生態(tài)系統(tǒng)水供給服務(wù)空間流動(dòng)研究進(jìn)展

王丹妮, 郭青云, 王志浩, 林慧龍

(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，蘭州 730020；2.河西學(xué)院，甘肅 張掖 734000)

20世紀(jì)以來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究逐漸成為生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、地理等學(xué)科綜合研究的熱點(diǎn)。隨著專家學(xué)者們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的深入，研究?jī)?nèi)容的深度和廣度也發(fā)生變化。早期的研究主要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成和內(nèi)在機(jī)制，認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是維系人類生存生活的環(huán)境條件，強(qiáng)調(diào)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究。隨著千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(millennium ecosystem assessment, MA)在全球范圍內(nèi)開展，學(xué)者們的研究方向發(fā)生了轉(zhuǎn)變。已有學(xué)者開始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)與人類福利之間的關(guān)系，通過研究某類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增減情況，來預(yù)判其對(duì)人類福利的影響。然而，這些研究忽略了空間匹配不均的問題，如生態(tài)系統(tǒng)提供的資源能否滿足人類的需求。部分學(xué)者開始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)空間流動(dòng)的研究，并在生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上融入了地理學(xué)知識(shí)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(產(chǎn)生、空間路徑及使用)的全過程進(jìn)行研究。

近年來，在全球氣候變暖和水質(zhì)惡化的背景下，水資源短缺現(xiàn)象日益加劇，水資源供給與人類需求之間的矛盾愈發(fā)強(qiáng)烈。水供給服務(wù)是生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水流量、水循環(huán)、改善水質(zhì)的重要途徑，是表征生態(tài)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵指標(biāo)。該功能對(duì)整個(gè)流域的生態(tài)系統(tǒng)和水資源產(chǎn)生影響。研究我國(guó)水供給服務(wù)功能，明確不同區(qū)域水供給服務(wù)與人類福利之間的影響關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)中河流湖泊星羅密布，河道交錯(cuò)縱橫，水資源供給是非常復(fù)雜的過程。因此，理清水供給服務(wù)從供給到需求的空間流動(dòng)過程，深入探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類福利產(chǎn)生的影響，有助于建立水供給與需求之間的因果關(guān)系。

1 水供給服務(wù)流研究歷程

1.1 基礎(chǔ)萌芽期

水供給服務(wù)功能的研究可追溯至19世紀(jì)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水供給功能的研究。此階段研究以水供給量及其價(jià)值研究為主，而供給研究是空間流動(dòng)研究的基礎(chǔ)。

從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)基于水供給服務(wù)的過程進(jìn)行研究。已有研究者通過觀測(cè)野外試驗(yàn)和小流域?qū)Ρ仍囼?yàn)來探討生態(tài)系統(tǒng)與水源涵養(yǎng)供給之間的關(guān)系，并分析內(nèi)在機(jī)制。森林水供給的影響因素主要有地表蒸散發(fā)、降雨截留、植被等因素。德國(guó)學(xué)者Ebmager等在巴伐利亞地區(qū)觀測(cè)林區(qū)首次探究地表蒸散發(fā)的因素；1971年Rutter等開始林冠截留模型的研究，Gash在Rutter的基礎(chǔ)上精進(jìn)模型，此后出現(xiàn)了眾多計(jì)算枯落物持水量、土壤蓄水量和森林蒸散發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式。Robinson等在瑞士山區(qū)布置了2個(gè)集水區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，深入研究了植被對(duì)集水區(qū)徑流量的影響；姜志林和王紹忠通過田間試驗(yàn)探究影響因素，并初步使用模型模擬定量研究水源涵養(yǎng)供給量。但這些研究更多關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)水供給服務(wù)的形成和內(nèi)在機(jī)制，忽略了人類需求。

