基于InVEST模型的楊溪河流域土地利用變化對(duì)水源涵養(yǎng)功能的影響

劉樹鋒， 陳記臣， 關(guān)帥*， 崔靜思

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣州 510635； 2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510635；3.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510635)

水源涵養(yǎng)作為生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)功能之一，是對(duì)降水進(jìn)行再分配的復(fù)雜過(guò)程[1]。水源涵養(yǎng)功能是流域服務(wù)功能的重要組成部分，中外學(xué)者對(duì)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了較多相關(guān)研究[2-3]。水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)方法主要有產(chǎn)流模型法[4]、層次分析法[5]、影子價(jià)格法[6]和效益評(píng)價(jià)法[7]等，但均對(duì)于水源涵養(yǎng)功能空間分布表現(xiàn)不夠直觀。近年來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評(píng)估模型(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs, InVEST)模型[8]被廣泛地應(yīng)用于水源涵養(yǎng)功能的研究。潘韜等[9]基于InVEST模型定量估算了1980—2005年三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水源供給量，表明氣候變化和土地利用導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)退化及下墊面改變可能是三江源區(qū)水源供給量下降的主要驅(qū)動(dòng)力；包玉斌等[10]基于InVEST水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)模塊定量評(píng)價(jià)了黃土高原在退耕還林還草工程背景下土地利用/覆被變化對(duì)研究區(qū)水源涵養(yǎng)的影響，說(shuō)明了退耕還林還草帶來(lái)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的同時(shí)使區(qū)域的水源涵養(yǎng)量有所減少；吳娜等[11]采用InVEST模型核算了渭河流域水源涵養(yǎng)量，表明退耕還林等人來(lái)活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用變化會(huì)改變區(qū)域的水源涵養(yǎng)量；研究表明，InVEST模型在許多研究區(qū)均取得了較好的應(yīng)用效果，是量化評(píng)估水源涵養(yǎng)量的有效工具。人類活動(dòng)的影響使得生態(tài)環(huán)境受到干擾，對(duì)其因土地利用變化所引起的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值響應(yīng)研究顯得尤為迫切[12-13]。水源涵養(yǎng)量是分析水源涵養(yǎng)特征的重要基礎(chǔ)，是反映一個(gè)區(qū)域水源涵養(yǎng)狀況的絕對(duì)指標(biāo)，但由于不同區(qū)域氣候條件及水源涵養(yǎng)量有所差異，一般的絕對(duì)指標(biāo)難以反映區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力[1]。因此，本研究以韶關(guān)市乳源瑤族自治縣的楊溪河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊(Water Yield)對(duì)該流域不同年份的土地利用數(shù)據(jù)資料進(jìn)行水源涵養(yǎng)量分析，并對(duì)其水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行量化評(píng)估，以期為中國(guó)南方地區(qū)中小流域的開發(fā)利用和保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況

楊溪河發(fā)源于廣東省乳源瑤族自治縣西北部五指山老鵬頂，屬于珠江流域北江水系上游武江的一級(jí)支流。總流域面積為498 km2，河流全長(zhǎng)64 km，河道平均坡降10.9%。流域的多年平均降雨量是1 700 mm，降雨量年內(nèi)分布不均勻，汛期(4—9月)降雨量占全年降雨量的71%，非汛期(10—次年3月)降雨量占全年降雨量的29%。

2 研究方法

2.1 InVEST模型

InVEST模型是在柵格圖層上運(yùn)行的，其水源涵養(yǎng)模塊(Water Yield)以水量平衡原理為基礎(chǔ)，根據(jù)降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、根系深度和土壤深度等參數(shù)，以計(jì)算區(qū)域的產(chǎn)水量[10]。計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Yxj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(shí)際蒸散發(fā)量；Px為柵格x的年降雨量；ωx為自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù)；Rxj為Budyko干燥指數(shù)；Z為Zhang系數(shù)，也稱為季節(jié)性因子，表示區(qū)域降雨分布及其他水文地質(zhì)特征；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；Kxj為第j種土地利用類型柵格x的植被蒸散發(fā)系數(shù)；ET0為年平均參考作物蒸散發(fā)量。

2.2 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值指植被蓄滯吸收降水以及土壤儲(chǔ)水，不斷儲(chǔ)存水源，維持河流流量的價(jià)值[11]。本研究選取影子價(jià)格法[6,14]，通過(guò)水庫(kù)的建設(shè)成本具體量化水源涵養(yǎng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其計(jì)算公式為

