量空間分布

內(nèi)蒙古寧城縣西部、敖漢及河北平泉縣處于水源涵養(yǎng)量低值區(qū)，大凌河干流、老虎山河及深井河等支流地區(qū)水源涵養(yǎng)量較高，水源涵養(yǎng)量為293.03～410.6 mm，但覆蓋面積較小。遼寧省凌源市北部、建平縣西南、喀喇沁左翼蒙古族自治縣東北部水源涵養(yǎng)量相對(duì)較高，其他地區(qū)水源涵養(yǎng)高值、低值均有分布且分布零散。

3.2 水源涵養(yǎng)重要性評(píng)估

3.2.1 水源涵養(yǎng)歸一化等級(jí)劃分 依據(jù)所得2015年研究區(qū)水源涵養(yǎng)量圖，按照統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)，在ArcGIS軟件平臺(tái)下對(duì)研究區(qū)水源涵養(yǎng)量進(jìn)行歸一化處理[23]，劃分方法如下：

Yij=(Yijx-minYij)/(maxYij-minYij)

(7)

式中：Yij——標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量；Yijx——柵格單元生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量； minYij——生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量最小值； maxYij——生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量最大值。

在ArcGIS平臺(tái)中將標(biāo)準(zhǔn)化處理的水源涵養(yǎng)量依據(jù)分位數(shù)分類方法劃分為5級(jí)，分別是0～0.2(低)，0.21～0.4(較低)，0.21～0.6(中)，0.61～0.8(較高)，0.81～1(高)，如圖2所示。

圖2 大凌河流域水源涵養(yǎng)等級(jí)劃分

水源涵養(yǎng)等級(jí)較高區(qū)位于喀喇沁左翼蒙古族自治縣中部、北部，朝陽縣北部亦有分布，2個(gè)區(qū)域植被覆蓋率較高，有助于截留作用，促使水源涵養(yǎng)量增加。水源涵養(yǎng)等級(jí)較低區(qū)為內(nèi)蒙古寧城縣、敖漢旗北部、河北平泉縣，該地區(qū)森林覆蓋率相對(duì)較低，截留率低，降水量少且蒸散量較高，至使此部分地區(qū)水源涵養(yǎng)量少，等級(jí)低。從研究區(qū)總體來看，水源涵養(yǎng)中等級(jí)占據(jù)面積大，分布范圍廣，低等級(jí)與高等級(jí)區(qū)覆蓋面積小。

研究區(qū)水源涵養(yǎng)等級(jí)面積如圖3所示。水源涵養(yǎng)低等級(jí)地區(qū)，面積為262.59 km2，占研究區(qū)總面積的2.8%，較低等級(jí)區(qū)所占面積為2 139.64 km2，占研究區(qū)面積的22.9%，中等級(jí)、較高等級(jí)覆蓋面積較高，分別為3 234.15，2 599.08 km2，所占比例分別為34.7%，27.9%，高等級(jí)區(qū)面積為1 095.29 km2，比例為11.7%。通過面積及所占比例可知，研究區(qū)水源涵養(yǎng)程度大部分處于中等級(jí)別，高等級(jí)所占面積較小，作為遼河重要組成部分，朝陽市重要水源區(qū)，水源需得到有效管理及利用。

圖3 大凌河流域水源涵養(yǎng)等級(jí)面積

3.2.2 水源涵養(yǎng)重要性空間分級(jí) 為了劃分研究區(qū)水源涵養(yǎng)重要區(qū)，參考《生態(tài)功能紅線劃定技術(shù)指南》分級(jí)方法，在ArcGIS軟件中運(yùn)用分位數(shù)分類方法，對(duì)研究區(qū)水源涵養(yǎng)重要性進(jìn)行5級(jí)分類，分別為一般重要區(qū)〔0～115 m3/(hm2·a)〕，較重要區(qū)〔115～145 m3/(hm2·a)〕，中度重要區(qū)〔145～175 m3/(hm2·a)〕，高度重要區(qū)〔175～215 m3/(hm2·a)〕，極重要區(qū)〔>215 m3/(hm2·a)〕。

劃分結(jié)果(圖4)表明，敖漢旗中部為高度重要區(qū)，一般重要區(qū)分布于該地周邊；寧城縣西南部為一般重要區(qū)，東北部為高度重要區(qū)；平泉縣整體為一般重要區(qū)，較重要區(qū)零星分布其中；朝陽縣極重要區(qū)占據(jù)較大區(qū)域，中部為較重要區(qū)；喀喇沁左翼蒙古族自治縣東北部為水源涵養(yǎng)極重要區(qū)，其他級(jí)別分區(qū)均有分布。高度重要、極重要的區(qū)域視為重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，朝陽縣與喀喇沁左翼蒙古族自治縣東北部交界處，凌源市北部，為研究區(qū)重要水源涵養(yǎng)區(qū)，該地區(qū)年平均降雨量相對(duì)大，潛在蒸散量小，且部分處于大凌河干流地區(qū)，水系較發(fā)達(dá)，年徑流量大，水源涵養(yǎng)量高。受降水和潛在蒸散量等因素的影響，重要區(qū)在研究區(qū)中部地區(qū)分布相對(duì)集中，一般重要區(qū)受地形、潛在蒸散量的影響，分布于研究區(qū)山地及海拔較高地區(qū)。

