基于InVEST模型的大連市產水量時空變化分析

呂樂婷， 任甜甜， 李賽賽， 韓月馳

(遼寧師范大學 城市與環境學院, 遼寧 大連 116029)

水資源是工農業生產、經濟發展和環境改善不可替代的自然資源。近年來，由于氣候變化帶來的水源供給的不確定性，嚴重威脅著生態系統的安全與穩定，影響著自然景觀變化、區域人口與社會經濟發展的布局[1]。因此，定量化地評估區域生態系統水源供給功能是社會經濟發展的需要，也是當前生態學和水文學交叉領域研究的主要議題[2]。隨著遙感GIS技術與水文模型的發展，越來越多的學者通過水文模型分析和評估區域生態系統水源供給功能[3-4]，如SWAT模型、InVEST模型等。InVEST模型產水量模塊基于水量平衡原理，可充分考慮不同土地利用類型下土壤滲透性的空間差異性及地形、地表粗糙程度等因素對徑流的影響，以柵格為單元定量估算不同景觀類型的水源供給能力[4]。該模型基于GIS平臺，將量化的生態系統服務功能以地圖的形式表現出來，不再用繁瑣的計算公式和過多的文字贅述來表達，且優化了很多復雜的問題[5]。目前已被學者應用于北京山區[6]、黃土高原[7]、三江源[8]、白龍江流域[9]等生態系統服務的評估與研究中。隨著社會經濟發展，土地利用方式逐漸改變，流域水源供給功能等在內的生態系統服務正在發生變化[10]。本文應用InVEST模型產水量模塊對不同土地利用下大連市產水量的時空分布特征和影響因子進行分析，為大連市水資源的開發與保護提供可視化的評估結果和依據，增強全社會的生態保護紅線意識。

1 研究區概況

大連市(120°58′—123°31′E，38°43′—40°10′N)位于遼東半島南端，東臨黃海，西臨渤海，北依東北三省及內蒙古廣闊腹地，南與山東半島隔海相望[11]。下屬區縣包括莊河市、普蘭店區、瓦房店市、金州區、長?？h、市內4區(中山區、西崗區、沙河口區、甘井子區)及旅順口區，總面積1.30×104km2。該區位于暖溫帶大陸性季風氣候區，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明；多年平均氣溫10.5 ℃，年均降水量在550～950 mm之間，降水空間分布由東北向西南逐漸減少。流域內耕地、林地資源豐富，耕地資源是大連市面積最大，分布最廣的資源，面積比例為46.43%。以林地、耕地為主的生態系統對水源的供給功能起著關鍵性的作用[12]。

2 研究方法與數據處理

2.1 InVEST模型產水量模型原理

InVEST模型“產水量”子模塊基于水量平衡原理估算產水量。該模塊將每個柵格單元的產水量定義為該柵格范圍內的降水量扣除蒸散量(包括植物蒸騰和地表蒸發)之后，剩余的那一部分水量。然后，假設每一個柵格單元所有的產水量都通過地表徑流或者地下徑流的方式到達了流域出口；最后在子流域尺度上對每一個柵格的產水量進行加和或求取其平均值。模型主要算法如下：

(1)

式中：Yxj——年產水量；Px——年均降雨量； AETxj——土地利用類型j上柵格單元x的年平均實際蒸發量，由公式(2)計算：

(2)

式中：Rxj——Bydyko干燥指數，無量綱，表示潛在蒸發量與降雨量的比值，由公式(3)計算：

(3)

式中：kxj——柵格單元x中土地覆被類型j的植被蒸散系數，由植被葉面積指數LAI計算獲得； ET0——潛在蒸發量，由Penman-Monteith公式計算，計算公式為：

(4)

式中：ET0——潛在蒸發量(mm/d)；Rn——地表凈輻射〔MJ/(m·d)〕；G——土壤熱通量〔MJ/(m2·d)〕；r——干濕表常數(kPa/℃)；Tmean——日平均溫度(℃)；u2——2 m高處風速(m/s)；es——飽和水氣壓(kPa)；ea——實際水氣壓(kPa)。

(5)

式中：Z——經驗常數，代表區域降水分布及其他水文地質特征。根據相關研究，對于冬季降水為主(12月至翌年4月)的地區，Z值接近10，而對于降水均勻分布的濕潤地區和夏季降水為主的地區，Z值接近1[12]。Z值越高，或干旱指數較大或較小的地區，模型結果受季節常數Z影響越小[13]； AWCx——柵格單元x的土壤有效含水量，由土壤深度和理化性質決定。

2.2 數據來源及處理

(1) 土地利用數據。1980，1990，2000和2015年4期的土地利用利用數據(空間分辨率為1 km)均來源于中國科學院資源環境數據中心(http:∥www.resdc.cn)，數據生產制作是以各期LandsatTM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成。本研究區的土地利用類型根據實際情況歸并調整為6類，即耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地、未利用地(表1)。

