基于地表水與地下水分割校正的漓江流域水供給服務(wù)時(shí)空格局研究

劉 佳,肖 玉,*,張昌順,黃孟冬

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101

2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)過程和屬性中獲得的福祉[1],服務(wù)的供給能力直接關(guān)系著社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是否能持續(xù)運(yùn)行[2]。水供給服務(wù)是非常重要的生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)[3],一方面直接為人類生產(chǎn)生活提供水產(chǎn)品[4],另一方面為多種生態(tài)系統(tǒng)過程提供媒介,間接影響食物供給、氣候調(diào)節(jié)、景觀美學(xué)等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[5]。然而,受氣候、土地利用、水資源需求和養(yǎng)分循環(huán)變化等多重壓力因素的持續(xù)影響[6—7],水供給服務(wù)表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性和時(shí)間可變性。這些壓力因素將在未來幾十年內(nèi)持續(xù)增加[8],水供給服務(wù)的穩(wěn)定性面臨重大考驗(yàn)。因此,精確評(píng)估不同區(qū)域不同條件下的水供給服務(wù),根據(jù)實(shí)際情況校正水供給服務(wù)的空間分布,有助于提高區(qū)域水資源的管理水平,為未來水源地空間規(guī)劃和生態(tài)服務(wù)功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

產(chǎn)水量是衡量水供給服務(wù)能力的關(guān)鍵要素,其時(shí)空分布狀況直接影響著水供給服務(wù)的有效性和可獲得性[9]。定量評(píng)估產(chǎn)水量及其時(shí)空變化特征是水供給服務(wù)研究的核心與關(guān)鍵[10],GIS分析方法、水文物理模型、機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展為水供給服務(wù)定量化與空間化研究提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐[11—13]。目前,InVEST模型[14]、SWAT模型[15]、半分布式HSPF水文模型[16]等經(jīng)常被用于評(píng)估特定區(qū)域的產(chǎn)水量[17—19]。其中,InVEST模型憑借運(yùn)行參數(shù)少且空間表達(dá)清晰的優(yōu)勢(shì)已成為計(jì)算產(chǎn)水量的主流方法[20],其結(jié)果廣泛用于探究西北干旱區(qū)[21]、東北黑土區(qū)[22]、青藏高原三江源區(qū)[23]、黃土丘陵溝壑區(qū)[24—26]、秦嶺地區(qū)[27]、東亞季風(fēng)區(qū)[28]、云南復(fù)雜山區(qū)[29]等區(qū)域水供給服務(wù)的時(shí)空變化規(guī)律。然而,針對(duì)特殊地質(zhì)背景的水供給服務(wù)研究還比較少,尤其是關(guān)于喀斯特地區(qū)的研究更為少見。

作為全球典型的脆弱生態(tài)系統(tǒng)之一,喀斯特生態(tài)系統(tǒng)敏感度高且抗干擾能力弱,不合理的人類活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)土壤流失不斷加劇,石漠化情況日益嚴(yán)重。明晰喀斯特地區(qū)水供給服務(wù)的空間分布可為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)治理與恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。近年來,逐漸有學(xué)者關(guān)注到喀斯特地區(qū)水供給服務(wù)并將InVEST模型應(yīng)用于評(píng)估該地區(qū)水供給服務(wù)能力[30—31]。然而,這些研究很少考慮喀斯特特殊的地貌因素對(duì)水資源賦存和分布規(guī)律的影響[32]。Zhang等[33]關(guān)注到這個(gè)現(xiàn)象并基于InVEST模型探討了喀斯特景觀和非喀斯特景觀的水供給服務(wù)能力差異,結(jié)果顯示產(chǎn)水量在喀斯特區(qū)域和非喀斯特區(qū)域中沒有明顯的差異。事實(shí)上,喀斯特與非喀斯特因下墊面條件不同,其產(chǎn)流匯流特征、水源分配等方面存在不同程度的差別[34],與水相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力也因此有所差異。如夏林等[35]比較貴州省內(nèi)烏江流域不同喀斯特景觀水分涵養(yǎng)能力發(fā)現(xiàn),非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特景觀水源涵養(yǎng)能力逐漸降低。可見,喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水分涵養(yǎng)能力不僅低于非喀斯特地區(qū),而且不同喀斯特類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水分涵養(yǎng)能力也有巨大差異。然而,到目前為止,尚未有研究能較好地反映水供給服務(wù)能力在不同喀斯特類型間的差異。相關(guān)研究主要受兩方面因素限制:一是模型忽略了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的特殊性。由于InVEST模型多采用全國性的普遍參數(shù)來估算產(chǎn)水量,模擬結(jié)果不區(qū)分地表徑流、壤中流和地下徑流,可能造成喀斯特地區(qū)產(chǎn)水量的模擬值高于實(shí)際值,進(jìn)而無法準(zhǔn)確評(píng)估喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水供給服務(wù)能力。Zhang等[33]也認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題,但是沒有深入探討如何改進(jìn)模擬結(jié)果使其更接近于喀斯特地區(qū)水供給服務(wù)的真實(shí)值。二是缺乏高精度巖溶個(gè)體及其組合形態(tài)的地貌數(shù)據(jù)。雖然全國地貌區(qū)劃數(shù)據(jù)庫對(duì)巖溶分布區(qū)基本地貌進(jìn)行了劃分,但劃分結(jié)果難以體現(xiàn)巖溶發(fā)育類型對(duì)區(qū)域水資源分配的影響程度[36],不能很好地衡量水供給服務(wù)在不同喀斯特地貌間的差異。因此,有必要提取巖溶地貌單元數(shù)據(jù)并結(jié)合喀斯特生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)[37],校正InVEST模型在喀斯特地區(qū)的模擬結(jié)果[38],評(píng)估不同區(qū)域不同地貌單元水供給服務(wù)能力。

