基于InVEST模型的官廳水庫流域產(chǎn)水和水質(zhì)凈化服務(wù)時(shí)空變化

吳 瑞，劉桂環(huán)，文一惠

1．北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083

2．環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

基于InVEST模型的官廳水庫流域產(chǎn)水和水質(zhì)凈化服務(wù)時(shí)空變化

吳 瑞1，2，劉桂環(huán)2*，文一惠2

1．北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083

2．環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

官廳水庫是北京市及其周邊地區(qū)重要的水源地之一，曾因水質(zhì)污染嚴(yán)重而被迫退出北京市飲用水供應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)過全面治理后于2007年恢復(fù)成為北京市備用水源地．為了從整體上定量分析官廳水庫流域生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水和水質(zhì)凈化服務(wù)，基于InVEST模型，選擇官廳水庫退出北京市飲用水供應(yīng)系統(tǒng)和恢復(fù)成為北京市備用水源地為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，定量評(píng)估1995—2010年官廳水庫流域生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水量和TN、TP輸出量，分析其產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)的時(shí)空變化．結(jié)果表明:1995—2010年，官廳水庫流域產(chǎn)水服務(wù)表現(xiàn)為先減弱后增強(qiáng)，但整體呈減弱趨勢，流域產(chǎn)水量由1995年的18．85×108m3降至2010年的14．33×108m3，產(chǎn)水服務(wù)減弱24．0%．水質(zhì)凈化服務(wù)表現(xiàn)為先減弱后增強(qiáng)，但整體呈增強(qiáng)趨勢，流域的TN、TP輸出量分別由1995年的4 028．7、379．7 t降至2010年的3 611．4和354．0 t，TN、TP凈化服務(wù)分別增強(qiáng)10．4%和6．8%．研究顯示，氣候變化和土地利用變化是導(dǎo)致官廳水庫流域產(chǎn)水服務(wù)發(fā)生改變的主要原因，不同時(shí)期的水資源保護(hù)政策導(dǎo)向也與水質(zhì)凈化服務(wù)變化趨勢相吻合．

官廳水庫流域;InVEST模型;時(shí)空變化;水質(zhì)凈化;產(chǎn)水量

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用［1］．具有極高甚至無法計(jì)量的價(jià)值，與人類福祉關(guān)系極其密切［2］．產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)是流域生態(tài)系統(tǒng)研究中非常重要的兩項(xiàng)服務(wù)，對(duì)水量和水質(zhì)的變化有直接影響，針對(duì)產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)的研究逐漸成為水文學(xué)和流域管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［3-5］．以往對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估多是基于土地利用類型，同時(shí)結(jié)合因子分析法進(jìn)行研究［6-8］，但所得結(jié)果存在動(dòng)態(tài)研究不足、評(píng)價(jià)結(jié)果單一、缺乏空間概念的問題［9-11］．近年來，隨著GIS、RS等技術(shù)的發(fā)展，一些研究者開始借助于模型工具的方法來進(jìn)行研究，這成為解決上述問題的一個(gè)突破口．InVEST模型［12］是其中較為成熟、應(yīng)用較為廣泛的一種，在國外的應(yīng)用研究相對(duì)成熟，研究熱點(diǎn)多集中于運(yùn)用該模型多個(gè)模塊對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行綜合評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果用于規(guī)劃管理中．如Nelson等［13-14］分別研究了威拉米特河盆地和非洲西部加納、科特迪瓦兩地的土地利用變化，運(yùn)用InVEST模型評(píng)估了由此造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化;Goldstein等［15-16］分別運(yùn)用該模型多個(gè)模塊對(duì)夏威夷瓦胡島和美國加利福尼亞州內(nèi)達(dá)華山脈進(jìn)行了綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，將研究結(jié)果應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐臎Q策方案篩選與水資源保護(hù)規(guī)劃中．國內(nèi)相關(guān)研究起步相對(duì)較晚，目前多是運(yùn)用InVEST模型針對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行單一或綜合的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，如ZHANG等［17-18］分別對(duì)西苕溪流域和三江源區(qū)的產(chǎn)水量進(jìn)行了評(píng)估;白楊等［19］運(yùn)用該模型生物多樣性、水源涵養(yǎng)以及水質(zhì)凈化等6個(gè)模塊對(duì)白洋淀流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和空間分布特征分析．綜上，InVEST模型是一種有效的評(píng)估自然資本和空間化分析的工具，能夠?yàn)楣芾頉Q策的制訂提供參考．