(2) 氣象數據。本研究選取大連市1985—2015年降水、氣溫、風速、日照時數、氣壓數據，均來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。為了提高數據的代表性，將數據分為4個時段(1980—1985年，1986—1996年，1997—2007年，2008—2015年)，1980，1990，2000和2015年的土地利用狀況分別代表4個時段的土地利用狀況。降水要素先進行多年平均，然后通過反距離加權插值得到多年平均降水量柵格數據；其它氣候要素均選用日值，采用FAO修正的Penman-Monteith公式計算[14]潛在蒸發量，通過反距離加權插值法得到多年平均潛在蒸發量柵格數據。

(3) 土壤厚度和土壤有效含水量。土壤厚度數據來源于聯合國糧農組織和維也納國際應用系統研究所構建的世界土壤數據庫，中國境內數據源為第二次全國土地調查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數據；土壤有效含水量在分析土壤質地(砂土—壤土—黏土)百分比含量基礎上，利用土壤有效含水量經驗公式在SPAW軟件中計算獲得。

(4) 生物物理參數表。生物物理參數表反映了研究區土地利用和土地覆蓋類型的屬性，包括土地利用編碼、植被最大深度、蒸散系數等。這些數據根據前人的研究成果[15]和InVEST模型數據庫資料獲得。

表1 1980-2015年大連市土地利用類型%

編號土地利用類型 1980年比例1990年比例2000年比例2015年比例1耕地47.0047.0346.4946.432林地39.7639.3438.8937.953草地1.521.471.451.384水域4.053.984.164.185城鄉工礦居民用地7.317.998.969.976未利用地0.350.190.060.1

3 結果與分析

3.1 產水量的時間變化特征

大連市1980—2015年降水、氣溫、潛在蒸發、實際蒸散、干燥系數(實際蒸散量占降水量的比例)、產水量的年際變化趨勢如圖1所示。研究區多年平均降水量677.50 mm，最高降水量1 007.01 mm(1985年)，最低降水量403.39 mm(2015年)，年均降水量呈不顯著下降趨勢，多年平均氣溫9.64 ℃，呈顯著上升趨勢(p=0.025)，上升速率為0.179 ℃/10 a；年均潛在蒸散量947.74 mm，呈不顯著下降趨勢，降低速率為12.67 mm/10 a；年均實際蒸散量445.78.mm，呈顯著下降趨勢(p=0.001)，降低速率為19.22 mm/10 a；年均干燥系數0.72，呈顯著上升趨勢，上升速率為0.057/10 a，這意味著大部分降水通過實際蒸散返回到了大氣當中。在氣象要素變化的影響下，研究區多年平均產水量226.36 mm，占降水量33.41%，呈不顯著下降趨勢，降低速率為14.7 mm/10 a。

圖1 大連市降水、氣溫、潛在蒸散、實際蒸散、干燥系數及產水量時間變化

經過相關分析得出(表2)，1980—2015年，研究區產水量與降水量呈顯著正相關，相關系數為0.793(p<0.01)；與氣溫、潛在蒸散、干燥系數呈顯著負相關，相關系數分別為-0.517(p<0.01)，-0.624(p<0.01)，-0.486(p<0.01)。潛在蒸發反映了水分充分供給條件下最大的蒸散量，受氣溫的顯著影響(R=0.344，p<0.05)。實際蒸散代表了綜合考慮氣候要素及下墊面狀況下的蒸發能力，受降水和潛在蒸發影響，與降水呈顯著正相關(R=0.365，p<0.05)，與潛在蒸發呈不顯著負相關，相關系數為-0.086，也與地表覆蓋類型有關。綜合分析，本研究認為降水量是影響大連市產水量的主要氣候因素，同時受氣溫、潛在蒸發與干燥系數的影響。

表2 1980-2015年大連市產水量與氣候要素的相關性

注：**表示在0.01水平，相關性顯著。

3.2 產水量的空間變化特征

大連市氣象要素、土地利用類型、產水量空間分布特征如圖2所示。由圖2可知，1980—2015年，大連市年均降水量自東北向西南597.57～803.29 mm。其中，莊河市年均降水量最豐富，達733.65 mm,其次為普蘭店區，達672.09 mm，瓦房店市和南部7區縣的降水量次之，分別為644.73，643.94.mm。潛在蒸發空間特征與降水量相反，自東北向西南遞增858.33～1 036.39 mm。其中，南部7區縣潛在蒸發量最大，為998.94 mm；瓦房店市、普蘭店區的潛在蒸發量次之，分別為954.06，938.30 mm；莊河市的潛在蒸發量最小，為881.92 mm。實際蒸散空間分布與土地利用類型、降水基本一致，不同土地利用類型單位面積實際蒸散量不同，具體表現為：水域(616.74 mm)>林地(508.87 mm)>耕地(423.55 mm)>草地(422.86 mm)>居民地(306.83 mm)>未利用地(409.57 mm)。莊河市降水量居大連市之首，用地類型以水域、耕地、林地為主，蒸散發能力強，因此年均實際蒸散量最高，達457.22 mm,分別是南部七區縣、普蘭店區、瓦房店市的1.12，1.00和1.02倍(圖2，表3)。