從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)開展水供給服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)的研究。在1997年和2003年分別出現(xiàn)了影響未來發(fā)展的2座里程碑：(1)Costanza等估算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與自然資本價(jià)值，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定義為“人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)功能得到的效益”；(2)聯(lián)合國(guó)前秘書長(zhǎng)安南呼吁2001—2005年間組織開展了全球千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)狀況進(jìn)行評(píng)估，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為供給、調(diào)節(jié)、支持和文化4類。這一時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究頗多，成果顯著，定義了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念，建立和完善了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分類體系，成為20世紀(jì)學(xué)者們運(yùn)用最廣泛的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和功能分類框架體系。后來的學(xué)者在此基礎(chǔ)上評(píng)估了生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值，核算方法主要有4種：(1)歐陽(yáng)志云等運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值GEP(gross domestic product)指標(biāo)核算經(jīng)濟(jì)價(jià)值，2018年浙江省麗水市GEP為5 024.47億元，是GDP的3.6倍，Ouyang等以青海省為例，運(yùn)用GEP指標(biāo)核算生態(tài)價(jià)值，研究結(jié)果表明，青海省2000年GEP大于GDP，2015年GEP約為GDP總值的75%；(2)Xie等運(yùn)用當(dāng)量因子法進(jìn)行自然資源資產(chǎn)價(jià)值化；(3)還有學(xué)者將生態(tài)服務(wù)轉(zhuǎn)化成太陽(yáng)能的價(jià)值核算方法；(4)通過尋找相關(guān)替代產(chǎn)品和服務(wù)的市場(chǎng)價(jià)格，間接得出其具有的價(jià)值，經(jīng)常采用替代市場(chǎng)法計(jì)算水供給價(jià)值。這些成果評(píng)價(jià)了水供給服務(wù)功能對(duì)人類的貢獻(xiàn)，考慮了人對(duì)水資源的需求，但人類需求有不確定性，同時(shí)受到地理區(qū)域的影響，很難準(zhǔn)確把握水供給和人類需求之間的平衡關(guān)系。

1.2 理論發(fā)展期

生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)是指特定區(qū)域和時(shí)間段內(nèi)提供生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)的能力，如水供給服務(wù)即提供水供給、凈化水質(zhì)、水產(chǎn)品供給等。生態(tài)系統(tǒng)單元具有空間屬性，供給單元也具有顯著的空間異質(zhì)性，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間特征的研究是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流研究的基礎(chǔ)。21世紀(jì)初，空間模擬和繪圖成為生態(tài)系統(tǒng)空間流動(dòng)的主要研究。水供給可以通過流域尺度水量平衡公式來模擬，將日降雨、蒸散發(fā)、土壤蓄水量與水文模型相聯(lián)系模擬日徑流，并通過長(zhǎng)期日降雨和河流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。隨著供給服務(wù)模擬和繪圖研究的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)InVEST、SWAT、VIC等水文模型工具，其中InVEST模型應(yīng)用最廣泛，已在非洲尼羅河流域、印度尼西亞西爪哇省Citarum河流域、中國(guó)渭河流域、疏勒河流域上游地區(qū)等多個(gè)地區(qū)應(yīng)用，并取得良好的模擬效果，模型模擬有助于了解水供給服務(wù)的空間格局，有利于不同生態(tài)管理措施下供給服務(wù)的變動(dòng)調(diào)節(jié)。然而大多研究沒有把供給與需求關(guān)聯(lián)起來，難以提出系統(tǒng)有效的生態(tài)系統(tǒng)管理政策措施。