官廳水庫對(duì)于保障北京市及其周邊地區(qū)的飲用水安全具有重大意義，但到目前為止仍缺乏針對(duì)該區(qū)域產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)的研究．當(dāng)前針對(duì)官廳水庫的研究主要集中于水庫水體污染、周邊土壤污染、水質(zhì)演變等方面［20-21］，尚沒有從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度進(jìn)行有關(guān)水量與水質(zhì)的研究．為全面認(rèn)識(shí)并充分發(fā)揮官廳水庫流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，積極維護(hù)首都水生態(tài)安全，開展該區(qū)域產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)的時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素研究十分必要．

該研究以官廳水庫流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，將InVEST模型運(yùn)用于該區(qū)域的產(chǎn)水服務(wù)評(píng)估和水質(zhì)凈化服務(wù)評(píng)估之中;同時(shí)，關(guān)注政策因素對(duì)官廳水庫水質(zhì)變化的影響，并以官廳水庫退出北京市飲用水供應(yīng)系統(tǒng)和恢復(fù)成為北京市備用水源地為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，選取1995年、2000年、2010年三期InVEST模型所需數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，分析該時(shí)段內(nèi)官廳水庫流域產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)的時(shí)空變化，并探討其驅(qū)動(dòng)因素，以期為完善官廳水庫水資源管理工作、改善官廳水庫水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)和有效參考．

1 研究區(qū)概況

官廳水庫位于河北省張家口市懷來縣和北京市延慶縣境內(nèi)，自1954年建庫以后，曾一度是北京市最重要的水源地之一．但在20世紀(jì)80年代中期，官廳水庫遭受嚴(yán)重的有機(jī)污染，并不斷惡化［22］．1997年5月，官廳水庫被迫退出北京市飲用水供應(yīng)系統(tǒng);2003年，北京市政府為緩解北京市水資源供需矛盾，決定對(duì)官廳水庫進(jìn)行全面治理，最終于2007年10月使官廳水庫恢復(fù)成為北京市備用水源地．水庫入庫水系有桑干河、洋河和媯水河，流域總面積46 768 km2．該研究所選的流域范圍包括北京市延慶縣的媯水河流域、門頭溝區(qū)境內(nèi)的部分永定河流域及河北省張家口市境內(nèi)的洋河流域(包括清水河)、桑干河流域(包括壺流河)，面積34 151 km2，約占官廳水庫流域總面積的3 4．該區(qū)域?yàn)橛绊懝購d水庫水量及水質(zhì)變化的主要區(qū)域，極具代表意義．研究區(qū)地處蒙古高原與華北平原之間，為溫帶半干旱區(qū)，屬大陸季風(fēng)型氣候，夏短冬長，多風(fēng)少雨，氣候干燥，多年平均降水量為400～600 mm，降水的季節(jié)分配差異很大，主要集中在6—9月．

