遼河流域水源涵養(yǎng)能力評價及其變化特征分析

沈亞西

(遼寧省葠窩水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽 111000)

水生態(tài)系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵性組成部分，其主要包括對供給、調(diào)節(jié)、支持以及文化服務(wù)四大主要方面，不僅可為人類的生產(chǎn)生活提供基礎(chǔ)性的必備產(chǎn)品，而且對維持生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境、結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能發(fā)揮重要作用。生態(tài)系統(tǒng)提供的重要服務(wù)類型主要包括水資源供給與水源涵養(yǎng)，因此可以利用產(chǎn)水量評價生態(tài)系統(tǒng)水資源供給服務(wù)。流域蒸散發(fā)、截流量以及滲透特征與土地利用/覆蓋、氣候等因素密切相關(guān)。近年來，頻繁的人類活動以及劇烈的氣候變化，尤其是快速的社會經(jīng)濟發(fā)展與城鎮(zhèn)化進程顯著改變了土地利用/覆被，從而對流域水文過程和地區(qū)水源涵養(yǎng)能力產(chǎn)生了劇烈的影響[1-6]。

遼河流域作為我國東北部地區(qū)社會發(fā)展與經(jīng)濟活動最具活力的區(qū)域之一，其水源涵養(yǎng)功能對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和水資源管理規(guī)劃具有重大意義，對生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分功能的定量描述不僅可促進該區(qū)域社會經(jīng)濟的持續(xù)、快速、穩(wěn)健的發(fā)展，而且可為流域生態(tài)文明建設(shè)提供一定決策依據(jù)。針對遼河流域歷史時期的水文循環(huán)，國內(nèi)外已有相關(guān)研究報道，但是所涉及到的時間序列較短，并且各學(xué)者的側(cè)重點與理論方法不盡相同，對遼河流域較長時間序列的變化特征描述及水源涵養(yǎng)能力分析相對更少。本文以遼河流域為空間尺度，并選取時間尺度為2000—2016年，對該流域水源涵養(yǎng)能力利用InVEST產(chǎn)水模型進行了評價，進一步分析了其時空變化特征，以期為促進該區(qū)域水資源的管理規(guī)劃，并充分發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能提供一定理論支持和決策依據(jù)。

1 研究概況與方法

1.1 遼河流域概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)西南部，不僅是我國的重要糧食基地而且位于東北地區(qū)工業(yè)發(fā)展核心位置，流域內(nèi)各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折，主要支流有老何哈、渾河、太子河、柴河等，流域全長1345km，占地面積為21.9萬km2。冬季漫長寒冷、夏季炎熱干燥屬于半干旱半濕潤氣候過渡區(qū)，年均降水量為350～1000mm，并且主要集中在6—9月份，多以暴雨或強降雨的形式出現(xiàn)，降雨量由東南向西北方向整體呈降低趨勢。區(qū)域內(nèi)海拔高度由西北向中南部逐漸降低，最高和最低處約為1650mm和860m；氣溫在平原地區(qū)較高，山地較低由南向北整體呈降低趨勢，多年平均氣溫為4～9℃，由南向北方向年蒸發(fā)量依次遞減并處于為982～1650mm范圍。在水資源三級分區(qū)中可將遼河流域劃分為遼寧區(qū)、吉林區(qū)、蒙古區(qū)以及河北區(qū)4個區(qū)域[7-9]。

1.2 研究方法

InVEST模型是由斯坦福大學(xué)聯(lián)合其他機構(gòu)協(xié)會研發(fā)的一種用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的多模塊計算模型。產(chǎn)水量模型作為InVEST模型的基礎(chǔ)模塊之一，在大尺度流域和地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。該模型相對于其他水文模型在空間分析與展示上因依托于地理信息系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢和特點。水量平衡和Budyko理論為該模型的主要依據(jù)和理論基礎(chǔ)，學(xué)者Budyko指出大氣對陸面的蒸散發(fā)需求和水分供給之間的平衡是決定陸面長期平均蒸散發(fā)的關(guān)鍵因素。水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的綜合表現(xiàn)為水與多種生態(tài)系統(tǒng)之間的共同作用，如土壤、森林、濕地等，水量均衡理論為InVEST模型中產(chǎn)水模塊的平衡計算的主要依據(jù)，在充分考慮氣候、土地利用/植被覆蓋類型、氣候環(huán)境等因素的基礎(chǔ)之上，將降水量減去實際蒸散發(fā)量即為各個格柵的水源涵養(yǎng)量，其中植被有效含水量、年均蒸散發(fā)量、降水量、根系深度、土地利用類型分布、植被蒸散發(fā)系數(shù)等為模型的主要參數(shù)。采用平均時段參數(shù)值作為蒸散發(fā)量與降水量數(shù)值。在中國北京森林區(qū)、美國多個山脈、群島以及西苕溪流域等區(qū)域，InVEST中的產(chǎn)水量模型已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和論證[10-12]，對各單元柵格上的產(chǎn)水量利用InVEST模型進行求解，其表達式為：