受降水、蒸散發、土地利用(圖2)的綜合影響，大連市產水量總體變化趨勢為由東北向西南波動變化。高值區主要集中在莊河市東北部、瓦房店市南部，多年平均產水量在295.46～611.34 mm之間。莊河市東北部降水豐富，產水量大；瓦房店南部、南部7區縣中部以城市建設用地為主，蒸發能力弱，產水量亦最大；莊河市、瓦房店市北部及南部7區縣東北部、普蘭店區產水量次之，集中在168.62～295.46 mm之間；南部7區縣西南部、瓦房店市東北部以耕地和林地為主，蒸散系數高，對降水的截留能力強，產水量相對較小。從產水總量來看，莊河市因其降水量最大，土地面積廣闊，年均產水量最大，達276.78 mm，占降水量的37%，產水能力最高，分別是南部7區縣、普蘭店區、瓦房店市的1.16，1.29，1.39倍(表3)。

表3 1980-2015年大連市年均氣象要素及產水量

4 氣候變化和土地利用變化對產水量的影響

4.1 土地利用結構及轉移方向分析

由表4可知，大連市耕地和林地面積所占比例較大，分別為46%，38%，其次為城市建設用地，達10%，而草地、水體及未利用地所占的比例較小，分別為1.4%，4.2%和0.1%。1980—2015年，耕地、林地、未利用地面積均有不同程度的減小。其中，耕地面積減小87 km2，減幅1%，主要59%轉向建設用地及29%轉向林地；林地面積減小216 km2，減幅2%，主要95%轉向耕地。城鎮建設用地、草地、水域的面積均有不同程度的增加。草地、水域面積增幅較小，分別為0.1%和0.2%。城鎮建設用地面積增加339 km2，增幅2.7%，主要由60%以上的耕地轉移而來。從總體特征來看，大連市域是一個典型的快速城市化區域，建設用地36 a間快速增長，這主要是因為在快速城鎮化過程中，耕地轉為建設用地，而由于自然地理位置的原因，其它土地利用類型轉換為建設用地的面積很小[16]。

表4 1980-2015年大連市土地利用類型轉移矩陣 km2

圖2 大連市氣象要素、土地利用類型(2015年)、產水量空間分布特征

4.2 情景設置

為了區分1980—2015年研究區氣候變化和土地利用變化對產水量的影響，本研究選擇兩個階段，第一階段是1980—1990年，另一階段是2005—2015年。1980年和2015年的土地利用圖用來表示這兩個時期的土地利用模式。本研究設置了4種情景。情景1：1980—1990年的氣候和1980年的土地利用；情景2：1980—1990年的氣候和2015年的土地利用；情景3：2005—2015年的氣候和1980年的土地利用；情景4：2005—2015年的氣候和2015年的土地利用。情景1和情景4分別表示兩個時期的實際情況；情景1—2揭示土地利用變化對產水量的影響；情景1—3描述氣候變化對產水量的影響；情景4—1描述土地利用和氣候變化對產水量的綜合影響。

4.3 不同情景下產水量的時間變化

表5顯示了1980—2015年不同情景下研究區的產水量以及變化量。情景2和情景1的產水量差異表明，土地利用變化的影響增加了6.97 mm，占情景1條件下產水量的5%。情景3和情景1的產水量差異代表了氣候變化的效應，減少了16.92 mm，占情景1條件下產水量的12%。與情景1相比，情景4下土地利用和氣候變化的綜合效應下產水量減少了10.09 mm，占情景1產水量的7%。結果表明，土地利用和氣候變化都影響了研究區的產水量，氣候變化的影響大于土地利用變化的影響。當氣候變化效應發揮主導作用時，土地利用變化對產水量的影響并不明顯。

4.4 不同情景下產水量的空間變化

圖3顯示了不同情境下大連市產水量的空間分布圖，表6顯示了不同情景下不同地區的產水量?？傮w上，在不同情景下，產水量的空間分布趨勢基本一致。在情景1條件下，平均產水量142.75 mm。其中，莊河市產水量最大，為194.92 mm；長海縣、普蘭店區的產水量次之，分別為180.78，131.85 mm；旅順口區的產水量最小，為75.54 mm。在情景2條件下，土地利用為主要驅動因素，平均產水量為149.72 mm，相比情景1，增加了6.97 mm，絕大部分地區的產水量呈增加趨勢。