喀斯特地貌又稱巖溶地貌,具有特殊的二元三維結(jié)構(gòu),發(fā)育有地表與地下兩種喀斯特形態(tài)[39],其水循環(huán)和水資源過程與同一氣候區(qū)的非喀斯特有極大的差異[40]。同非喀斯特相比,喀斯特地下水對(duì)降雨響應(yīng)迅速[41],豐沛的降雨難以在喀斯特地表匯集形成河流,大氣降水和地表水會(huì)沿著巖石裂縫、漏斗和天坑等深入地下轉(zhuǎn)化為地下水,并沿著縱橫交錯(cuò)的洞穴、暗河移動(dòng)至其他區(qū)域[32]。因此,喀斯特地區(qū)大部分流域擁有獨(dú)特的地表、地下雙層徑流系統(tǒng)[42],地表成為喀斯特徑流的形成場(chǎng)和分配場(chǎng),地下則是喀斯特徑流的輸移場(chǎng)和調(diào)蓄場(chǎng)[43],區(qū)域產(chǎn)水量也隨之發(fā)生明顯的縱向分異。故而,改進(jìn)喀斯特地區(qū)InVEST模型模擬結(jié)果面臨的第一個(gè)問題是分割區(qū)域產(chǎn)水量。大氣降水入滲系數(shù)是巖溶地下水系統(tǒng)最基礎(chǔ)的水文地質(zhì)參數(shù),它反映了水資源在地表與地下的分配方式[44]。利用降雨入滲系數(shù)可以簡(jiǎn)單有效地區(qū)分不同巖溶地貌單元地表與地下產(chǎn)水量[45—46]。地表產(chǎn)水量是存在于地表之上包括地表徑流在內(nèi)水量,相對(duì)容易在原位或小流域內(nèi)被利用;而地下產(chǎn)水量是儲(chǔ)存于巖溶裂隙、溶洞、暗河中水量,可能會(huì)跨流域流動(dòng),很難在原位或小流域內(nèi)被利用。值得注意的是,喀斯特地區(qū)水體最終都會(huì)以地表徑流或地下河的形式匯入最低排泄基準(zhǔn)面[47]。換言之,除去人工取水,地下產(chǎn)水量最終會(huì)因注入最低排泄面而被人類使用。因此,第二個(gè)問題是根據(jù)水資源的可用性對(duì)地下產(chǎn)水量進(jìn)行空間校正。目前水文學(xué)常用概念模型、物理模型、數(shù)值模型和分布式巖溶水文模型來刻畫喀斯特復(fù)雜的地下徑流過程[48]。其中,概念模型將地下水視為一個(gè)整體,以地下水補(bǔ)給、徑流和排泄過程的物理概念為基礎(chǔ),將產(chǎn)匯流過程抽象化后通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量模擬,因其方法簡(jiǎn)單且所需參數(shù)較少而得到廣泛應(yīng)用[49]。鑒于此,本研究創(chuàng)造性地提出地下產(chǎn)水量分割系數(shù)并將地下水補(bǔ)給、徑流和排泄過程概念化,結(jié)合水量平衡法構(gòu)建地表水與地下水分割校正概念模型,以期校正喀斯特地區(qū)InVEST模型模擬結(jié)果。

漓江流域是喀斯特地貌的典型代表之一,峰叢、峰林、洼地等巖溶地貌單元的發(fā)育極大地影響了流域產(chǎn)流與匯流過程。分析喀斯特地區(qū)產(chǎn)水量時(shí)應(yīng)遵循因地制宜原則,從地貌尺度出發(fā)探究水供給服務(wù)在不同地貌分區(qū)的差異。此外,漓江流域作為一個(gè)較為完善的水文地質(zhì)單元,從子流域角度評(píng)估水供給服務(wù)有助于提高當(dāng)?shù)厮Y源管理水平。因此,本文基于DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建30 m精度巖溶地貌單元數(shù)據(jù),利用ArcSWAT模型劃分漓江子流域,分別采用InVEST模型和喀斯特產(chǎn)水量分割校正概念模型估算2000、2005、2010、2015和2020年漓江流域產(chǎn)水量,分析漓江流域水供給服務(wù)在柵格、地貌分區(qū)和子流域尺度的時(shí)空分布格局,探究不同地貌分區(qū)、不同子流域水供給服務(wù)能力在校正前與校正后的差異性。校正結(jié)果可為喀斯特地區(qū)水資源管理、生態(tài)補(bǔ)償政策制訂提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

漓江流域(24°6′39″N—25°54′56″N,110°4′59″E—111°17′35″E)坐落于桂東北山間盆地谷地巖溶地貌區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢(shì)大致呈四周高中部低(圖1),邊緣地區(qū)多環(huán)繞有中低山和丘陵,中部以巖溶地貌為主,漓江谷地自北向南縱貫全區(qū)。中部巖溶區(qū)根據(jù)含水巖組的埋藏條件劃分為裸露型、覆蓋型和埋藏型(圖1)。裸露型巖溶區(qū)以純碳酸鹽巖為主,地表石峰叢聚,洼地廣布,漏斗、落水洞等垂直巖溶形態(tài)發(fā)育強(qiáng)烈。覆蓋型巖溶區(qū)表層覆蓋有第四系土層,大部分巖溶表面上離散分布著各種塔狀、柱狀或密集成林狀的峰林。埋藏型含水巖組多分布于可溶性基巖之下。巖溶發(fā)育地區(qū),地表河流稀少,但各種各樣的地下洞穴縱橫交錯(cuò),為巖溶地下水的形成和賦存創(chuàng)造了良好的條件。流域?qū)儆诘湫偷闹衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候,夏長(zhǎng)冬短,雨熱同期,年均氣溫為18—21℃,年均降水量約1688 mm,全年雨量充沛但季節(jié)分布不均。境域土地利用類型以林地為主,其次是耕地和草地(圖1)。林地主要分布在北部和東部地區(qū),耕地集中于河流兩側(cè)平原地帶。城鎮(zhèn)及工礦用地主要集中在興安縣、靈川縣、桂林市區(qū)、陽朔縣、平樂縣等城市駐地。其核心干流漓江發(fā)源于越城嶺山脈的最高峰貓兒山,流經(jīng)靈川、桂林、陽朔至平樂,與荔浦河、恭城河相匯成為桂江上游,而后繼續(xù)南流至梧州匯入西江。漓江地表徑流來源于流域內(nèi)的地表水和地下水,在雨洪時(shí)地表水向地下水滲透,低水和枯水期地下水補(bǔ)給河槽[50],地下水流向整體由西北流向東南,最終排泄至漓江河谷,成為漓江徑流的重要組成部分。

圖1 研究區(qū)DEM、巖溶類型和2020年土地覆被類型分布圖Fig.1 Distribution of DEM, karst type and land cover type in 2020 in the study area

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的數(shù)據(jù)包括DEM、土壤、土地覆被、氣象日值、水文、河流、行政邊界、巖溶分布等數(shù)據(jù)。具體來源和描述見表1。所有數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)統(tǒng)一為Krasovsky_1940_Albers坐標(biāo),柵格數(shù)據(jù)空間分辨率:30 m。