(1)

式中，Yxj—第j種植被類型對應(yīng)于x格柵單元的產(chǎn)水量，mm；AETxj—第j種植被類型對應(yīng)于x格柵的年實際蒸散量，mm；Px—x格柵單元的年均降產(chǎn)水量，mm。

(2)

式中，Rxj—第j中土地利用類型對應(yīng)于x格柵的Budyko的干燥指數(shù)；ωx—用于描述土壤性質(zhì)與自然氣候的經(jīng)驗參數(shù)，即用于修正年降水量與需水量比值。

為適用于其他范圍在模型中對該參數(shù)進行了較大的修正，其中ωx修正最小值為1.25，即根系深度為0的裸土修正值；最大值設(shè)定為5，ωx計算公式為：

(3)

式中，Z—張系數(shù)，可反映多年平均降水特征的經(jīng)驗常數(shù)，不僅與年均降水量次數(shù)相關(guān)，而且受季節(jié)性變化影響，Z值在降水總量相同的區(qū)域隨降水次數(shù)的增多而增大，在降水次數(shù)較多且具有明顯季節(jié)性變化特征的區(qū)域該參數(shù)具有較強的適用性與可行性；AWCx—在x格柵單元的土壤有效含水量，mm，通常是指貯藏域一定深度的土壤內(nèi)并能夠被植被利用的水量，可根據(jù)有效根系深度和土壤紋理獲取。

年降水量、集水區(qū)、子集水區(qū)、土地利用/覆被、年潛在蒸散發(fā)量、能夠反映土地利用/覆被屬性的表格以及根限制層深度等為InVEST模型所需數(shù)據(jù)的主要來源。對遼河流域1995—2015年土地利用/覆蓋的各期分布狀況，可利用5年間隔生態(tài)分布系統(tǒng)進行獲取，該數(shù)據(jù)是結(jié)合地面調(diào)查研發(fā)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并經(jīng)過分類處理得到精度為100m的數(shù)據(jù)集合。

利用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得格點數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的參考蒸散發(fā)與降水量數(shù)據(jù)，采用1995—2015年5期的土地利用/覆被條件對應(yīng)年份的降水量均值，作為模型所需降水?dāng)?shù)據(jù)的來源。影響作物需水量估算的核心是對參考蒸散發(fā)數(shù)值的確定，目前常用的方法有Hamon法、Penman-Monteith法，Hargreaves法等，其中被廣泛認(rèn)可的潛在蒸散發(fā)計算方法為Penman-Monteith法。

所需氣象資料來源于遼河流域及其附近各氣象站點觀測數(shù)據(jù)，主要包括日照時數(shù)、平均風(fēng)速、日最高與最低氣溫、大氣壓以及相對濕度等。通過計算各站點逐日參考蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，并選取5年平均值作為相應(yīng)年份參考值，然后對研究區(qū)域參考蒸散發(fā)分布特征根據(jù)反距離權(quán)重法空間差值獲取。

根系穿透時的土壤深度可受到土壤理化特性與物理性質(zhì)的影響作用，因此可采用土壤深度代替根限制深度。由中國土壤數(shù)據(jù)集作為土壤深度數(shù)據(jù)的來源，主要包括有機質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)、深度、厚度等參數(shù)。考慮到水體數(shù)據(jù)并未存在于數(shù)據(jù)集中，因此可根據(jù)土地利用類型將聚落、水庫與河流的土壤深度設(shè)定為0，并得到土壤深度分布特征。

植被可利用水分是指在一定深度內(nèi)土壤能夠儲存的用于植物生長需要的水分，通常情況下可利用永久萎蔫系數(shù)與田間持水量之間的差值對植被有效含水量進行估計，在InVEST模型中其取值范圍為0～1，并采用非線性擬合模型對土壤質(zhì)地與有機質(zhì)進行模擬。

植被蒸散法系數(shù)、最大根系深度、名稱描述、代碼為土地利用/覆被生物物理因子的主要內(nèi)容。通過調(diào)整參考蒸散發(fā)可得到植被蒸散法系數(shù)，而對于農(nóng)作物可根據(jù)農(nóng)業(yè)組織與聯(lián)合國糧食灌溉手冊進行查詢，蒸散發(fā)系數(shù)位于0～1.5之間。對土地利用是否被植被覆蓋可通過實際蒸散發(fā)代碼進行確定。另外，結(jié)合相關(guān)文獻資料可將張系數(shù)Z取值范圍設(shè)定為1～2，并將遼河流域自然地理特征設(shè)定為6.2。根據(jù)上述分析結(jié)果，InVEST模型部分參數(shù)設(shè)定結(jié)果見表1。

