基于InVEST模型的未來土地利用變化對水源涵養(yǎng)功能的影響

劉樹鋒 陳記臣 關(guān)帥 王會

摘要以楊溪河流域為例，利用未來土地利用變化情景模擬（GeoSOS-FLUS）模型對未來土地利用情況進行模擬，并通過InVEST模型對水源涵養(yǎng)功能進行分析。結(jié)果表明：整體上楊溪河流域內(nèi)未來各類土地利用類型更趨于集中，耕地面積大量減少并趨于消失，林地面積大量增加并普遍大于其他土地類型;楊溪河流域在現(xiàn)狀和未來各情景下均表現(xiàn)為上游和下游的產(chǎn)水量較高;人類活動會對楊溪河流域產(chǎn)水量產(chǎn)生影響，注重全球化的變化和環(huán)境保護可保持流域良好的水源涵養(yǎng)功能。水源涵養(yǎng)功能在流域的開發(fā)利用中有重要作用，需要保護林地并協(xié)調(diào)經(jīng)濟、環(huán)境和資源等各方面之間的關(guān)系，以維持楊溪河流域等我國南方中小流域較強的水源涵養(yǎng)功能。

關(guān)鍵詞InVEST模型;未來土地利用變化;水源涵養(yǎng);楊溪河流域

中圖分類號X171.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2020）15-0067-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Future Land Use Change on Water Conservation Function Based on InVEST Model—Taking Yangxi River Basin as an Example

LIU Shufeng1，2，3， CHEN Jichen1，2，3， GUAN Shuai1，2，3et al

（1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower， Guangzhou， Guangdong 510635;2.State and Local Joint Engineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology， Guangzhou， Guangdong 510635;3.Guangdong Key Laboratory of Hydrodynamic Research， Guangzhou， Guangdong 510635）

AbstractTaking Yangxi River Basin as an example， this paper used GeoSOSFLUS model for simulating land use change in the future， and used InVEST model to analyse the water conservation function. The results showed that： As a whole， the land use types in Yangxi River Basin would be more concentrated in the future， and the area of farmland would be greatly reduced and tend to disappear. The area of forest land would increase greatly and would be generally larger than other types of land. Yangxi River Basin had higher water yield in the upstream and downstream areas in current and all future scenarios. Human activities would affect the water yield of Yangxi River Basin. Paying attention to the change of globalization and environmental protection could maintain a good water conservation function of the basin. Water conservation function would play an important role in the development and utilization of the basin. It is necessary to protect forest land and coordinate the relationship among economy， environment and resources to maintain the strong water conservation function of Yangxi River Basin and other small and mediumsized river basins in the south of China.

Key wordsInVEST model;Future land use change;Water conservation;Yangxi River Basin

基金項目廣東省水利科技創(chuàng)新項目（2017-12）。

作者簡介劉樹鋒（1978—），男，廣東韶關(guān)人，高級工程師，博士，從事水文水資源研究。

收稿日期2019-12-26

在全球水資源需求不斷增加的情況下，對不同土地利用條件下的產(chǎn)水量評估和水源涵養(yǎng)功能評價研究具有巨大意義。目前常用的產(chǎn)水量評估模型有MIKE模型[1]和TOPMODEL模型[2]等，但這些模型所需數(shù)據(jù)量較大，難以適用于中小流域。InVEST（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）模型[3]被引入我國后，因其具有很強的空間分析能力，在產(chǎn)水量評估和水源涵養(yǎng)功能研究等方面取得了良好的模擬效果。已有不少學者在我國黃土高原[4]、橫斷山區(qū)[5]和漢江上流[6]等地區(qū)運用InVEST模型對當?shù)禺a(chǎn)水量或水源涵養(yǎng)的空間格局等進行了分析與評價。該研究利用InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊（Water Yield），對韶關(guān)市乳源瑤族自治縣楊溪河流域現(xiàn)狀和未來不同土地利用情景進行水源涵養(yǎng)功能分析，以期為我國南方地區(qū)中小流域的開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1區(qū)域概況

楊溪河屬于珠江流域北江水系武江的一級支流，總集雨面積498 km2，河長61.29 km，坡降1.19%，總落差1 637 m。該流域發(fā)源于廣東省韶關(guān)市乳源瑤族自治縣的老鵬頂山（海拔高程1 737 m，位于南嶺國家級自然保護區(qū)），自西向東流經(jīng)大橋鎮(zhèn)、必背鎮(zhèn)和桂頭鎮(zhèn)，在楊溪口匯入武江。楊溪河流域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L氣候，雨量豐富，流域多年平均降水量1 700 mm，上游降水量比中下游大;流域多年平均蒸發(fā)量1 089 mm。

2研究方法

2.1InVEST模型算法

InVEST模型Water Yield模塊的基礎(chǔ)是Budyko水熱耦合平衡，并考慮年均降水量和實際蒸散發(fā)，運用水量平衡法結(jié)合氣候、地形、根系深度和土壤深度等計算得出各柵格的水源涵養(yǎng)量[7-8]。模型的計算原理如公式（1）～（4）：