表1 研究數(shù)據(jù)來源與描述Table 1 Data sources and descriptions

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1ArcSWAT劃分子流域

基于30 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù),利用ArcSWAT的Automatic Watershed Delineation模塊在漓江流域劃分出142個(gè)小流域,而后結(jié)合流域內(nèi)的自然地理特征和水系分布對(duì)小流域進(jìn)行合并,最終得到18個(gè)子流域,分別用數(shù)字1—18來標(biāo)記(圖2)。18個(gè)子流域根據(jù)其位置被分為五個(gè)區(qū)域:漓江上游區(qū)、漓江中游區(qū)、漓江下游區(qū)、荔浦河區(qū)和恭城河區(qū)。其中,1—3號(hào)子流域位于漓江上游區(qū),4—8號(hào)子流域位于漓江中游區(qū),9—12號(hào)子流域位于漓江下游區(qū),13—14號(hào)子流域位于荔浦河區(qū),15—18號(hào)子流域位于恭城河區(qū)。

2.2.2基于DEM劃分地貌形態(tài)

本研究以30 m DEM為基礎(chǔ)信息源,結(jié)合數(shù)字地形分析方法實(shí)現(xiàn)了巖溶地貌峰叢區(qū)、洼地區(qū)和平原區(qū)邊界的準(zhǔn)確提取[51]。首先,基于正負(fù)地形分析方法將復(fù)雜多樣的巖溶地貌降維簡(jiǎn)化成正負(fù)地形[36],有效突出巖溶地貌形態(tài)差異,采用趨勢(shì)面分析方法構(gòu)建平原趨勢(shì)面,確定流域峰叢與平原的邊界。其次,采用GIS水文分析方法提取流域山脊線與山谷線,根據(jù)山脊線和山谷線的交點(diǎn)確定地形特征點(diǎn)并通過地形坡度變率篩選出地形鞍部點(diǎn)[52]。最后,基于峰叢洼地的分型維特性采用反距離權(quán)重插值方法構(gòu)建鞍部趨勢(shì)面,進(jìn)而確定洼地的邊界[53]。巖溶地貌類型提取結(jié)果如圖所示(圖2),流域內(nèi)巖溶地貌呈南北向展布,從橫向上來看,自兩側(cè)向中部體現(xiàn)非巖溶→峰叢→洼地→平原的展布序列;從縱向來看,峰叢洼地、峰林平原并非只發(fā)育在某個(gè)巖溶區(qū)之中,而是不均衡地發(fā)育在裸露型、覆蓋型和埋藏型巖溶區(qū)之上。從地貌組合類型的分布位置來看,峰叢洼地分布于盆地谷地和非巖溶斜坡地帶,小部分呈島狀散布在峰林平原中。峰林平原平行發(fā)育于峰叢洼地附近,連片展布于漓江兩側(cè),少部分平原呈條帶狀穿插于峰叢洼地中。

圖2 子流域和地貌形態(tài)空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of sub-watersheds and landform types漓江流域劃分出142個(gè)小流域,而后結(jié)合流域內(nèi)的自然地理特征和水系分布對(duì)小流域進(jìn)行合并,最終得到18個(gè)子流域,分別用數(shù)字1—18來標(biāo)記

2.2.3地下水補(bǔ)給、徑流和排泄邊界

研究區(qū)可分為河流階地、巖溶區(qū)和非巖溶區(qū),巖溶區(qū)根據(jù)含水巖組的出露條件又可分為裸露型、覆蓋型和埋藏型?？紤]到喀斯特地貌的形成與演化多聚焦于水,不同的地貌形態(tài)可以反映出地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄特征[54],本文基于上述分類結(jié)合地表巖溶地貌形態(tài),將研究區(qū)細(xì)化為11種地貌單元,并根據(jù)地貌類型與地下水補(bǔ)徑排特征確定了地下水補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)邊界。地下水主要補(bǔ)給來源為降雨入滲,補(bǔ)給區(qū)涵蓋整個(gè)流域。降落到非巖溶地區(qū)的水大部分以山前徑流、地表河流等外源水形式進(jìn)入巖溶區(qū),僅有一小部分入滲形成基巖裂隙水,側(cè)向移動(dòng)補(bǔ)給相鄰巖溶區(qū)。巖溶區(qū)地下水獲得補(bǔ)充后沿著洞穴、地下河網(wǎng)開始流動(dòng),其徑流方向受到地形傾向、構(gòu)造分布方向和地表水系展布的制約[55],大體上自四周碎屑巖山區(qū)、峰叢洼地向中部平原流動(dòng),最終匯入漓江河谷進(jìn)行集中排泄,成為漓江地表徑流的重要組成部分[56]。由于峰林洼地地表之上沒有明顯的排水系統(tǒng),大多數(shù)降水通過落水洞、豎井、漏斗等灌入地下,然后在平原上或裸露的峰林山腳下以泉或地下河的形式排泄,因此將平原劃分為主要徑流區(qū)[41],峰叢洼地為重要補(bǔ)給區(qū)。徑流區(qū)匯集流域地下水補(bǔ)給后,最終都會(huì)匯入最低排泄基準(zhǔn)面即漓江進(jìn)行集中排泄,漓江及其支流恭城河、良豐河、潮田河等是其主要排泄通道,據(jù)此劃定平原區(qū)的漓江及其支流作為集中排泄區(qū)。具體分類見表2。

表2 地貌單元及地下水區(qū)域Table 2 Geomorphological units and groundwater areas

3 研究方法

本研究將產(chǎn)水量視為一個(gè)整體,利用喀斯特地貌類型特征和降雨入滲系數(shù)確定產(chǎn)水量分割系數(shù),依據(jù)分割系數(shù)將InVEST模型產(chǎn)水量分為地表產(chǎn)水量和地下產(chǎn)水量?jī)刹糠?然后結(jié)合地下水補(bǔ)徑排特征和水量平衡法建立產(chǎn)水量空間校正概念模型,并模擬漓江流域2000—2020年水供給服務(wù)時(shí)空分布特征。產(chǎn)水量空間校正模型示意圖見圖3。

圖3 喀斯特地區(qū)產(chǎn)水量空間校正模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the spatial correction model of water yield in karst areas

3.1 InVEST模型

InVEST模型Water yield模塊以水量平衡原理為基礎(chǔ),結(jié)合地形、氣候、植被、土壤等因素,在統(tǒng)一的柵格尺度上用降水量(輸入)減去實(shí)際蒸散發(fā)量(輸出)來估算該柵格的產(chǎn)水量[20]。產(chǎn)水量結(jié)果不區(qū)分地表徑流、壤中徑流和基流,涵蓋所有徑流、土壤含水量、枯落物持水量和冠層截留量。模型算法如下:

PETxj=Kcxj×ET0xj

AWCx=min(MaxSoildepth,Rootdepth)×PAWC

PAWC=54.509-0.132×sand%-0.003×(sand%)2-0.055×silt%-0.006×(silt%)2-0.738×clay%+0.007×(clay%)2-2.688×OM%+0.501×(OM%)2

式中,Yxj是第j種土地利用類型像元x的年平均產(chǎn)水量(mm);Px是像元x的年均降水量(mm);AETxj是第j種土地利用類型像元x的年實(shí)際蒸散發(fā)量(mm);PETxj為第j種土地利用類型像元x的潛在蒸散量(mm);ωx是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù);ET0xj是第j種土地利用類型像元x的參考蒸散量(mm);Kcxj是第j種土地利用類型像元x的植物蒸散系數(shù);Z是經(jīng)驗(yàn)常數(shù);AWCx是土壤有效含水量(mm);MaxSoildepth是土壤的最大根系埋藏深度;Rootdepth是植物根系深度;PAWC是植物可利用水含量;sand%指土壤質(zhì)地中砂粒比重;silt%土壤質(zhì)地中粉砂比重;clay%土壤質(zhì)地中粘粒比重;OM%土壤質(zhì)地中有機(jī)質(zhì)比重。

3.2 產(chǎn)水量分割系數(shù)

產(chǎn)水量分割系數(shù)指單位時(shí)間單位柵格面積地下產(chǎn)水量與總產(chǎn)水量的比值,其值取決于區(qū)域降雨入滲系數(shù)。基于前人對(duì)喀斯特地區(qū)降雨入滲系數(shù)的研究成果,確定不同地貌類型產(chǎn)水量分割系數(shù)。非巖溶區(qū)以碎屑巖為主,產(chǎn)水量分割系數(shù)為0.15—0.2。裸露型巖溶區(qū)地下水以灌式補(bǔ)給為主,分割系數(shù)為0.5—0.6。覆蓋型巖溶區(qū)地下水以面狀入滲補(bǔ)給為主,分割系數(shù)為0.2—0.4。埋藏型巖溶區(qū)地下水以其他相鄰含水層補(bǔ)給為主,分割系數(shù)為0.2—0.3。由于同一巖溶區(qū)內(nèi)地表巖溶形態(tài)各異,涵蓋峰叢、洼地、平原谷地和河流階地4個(gè)地貌單元,降雨下滲系數(shù)表現(xiàn)為河流階地<平原<峰叢<洼地[57]。據(jù)此進(jìn)一步對(duì)分割系數(shù)進(jìn)行調(diào)整以提高產(chǎn)水量分割精度。對(duì)于沒有研究結(jié)果的區(qū)域,通過類比移植到條件類似的地貌單元,最終得到11個(gè)地貌單元的產(chǎn)水量分割系數(shù),見表3。

表3 產(chǎn)水量分割系數(shù)Table 3 Water yield partitioning factor

3.3 產(chǎn)水量空間校正模型

根據(jù)分割系數(shù)將單元柵格產(chǎn)水量劃分為地表產(chǎn)水量和地下產(chǎn)水量,然后依據(jù)地下水補(bǔ)徑排特征構(gòu)建補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)的水量平衡方程式,完成產(chǎn)水量的空間校正。具體公式如下:

GYxi=αi×Yxj

SYxi=(1-αi)×Yxj

AYxi=SYxi

BYxi=SYxi

式中,αi是地貌單元i的產(chǎn)水量分割系數(shù);GYxi是地貌單元i上像元x的地下產(chǎn)水量(mm);SYxi是地貌單元i上像元x的地表產(chǎn)水量(mm);AYxi是補(bǔ)給區(qū)中地貌單元i上像元x校正校正后的產(chǎn)水量(mm),其中i=11,12,13,21,22,23,31,32,33,5;BYxi是徑流區(qū)中平原地貌單元i上像元x校正后的產(chǎn)水量(mm),其中i=13,23,33;CYx是排泄區(qū)中像元x校正校正后的產(chǎn)水量(mm);Areai是地貌單元i的面積(m2),其中i=11,12,13,21,22,23,31,32,33,5;Area4是地貌單元4即平原區(qū)河流的面積(m2)。

3.4 校正模型驗(yàn)證

基于水文站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、InVEST模型模擬結(jié)果和校正模型模擬結(jié)果,計(jì)算不同年份校正前后的年產(chǎn)水深度與實(shí)測(cè)年徑流深度的均方根誤差(Root mean squared error, RMSE),RMSE越小代表實(shí)測(cè)值與模擬值之間的偏差越小。計(jì)算方法如下:

式中,RMSE是均方根誤差;N是水文站個(gè)數(shù),St是實(shí)測(cè)值,Pt是模擬值。

4 結(jié)果與分析

4.1 InVEST模型產(chǎn)水量時(shí)空分布

4.1.1基于柵格的InVEST模型產(chǎn)水量時(shí)空分布及模型驗(yàn)證

InVEST模型模擬結(jié)果顯示,2000年、2005年、2010年、2015年和2020年平均產(chǎn)水深度分別為1069.11 mm、1024.98 mm、859.95 mm、1512.55 mm、1174.01 mm,多年平均產(chǎn)水深度為1128.12 mm(圖4)。產(chǎn)水深度年際波動(dòng)較大且不同時(shí)期的變化趨勢(shì)有明顯差異:2000—2010年流域產(chǎn)水深度呈輕微下降趨勢(shì),年降速為20.92 mm/a;2010—2015年上升趨勢(shì)較明顯,年增速為130.52 mm/a;2015—2020年又出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),下降速率為67.71 mm/a。從水供給總量來看,2000—2020年漓江流域多年平均供水量為146.81×108m3,年際供水量在111.91×108m3—196.94×108m3之間,呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢(shì),2015年供給總量最高,2010年最低。從水量平衡的角度來看,降水和實(shí)際蒸散發(fā)是決定產(chǎn)水深度和供水量的兩個(gè)關(guān)鍵因素。從圖4可以看出,同期平均降水量也呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì),基本維持在1400—2100 mm之間,2015年平均降水量最多,2010年降水量最少,極差為639.55 mm。平均實(shí)際蒸散發(fā)量整體呈下降趨勢(shì),2005年、2010年、2015年和2020年均實(shí)際蒸散發(fā)量在2000年的水平上分別下降了1.41%、2.27%、4.30%、5.87%。