E=αV

(5)

式(5)中：E為水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值，元/a；α為單位庫(kù)容造價(jià)，元/m3，《林業(yè)生態(tài)工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(DB11/T 1099—2014)根據(jù)1993—1999年《中國(guó)水利年鑒》平均水庫(kù)庫(kù)容造價(jià)為2.17元/m3，2005年價(jià)格指數(shù)為2.816，得到α為6.110 7元/m3，本研究α取6.110 7元/m3；V為水源涵養(yǎng)總量，m3/a。

2.3 模型參數(shù)確定

為提高模型的適用性，對(duì)相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)作了區(qū)域處理。地形數(shù)據(jù)取自航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪數(shù)據(jù)(shuttle radar topography mission, SRTM)，分辨率為30 m；Px和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(jìn)行克里金插值，生成30 m分辨率的柵格圖；土壤數(shù)據(jù)取自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)南京土壤所1∶1 000 000土壤資料；土地利用數(shù)據(jù)是中國(guó)1995年、2005年和2015年的1∶1 000 000土地利用資料；年平均植物可利用含水量AWC,x等模型參數(shù)參考周文佐[15]的研究結(jié)果，利用SPAW Hydrology模型中的Open Soil Water Characteristics進(jìn)行計(jì)算獲得。

3 結(jié)果與討論

3.1 土地利用類型分析

中國(guó)土地利用分類體系一般將土地利用類型分為一級(jí)和二級(jí)2個(gè)層次。采用一級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，共有耕地、林地、草地、水域和居民用地5個(gè)一級(jí)類。楊溪河流域內(nèi)1995年、2005年和2015年的土地利用類型具體分布情況如圖1所示，各年份土地利用類型統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。根據(jù)圖1和表1可知，1995—2015年，楊溪河流域內(nèi)耕地和林地面積逐漸減少，草地面積先增加后略微減少，水域和居民用地面積逐漸增加。楊溪河流域2005年的土地利用情況與1995年有較大變化，而2005年和2015年這兩年的土地利用情況較為接近。

圖1 楊溪河流域不同年份的土地利用類型分布Fig.1 Land use types distribution in different years in Yangxi River Basin

表1 楊溪河流域不同年份的土地利用類型統(tǒng)計(jì)Table 1 Land use types statistics in different years in Yangxi River Basin

3.2 產(chǎn)水量分析

以InVEST模型為平臺(tái)，評(píng)價(jià)楊溪河流域的水源涵養(yǎng)功能，再通過(guò)ArcGIS平臺(tái)，分析處理了楊溪河流域水源涵養(yǎng)的空間分布和產(chǎn)水量情況。本研究分別以楊溪河干流上橫溪、釣魚臺(tái)和銀溪3宗水電站的壩址斷面為流域出口，繪制各斷面的集雨范圍，將楊溪河流域劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個(gè)區(qū)域。圖2為楊溪河流域在1995年、2005年和2015年土地利用情況下的產(chǎn)水量，產(chǎn)水量數(shù)值越大表示水源涵養(yǎng)功能越好。根據(jù)InVEST模型的模擬結(jié)果，楊溪河流域在1995年、2005年和2015年的產(chǎn)水量分別為774.31、704.66、708.11 mm。

InVEST模型水源涵養(yǎng)模塊在研究區(qū)域水源涵養(yǎng)功能上具有一定的可行性和可信度[16]。根據(jù)楊溪河流域內(nèi)1995年、2005年和2015年的不同土地利用類型面積，計(jì)算得到各年份不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量，如表2所示。根據(jù)表2可知，楊溪河流域在1995年的水源涵養(yǎng)量最大，為38 560.64×104m3；其次為2015年，其水源涵養(yǎng)量為35 263.88×104m3；最小的為2005年，其水源涵養(yǎng)量為35 092.07×104m3。楊溪河流域1995年各土地利用類型的水源涵養(yǎng)量大小情況為：林地>耕地>草地>居民用地>水域，2005年和2015年各土地利用類型的水源涵養(yǎng)量大小情況均為：林地>草地>耕地>水域>居民用地。

表2 楊溪河流域不同土地利用類型水源涵養(yǎng)量Table 2 Water conservation quantities of different land use types in Yangxi River Basin