式中，Y?xj為第j種土地利用類型柵格x的年產(chǎn)水量;AET?xj為第j種土地利用類型柵格x的年實際蒸散發(fā)量;P?x為柵格x的年降雨量;ω?x為自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù);R?xj為Budyko干燥指數(shù)，即潛在蒸散與降水量的比值;Z為季節(jié)系數(shù)，是與降雨季節(jié)分布有關(guān)的浮點型數(shù)據(jù)（1～30）;AWC?x為柵格x的年平均植物可利用含水量，由土壤深度和理化性質(zhì)決定;K?xj為第j種土地利用類型柵格x的植被蒸散發(fā)系數(shù);ET?0為年平均參考作物蒸散發(fā)量。

2.2數(shù)據(jù)來源

該研究對各參數(shù)和數(shù)據(jù)作了區(qū)域處理以增強模型適用性。地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：∥www.gscloud.cn），空間分辨率為30 m×30 m;年平均降水量（P?x）和年實際蒸散量（AET?xj）等氣候數(shù)據(jù)根據(jù)《廣東省水文圖集》獲得多年平均值，并進行克里金插值而得;土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫（harmonized world soil database，HWSD）和南京土壤所1∶100萬的土壤資料;2010年的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：∥www.resdc.cn），空間分辨率為30 m×30 m;年平均植物可利用含水量（AWC?x）等模型參數(shù)參考周文佐[9]的研究結(jié)果，使用SPAW Hydrology模型中的Open Soil Water Characteristics進行計算獲得。

2.3未來土地利用變化情景模擬模型

未來土地利用數(shù)據(jù)采用未來土地利用變化情景模擬模型（GeoSOS-FLUS）進行模擬而得，該模型是中山大學LI等[10]在2017年開發(fā)的多類土地利用變化情景模擬軟件。GeoSOS-FLUS模型的原理源自元胞自動機（CA），并在傳統(tǒng)元胞自動機的基礎(chǔ)上作了較大改進。首先，GeoSOS-FLUS模型采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法（ANN）從一期土地利用數(shù)據(jù)與包含人類活動與自然效應的多種驅(qū)動力因子中獲取各種用地類型在研究范圍內(nèi)的適宜性概率。其次，GeoSOS-FLUS模型采用從一期土地利用分布數(shù)據(jù)中采樣的方式，能較好地避免誤差傳遞的發(fā)生。另外，在土地變化模擬過程中，GeoSOS-FLUS模型提出一種基于輪盤賭選擇的自適應慣性競爭機制，該機制能有效處理多種土地利用類型在自然作用與人類活動共同影響下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時的不確定性與復雜性，使得該模型具有較高的模擬精度并能獲得與現(xiàn)實土地利用分布相似的結(jié)果[11]。

3結(jié)果與分析

3.1未來土地利用變化模擬

LI等[10-11]選用2010年土地利用數(shù)據(jù)對未來土地利用變化進行模擬，均發(fā)現(xiàn)GeoSOS-FLUS模型的模擬結(jié)果具有較高的準確性。由于未來條件的不確定性，該研究選擇基于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）所發(fā)布的4個SRES情景來進行未來土地利用變化的預測。在不同的人口與經(jīng)濟增長及資源使用等情況下對未來土地利用變化進行模擬，分為A?1、A?2、B?1和B?2 4種不同情景，每一個情景代表不同水平的人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和其他社會經(jīng)濟、環(huán)境變量，其中A強調(diào)經(jīng)濟，B注重環(huán)境發(fā)展;1更注重全球化的變化，2則更注重局部發(fā)展。

根據(jù)我國土地資源分類系統(tǒng)，土地利用類型共分為兩級，該研究參照一級分類標準，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域和居民用地5類。該研究利用區(qū)域2010年的土地利用類型，考慮不同的影響因素，模擬得出不同情景下2050年和2100年的土地利用變化（圖1）。楊溪河流域現(xiàn)狀（2010年）與未來（2050和2100年）不同情景下的土地利用類型統(tǒng)計情況見表1。模擬結(jié)果顯示，整體上流域內(nèi)各類土地利用類型更趨于集中，耕地面積大量減少并趨于消失，林地面積大量增加并遠大于其他土地利用類型。其中，從2050年到2100年，A?1和B?1情景下草地面積均大幅減少，林地面積均大幅增加，到2100年該2種情景下林地面積占比均在96%以上，因此全球化的變化將使該流域內(nèi)的草地面積大幅減少、林地面積大幅增加。但B?1更追求綠色發(fā)展，其林地面積最大，為482.81 km2，占流域總面積的96.95%。到2100年，A?2情景下的水域面積增加最多，說明在注重經(jīng)濟和局部發(fā)展的情景下，該流域內(nèi)小水電等水利工程的建設(shè)將增多并導致其水域面積增加。B?2情景表示在注重環(huán)境發(fā)展的同時，亦保持人口增長處于中間水平[11]，因此該情景最顯著的一個特點是從2050到2100年其居民用地顯著增多。

