基于InVEST模型的白洋淀—大清河流域水源涵養(yǎng)分析

婁夢婕，史明昌，郭虹揚(yáng)，楊建英

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

白洋淀—大清河流域位于京津冀腹地，是太行山區(qū)與渤海灣水資源連通的廊道。自2017年中共中央、國務(wù)院決定在河北省設(shè)立國家級(jí)新區(qū)——雄安新區(qū)以來，新區(qū)的建設(shè)與城市發(fā)展對(duì)水資源的需求量顯著增加，流域水資源短缺與不合理利用、水土流失問題亟待解決。白洋淀作為北方的典型濕地，是雄安新區(qū)重要的水源地和生態(tài)屏障。白洋淀—大清河流域上游山區(qū)森林的水源涵養(yǎng)功能是該區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，該區(qū)水源涵養(yǎng)的空間分布狀況與自然條件對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響受到廣泛關(guān)注?！度珖匾鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》將白洋淀—大清河流域的水源涵養(yǎng)林與水土保持工程列入“十四五”建設(shè)重要內(nèi)容。森林植被有利于改良流域土壤，攔截降水、調(diào)節(jié)坡面徑流，消減洪峰，延緩地下徑流匯流速度，減少區(qū)域水土流失量。定量評(píng)估白洋淀—大清河流域產(chǎn)水和水源涵養(yǎng)功能，探明流域森林重點(diǎn)建設(shè)和優(yōu)先保護(hù)區(qū)，通過在水源涵養(yǎng)能力提升潛力較大的地塊優(yōu)化水源涵養(yǎng)林林分結(jié)構(gòu)配置，精準(zhǔn)替換高耗水植被、提升森林覆蓋率等方式，提高白洋淀—大清河流域水源涵養(yǎng)能力，解決因植被耗水量過大、生態(tài)環(huán)境脆弱導(dǎo)致的京津冀地區(qū)城市發(fā)展水量短缺、環(huán)境惡化等問題，以保證雄安新區(qū)水資源的持續(xù)供應(yīng)。結(jié)合該區(qū)生態(tài)與生產(chǎn)生活共融、“以水定城”“生態(tài)護(hù)城”[1]的發(fā)展理念，探尋人口密集區(qū)經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的新出路，以在京津冀地區(qū)建設(shè)一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的綠色城區(qū)。

應(yīng)用InVEST模型可評(píng)估多種生態(tài)功能，能夠利用情景化模擬分析預(yù)測變化[2]，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的空間分布，在變化監(jiān)測、使用成本和開源性等諸多方面有顯著優(yōu)勢[3]。陳龍等[4]進(jìn)行瀾滄江流域的水源涵養(yǎng)功能研究，為瀾滄江水域水文狀況的評(píng)估與有效管理提供依據(jù)；劉宥延等[5]定量分析西安市丘陵區(qū)的水源涵養(yǎng)分布格局與冷熱點(diǎn)空間特征，幫助黃土高原地區(qū)的相關(guān)部門對(duì)自然資源進(jìn)行管理和規(guī)劃。

筆者定量評(píng)估白洋淀—大清河流域水源涵養(yǎng)量，進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能的等級(jí)劃分和空間可視化表達(dá)，結(jié)合自然條件和土地利用現(xiàn)狀，探明重點(diǎn)建設(shè)和優(yōu)先保護(hù)區(qū)，篩選水源涵養(yǎng)提升潛力較大的區(qū)域，從而為制定京津冀區(qū)域水源涵養(yǎng)保育林規(guī)劃和生態(tài)修復(fù)決策等提供參考。

1 研究區(qū)概況

白洋淀—大清河流域處于海河流域中部(E 113°39′～117°34′，N 38°10′～40°102′)，是海河五大水系之一[6-7]，總面積為4萬3 060 km2，山區(qū)約為1萬8 659 km2，丘陵平原區(qū)約2萬4 401 km2，各為河系面積的43.33%和56.67%。河系內(nèi)地形西北高東南低[7]。該區(qū)多為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，屬半干旱地區(qū)，季節(jié)特征顯著[8]；年平均氣溫7.6～13.1 ℃；無霜期129.0～199.2 d；年日照時(shí)間2 518.7～2 924.8 h；常年降雨500～600 mm且集中在汛期(7—9月)，年內(nèi)時(shí)空分布不均。研究區(qū)土壤以棕壤土和褐土為主，山區(qū)一般土層有機(jī)質(zhì)含量低，質(zhì)地疏松，土壤抗侵蝕能力較弱[9]。研究區(qū)的地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置分布圖Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所需數(shù)據(jù)主要為年平均降雨量、年平均潛在蒸散、土壤深度、植被可利用水含量、土地覆被類型、流域邊界、Zhang系數(shù)[10]、地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù)。