1.3 空間關(guān)聯(lián)研究期

已有報(bào)道水供給研究較多，需求研究較少，且彼此獨(dú)立沒有關(guān)聯(lián)，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)研究實(shí)質(zhì)上就是要在服務(wù)供給與需求之間建立時(shí)空關(guān)聯(lián)。水供給服務(wù)空間流動(dòng)由供給區(qū)、需求區(qū)、傳輸區(qū)(包含流量和流向)3個(gè)部分組成，進(jìn)入21世紀(jì)中期，有學(xué)者逐漸開始關(guān)注需求和傳輸區(qū)2個(gè)區(qū)域的研究。水供給服務(wù)需求的研究多為定性分析，定量研究從較大的區(qū)域尺度對(duì)水足跡、水消費(fèi)結(jié)構(gòu)及用水效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。張城等基于VIC模型模擬2005年、2010年和2015年的渭河水資源安全格局，結(jié)合流域所涉轄區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和水資源使用情況分析能量源區(qū)和受益區(qū)之間的供需關(guān)系。Syrbe等提出服務(wù)輸送區(qū)域的研究認(rèn)為，存在供給與需求連接的地理區(qū)域，而服務(wù)的流動(dòng)傳輸及其變換過程是研究的難點(diǎn)。Costanza等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)按照空間特征劃分，分為全球非臨近、局部臨近、流動(dòng)方向型、原位型和使用者遷移型。Fisher等在Costanza等研究的基礎(chǔ)上將服務(wù)產(chǎn)生和效益實(shí)現(xiàn)空間關(guān)系分為：(1)原位——服務(wù)供給和效益實(shí)現(xiàn)在同樣位置；(2)全方向——服務(wù)在一個(gè)位置提供，但是惠及周邊景觀而沒有方向偏好；(3)方向性——服務(wù)供給惠及服務(wù)流動(dòng)方向的特定位置。因此，理解服務(wù)產(chǎn)生及其效益實(shí)現(xiàn)之間的空間關(guān)系是研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)的基礎(chǔ)。Maass等對(duì)墨西哥太平洋海岸的Chamela熱帶干旱地區(qū)淡水供給、洪水控制等9項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)功能評(píng)價(jià)，并刻畫了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)向受益區(qū)單元能量輸送的示意圖。肖玉等對(duì)20世紀(jì)90年代以來國(guó)內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)研究進(jìn)行概述，闡釋了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)研究的重要性及必要性，提出未來發(fā)展的方向是分布式空間模擬。徐潔對(duì)寧夏防風(fēng)固沙服務(wù)和水供給服務(wù)物質(zhì)流與價(jià)值流的供給、需求、流動(dòng)的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，并構(gòu)建橫向生態(tài)補(bǔ)償框架。Li等建立簡(jiǎn)化版的地表水資源流動(dòng)模型，以柵格為流動(dòng)單元模擬研究區(qū)上下游間和輸送區(qū)之間的空間關(guān)聯(lián)，并判定下游供小于求，需要水資源補(bǔ)給。美國(guó)佛蒙特大學(xué)在美國(guó)自然基金的資助下開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人工智能(artificial intelligence for ecosystem services, ARIES)研究，提出“服務(wù)路徑屬性網(wǎng)絡(luò)”，帶動(dòng)了輸送區(qū)的流量、流向以及過程消耗的空間路徑研究，并繪制地理空間柵格圖，但該模型需要大量的數(shù)據(jù)和科學(xué)知識(shí)支撐，模型的應(yīng)用推廣受到影響。

總體來看，人們對(duì)水供給服務(wù)空間流動(dòng)的研究處于起步和概念化階段(圖1)，對(duì)空間流動(dòng)路徑、流量和范圍等空間屬性特征和空間位置之間反饋機(jī)制的研究也尚不成熟。因此，需要長(zhǎng)足的時(shí)間去深入研究。

2 水供給服務(wù)定義及其內(nèi)涵

水供給服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的重要功能之一，不同研究者對(duì)其有不同的認(rèn)識(shí)和理解，至今未形成一個(gè)統(tǒng)一的定義。在以往多數(shù)研究中，水源涵養(yǎng)、水供給二者的定量計(jì)算方法一致，沒有對(duì)其進(jìn)行明確的區(qū)分，這導(dǎo)致研究中出現(xiàn)概念混淆、案例無(wú)法對(duì)比的問題。為明確研究對(duì)象，現(xiàn)對(duì)已有報(bào)道歸納梳理。

2.1 水源涵養(yǎng)

目前最為全面的研究是森林生態(tài)系統(tǒng)，主要表現(xiàn)形式是通過林冠層、枯落物層和土壤層攔蓄降水，對(duì)降水進(jìn)行二次分配，從而調(diào)節(jié)徑流、凈化水質(zhì)。張彪等對(duì)森林水源涵養(yǎng)的定義有廣義和狹義之分，狹義是指森林?jǐn)r截降雨、調(diào)節(jié)徑流流量的功能，廣義是指森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程及其效應(yīng)的過程。李士美等認(rèn)為，水源涵養(yǎng)和水供給定義之間相互聯(lián)系又相互區(qū)別，森林水源涵養(yǎng)服務(wù)包括水文調(diào)節(jié)和水供給2項(xiàng)功能。王曉學(xué)等認(rèn)為常用的定量計(jì)算方法是公式計(jì)算方法，包括水量平衡法、綜合蓄水量法。水源涵養(yǎng)的研究從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，更關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的過程和效應(yīng)，但其定量研究方法僅限于簡(jiǎn)單的公式換算，對(duì)內(nèi)在深層的討論不足，如森林土壤蓄水量和小流域試驗(yàn)觀測(cè)，是否能推至大尺度流域范圍等。