2 數(shù)據(jù)與方法

2．1 數(shù)據(jù)來源及處理

InVEST模型所需數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、DEM、氣象數(shù)據(jù)、年潛在蒸發(fā)量、土壤深度、植物可利用水含量、流域和子流域邊界、生物物理屬性以及氮磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)．土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，選取1995年、2000年、2010年三期數(shù)據(jù)，經(jīng)接邊、轉(zhuǎn)換、裁剪等處理得到研究區(qū)域30 m分辨率的土地利用柵格數(shù)據(jù);DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http: www．gscloud．cn)提供的30 m分辨率的GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù)，經(jīng)鑲嵌、裁剪和填洼等處理，生成DEM數(shù)據(jù);氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http: data．cma．gov．cn)，為規(guī)避單一年份數(shù)據(jù)的低代表性，選取3個(gè)時(shí)段(1993—1997年、1998—2002年、2008—2012年)氣象數(shù)據(jù)的多年平均值，對(duì)研究區(qū)域及周邊共25個(gè)氣象站點(diǎn)和水文站點(diǎn)的降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值，生成相應(yīng)年份30 m分辨率的柵格圖;年潛在蒸發(fā)量采用針對(duì)華北地區(qū)經(jīng)過系數(shù)校正后的Hargreaves公式［23］進(jìn)行計(jì)算:

式中:ET0為潛在蒸發(fā)量，mm d;Tmax和Tmin分別代表日最高溫均值和日最低溫均值，℃;Ra為太陽大氣頂層輻射，mm d．太陽大氣頂層輻射數(shù)據(jù)是通過NASA網(wǎng)站(https: eosweb．larc．nasa．gov sse RETScreen)查詢研究區(qū)域內(nèi)各氣象站點(diǎn)和水文站點(diǎn)的太陽輻射值，并將太陽輻射值除以50%所得［24］．

對(duì)計(jì)算得出的25個(gè)氣象站點(diǎn)和水文站點(diǎn)的年潛在蒸發(fā)量進(jìn)行克里金插值，生成研究區(qū)域相應(yīng)年份30 m分辨率的潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù);土壤深度和植物可利用水含量均來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國土壤數(shù)據(jù)集 (http: westdc．westgis．a(chǎn)c．cn data 611f7d50-b419-4d14-b4dd-4a944b141175)，通過屬性空間柵格化之后獲得，其中植物可利用水含量數(shù)據(jù)根據(jù)ZHOU等［25］的非線性擬合土壤AWC估算模型經(jīng)過計(jì)算后得到;流域和子流域邊界是運(yùn)用Arc-SWAT工具對(duì)研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行小流域劃分處理后得到，生成的子流域是作為模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果的輸出單元;生物物理屬性以及氮磷輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)參考InVEST用戶指南和查閱研究區(qū)附近區(qū)域的相關(guān)文獻(xiàn)［26-29］后估算獲得，該研究采用的氮磷輸出相關(guān)參數(shù)見表1．

2．2 模型原理與校驗(yàn)

2．2．1 模型原理

InVEST模型的產(chǎn)水模塊是一種基于水量平衡法的估算方法，某柵格單元的降水量減去實(shí)際蒸散的水量即為產(chǎn)水量，單位面積產(chǎn)水量越多，產(chǎn)水服務(wù)越強(qiáng)，其中實(shí)際蒸散是根據(jù)ZHANG等［30］基于Budyko水熱耦合平衡假設(shè)提出的算法計(jì)算得出．模型主要算法:

式中:Yxj為柵格x中土地覆被類型j的年產(chǎn)水量，mm;AETxj為柵格x中土地覆被類型j的實(shí)際蒸散量，mm;Px為柵格x的降水量，mm．

InVEST模型中的水質(zhì)凈化模塊用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤的水質(zhì)凈化服務(wù)，主要運(yùn)用植被和土壤可以通過儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換等方式移除或減少徑流中的營養(yǎng)鹽污染物以達(dá)到凈化水質(zhì)的作用的機(jī)理．該模型忽略其他污染源，只考慮非點(diǎn)源污染中的TN和TP，二者輸出量越高，表明水質(zhì)凈化服務(wù)越低，其主要算法:

式中，ALVx是柵格x的調(diào)整后輸出量，HSSx柵格x的水文敏感性得分，polx為柵格x的輸出系數(shù)．得到營養(yǎng)物(TN、TP)輸出量之后，再根據(jù)各土地利用 覆被類型對(duì)污染物的移除效率來計(jì)算得出營養(yǎng)物保持(截留)量．

2．2．2 模型校驗(yàn)