圖2 楊溪河流域不同年份的產(chǎn)水量分布Fig.2 Spatial distributions of water yield in different years in Yangxi River Basin

楊溪河流域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個(gè)區(qū)域的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量情況如表3所示。根據(jù)表3可知，楊溪河流域1995年、2005年和2015年各區(qū)的產(chǎn)水量大小情況均為：Ⅳ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)。楊溪河流域上游和下游(即Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū))的產(chǎn)水量較高，主要原因是該流域上游和下游的林地和耕地面積占比相對(duì)較大，有利于水源涵養(yǎng)。

3.3 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值

楊溪河流域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個(gè)區(qū)域在1995年、2005年和2015年的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值如表4所示。可以看出，楊溪河流域在1995年、2005年和2015年的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值分別為23.56億元/a、21.44億元/a和21.55億元/a；該流域在1995年、2005年和2015年各區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值大小情況均為：Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅲ區(qū)。

3.4 討論

土地利用類型等下墊面的變化，影響了楊溪河流域的水源供給。流域的下墊面條件的變化，會(huì)影響流域下滲、蒸散發(fā)、徑流等水文過(guò)程的特征。

楊溪河流域內(nèi)土地利用變化的主要因素是人類活動(dòng)，流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加不斷侵占耕地和林地，居民用地增加的同時(shí)亦導(dǎo)致耕地和林地面積的減少，同時(shí)楊溪河流域內(nèi)橫溪、釣魚臺(tái)和銀溪水電站等水利工程的建立使得流域內(nèi)水域面積亦有所增加[17-19]。由圖2和表2可知，楊溪河流域內(nèi)1995年的水源涵養(yǎng)量比2005年和2015年大。主要原因是楊溪河流域內(nèi)1995年的林地面積比2005年和2015年大，而1995年的居民用地面積比2005年和2015年小(圖1、表1)。李曦彤等[20]和陳駿宇等[21]的研究表明，林地的土壤蓄水能力較強(qiáng)，可有效蓄滲降雨，具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能；而居民用地使下墊面硬質(zhì)化，造成蓄滲降雨的能力減弱，其水源涵養(yǎng)功能較弱。

表3 楊溪河流域各區(qū)的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量統(tǒng)計(jì)Table 3 Water yields and water conservation quantities of each district in Yangxi River Basin

表4 楊溪河流域各區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值Table 4 Service value of water conservation of each district in Yangxi River Basin

因此，為了維持楊溪河流域較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能，一方面，相關(guān)部門需要加強(qiáng)對(duì)林地的保護(hù)，嚴(yán)禁毀林開荒等行為，另一方面則需要嚴(yán)格控制建設(shè)用地的擴(kuò)張速度和規(guī)模，并對(duì)居民用地中的下墊面使用透水鋪裝等方式增大降雨量的下滲。

4 結(jié)論

利用InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊(Water Yield)，對(duì)楊溪河流域1995年、2005年和2015年的不同土地利用情況進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)。得出如下主要結(jié)論。

(1)楊溪河流域在1995年的水源涵養(yǎng)量最大，為38 560.64×104m3；其次為2015年，其水源涵養(yǎng)量為35 263.88×104m3；最小的為2005年，其水源涵養(yǎng)量為35 092.07×104m3。楊溪河流域內(nèi)林地面積的減少和居民用地面積的增加，導(dǎo)致其對(duì)降雨的蓄滲能力降低，是該流域2005年和2015年的水源涵養(yǎng)量比1995年小的主要原因。

(2)楊溪河流域1995年、2005年和2015年各區(qū)的產(chǎn)水量大小情況均為：Ⅳ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)，上游和下游的產(chǎn)水量較高。主要原因是該流域上游和下游的林地和耕地的占比相對(duì)較大，有利于水源涵養(yǎng)。

(3)楊溪河流域在1995年、2005年和2015年的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值分別為23.56億元/a、21.44億元/a和21.55億元/a，該流域在不同年份各區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值大小情況均為：Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅲ區(qū)。

林地對(duì)于流域的水源涵養(yǎng)、生態(tài)安全和可持續(xù)開發(fā)具有重要作用，為了維持楊溪河流域等中國(guó)南方中小流域較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能，一方面需要加強(qiáng)對(duì)林地的保護(hù)，另一方面則需要嚴(yán)格控制建設(shè)用地的擴(kuò)張。