2.2 水供給

Xu等從廣義和狹義角度區(qū)分水供給的定義，狹義上水供給是指生態(tài)系統(tǒng)中植被生長(zhǎng)需水和生產(chǎn)生活用水，廣義是指產(chǎn)水量。肖玉等認(rèn)為水供給由2部分組成：一是自然生態(tài)系統(tǒng)中植被、土壤攔蓄水、蒸散發(fā)量、灌溉用水等；二是降水流向下游水生態(tài)系統(tǒng)以及人類需求用水。因此，水供給量定量研究也常被學(xué)者們分為2類：從狹義上，水供給量是植被作物需水量、徑流量與土壤含水量之和，與水源涵養(yǎng)的定量計(jì)算方法一致；從廣義上，水供給是流域內(nèi)水資源從供給端(降水量)與需求端(實(shí)際蒸散發(fā))之差，常用生態(tài)模型模擬大尺度區(qū)域。本文認(rèn)為二者之間對(duì)于降水?dāng)r截保蓄及二次分配調(diào)節(jié)的過程理解是相同的，不同在于水源涵養(yǎng)注重生態(tài)系統(tǒng)自身水流動(dòng)循環(huán)調(diào)節(jié)的過程，而水供給服務(wù)在水源涵養(yǎng)的基礎(chǔ)上延伸，對(duì)二次分配后人類需求進(jìn)行考量，更注重生態(tài)服務(wù)與人類福祉之間的關(guān)系，探尋下游地區(qū)水供給平衡和人類需求之間的因果關(guān)系。

圖1 水供給服務(wù)空間流動(dòng)研究歷程

水供給服務(wù)空間流動(dòng)是一個(gè)縱向和橫向相結(jié)合的動(dòng)態(tài)過程：(1)大氣降雨降雪垂直向下的過程中，一部分水被森林植被截留、蒸散發(fā)，另一部分水下滲至表層土壤，經(jīng)過包氣帶、飽水帶潛入深層土壤，成為深層地下水(即縱向流動(dòng))；(2)降雨、降雪流入河流中，因地勢(shì)高低不同(DEM)，伴隨河流自上游向下游流動(dòng)(即橫向流動(dòng))。水供給服務(wù)極具流動(dòng)性和特殊性，空間關(guān)系極其復(fù)雜，定量計(jì)算存在重復(fù)計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)。因此，水供給服務(wù)空間流動(dòng)的研究必須有全局意識(shí)，供給區(qū)、需求區(qū)、輸送區(qū)3個(gè)部分相互關(guān)聯(lián)，缺一不可。水供給區(qū)模型評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水量，即定量模擬縱向流動(dòng)過程，而水需求模型估算生產(chǎn)生活區(qū)用水量(用水總量)，則是定量模擬橫向流動(dòng)過程，輸送區(qū)在流動(dòng)過程中傳遞物質(zhì)和能量(物質(zhì)能量流，包含流量和流向)。水供給平衡和人類需求之間的因果關(guān)系，是在供給區(qū)和需求區(qū)定量研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用空間柵格運(yùn)算，得到研究區(qū)范圍內(nèi)供需平衡時(shí)空格局分布，從而判斷該區(qū)域?qū)儆谀姆N供需類型，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)和管理水資源。

3 水供給服務(wù)空間流量化評(píng)估方法

水供給服務(wù)空間流具有顯著的空間屬性和流動(dòng)性，縱橫交織的河流(干支流)是供給區(qū)向需求區(qū)輸送能量物質(zhì)的重要路徑，不僅傳遞水資源，還傳遞水產(chǎn)品。供給區(qū)產(chǎn)生多少能量物質(zhì)、能傳輸多少、傳輸方向、途中損耗以及需求區(qū)是否滿足等是目前研究的重要問題，因此水供給服務(wù)空間流動(dòng)定量化研究極其重要。