模型校驗(yàn)是指將模型運(yùn)行結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過調(diào)整季節(jié)性因子來確定最適合于研究區(qū)域的評(píng)估模型．由于斷面徑流量數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映自然徑流量［31］，并且該研究涵蓋的區(qū)域范圍為非完整流域，因此難以采用斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn);同時(shí)，模型產(chǎn)水模塊的計(jì)算結(jié)果包含了地表水和地下水，因此筆者采用平均徑流深與模型相應(yīng)評(píng)估值進(jìn)行校驗(yàn)．經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)季節(jié)性因子取值，確定當(dāng)季節(jié)性因子取值為4．22時(shí)，模型評(píng)估結(jié)果與實(shí)測值最為接近，誤差為0．05%．此時(shí)，官廳水庫流域的產(chǎn)水深為55．16 mm，產(chǎn)水量為18．85×108m3．

3 結(jié)果與分析

3．1 產(chǎn)水服務(wù)時(shí)空變化

3．1．1 產(chǎn)水服務(wù)時(shí)間變化

1995年、2000年、2010年官廳水庫流域內(nèi)44個(gè)子流域的單位面積產(chǎn)水量如圖2所示．從整體上看，官廳水庫流域的產(chǎn)水服務(wù)呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢．1995年的產(chǎn)水服務(wù)最強(qiáng)，全流域單位面積產(chǎn)水量為550．17 m3(hm2·a)，年產(chǎn)水量為18．85×108m3，年產(chǎn)水深為55．16 mm;2000年產(chǎn)水服務(wù)最弱，全流域單位面積產(chǎn)水量為203．54 m3(hm2·a)，年產(chǎn)水量為7．59×108m3，年產(chǎn)水深為22．35 mm;2010年的產(chǎn)水服務(wù)相比較于2000年有所增加，全流域單位面積產(chǎn)水量為408．37 m3(hm2·a)，年產(chǎn)水量為14．33×108m3，年產(chǎn)水深為40．77 mm．

同一年份內(nèi)，官廳水庫流域的單位面積產(chǎn)水量在空間上分布不均勻;不同年份間，流域單位面積產(chǎn)水量的分布規(guī)律表現(xiàn)較為一致，流域下游地區(qū)的單位面積產(chǎn)水量明顯多于上游地區(qū)．根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(見表2)，張家口市6區(qū)5縣(下稱張家口地區(qū))的單位面積產(chǎn)水量與北京市(下稱北京地區(qū))差異較大，1995年、2000年和2010年張家口地區(qū)的單位面積產(chǎn)水量比北京地區(qū)相比降低38．6%、45．7%和36．6%．

1995—2010年期間北京地區(qū)和張家口地區(qū)的產(chǎn)水量變化率表現(xiàn)出較大差異．1995—2000年北京地區(qū)和張家口地區(qū)的產(chǎn)水量變化率分別為－57．9%和－62．8%，2000—2010年分別為78．3%和108．2%，其中張家口地區(qū)產(chǎn)水量變化幅度較大，但總體上北京地區(qū)的產(chǎn)水量下降率更高．

3．1．2 產(chǎn)水服務(wù)空間分異

1995—2000年，官廳水庫流域大多數(shù)區(qū)域的產(chǎn)水服務(wù)呈減弱趨勢;產(chǎn)水服務(wù)減弱的區(qū)域占流域總面積的84．5%，流域下游地區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)降幅比上游地區(qū)更大，7．6%的流域面積產(chǎn)水服務(wù)有所增強(qiáng)，產(chǎn)水服務(wù)保持不變的區(qū)域占流域總面積的7．9%，主要集中在北京中心城區(qū)．2000—2010年，官廳水庫流域大多數(shù)區(qū)域的產(chǎn)水服務(wù)有所增強(qiáng);產(chǎn)水服務(wù)有所增強(qiáng)的區(qū)域占流域總面積的88．2%，增幅較大的區(qū)域主要集中在流域下游地區(qū)，9．0%的流域面積產(chǎn)水服務(wù)有所減弱，產(chǎn)水服務(wù)保持不變的區(qū)域占流域總面積的2．8%(見圖3)．