圖4 漓江流域降水量、實(shí)際蒸散發(fā)量、產(chǎn)水深度和供水總量年際變化Fig.4 Interannual variation of precipitation, actual annual evapotranspiration, water yield, and total water supply in the Li River Basin

從空間分布來看,漓江流域產(chǎn)水量大致呈“北高南低”的空間分布格局,產(chǎn)水深度從西北向東南逐漸遞減,梯度變化明顯(圖5)。流域北部產(chǎn)水深度普遍高于南部是因?yàn)楸辈康呢垉荷阶钃趿四蟻須饬?迫使氣團(tuán)抬升形成暴雨,使得北部的水分輸入遠(yuǎn)高于南部。對(duì)于北部地區(qū),又以西北尤其是桂林市區(qū)和興安縣等區(qū)域產(chǎn)水能力相對(duì)較強(qiáng),主要因?yàn)檫@些區(qū)域地處平原地帶,建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)耕地較為集中,蒸散量較低,在降水相同的情況下水分輸出較少。

圖5 2000—2020年基于InVEST模型產(chǎn)水深度空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of water yield based on InVEST model from 2000 to 2020

InVEST模型輸出結(jié)果包括單位柵格年產(chǎn)水深度和流域年總產(chǎn)水量的預(yù)測(cè)值,不同的Z系數(shù)對(duì)應(yīng)不同的產(chǎn)水量預(yù)測(cè)值[17—19]。Z系數(shù)是一個(gè)表征地區(qū)降水和水文地質(zhì)特征的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),數(shù)值調(diào)節(jié)范圍為1—30。在其他參數(shù)確定的情況下,通過調(diào)節(jié)Z系數(shù)來校驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M結(jié)果,與流域水文站實(shí)測(cè)徑流量誤差最小的產(chǎn)水量預(yù)測(cè)值對(duì)應(yīng)的Z值即為模型最優(yōu)系數(shù)。本研究使用流域出水口平樂站的多年平均徑流量作為InVEST模型產(chǎn)水量結(jié)果的參考。結(jié)合2006—2019年水文數(shù)據(jù)與以往文獻(xiàn)資源[62—63],計(jì)算出1990—2019年平樂站的多年平均徑流量約為1.46×1010m3,當(dāng)Z取3.5時(shí),模擬產(chǎn)水量相對(duì)誤差為0.31%,模擬效果較優(yōu)。此外,榮檢[64]基于InVEST模型評(píng)估了2000、2005、2010和2015年廣西西江流域的產(chǎn)水功能,其中漓江流域所在地區(qū)產(chǎn)水深度在900—1600 mm之間變化。Wang等[65]基于InVEST模型計(jì)算了西南喀斯特地區(qū)產(chǎn)水量,其中桂西北地區(qū)多年產(chǎn)水深度高于900 mm。徐潔等[20]基于InVEST模型對(duì)1995—2010年東江湖流域的平均產(chǎn)水深度進(jìn)行了分析,在1100—1600 mm之間變化。東江湖流域與漓江流域同屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,二者降水量相近但漓江流域?qū)嶋H蒸散發(fā)高于東江湖流域。本研究結(jié)果與榮檢和Wang等的漓江區(qū)域結(jié)果較為一致,與徐潔等結(jié)果具有可比性,證明本文InVEST模型模擬的產(chǎn)水量較為可信。

4.1.2基于地貌單元的InVEST模型產(chǎn)水量

地貌是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)得以存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),不同地貌組合方式?jīng)Q定了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和維持[66—67]。研究結(jié)果顯示,非巖溶區(qū)單位柵格多年平均產(chǎn)水深度略高于巖溶區(qū),但僅高57.05 mm(表4)?？梢?巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)的產(chǎn)水能力在InVEST模型中沒有明顯差異,這與Zhang等[33]的研究結(jié)論一致。深入探究巖溶區(qū)產(chǎn)水量差異發(fā)現(xiàn),隨著不同巖溶含水巖層出露情況的變化,裸露型、覆蓋型、埋藏型巖溶區(qū)的平均產(chǎn)水深度依次降低,說明裸露型巖溶區(qū)產(chǎn)水能力要高于覆蓋型和埋藏型。隨著地貌形態(tài)的變化,平原、非巖溶、河流階地、洼地、峰叢的平均產(chǎn)水深度依次降低,表明平原產(chǎn)水能力最高,峰叢產(chǎn)水能力最低。具體到細(xì)化后的地貌單元,裸露型—平原區(qū)平均產(chǎn)水深度最高,覆蓋型—平原區(qū)次之,埋藏型—洼地區(qū)最低。從供水總量來看,非巖溶區(qū)供水總量最大,多年平均供水總量高達(dá)80.26×108m3,其次是裸露型—平原區(qū)(28.37×108m3)、覆蓋型—平原區(qū)(11.01×108m3)和裸露型—洼地區(qū)(11.06×108m3),覆蓋型—峰叢區(qū)、埋藏型—峰區(qū)供水總量最低。供水總量可以從數(shù)量上反映區(qū)域的供水能力,但該結(jié)果受巖溶區(qū)面積影響較大。

表4 不同地貌單元的InVEST模型產(chǎn)水量結(jié)果Table 4 Results of water yield simulated with the InVEST model of different geomorphic units

4.1.3基于子流域的InVEST模型產(chǎn)水量時(shí)空分布

結(jié)果顯示,子流域多年平均產(chǎn)水深度為1076.42 mm,其中漓江上游區(qū)(1343.66 mm)>漓江中游區(qū)(1207.70 mm)>恭城河區(qū)(982.52 mm)>荔浦河區(qū)(962.10 mm)>漓江下游區(qū)(862.97 mm)?？梢?流域產(chǎn)水能力沿上游至下游逐漸減弱。具體到各子流域產(chǎn)水深度,4個(gè)子流域?qū)儆诟咧祬^(qū)(>1300 mm),6個(gè)屬于中值區(qū)(1000—1300 mm),8個(gè)屬于低值區(qū)(<1000 mm)。高值區(qū)包括1—4號(hào)子流域,其中4號(hào)產(chǎn)水能力又高于1—3號(hào)(圖6)。這是因?yàn)?號(hào)子流域海拔較低,耕地和林地并重,而1—3號(hào)子流域海拔較高且以林地為主,林地植被蒸騰作用高于耕地,造成1—3號(hào)子流域水分輸出較多,產(chǎn)水深度相對(duì)較小。中值區(qū)涵蓋5—8號(hào)和15—16號(hào)子流域。剩余子流域?yàn)榈椭祬^(qū),其中又以11—12號(hào)產(chǎn)水深度最低。從供水總量來看,流域分區(qū)供水總量排序?yàn)?漓江上游區(qū)>漓江中游區(qū)>恭城河區(qū)>荔浦河區(qū)>漓江下游區(qū)。這是因?yàn)閰R水面積不同導(dǎo)致供水總量產(chǎn)生較大的空間變程,漓江中游區(qū)、恭城河區(qū)、漓江上游區(qū)、荔浦河區(qū)和漓江下游區(qū)的面積依次遞減,供水總量也依次遞減。其中,1號(hào)、16號(hào)子流域的供水總量以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)占據(jù)前兩位,5號(hào)子流域居第三位,多年平均供水量是1號(hào)子流域的近3/4。其后是3號(hào)、14號(hào)、2號(hào)子流域,供水總量最低的是10號(hào)、11號(hào)子流域,每年供水總量均低于1×108m3,不足1號(hào)子流域供水量的1/10。