3.1 供給區(qū)評(píng)估方法

3.1.1 中小尺度公式計(jì)算法 水量平衡法是一個(gè)流域的實(shí)際蒸散發(fā)量由水分的供應(yīng)條件(降水量)和能量的供應(yīng)條件(蒸發(fā)能力)達(dá)到均衡的狀態(tài)。將降水量與蒸散量、徑流量的差視為水供給量，缺點(diǎn)是忽略了地表水和地下水的相互作用。水量平衡的原理適用于所有時(shí)空尺度，數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)單易于操作，是目前評(píng)估水源涵養(yǎng)服務(wù)最有效和應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)公式和原理。蓄水能力法包括土壤蓄水能力法、林冠截留剩余量法和綜合蓄水能力法等。土壤蓄水能力法假設(shè)水源涵養(yǎng)量是雨水降落到林地后滲入土壤的蓄水量，忽視其他作用層的水源涵養(yǎng)能力，可能造成評(píng)估結(jié)果偏低。綜合蓄水能力法則綜合考慮了植被冠層最大截留能力、枯落物層最大持水能力、土壤層最大蓄水能力，效果最為理想。曹葉琳等基于水量平衡法對(duì)陜西省區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估表明，2000—2014年陜西省水源涵養(yǎng)呈整體上升、局部下降趨勢(shì)，氣候因素對(duì)水源涵養(yǎng)的影響較強(qiáng)。王鵬程運(yùn)用綜合蓄水能力法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能評(píng)估發(fā)現(xiàn)，植被層截留為288.82～586.00 mm，枯落物持水量為30.58～117.58 mm，土壤層入滲為549.36～710.78 mm。這2種方法適用于中小尺度水供給定量化研究，但是存在2個(gè)缺陷：一是實(shí)際的陸地蒸散發(fā)量難以計(jì)算，檢驗(yàn)系數(shù)法易導(dǎo)致顯著的計(jì)算誤差；二是傳統(tǒng)方法多利用徑流系數(shù)法來估算流域徑流量，徑流量也并非真正的水供給量。

3.1.2 基于生態(tài)模型的評(píng)估方法 目前使用最廣泛的生態(tài)模型有InVEST模型、SWAT模型和VIC模型(表1)。美國(guó)斯坦福大學(xué)開發(fā)的InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型中的InVEST產(chǎn)水模塊根據(jù)Budyko假設(shè)的水熱耦合平衡方程，基于氣候、地形高程和土地利用的數(shù)據(jù)計(jì)算流域內(nèi)每個(gè)柵格的徑流量，產(chǎn)水量為區(qū)域上每個(gè)柵格單元的降水量減去實(shí)際蒸散量的差值。經(jīng)過計(jì)算，最后得到區(qū)域產(chǎn)水量的空間分布圖。該模型目前已在中國(guó)丹江流域、秦嶺、黃土高原、黃河流域、美國(guó)肯塔基、西非等多個(gè)國(guó)家及地區(qū)應(yīng)用，取得較好的模擬效果，但模型參數(shù)的取值具有不確定性，需進(jìn)一步模擬驗(yàn)證。美國(guó)農(nóng)業(yè)研究部研發(fā)的SWAT模型是分布式生態(tài)水文模型，可分析預(yù)判流域內(nèi)水文過程的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化，物理機(jī)制強(qiáng)，能準(zhǔn)確分析水文時(shí)空變化特征。VIC分布式水文模型(variable infiltration capacity)由華盛頓大學(xué)、加利福利亞大學(xué)、伯克利分校以及普林斯頓大學(xué)的研究者共同開發(fā)，基于水量平衡“黑箱”原理。VIC模型將區(qū)域柵格化，每個(gè)柵格包含幾組數(shù)據(jù)并單獨(dú)計(jì)算，數(shù)據(jù)包括土壤數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，用空間分布函數(shù)計(jì)算水量的變化，目前已廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的水文過程模擬中。