3．1．3 產(chǎn)水服務(wù)變化驅(qū)動(dòng)因素分析

由于InVEST模型產(chǎn)水量模塊是基于水量平衡法開發(fā)的模型，受降水和實(shí)際蒸散的影響較大．其中降水是氣候變化的重要變量，實(shí)際蒸散則同時(shí)受氣候和下墊面地表覆被的影響．氣候變化通過影響降水和蒸發(fā)能力來影響產(chǎn)水量，土地利用變化通過改變下墊面狀況來對(duì)產(chǎn)水量產(chǎn)生影響［3，18］．該研究通過情景分析分別評(píng)估氣候變化和土地利用變化對(duì)官廳水庫流域產(chǎn)水服務(wù)的影響，深入探討該區(qū)域產(chǎn)水服務(wù)時(shí)空變化的原因．設(shè)置氣候不變情景和土地利用不變情景兩種情景，其中氣候不變情景僅假設(shè)氣候狀況維持在1995年不變的水平，土地利用不變情景僅假設(shè)土地利用狀況維持在1995年不變的水平，然后分別對(duì)兩種情景下1995年、2000年、2010年官廳水庫流域的產(chǎn)水量進(jìn)行評(píng)估．

氣候不變情景下的產(chǎn)水量評(píng)估結(jié)果整體表現(xiàn)為連續(xù)下降趨勢(見圖4)，其中2000年的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況表現(xiàn)出顯著差異，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)域土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的緣故．1995—2000年，官廳水庫流域內(nèi)林地面積和水域面積分別減少了19 974和4 739 hm2［32］，直接導(dǎo)致流域產(chǎn)水服務(wù)大幅下降．因此，土地利用變化是導(dǎo)致產(chǎn)水服務(wù)發(fā)生變化的一個(gè)重要原因．

土地利用不變情景下的產(chǎn)水量評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況類似(見圖4)．對(duì)1995—2010年的氣候變化(降水量和氣溫)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氣溫變化基本持平，而降水量的變化表現(xiàn)為倒拋物線趨勢(見圖5)，該趨勢也與土地利用不變情景下的產(chǎn)水量變化趨勢一致，這說明氣候變化也是引起產(chǎn)水服務(wù)發(fā)生變化的重要原因．

從空間上看，張家口市的降水量普遍低于北京市，與產(chǎn)水量空間分布(見圖2)表現(xiàn)一致;在1995—2000及2000—2010年，北京市降水量的降幅和增幅均明顯大于張家口市，分別與官廳水庫流域1995—2000及2000—2010年的產(chǎn)水量變化情況(見圖3)對(duì)應(yīng)，北京市在這兩段時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)水量降幅和增幅均大于張家口市．這也進(jìn)一步證實(shí)了氣候變化(降水量)是引起產(chǎn)水服務(wù)變化的重要原因．

3．2 水質(zhì)凈化服務(wù)時(shí)空變化

3．2．1 TN、TP輸出空間分異

流域內(nèi)各子流域單位面積TN、TP輸出量分布存在一定的空間分異．單位面積TN、TP輸出量最大值分別為2．55和0．24 kg hm2，二者均出現(xiàn)在1995年;單位面積TN、TP輸出量最小值分別為0．27和0．03 kg hm2，其中單位面積TN輸出量最小值出現(xiàn)在2010年，而單位面積TP輸出量最小值在1995年、2000年和2010年表現(xiàn)一致(見圖6)．

從空間上看，單位面積TN、TP輸出量較高的子流域主要集中在北京地區(qū)東南部和張家口地區(qū)西南部，這些區(qū)域往往有著較低的植被覆蓋度;單位面積TN、TP輸出量較低的子流域主要集中在北京地區(qū)北部和張家口地區(qū)東南部，這些區(qū)域的植被覆蓋度普遍較高．