圖6 2000—2020年子流域InVEST模型產(chǎn)水深度空間分布Fig.6 Spatial distribution of water yield simulated with the InVEST model of different the sub-watersheds from 2000 to 2020

4.2 基于分割系數(shù)校正后的產(chǎn)水量時(shí)空分布及其變化

4.2.1基于柵格的校正后產(chǎn)水量時(shí)空分布及模型驗(yàn)證

本研究基于分割系數(shù)將InVEST產(chǎn)水量分為地表產(chǎn)水量與地下產(chǎn)水量。結(jié)果顯示,2000—2020年漓江流域地表平均供水量為1.09×1010m3,約占總供水量的74.13%;另外25.87%為地下產(chǎn)水量,常年儲(chǔ)存于地下。這些地表產(chǎn)水量與地下產(chǎn)水量分別沿不同的路徑匯入漓江,最終到達(dá)流域出口。漓江是整個(gè)流域的最低排泄基準(zhǔn)面,也是境內(nèi)地表水和地下水的最終排泄通道[68],流域地下產(chǎn)水量只在流域內(nèi)部進(jìn)行重新分配,不發(fā)生跨境流動(dòng)。因此,基于地表與地下產(chǎn)水量分割系數(shù)的產(chǎn)水量校正只對(duì)產(chǎn)水空間分布進(jìn)行了校正,流域所有年份平均產(chǎn)水深度和供水總量并未發(fā)生改變。從空間分布來看,校正后的漓江流域產(chǎn)水量總體上表現(xiàn)為“西北部高于東南部,四周高于中部”的空間分布格局(圖7)。高值區(qū)主要分布在非巖溶區(qū),以流域北部、東南部和西南部的高海拔地區(qū)最為集中。原因在于該區(qū)域?qū)τ晁畢R集作用較強(qiáng),大部分降雨可以迅速轉(zhuǎn)化為河流進(jìn)而得以保存于地表。低值區(qū)分布在流域中部巖溶地區(qū),尤其是漓江桂林—陽朔段兩側(cè)。該段以全巖溶地貌為主,流水巖溶作用強(qiáng)烈,水資源呈現(xiàn)地表水貧乏、地下水豐富的分配格局[69]?？梢?校正后的產(chǎn)水量分布格局與水資源分配格局具有較好地一致性。

與InVEST模型模擬結(jié)果相比,2000年、2005年、2010年、2015年和2020年漓江流域每年均有96.63%區(qū)域產(chǎn)水深度在校正后下降,僅3.37%區(qū)域產(chǎn)水深度高于校正前。產(chǎn)水深度下降幅度可以反映產(chǎn)水量分割程度,即降幅越大,地下產(chǎn)水量越多。每年產(chǎn)水深度下降幅度及其時(shí)空分布具有明顯差異(圖8)。2000—2010年,產(chǎn)水深度降幅低于200 mm區(qū)域所占面積最大,其比重從48.40%穩(wěn)步增長(zhǎng)至56.24%,覆蓋面積逐漸擴(kuò)散至整個(gè)非巖溶地區(qū)。即2000—2010年研究區(qū)有近一半?yún)^(qū)域的地下水下滲量不超過200 mm,地下產(chǎn)水量呈減少趨勢(shì)。2010—2020年,降幅200—500 mm的區(qū)域面積比重上升,于2015年達(dá)到峰值(61.23%)。表明地下水下滲量在200—500 mm的區(qū)域面積逐漸增大,研究區(qū)地下產(chǎn)水量逐漸增加。從空間分布來看,產(chǎn)水深度降幅程度表現(xiàn)出明顯的圈層結(jié)構(gòu),以桂林雁山區(qū)和陽朔縣交界地帶為軸線,產(chǎn)水深度降幅量呈帶狀向南北兩側(cè)逐漸減少。

圖8 2000—2020年研究區(qū)校正前后產(chǎn)水深度變化量空間分布Fig.8 Spatial distribution of water yield changes before and after correction in the study area from 2000 to 2020

本文在研究區(qū)不同位置選取了7個(gè)集水面積不等的水文站,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果分別計(jì)算2005、2010和2015年校正前后的年產(chǎn)水深度與實(shí)測(cè)年徑流深度的均方根誤差(RMSE)。結(jié)果顯示,2005、2010和2015年校正后7個(gè)站點(diǎn)的年產(chǎn)水深度RMSE均小于校正前的RMSE(表5),表明校正后模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏差更小。

表5 地表與地下水分割校正后產(chǎn)水量結(jié)果驗(yàn)證Table 5 Validation of water yield results after surface and groundwater splitting correction

4.2.2基于地貌單元的校正后產(chǎn)水量

巖溶區(qū)是流域重要的地下水補(bǔ)給區(qū),校正后的地貌單元產(chǎn)水深度更多反映其地表產(chǎn)水能力。從巖溶地貌和非巖溶地貌對(duì)比來看,非巖溶區(qū)單位柵格多年平均校正后產(chǎn)水深度比巖溶區(qū)高352.27 mm,表明非巖溶地區(qū)地表蓄水能力強(qiáng)于巖溶區(qū)。與InVEST模型結(jié)果相比,這個(gè)結(jié)論與實(shí)際情況更為相符[61]。從不同巖溶地貌單元產(chǎn)水量來看(表6),隨著巖溶含水巖層出露情況變化,裸露型、埋藏型、覆蓋型巖溶區(qū)的產(chǎn)水深度依次升高,反映出裸露型巖溶區(qū)地表產(chǎn)水能力相對(duì)最高,相同面積情況下該巖溶區(qū)地下供水總量低于其他巖溶區(qū)。隨地貌形態(tài)變化,平原、峰叢、洼地校正后的產(chǎn)水深度依次降低,代表平原、峰叢和洼地的地表產(chǎn)水能力逐漸降低,但單位面積地下供水總量逐漸增多。具體到細(xì)化后的地貌單元,河流沿岸平均產(chǎn)水深度最高,非巖溶區(qū)、埋藏型—平原區(qū)、覆蓋型—平原區(qū)地表產(chǎn)水深度次之,裸露型—峰叢區(qū)、覆蓋型—洼地區(qū)地表產(chǎn)水深度最低。