表1 水供給區(qū)生態(tài)模型定量評(píng)估方法

3.2 需求區(qū)評(píng)估方法

水供給服務(wù)流動(dòng)是由生態(tài)系統(tǒng)單元組成，每個(gè)單元是一個(gè)柵格，通過柵格運(yùn)算得到水需求量。水需求量是指人類從事生產(chǎn)生活等活動(dòng)對(duì)水資源的需求與消耗，以及空間分布的特征分析，不包含自然界中植被生長(zhǎng)用水、河流截留、下滲等地表水分損失部分。Gao等將水供給服務(wù)的需求量被認(rèn)定為用水量，用水量數(shù)據(jù)采用水資源公報(bào)中各行政分區(qū)(地市級(jí))的實(shí)際數(shù)據(jù)，包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活用水(城鎮(zhèn)生活、城鎮(zhèn)公共、農(nóng)村人畜取水)、生態(tài)用水(生態(tài)環(huán)境用水)4部分。用水類別和統(tǒng)計(jì)方式在不同省份之間有一定的差別?；诟魇∈腥丝跀?shù)量、土地利用類型，以及用水量和用水類別數(shù)據(jù)進(jìn)行空間計(jì)算，并通過柵格運(yùn)算最終得到研究區(qū)水需求量的時(shí)空分布圖。

水需求服務(wù)空間模型構(gòu)建分為2步：一是基于行政區(qū)域的流域用水量進(jìn)行公式計(jì)算(公式(1))；二是依據(jù)行政區(qū)域空間分布圖、土地利用類型和用水分配表，將用水?dāng)?shù)據(jù)空間離散化，得到空間水需求數(shù)據(jù),繪制水需求服務(wù)時(shí)空?qǐng)D。

=agr+ind+dom+Liv

(1)

式中：為行政區(qū)域的水需求總量(m)；agr是指行政區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水量(m)；ind是指行政區(qū)域的工業(yè)用水量(m)；dom是指行政區(qū)域的居民生活用水量(m)；Liv是指行政區(qū)域的放牧飼養(yǎng)牲畜用水量(m)。

3.3 傳輸區(qū)評(píng)估方法

3.3.1 區(qū)域尺度矩陣和生態(tài)模型綜合模擬 水流動(dòng)模擬是基于自然水流匯流狀態(tài)過程，不考慮人為因素、水流的產(chǎn)生、流向、流量以及過程消耗。區(qū)域水供給量受到高程(DEM)、土地利用類型(LUCC)、水流流向等因素影響，試驗(yàn)觀測(cè)還不能推至區(qū)域范圍尺度，需要借助模型大數(shù)據(jù)和矩陣分析法綜合模擬。Li等運(yùn)用相同行列數(shù)的5個(gè)矩陣，分別是水供給服務(wù)的區(qū)域界線(a)、土地利用類型LUCC(b)、水流流向規(guī)則(c)、水供給量(d)和水需求量(e)，基于InVEST模型和水量平衡方程計(jì)算得出水供給服務(wù)的供給矩陣(d)，基于不同類別用水量和相對(duì)應(yīng)的土地利用類型建立空間對(duì)應(yīng)關(guān)系得出需求矩陣(e)，流向矩陣是由DEM高程數(shù)據(jù)提取獲得。但是水供給與需求之間存在供需不對(duì)等的情況，即供過于求(供>需)和供不應(yīng)求(供<需)(圖2)。那么如何將矩陣和供需問題相結(jié)合，分析供需因果關(guān)系成為現(xiàn)今學(xué)者們研究的重點(diǎn)。劉頌等運(yùn)用矩陣分析法對(duì)嘉興市水文調(diào)節(jié)服務(wù)進(jìn)行研究，2015年嘉興市大部分地區(qū)處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。徐潔模擬寧夏回族自治區(qū)水供給服務(wù)空間流動(dòng)，首先建立5個(gè)基礎(chǔ)矩陣，再構(gòu)建水供給服務(wù)靜態(tài)剩余水量(f)、基于區(qū)域(或流域)DEM高程數(shù)據(jù)活動(dòng)空間流動(dòng)路徑()、動(dòng)態(tài)剩余水量()和區(qū)域間流動(dòng)()4個(gè)矩陣，各數(shù)據(jù)層通過轉(zhuǎn)換投影分辨率獲得相同的柵格形式，運(yùn)用IDL編程進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，2000—2015年水供給總量為194.49×10～275.57×10m，需求量為137.62×10～464.66×10m，靜態(tài)剩余水量逐年遞減，下游受益區(qū)需要上游補(bǔ)給，動(dòng)態(tài)剩余水量波動(dòng)較大，水供給服務(wù)需引起高度關(guān)注。