從時(shí)間上看，不同年份間多數(shù)區(qū)域的TN、TP輸出量基本保持不變．1995—2000年TN、TP輸出量保持不變的面積分別占流域總面積的81．5%和90．3%;2000—2010年分別占86．9%和95．2%(見表3)．不同年份間TN、TP輸出量增加或減少的區(qū)域隨機(jī)分布在流域各處，沒有主要集中區(qū)域．

3．2．2 水質(zhì)凈化服務(wù)時(shí)間變化

1995—2010年，官廳水庫流域的TN、TP輸出量呈先增加后減少趨勢，其中1995—2000年TN、TP輸出量分別增加了2．7%和5．8%，2000—2010年分別減少了12．7%和11．9%．15 a間官廳水庫流域的TN、TP輸出量均有所減少，分別減少了10．4%和6．8%．

北京地區(qū)和張家口地區(qū)的 TN、TP輸出量在1995—2010年也幾乎呈下降趨勢，但北京地區(qū)的下降程度明顯大于張家口地區(qū)．15 a間北京地區(qū)的TN輸出量下降了18．2%、TP輸出量下降了17．7%，張家口地區(qū)的TN輸出量下降了3．0%、而TP輸出量增長了3．8%(見表4)．

總的來說，1995—2010年官廳水庫流域的水質(zhì)凈化服務(wù)呈現(xiàn)不斷增強(qiáng)的趨勢，15 a間該流域?qū)N的凈化服務(wù)增強(qiáng)了10．4%，對(duì)TP的凈化服務(wù)增強(qiáng)了6．8%．北京地區(qū)的氮、磷凈化服務(wù)均有一定程度增強(qiáng)，張家口地區(qū)的氮凈化服務(wù)略有增強(qiáng)，而磷凈化服務(wù)略有減弱．

3．2．3 水質(zhì)凈化服務(wù)影響因素探討

InVEST模型的水質(zhì)凈化模塊主要評(píng)估植被和土壤對(duì)TN、TP的截留效用，因此植被覆蓋、土壤類型等都是影響水質(zhì)凈化服務(wù)的重要因素．從空間上看，官廳水庫流域水質(zhì)凈化服務(wù)較弱的區(qū)域主要集中在平原地區(qū)(見圖6)，這些區(qū)域的植被覆蓋度更低，對(duì)污染物的截留效用減弱;同時(shí)這些區(qū)域的城市化程度更高，更加頻繁的人類活動(dòng)也導(dǎo)致污染物排放的增加，從而導(dǎo)致水質(zhì)凈化服務(wù)的減弱．

因此由于人類活動(dòng)引起的植被覆蓋變化或污染物排放變化也會(huì)對(duì)水質(zhì)凈化服務(wù)產(chǎn)生影響，這一點(diǎn)在官廳水庫的發(fā)展歷程及政策變化中也有所體現(xiàn): 1995—2000年，官廳水庫的富營養(yǎng)化問題日益突出，氮、磷污染成為這一時(shí)期的主要污染［33］，這直接導(dǎo)致官廳水庫于1997年退出北京市飲用水供應(yīng)系統(tǒng)，從而在該時(shí)期內(nèi)官廳水庫流域的氮、磷輸出量均有所增加;2000—2010年，隨著《21世紀(jì)初期(2000—2005 年)首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》《海河流域水污染防治規(guī)劃(2006—2010年)》等一系列規(guī)劃的頒布實(shí)施，官廳水庫水質(zhì)有了明顯改善，從而這段時(shí)期內(nèi)官廳水庫流域的氮、磷輸出量均明顯減少，水質(zhì)凈化服務(wù)得到恢復(fù)并有所增強(qiáng)．這也充分說明這些水資源相關(guān)規(guī)劃和政策切實(shí)改善了官廳水庫流域的水環(huán)境，可以為官廳水庫的水資源管理提供有力依據(jù)和重要參考．

從研究區(qū)域的行政區(qū)劃上來看，2000—2010年，北京地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)的增強(qiáng)程度均明顯大于張家口地區(qū)，而這段時(shí)間內(nèi)張家口地區(qū)作為北京地區(qū)上游為保護(hù)官廳水庫采取了多項(xiàng)環(huán)境保護(hù)和污染治理措施［34］．二者之間是否存在聯(lián)系值得進(jìn)一步研究，研究結(jié)果或可為官廳水庫流域的環(huán)境政策研究提供參考．