表6 校正后基于地貌單元的產(chǎn)水量結(jié)果Table 6 Corrected water yield results of different geomorphic units

結(jié)合校正前后的地貌單元產(chǎn)水深度差異發(fā)現(xiàn)(圖8),產(chǎn)水深度降幅最大的軸線地帶是裸露型—洼地區(qū)的主要分布區(qū),從軸線向南北方向延伸分布有裸露型—峰叢區(qū)和裸露型—平原區(qū)。作為典型的巖溶地貌區(qū),該區(qū)域通常因大量降水下滲而導(dǎo)致地表干旱缺水,域內(nèi)流域都存在不同程度的水土流失[40],也印證了校正后的產(chǎn)水深度更能反映不同地貌的實(shí)際供水能力。

4.2.3基于子流域的校正后產(chǎn)水量時(shí)空分布

結(jié)果表明,不同流域分區(qū)校正后供水總量排序?yàn)?漓江中游區(qū)>漓江上游區(qū)>恭城河區(qū)>荔浦河區(qū)>漓江下游區(qū)。多年平均校正后產(chǎn)水深度排序?yàn)?漓江中游區(qū)(1308.61 mm)>漓江上游區(qū)(1254.74 mm)>恭城河區(qū)(974.65 mm)>荔浦河區(qū)(941.37 mm)>漓江下游區(qū)(929.06 mm),說明五大流域分區(qū)中,漓江中游區(qū)產(chǎn)水能力最高,供水總量也最大。相應(yīng)的,漓江下游區(qū)產(chǎn)水能力最弱,供水總量最小。具體到各子流域(圖9),校正后有3個(gè)子流域產(chǎn)水深度屬于高值區(qū)(>1300 mm),9個(gè)屬于中值區(qū)(1000—1300 mm),6個(gè)屬于低值區(qū)(<1000 mm),說明研究區(qū)有2/3子流域擁有較強(qiáng)的產(chǎn)水能力,每年平均產(chǎn)水量可以穩(wěn)定在1000 mm以上。

圖9 校正后子流域研究期內(nèi)產(chǎn)水深度空間分布Fig.9 Spatial distribution of water production depth during the study period in the corrected sub-watershed

對(duì)比校正前后子流域產(chǎn)水深度發(fā)現(xiàn)(圖10),漓江上游區(qū)、荔浦河區(qū)、恭城河區(qū)的子流域校正后的產(chǎn)水深度低于InVEST模型模擬結(jié)果,其中又以3號(hào)、12號(hào)、17號(hào)和1號(hào)子流域產(chǎn)水深度降幅較大。這是因?yàn)榱饔蚍謪^(qū)平均海拔較高導(dǎo)致地下水排泄區(qū)分布相對(duì)少,區(qū)域地下產(chǎn)水量以跨區(qū)補(bǔ)給為主。相對(duì)而言,漓江中游區(qū)和漓江下游區(qū)校正后的產(chǎn)水深度高于InVEST模型模擬值,其中校正后產(chǎn)水深度漲幅較大的子流域是8號(hào)、4號(hào)、10號(hào)和9號(hào)子流域,主要分布在桂林—陽朔—平樂河段。由前文分析可知,桂林—陽朔河段產(chǎn)水深度在校正前后降幅最大,導(dǎo)致校正后地表產(chǎn)水能力相對(duì)較弱。但該區(qū)地處流域谷地腹中,兼?zhèn)涞叵滤a(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū),區(qū)域水循環(huán)交替頻繁且強(qiáng)烈[70],校正后不但獲得了本區(qū)地下產(chǎn)水量的補(bǔ)給,還獲得了來自其他地區(qū)的補(bǔ)給,因此,綜合后的產(chǎn)水深度高于校正前。值得注意的是,這也是導(dǎo)致校正后漓江中游區(qū)產(chǎn)水能力高于上游區(qū)產(chǎn)水能力的重要原因。

圖10 校正前后子流域研究期內(nèi)產(chǎn)水深度變化Fig.10 Didfference of water yield in the sub-basin before and after correction

5 討論

西南巖溶流域是我國長(zhǎng)江水系和珠江水系的上游,也是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū),明晰該地區(qū)真實(shí)的水供給服務(wù)能力對(duì)生態(tài)恢復(fù)和重建具有重要意義。巖溶發(fā)育地區(qū),地貌與水文相互依存又彼此制約。一方面,水是巖溶地貌演化的直接動(dòng)力,塑造了峰叢洼地、峰林平原、巖溶峽谷、巖溶斷陷盆地等多種巖溶地貌,特殊的地質(zhì)地貌分異結(jié)構(gòu)使得喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性[71]。另一方面,不同的地貌組合形成了特殊的產(chǎn)匯流過程,演化出獨(dú)特的地表、地下雙重結(jié)構(gòu)[43],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也隨之發(fā)生明顯縱向分異。然而,目前在喀斯特地區(qū)使用InVEST模型進(jìn)行水供給服務(wù)評(píng)估時(shí)存在一定的局限性:一是因?yàn)镮nVEST模型簡(jiǎn)化匯流過程,沒有區(qū)分地表徑流、壤中流和基流,未能較為準(zhǔn)確地反映巖溶區(qū)水供給服務(wù)真實(shí)情況;二是因?yàn)槿狈Ω呔葞r溶個(gè)體及其組合形態(tài)的地貌數(shù)據(jù),研究結(jié)果難以揭示不同地貌類型水供給服務(wù)能力。