圖4 大凌河流域水源涵養(yǎng)重要性分區(qū)

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水源涵養(yǎng)功能在人類福祉中起關(guān)鍵性作用。2015年大凌河上游地區(qū)水源涵養(yǎng)量為63.33～410.6 mm，水源涵養(yǎng)總量為1.823×109m3。水源涵養(yǎng)量與降水量呈正相關(guān)，與潛在蒸散量為負(fù)相關(guān)，除此之外也受土壤深度、植被覆蓋度、土地利用類型等因素的制約喀喇沁左翼蒙古族自治縣、朝陽縣西南部、大凌河干流及支流豐富地區(qū)水源涵養(yǎng)量較高，平泉縣寧城縣南部地區(qū)水源涵養(yǎng)量較低，水源涵養(yǎng)量空間分布不均。

(2) 依據(jù)歸一化等級(jí)劃分方法將研究區(qū)水源涵養(yǎng)量劃分為五級(jí)，其中中等和極高等面積廣泛，2個(gè)級(jí)別約占據(jù)整個(gè)研究區(qū)面積的62.5%?；趶搅?、植被覆蓋率等因素對(duì)水源涵養(yǎng)的影響，研究區(qū)水源涵養(yǎng)量差異較大。水源涵養(yǎng)量與該地區(qū)植被覆蓋度、農(nóng)作物生產(chǎn)、人們的生產(chǎn)生活之間相互影響、相互制約。

(3) 將研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行重要性分區(qū)，可知喀喇沁左翼蒙古族自治縣、朝陽縣西南部為重要水源涵養(yǎng)區(qū)。一般重要區(qū)主要分布在研究區(qū)西部等地，研究區(qū)水源涵養(yǎng)重要性分級(jí)空間分布差異明顯。

4.2 建 議

(1) 研究區(qū)為河流上游匯水區(qū)，該地區(qū)的水源涵養(yǎng)量保持對(duì)下游及整個(gè)流域起著決定性作用。植被利于截留作用，應(yīng)加強(qiáng)流域植被覆蓋建設(shè)，繼續(xù)實(shí)施退耕還林還草政策，積極推動(dòng)三北防護(hù)林工程發(fā)展，促進(jìn)水源涵養(yǎng)量增加。

(2) 建立生態(tài)保護(hù)紅線，確?！吨腥A人民共和國水法》一系列有關(guān)水源保護(hù)政策的有效實(shí)施，努力平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水源保護(hù)之間的關(guān)系，切實(shí)保護(hù)水源涵養(yǎng)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在維持水源涵養(yǎng)量的同時(shí)，也需注重大凌河上游地區(qū)水質(zhì)問題，保證水源不被污染。

(3) 本文劃分的水源涵養(yǎng)重要區(qū)，主要分布于研究區(qū)中部南部，要對(duì)水源涵養(yǎng)重要區(qū)實(shí)行優(yōu)先保護(hù)、重點(diǎn)保護(hù)，一般重要區(qū)分布于研究區(qū)周邊地區(qū)，因此要平衡好重點(diǎn)保護(hù)區(qū)與其他地區(qū)的關(guān)系。

自InVEST模型被國內(nèi)學(xué)者運(yùn)用以來，學(xué)者主要研究的模塊集中于水土保持、水源涵養(yǎng)、碳儲(chǔ)量，對(duì)其他模塊的研究較少。InVEST模型分為3個(gè)不同的層次，現(xiàn)階段研究大多停留在第一層定量的研究與第2層價(jià)值量的研究，在未來的研究中會(huì)有第3層次各種相關(guān)復(fù)雜模型的綜合運(yùn)用研究的延伸。模型由美國開發(fā)，中國與美國自然環(huán)境存在一定差異，今后在模型的運(yùn)用中，模型參數(shù)調(diào)整會(huì)進(jìn)一步考慮國內(nèi)自然等因素，使其在國內(nèi)得到更深入的發(fā)展。

InVEST模型水源涵養(yǎng)模塊默認(rèn)Zhang系數(shù)為5，本文經(jīng)多次模型運(yùn)行最終選取22.5為本文研究Zhang系數(shù)值，存在一定誤差。研究中土壤深度數(shù)據(jù)是由聯(lián)合國糧農(nóng)組織構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，為土壤參考深度，對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。