其中降水、溫度、日照時(shí)間等數(shù)據(jù)均來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)1981—2019年數(shù)據(jù)表。多年降水?dāng)?shù)據(jù)用流域內(nèi)外共74個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)及GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)做補(bǔ)充，利用線性回歸殘差克里金插值進(jìn)行精細(xì)化插值計(jì)算[11]得到。年平均潛在蒸散量使用Modified-Hargreaves法計(jì)算并精細(xì)化插值。土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來源為中科院南土壤所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，使用SPAWHydrology模型中的土壤屬性計(jì)算，求得PAWC和飽和導(dǎo)水率。土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云，土地利用數(shù)據(jù)通過2019年Landsat- 8遙感影像解譯與山區(qū)40個(gè)縣林業(yè)資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)[12]結(jié)合獲得。流域邊界運(yùn)用ArcGIS水文分析得到；Zhang系數(shù)是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，白洋淀—大清河流域?qū)儆诎敫珊禍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，季節(jié)特征顯著，夏季降水集中，因此Zhang系數(shù)選取3～12的不同值模擬，隨著Zhang系數(shù)值的增大，模型產(chǎn)水量降低。根據(jù)研究區(qū)年降水次數(shù)[13]，同時(shí)結(jié)合海河流域近50年(1957—2000年)平均河川徑流量觀測數(shù)據(jù)分析對(duì)照，當(dāng)Zhang系數(shù)值為8時(shí)，模型模擬產(chǎn)水量與多年觀測數(shù)據(jù)最接近。流速系數(shù)參照InVEST模型手冊(cè)[14-15]進(jìn)行設(shè)定。

2.2 研究方法

2.2.1 產(chǎn)水量 筆者基于InVEST模型Water Yeild模塊[16]計(jì)算流域產(chǎn)水量，數(shù)據(jù)獲取方便，參數(shù)設(shè)定靈活，綜合不同植被覆蓋條件下的蒸散發(fā)、不同土壤質(zhì)地的土壤滲透特性、地形、地表粗糙度等因素對(duì)地表徑流產(chǎn)生的影響，能較好地考慮到影響產(chǎn)水的主要因素，表達(dá)流域產(chǎn)水量的分布狀況。

2.2.2 水源涵養(yǎng)量 模型原理基于Budyko水熱耦合平衡假設(shè)[2,17-18]計(jì)算產(chǎn)水量，結(jié)合流速系數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率(mm/d)、地形指數(shù)求出徑流在區(qū)域上存留時(shí)間[19-20]，求出水源涵養(yǎng)量。模型相關(guān)參數(shù)如圖2所示。

圖2 模型相關(guān)參數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of model related parameters

3 結(jié)果分析

3.1 產(chǎn)水量空間分布特征

計(jì)算結(jié)果顯示，白洋淀—大清河流域產(chǎn)水總量為 35.8億m3，產(chǎn)水量介于-0.14～444.96 mm之間，平均產(chǎn)水量為83.91 mm。由圖3可知，研究區(qū)產(chǎn)水空間分布規(guī)律表現(xiàn)為自西北太行山區(qū)向中部淺山丘陵區(qū)緩慢增加，再自中部淺山丘陵區(qū)往東南平原區(qū)逐漸減少。產(chǎn)水高值位于中部地區(qū)，該地雨量充沛且裸巖和灌木林占地面積廣闊，發(fā)生降雨事件后極容易在裸露巖石上產(chǎn)生徑流，由于地形不平坦，人類活動(dòng)影響較平原區(qū)少，故產(chǎn)水量高；中值區(qū)位于東南部平原地區(qū)，該地地勢平坦，以耕地和建設(shè)用地為主，人類活動(dòng)影響最大，產(chǎn)水量高處多為城市建設(shè)用地，降水后易形成地表徑流；低值區(qū)位于西北部低山區(qū)，常年降水少，該地地勢起伏大且林木繁多，基本上不受限于人類活動(dòng)。

圖3 白洋淀—大清河流域產(chǎn)水量空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of water yield in Baiyangdian-Daqinghe River Basin