針對(duì)以上限制因素,本研究探索性地提出地下產(chǎn)水量分割系數(shù),將地下水補(bǔ)徑排特征概念化,以水量平衡法為基礎(chǔ)地構(gòu)建了地表水與地下水分割校正概念模型。同時(shí),以漓江流域?yàn)槔?基于DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建了30 m精度的喀斯特地貌單元數(shù)據(jù),從柵格、地貌分區(qū)和子流域尺度對(duì)比分析了InVEST模型和分割校正模型的水供給服務(wù)空間格局。結(jié)果表明,校正后的產(chǎn)水量與流域?qū)崪y(cè)值更為接近,其空間分布情況與實(shí)際更為相符。就巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)水供給能力而言,校正前巖溶區(qū)與非巖溶地區(qū)的水供給服務(wù)能力沒有明顯差異,校正后的非巖溶地區(qū)水供給服務(wù)能力明顯強(qiáng)于巖溶區(qū)。事實(shí)上,巖溶發(fā)育地區(qū),地表河流稀少但地下水資源十分豐富,而InVEST模型只考慮降水(水分輸入)和實(shí)際蒸散發(fā)(水分輸出),忽略了地下水下滲過程,一定程度上掩蓋了巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)的產(chǎn)水量差異。本文的分割校正模型在此基礎(chǔ)上充分考慮了不同地貌類型的地下水補(bǔ)徑排特征,校正后的水供給服務(wù)能力更貼近實(shí)際。就不同巖溶區(qū)水供給能力而言,校正前裸露型巖溶區(qū)水供給能力最高,校正后其水供給能力降為最低。變化原因在于裸露型巖溶區(qū)地表沒有明顯排水系統(tǒng),大多數(shù)降水通過落水洞、豎井、漏斗等灌入地下形成豐富的地下產(chǎn)水量,而地下產(chǎn)水量又會(huì)迅速沿著地下河網(wǎng)移動(dòng)至平原上或裸露的峰林山腳下并以泉或地下河的形式注入漓江,最終導(dǎo)致裸露型巖溶供水能力在校正后發(fā)生大幅度下降。就子流域水供給能力而言,校正后漓江中游區(qū)產(chǎn)水能力提高至第一,而上游區(qū)產(chǎn)水能力降為第二。這是因?yàn)樯嫌螀^(qū)域?qū)儆诜菐r溶森林生態(tài)分區(qū),幾乎沒有獲得地下水補(bǔ)給。而中游地區(qū)包含漓江流域最低排泄面,在校正后獲得了大量地下水補(bǔ)給,產(chǎn)水能力因此大幅提升。綜上,本研究提出的分割校正模型較為準(zhǔn)確地評(píng)估喀斯特地區(qū)水供給服務(wù)空間格局,有效提高了InVEST模型在喀斯特地區(qū)的適用性,研究結(jié)果不但可為后續(xù)水供給服務(wù)流動(dòng)模擬研究與生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制建立提供更科學(xué)合理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),還有助于當(dāng)?shù)卣贫茖W(xué)合理的水資源利用政策。

然而,本研究仍存在一些局限,需要在未來做更深入的研究。首先,本文采用的入滲系數(shù)主要參考相似地區(qū)的前人研究成果,可能會(huì)影響分割系數(shù)的準(zhǔn)確性,未來采集野外數(shù)據(jù)并添加至模型可以進(jìn)一步提高分析結(jié)果的可靠性。其次,由于數(shù)據(jù)缺乏和地下徑流過程的復(fù)雜性,本研究沒有將地下河出口、泉水出露點(diǎn)這部分柵格劃入排泄區(qū),僅以平原區(qū)漓江河流200 m緩沖區(qū)作為排泄區(qū)。未來還可以深入挖掘地表、地下產(chǎn)水量的空間變化規(guī)律,不斷改進(jìn)模型使其更加符合實(shí)際。最后,漓江流域降水的季節(jié)性和年際變動(dòng)較大,可能導(dǎo)致Z系數(shù)在年際間的有較大的差異。未來需要增加雨季與旱季的產(chǎn)水量分析,進(jìn)一步提高模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文綜合考慮影響喀斯特地區(qū)巖溶地貌形態(tài)、地表與地下雙層徑流結(jié)構(gòu),利用喀斯特地貌類型特征和降雨入滲系數(shù)將InVEST模型產(chǎn)水量分割為地表產(chǎn)水量和地下產(chǎn)水量?jī)刹糠?結(jié)合地下水補(bǔ)徑排特征和水量平衡法建立產(chǎn)水量校正概念模型,校正了InVEST模型產(chǎn)水量模擬結(jié)果,從柵格、巖溶分區(qū)和子流域3個(gè)尺度分析了漓江流域2000—2020年產(chǎn)水量校正前與校正后時(shí)空分布格局。研究結(jié)果顯示:(1)2000—2020年研究區(qū)基于InVEST模型模擬產(chǎn)水量呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì),產(chǎn)水量空間分布格局為北高南低;就地貌單元而言,巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)產(chǎn)水深度相差不大,不同巖溶區(qū)產(chǎn)水能力由高到低排序?yàn)槁懵缎?覆蓋型>埋藏型,不同地貌形態(tài)產(chǎn)水能力由高到低排序?yàn)槠皆?洼地>峰叢;就子流域而言,流域產(chǎn)水能力降序?yàn)槔旖嫌?漓江中游>恭城河區(qū)>荔浦河區(qū)>漓江下游,流域分區(qū)供水總量由高到低排序?yàn)槔旖嫌?漓江中游>恭城河區(qū)>荔浦河區(qū)>漓江下游。(2)校正后的水供給服務(wù)空間分布格局為西北部高于東南部,四周高于中部;就地貌單元而言,校正后巖溶區(qū)產(chǎn)水能力顯著高于非巖溶區(qū),不同巖溶區(qū)產(chǎn)水能力由高到低排序?yàn)槁癫匦?覆蓋型>裸露型,不同地貌形態(tài)產(chǎn)水能力由高到低排序?yàn)槠皆?峰叢>洼地;就子流域而言,流域產(chǎn)水能力降序?yàn)槔旖杏?漓江上游>恭城河區(qū)>荔浦河區(qū)>漓江下游。(3)相比InVEST模型模擬結(jié)果,基于分割系數(shù)校正后的漓江流域產(chǎn)水總量沒有變化,但除河流以外的其他區(qū)域產(chǎn)水深度均有不同程度下降,不同子流域區(qū)域中漓江上游區(qū)、荔浦河區(qū)、恭城河區(qū)的子流域均有減少。利用水文站數(shù)據(jù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),校正后產(chǎn)水量模擬值與實(shí)測(cè)徑流值之間的偏差更小,特別是更真實(shí)地反映了巖溶地貌區(qū)產(chǎn)水量時(shí)空格局。因此,本研究更為準(zhǔn)確的模擬了漓江流域水供給服務(wù)時(shí)空格局,研究結(jié)果可以為漓江流域水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。未來需要通過補(bǔ)充觀測(cè)、區(qū)分旱季與雨季以及增加地下水文數(shù)據(jù)來進(jìn)一步提高模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。