遼河流域水源涵養(yǎng)能力評(píng)價(jià)及其變化特征分析

沈亞西

(遼寧省葠窩水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽(yáng) 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(duì)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(lèi)的生產(chǎn)生活提供基礎(chǔ)性的必備產(chǎn)品，而且對(duì)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(lèi)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(píng)價(jià)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(lái)，頻繁的人類(lèi)活動(dòng)以及劇烈的氣候變化，尤其是快速的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯著改變了土地利用/覆被，從而對(duì)流域水文過(guò)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(guó)東北部地區(qū)社會(huì)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最具活力的區(qū)域之一，其水源涵養(yǎng)功能對(duì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分功能的定量描述不僅可促進(jìn)該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(duì)遼河流域歷史時(shí)期的水文循環(huán)，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究報(bào)道，但是所涉及到的時(shí)間序列較短，并且各學(xué)者的側(cè)重點(diǎn)與理論方法不盡相同，對(duì)遼河流域較長(zhǎng)時(shí)間序列的變化特征描述及水源涵養(yǎng)能力分析相對(duì)更少。本文以遼河流域?yàn)榭臻g尺度，并選取時(shí)間尺度為2000—2016年，對(duì)該流域水源涵養(yǎng)能力利用InVEST產(chǎn)水模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)，進(jìn)一步分析了其時(shí)空變化特征，以期為促進(jìn)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(guó)東北地區(qū)西南部，不僅是我國(guó)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(cuò)、蜿蜒曲折，主要支流有老何哈、渾河、太子河、柴河等，流域全長(zhǎng)1345km，占地面積為21.9萬(wàn)km2。冬季漫長(zhǎng)寒冷、夏季炎熱干燥屬于半干旱半濕潤(rùn)氣候過(guò)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(qiáng)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(shì)。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(shì)，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(jí)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(gè)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(jī)構(gòu)協(xié)會(huì)研發(fā)的一種用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的多模塊計(jì)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(duì)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(shì)和特點(diǎn)。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(duì)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(zhǎng)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(jì)算的主要依據(jù)，在充分考慮氣候、土地利用/植被覆蓋類(lèi)型、氣候環(huán)境等因素的基礎(chǔ)之上，將降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)量即為各個(gè)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(lèi)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(shí)段參數(shù)值作為蒸散發(fā)量與降水量數(shù)值。在中國(guó)北京森林區(qū)、美國(guó)多個(gè)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(duì)各單元柵格上的產(chǎn)水量利用InVEST模型進(jìn)行求解，其表達(dá)式為：

(1)

式中，Yxj—第j種植被類(lèi)型對(duì)應(yīng)于x格柵單元的產(chǎn)水量，mm；AETxj—第j種植被類(lèi)型對(duì)應(yīng)于x格柵的年實(shí)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(lèi)型對(duì)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(yàn)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(duì)該參數(shù)進(jìn)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(jì)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(yàn)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(qiáng)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(lái)源。對(duì)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(jìn)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(guò)分類(lèi)處理得到精度為100m的數(shù)據(jù)集合。

利用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得格點(diǎn)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(duì)應(yīng)年份的降水量均值，作為模型所需降水?dāng)?shù)據(jù)的來(lái)源。影響作物需水量估算的核心是對(duì)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(jì)算方法為Penman-Monteith法。

所需氣象資料來(lái)源于遼河流域及其附近各氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、日最高與最低氣溫、大氣壓以及相對(duì)濕度等。通過(guò)計(jì)算各站點(diǎn)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(duì)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(shí)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(guó)土壤數(shù)據(jù)集作為土壤深度數(shù)據(jù)的來(lái)源，主要包括有機(jī)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(lèi)型將聚落、水庫(kù)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(chǔ)存的用于植物生長(zhǎng)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(duì)植被有效含水量進(jìn)行估計(jì)，在InVEST模型中其取值范圍為0～1，并采用非線性擬合模型對(duì)土壤質(zhì)地與有機(jī)質(zhì)進(jìn)行模擬。

植被蒸散法系數(shù)、最大根系深度、名稱(chēng)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(guò)調(diào)整參考蒸散發(fā)可得到植被蒸散法系數(shù)，而對(duì)于農(nóng)作物可根據(jù)農(nóng)業(yè)組織與聯(lián)合國(guó)糧食灌溉手冊(cè)進(jìn)行查詢(xún)，蒸散發(fā)系數(shù)位于0～1.5之間。對(duì)土地利用是否被植被覆蓋可通過(guò)實(shí)際蒸散發(fā)代碼進(jìn)行確定。另外，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)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(jiàn)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(huì)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和自然地理特征，利用上述模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，最終得到土地利用/覆被和降水量為驅(qū)動(dòng)該流域水源涵養(yǎng)能力改變的主要因素。不同時(shí)期遼河流域各分區(qū)的降水量變化情況見(jiàn)表2。

表2 不同時(shí)期遼河流域年降水量 單位：mm

由表2可知，在時(shí)間序列上4個(gè)區(qū)域的降水量時(shí)間變化趨勢(shì)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?xiàng)l件的差異，其降水量差異雖大，并且隨時(shí)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(shì)，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(lèi)型在不同時(shí)期的變化情況見(jiàn)表3。土地利用/覆被類(lèi)型主要以農(nóng)田為主，其次為森林和水體濕地，其他各類(lèi)占比相對(duì)較低，均小于0.5%。

表3不同時(shí)期遼河流域土地利用/覆被類(lèi)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(shì)，累計(jì)下降量超過(guò)10%以上，而森林占比波動(dòng)相對(duì)較小，基本保持穩(wěn)定。自2005年以來(lái)草地類(lèi)型相對(duì)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(shì)。水體濕地整體呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，而聚類(lèi)面積逐漸增加并且增大幅度相對(duì)較大，其他類(lèi)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(lèi)型比例變化情況，在2010—2015年為各土地利用/覆被類(lèi)型的變化相對(duì)較為劇烈。

通過(guò)分析不同土地利用類(lèi)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?yàn)檗r(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(wèn)題，并且造成該變化的因素還與沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、房地產(chǎn)改革以及城市開(kāi)發(fā)等相關(guān)。

在5期內(nèi)各分區(qū)的山水量分布見(jiàn)表4，由上表計(jì)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(dòng)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(duì)較小為510～751mm范圍。

表4 不同時(shí)期遼河流域產(chǎn)水量統(tǒng)計(jì) 單位：mm

3 結(jié)語(yǔ)

本文以遼河流域?yàn)槔?，通過(guò)將1995—2015年期間劃分為5個(gè)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(shí)間序列上4個(gè)區(qū)域的降水量時(shí)間變化趨勢(shì)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(shì)，累計(jì)下降量超過(guò)10%以上，而森林占比波動(dòng)相對(duì)較小，基本保持穩(wěn)定；自2005年以來(lái)草地類(lèi)型相對(duì)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(shì)。

(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(dòng)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(duì)較小。并且，在總體上土地利用/覆被對(duì)產(chǎn)水量的影響作用低于降水量。