3.2產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量分析

基于InVEST模型對楊溪河流域的水源涵養(yǎng)功能進行評價，并利用ArcGIS平臺對楊溪河流域水源涵養(yǎng)的空間分布和產(chǎn)水量情況進行處理。該研究根據(jù)現(xiàn)狀條件中楊溪河干流上橫溪、釣魚臺和銀溪3宗水電站的壩址位置，將楊溪河流域劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個區(qū)域，這4個區(qū)域的面積分別為281.78、183.49、14.00和18.74 km2。圖2為根據(jù)楊溪河流域在2010年以及模擬得到的2050和2100年不同情景的土地利用下的產(chǎn)水量。楊溪河流域不同情景下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個區(qū)域的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量情況見表2。根據(jù)圖2和表2可知，楊溪河流域2010年的產(chǎn)水量平均值為707.24 mm，水源涵養(yǎng)量為35 220.55萬m3;該流域2050年A?1、A?2、B?1和B?2情景下的產(chǎn)水量平均值分別為741.43、692.17、747.95和708.42 mm，水源涵養(yǎng)量分別為36 923.00萬、34 470.02萬、37 247.96萬和35 279.56萬m3;該流域2100年A?1、A?2、B?1和B?2情景下的產(chǎn)水量平均值分別為734.25、628.35、738.63和629.08 mm，水源涵養(yǎng)量分別為36 565.68萬、31 292.05萬、36 783.62萬和31 328.31萬m3。從各區(qū)的產(chǎn)水量來看，2010年、2050年B?1以及2100年A?2和B?2情景下各區(qū)的產(chǎn)水量大小情況為：Ⅳ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū);2050年A?1、A?2和B?2以及2100年A?1和B?1情景下各區(qū)的產(chǎn)水量大小情況為：Ⅰ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)。因此，在現(xiàn)狀和未來4種情景下，該流域均表現(xiàn)為上游和下游的產(chǎn)水量較高。

4討論

土地利用類型的變化通過改變下墊面狀況進而影響楊溪河流域的水源供給。下墊面是水文循環(huán)的重要場所，下墊面狀況的改變會影響陸面的下滲量、實際蒸散發(fā)量以及土壤理化性質(zhì)等。

楊溪河流域內(nèi)土地利用變化主要是人為因素造成的，人類的社會經(jīng)濟活動和對大自然的改造會改變流域的土地利用類型，進而對其產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量造成影響。該研究發(fā)現(xiàn)，楊溪河流域2010年的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量與2050年B?2情景較接近，高于2050年A?2情景，低于2050年A?1和B?1情景。同時，該流域各情景下2050年的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量均比各情景下2100年的大，說明人類活動會對流域產(chǎn)水量產(chǎn)生影響。該流域2050年和2100年各情景下的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量均表現(xiàn)為：B?1>A?1>B?2>A?2。因此注重全球化的變化，楊溪河流域能夠更好地保持其水源涵養(yǎng)功能;同時，注重環(huán)境保護，亦可保持流域良好的水源涵養(yǎng)功能。龔文明等[12-13]研究表明，林地覆蓋地區(qū)的水源涵養(yǎng)基礎(chǔ)條件優(yōu)越，能夠?qū)涤赀M行有效蓄滲，其水源涵養(yǎng)功能較好;而居民用地因為使下墊面硬質(zhì)化，導致降雨消耗率偏高，其水源涵養(yǎng)功能較弱。

因此，未來人類活動將對楊溪河流域的土地利用情況造成改變，為了維持楊溪河流域較強的水源涵養(yǎng)功能，一方面，流域相關(guān)部門需加強對林地的保護，嚴禁亂砍濫伐森林和亂占濫用林地等行為，另一方面則需要科學調(diào)控居民用地的擴張速度和規(guī)模，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟、環(huán)境和資源等各方面的關(guān)系。

5結(jié)語

該研究先利用GeoSOS-FLUS模型對楊溪河流域未來的土地利用變化進行模擬，再利用InVEST模型的Water Yield模塊對楊溪河流域2010年、不同情景下2050年和2100年的土地利用情況進行水源涵養(yǎng)功能評價。主要結(jié)論如下：

（1）GeoSOS-FLUS模型模擬結(jié)果顯示，整體上楊溪河流域內(nèi)未來各類土地利用類型更趨于集中，耕地面積大量減少并趨于消失，林地面積大量增加并普遍大于其他類型土地。

（2）楊溪河流域2010年各區(qū)的產(chǎn)水量情況為：Ⅳ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū);2050年和2100年各區(qū)的產(chǎn)水量情況均為：Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)。在現(xiàn)狀和未來4種情景下，該流域均表現(xiàn)為上游和下游的產(chǎn)水量較高。

（3）楊溪河流域各情景下2050年的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量均比各情景下2100年的大，說明人類活動會對流域產(chǎn)水量產(chǎn)生影響。2050年和2100年各情景下的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量情況均為：B?1>A?1>B?2>A?2。注重全球化的變化和環(huán)境保護，可保持流域良好的水源涵養(yǎng)功能。

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