4 結(jié)論

a)1995年、2000年、2010年官廳水庫流域的產(chǎn)水服務(wù)呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢，其年產(chǎn)水量分別為18．85×108、7．59×108、14．33×108m3，整體呈減弱趨勢，15 a來產(chǎn)水服務(wù)減弱24．0%．

b)官廳水庫流域內(nèi)各子流域的產(chǎn)水服務(wù)表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性，下游北京地區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)明顯強(qiáng)于上游張家口地區(qū)，并以張家口地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)的變幅較大．

c)1995年、2000年和2010年官廳水庫流域的水質(zhì)凈化服務(wù)呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢，其中TN輸出量分別為4 028．7、4 137．9、3 611．4 t，TP輸出量分別為379．7、401．8、354．0 t．15 a間官廳水庫流域?qū)N的凈化服務(wù)增強(qiáng)了10．4%，對(duì)TP的凈化服務(wù)增強(qiáng)了6．8%．

d)1995—2010年北京地區(qū)的水質(zhì)凈化服務(wù)增強(qiáng)幅度明顯大于張家口地區(qū)，其中北京地區(qū)的氮、磷凈化服務(wù)分別增強(qiáng)了18．2%和17．7%，張家口地區(qū)的氮凈化服務(wù)略有增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度為3．0%，而磷凈化服務(wù)出現(xiàn)衰退，減弱了3．8%．

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Spatiotemporal Variations of Water Yield and Water Quality Purification Service Functions in Guanting Reservoir Basin based on InVEST Model

WU Rui1，2，LIU Guihuan2*，WEN Yihui2
1．School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China
2．Chinese Academy for Environment Planning，Beijing 100012，China

Guanting Reservoir(GR)is one of the most important water sources in both Beijing and its neighboring regions．Because of water pollution，it was once withdrawn from the local drinking water supply system．After thorough treatment，GR has been a spare water source since 2007．In order to do a quantitative，overall analysis of the services of both water yield and water purification in GR basin，two time points were selected:when GR was withdrawn from the local drinking water supply system and when it became the spare water source．The quantities of water yield，total nitrogen and total phosphorus outputs were evaluated during 1995 to 2010 based on the InVEST model．Besides，the spatiotemporal variations of the water yield service and water quality purification service in GR basin were analyzed．The results showed that the water yield service in GR basin from 1995 to 2010 was weakened at first and then increased，but overall it was weakened．Water yield capacity in the basin decreased from 18．85×108m3in 1995 to 14．33×108m3in 2010(a decrease of 24．0%)．Water quality purification service was weakened at first and then enhanced，and overall it was enhanced．The total nitrogen output decreased from 4028．7 t(in 1995)to 3611．4 t(in 2010)while the total phosphorus decreased from 379．7 t(in 1995)to 354．0 t(in 2010)．Nitrogen and phosphorus purification services were enhanced by 10．4%and 6．8%，respectively．The changes to the climate andland use were the main factors which led to the changes of water yield service in GR basin．In addition，water resource protectionoriented policies in different periods have matched the variation trend of water quality purification service．

Guanting Reservoir Basin;InVEST model;spatiotemporal variations;water quality purification;water yield

X826

1001-6929(2017)03-0406-09

A

10．13198 j．issn．1001-6929．2017．01．73

吳瑞，劉桂環(huán)，文一惠．基于InVEST模型的官廳水庫流域產(chǎn)水和水質(zhì)凈化服務(wù)時(shí)空變化［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2017，30(3):406-414

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2016-06-27

2016-12-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379084)

吳瑞(1992-)，男，安徽懷寧人，wurui@bjfu．edu．cn．

*責(zé)任作者，劉桂環(huán)(1976-)，女，吉林松原人，研究員，博士，主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策研究，liugh@caep．org．cn