表5 不同情景下大連市的產水量及變化值

圖3 不同情景下產水量的空間分布

其中，市內4區耕地面積減少了46 km2，林地面積減少24 km2，城市建設用地增加了73 km2，相應平均產水量增加最大，為30 mm；其次為金州區，耕地、林地面積分別減少了55和15 km2，城市建設用地增加了78 km2，相應平均產水量增加了16.84 mm；旅順口區、瓦房店市、普蘭店區，耕地、林地、城市建設用地面積變化較小，產水量亦變化較小，平均產水量分別增加了6.78，6.5，4.08 mm；莊河市耕地、林地面積分別減少8和48 km2，城市建設用地增加64 km2，平均產水量增加最小，分別為3.17 mm。綜合分析，林地和耕地面積的下降，城市建設用地的增加，對大連市產水量有些微的影響。在情景3條件下，氣候變化為主要驅動因素，平均產水量為125.83 mm，相比情景1，減少了16.92 mm，絕大部分地區的產水量呈減少趨勢，尤其莊河市的產水量減少最大，為42.82 mm，主要原因在于1980—2015年期間，氣溫增加明顯，降水量減少最大，達65 mm以上。在情景4條件下，氣候變化和土地利用為主要驅動因素，平均產水量為132.66 mm，相比情景1，減少了10.09 mm。莊河市、長海縣、普蘭店產水量呈減少趨勢，其中，莊河市減少量最大，為39.69 mm。金州區、旅順口區、市內4區、瓦房店產水量呈增加趨勢，其中，市內4區產水量增加最大，為40.55 mm。結果表明，不同情景下，產水量的空間分布趨勢基本一致。研究區土地利用的變化對產水量的增加有些微影響，氣候變化是影響產水量變化的主要驅動力。

表6 不同情景下不同地區的產水量mm

地 區情景1情景2情景3情景4金州區 116.78133.62118.82135.34旅順口區75.5482.3282.1488.93普蘭店區131.85135.93118.02121.94瓦房店市115.06121.56109.63115.95長海縣 180.78180.78156.30156.30莊河市 194.92198.09152.12155.23市內4區130.89161.89140.45171.44

5 結 論

(1) 1980—2015年，大連市年均降水量677.50 mm，年均潛在蒸發947.74 mm，二者不顯著下降，下降速率分別為22.22和12.67 mm/10 a。平均氣溫9.64 ℃，年均干燥系數為72%，二者顯著增加，增加速率分別為0.179和0.057/10 a；年均實際蒸散量445.78.mm，顯著下降，降低速率19.22 mm/10 a。研究區多年平均產水量226.36 mm，占降水量33.41%。在研究時段內，平均產水量不顯著下降，降低速率14.7 mm/10 a。在降水波動的影響下，不同年代，各地區潛在蒸散、實際蒸散量波動變化；產水量變化趨勢與降水變化趨勢一致，都呈先降低后增加的趨勢。降水量是影響大連市產水量的主要氣候因素，同時受潛在蒸發量與干燥系數的影響。

(2) 1980—2015年大連市產水量總體上由東北向西南波動變化。高值區主要集中在莊河市東北部、瓦房店市南部、南部7區縣中部，多年平均產水量在295.46～611.34 mm之間；莊河市、瓦房店市北部及南部7區縣東北部、普蘭店區產水量次之，集中在168.62～295.46 mm之間；南部7區縣西南部、瓦房店市東北部產水量相對較小，集中在1.11～168.62 mm之間。從產水總量來看，莊河市年均產水總量最大，達1.10×109m3。

(3) 1980—2015年，研究期間大連市耕地、林地面積有所減少。城市建設用地面積有所增加，主要由耕地轉移而來。其它用地類型面積變化較小。

(4) 氣候變化和土地利用變化是引起大連市產水量時空變化的兩個主要因素，氣候變化的影響大于土地利用變化的影響，當氣候變化效應發揮主導作用時，土地利用變化對產水量的影響并不明顯。氣候因子主要通過改變降水和潛在蒸散來影響產水量，降水的增加可以提高產水量的源頭水量，潛在蒸散表征區域生態系統的水分消耗能力。土地利用的變化可以影響實際蒸散，進而影響產水量。

(5) InVEST模型的引入，為大中尺度流域的水源供給服務的估算與空間分布提供了定量和可視化的參考，但由于模型結構的簡化以及缺乏長期的野外觀測數據，致使研究結果存在一定的不準確性。因此，建議在今后的研究工作中，加強野外數據的觀測、調整模型參數使其本土化，確保評估結果的可靠性。