表1 產(chǎn)水模型部分參數(shù)設(shè)定值

2 結(jié)果與分析

結(jié)合遼河流域社會經(jīng)濟特點和自然地理特征，利用上述模型進行分析評價，最終得到土地利用/覆被和降水量為驅(qū)動該流域水源涵養(yǎng)能力改變的主要因素。不同時期遼河流域各分區(qū)的降水量變化情況見表2。

表2 不同時期遼河流域年降水量 單位：mm

由表2可知，在時間序列上4個區(qū)域的降水量時間變化趨勢基本保持一直，各區(qū)域在2000年和2010年期間的降水量均呈現(xiàn)出一定幅度的下降，并且以2010年下降幅度最為明顯，此期間受氣候條件的影響較大。在2015年各區(qū)域降水量基本與1995年持平，因吉林區(qū)域自然地理條件的差異，其降水量差異雖大，并且隨時間變化出現(xiàn)較大的變化特征。降水量由東南向西北方向呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢，并且降水量在各年份的分布狀況存在一定的差異，該分析結(jié)果與遼河流域?qū)嶋H狀況保持良好的一致性。

遼河流域土地利用/覆被類型在不同時期的變化情況見表3。土地利用/覆被類型主要以農(nóng)田為主，其次為森林和水體濕地，其他各類占比相對較低，均小于0.5%。

表3不同時期遼河流域土地利用/覆被類型比例單位：%

結(jié)果顯示，在研究期間農(nóng)田比例呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，累計下降量超過10%以上，而森林占比波動相對較小，基本保持穩(wěn)定。自2005年以來草地類型相對穩(wěn)定，并保持在0.45%水平，而在之前期間呈現(xiàn)出下降趨勢。水體濕地整體呈現(xiàn)出增大趨勢，而聚類面積逐漸增加并且增大幅度相對較大，其他類型面積在1995年變化較為明顯，而在后期逐漸趨于穩(wěn)定，在0.04%水平。根據(jù)上述各區(qū)域土地類型比例變化情況，在2010—2015年為各土地利用/覆被類型的變化相對較為劇烈。

通過分析不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況可以看出，農(nóng)田面積在研究期間被大面積的占用，建設(shè)用地面積不斷增大。結(jié)合研究流域?qū)嶋H情況，造成農(nóng)田面積顯著降低的主要原因為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、交通建設(shè)用地的增加以及城市化工業(yè)化的發(fā)展。大量耕地面積的流失是該流域目前面臨的主要問題，并且造成該變化的因素還與沿海區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略、房地產(chǎn)改革以及城市開發(fā)等相關(guān)。

在5期內(nèi)各分區(qū)的山水量分布見表4，由上表計算結(jié)果可知，遼河流域在1995—2015年的產(chǎn)水量整體呈現(xiàn)較為明顯的波動性特征，并且產(chǎn)水量在山區(qū)丘陵地帶的吉林區(qū)較大處于720～933mm范圍，而在平原地帶河北區(qū)相對較小為510～751mm范圍。

表4 不同時期遼河流域產(chǎn)水量統(tǒng)計 單位：mm

3 結(jié)語

本文以遼河流域為例，通過將1995—2015年期間劃分為5個期間，利用InVEST產(chǎn)水模型研究了該區(qū)域水淹涵養(yǎng)能力及其變化特征，得出的結(jié)論如下：

(1)在時間序列上4個區(qū)域的降水量時間變化趨勢基本保持一直，各區(qū)域在2000年和2010年期間的降水量均呈現(xiàn)出一定幅度的下降，并且以2010年下降幅度最為明顯，此期間受氣候條件的影響較大。

(2)農(nóng)田比例呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，累計下降量超過10%以上，而森林占比波動相對較小，基本保持穩(wěn)定；自2005年以來草地類型相對穩(wěn)定，并保持在0.45%水平，而在之前期間呈現(xiàn)出下降趨勢。

(3)遼河流域在1995—2015年的產(chǎn)水量整體呈現(xiàn)較為明顯的波動性特征，并且產(chǎn)水量在山區(qū)丘陵地帶的吉林區(qū)較大，而在平原地帶河北區(qū)相對較小。并且，在總體上土地利用/覆被對產(chǎn)水量的影響作用低于降水量。