圖2 供給與需求的4種關(guān)系類型

3.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流空間動(dòng)態(tài)模型 美國(guó)佛蒙特大學(xué)開發(fā)一款生態(tài)系統(tǒng)人工智能模型(artifical intelligence for ecosystem services， ARIES)，適用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)空間格局。它是由供給區(qū)、需求區(qū)以及可以消耗的生物物理特征構(gòu)建模型，并繪制空間服務(wù)流。該模型工作流程為：首先確定需求區(qū)(受益人)的需求量，然后確定水供給服務(wù)供需之間的服務(wù)傳遞，判斷出水供給流動(dòng)服務(wù)過程是正向還是負(fù)向流動(dòng)，有益還是有害，最后確定服務(wù)流類型以及服務(wù)和效益的空間關(guān)系。陳登帥等運(yùn)用ARIES模型對(duì)延河流域水供給服務(wù)平衡與服務(wù)流研究表明，2005—2015年延河流域水需求量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，而供給量卻逐年下降，供不應(yīng)求。模型物理屬性強(qiáng)，數(shù)據(jù)要求高，存在一定的數(shù)據(jù)誤差風(fēng)險(xiǎn)，目前應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈全、小流域范圍，是否能在不同地區(qū)推廣還有待驗(yàn)證。

4 水供給服務(wù)空間流框架構(gòu)建

水供給服務(wù)流動(dòng)模擬研究框架搭建的水供給分析框架由3個(gè)模塊組成(圖3)：(1)供給端基于模型法和水量平衡方程公式得到水供給服務(wù)空間格局；(2)基于水資源公報(bào)、國(guó)家、省市統(tǒng)計(jì)年鑒的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)與土地覆蓋、土地利用等數(shù)據(jù)得到需水量空間格局；(3)基于柵格運(yùn)算輸送區(qū)傳輸物質(zhì)量，依據(jù)水系分布繪制出水供給服務(wù)地理空間流動(dòng)圖。供給端基于水量平衡原理，結(jié)合生態(tài)水文模型定量計(jì)算水供給量；需求端基于省市區(qū)用水類別和用水量，定量計(jì)算出水需求量，然后將水供給需求量柵格化空間處理，最后通過空間關(guān)聯(lián)方法制定空間流動(dòng)路徑，繪制空間水供給服務(wù)流動(dòng)地圖，最終確定水供給服務(wù)的供需平衡關(guān)系。

注：實(shí)際供給單元即靜態(tài)剩余水量為正值(供給量>需求量)，潛在供給單元即靜態(tài)剩余水量為負(fù)值；實(shí)際受益單元是靜態(tài)剩余水量為正值，潛在受益單元是靜態(tài)剩余水量為負(fù)值；箭頭曲線表示水流動(dòng)路徑；數(shù)字表示水供給單元上下游關(guān)系以及距離河道的遠(yuǎn)近，具有優(yōu)先順序，數(shù)字越小獲得的優(yōu)先級(jí)別越高；路徑箭頭曲線粗細(xì)表示水供給服務(wù)流動(dòng)的物質(zhì)量多少；水供給服務(wù)流動(dòng)路徑在供給與受益單元之間構(gòu)建定量空間關(guān)系。

水供給服務(wù)流動(dòng)研究的實(shí)質(zhì)是對(duì)水供給服務(wù)的供給與需求進(jìn)行定量化評(píng)估，建立服務(wù)供給與需求之間的時(shí)空關(guān)系，即供需平衡。明確服務(wù)流或水流的流動(dòng)路徑與流量大小。其中，對(duì)水資源的供給量與需求量進(jìn)行定量評(píng)估及其空間特征研究是開展水供給服務(wù)空間流動(dòng)研究的重要基礎(chǔ)性工作。水供給服務(wù)是最具有流動(dòng)特征的服務(wù)，以往研究更多關(guān)注靜態(tài)模式下水資源供給量，而忽略了水資源的流動(dòng)性和跨區(qū)域補(bǔ)給調(diào)節(jié)的特征。因此，明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的效益在什么時(shí)間和地點(diǎn)被享用，有助于生態(tài)保護(hù)和補(bǔ)償政策的制定實(shí)施。