3.2 水源涵養(yǎng)量空間分布特征

計(jì)算結(jié)果顯示，白洋淀-大清河流域水源涵養(yǎng)量達(dá)到 1.7億m3，深度介于 0～114.94 mm之間。由圖4可知，白洋淀大清河流域水源涵養(yǎng)能力的空間的差異性表現(xiàn)為自西北太行山區(qū)向中部淺山丘陵區(qū)緩慢增加，再自中部淺山丘陵區(qū)往東南平原區(qū)逐漸減少，變化趨勢與產(chǎn)水的變化規(guī)律基本一致。結(jié)合地統(tǒng)計(jì)分析方法統(tǒng)計(jì)分析流域的各類土地利用的水源涵養(yǎng)(表1)可以看出，涵養(yǎng)能力由高到低排序?yàn)楣嗄?喬木>平原林地>耕地>草地>建設(shè)用地>裸土>裸巖。山區(qū)灌木林地和喬木林地的水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng)，其次是平原區(qū)林地。

圖4 白洋淀—大清河流域涵養(yǎng)量空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of water conservation in Baiyangdian-Daqinghe River Basin

中西部丘陵低山區(qū)主要以灌木林和喬木林為主。該區(qū)雨量充沛，降雨發(fā)生后，較緩的地勢使徑流流動(dòng)速度放緩，增加區(qū)域內(nèi)的松散土壤水分滲入的時(shí)間，地表植被根系也能固持土壤。灌木、喬木的涵養(yǎng)能力強(qiáng)，但喬木林植被豐茂，對(duì)水分的消耗也大。因此灌木林地的水源涵養(yǎng)能力要高于喬木林地。東南部平原區(qū)主要為耕地和建設(shè)用地，林地面積較少，且平原區(qū)林地多為經(jīng)濟(jì)林或人工純林，區(qū)域的降水量明顯低于山區(qū)降水，平原林地的水源涵養(yǎng)能力低于山區(qū)林地。耕地包括山區(qū)坡耕地和平原旱地水澆地，但考慮到山區(qū)坡耕地面積較少且分散，與平原區(qū)耕地歸并為一類。因?yàn)楦刈魑锷L周期短，根系不如灌木和喬木發(fā)達(dá)，短期耗水量大，對(duì)降水的截留能力弱且缺少枯枝落葉層輔助吸收水分，因此水源涵養(yǎng)能力要低于灌木、喬木。研究區(qū)內(nèi)草地主要分布于西北部中山區(qū)，地勢較高，坡度相對(duì)陡峭，土壤難以附著，植被較少，不利于攔截降水，并且當(dāng)?shù)亟邓肯鄬?duì)較少，涵養(yǎng)量就低于林地和耕地。

3.3 水源涵養(yǎng)重要區(qū)域評(píng)估

根據(jù)《國家生態(tài)功能紅線劃定技術(shù)指南》中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性分級(jí)方法，在 ArcGIS軟件中對(duì)研究區(qū)水源涵養(yǎng)量處理，按照幾何間隔原理劃分為5級(jí)(圖5)。研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能受到氣候條件、地形地貌和土地利用條件的綜合影響，通過對(duì)水源涵養(yǎng)量重要性評(píng)估，可以在規(guī)劃決策時(shí)突出潛力區(qū)，為后續(xù)優(yōu)先保護(hù)提供參考。中部丘陵區(qū)雨量充沛，受到人類活動(dòng)影響小且裸土裸巖和灌木林占地面積廣闊，可通過優(yōu)化植被種類與結(jié)構(gòu)，增加灌木面積，增強(qiáng)小流域的涵養(yǎng)能力。平原區(qū)多為耕地和建設(shè)用地，地勢平坦，受到人類活動(dòng)影響大，退耕還林還草成本高，易對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。綜合考慮流域的自然因素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，在水源涵養(yǎng)潛力較大的小流域，進(jìn)行開荒造林，優(yōu)化植被，增強(qiáng)小流域的涵養(yǎng)能力，助力雄安新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)。

圖5 白洋淀—大清河流域水源涵養(yǎng)重要性及潛力區(qū)分布圖Fig.5 Distribution map of important areas and potential area of water conservation in Baiyangdian-Daqing River Basin

4 結(jié)論

1)白洋淀—大清河流域產(chǎn)水總和為35.8億m3，水源涵養(yǎng)總量為 1.7億m3，平均產(chǎn)水量是83.91 mm。大清河流域產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量的空間布局具有顯著差異性。

2)土地利用類型不同的區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力存在差異，由高到低排序?yàn)楣嗄?喬木>平原林地>耕地>草地>建設(shè)用地>裸土>裸巖。中部丘陵區(qū)雨量充沛，受到人類活動(dòng)影響小且裸土占地面積廣闊，后續(xù)水源涵養(yǎng)提升潛力較大。

白洋淀—大清河流域是雄安新區(qū)的水源地，新區(qū)的生態(tài)城市建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)。要通過流域水源涵養(yǎng)功能的綜合評(píng)估，優(yōu)化流域水資源配置來增強(qiáng)水資源可持續(xù)利用，提高生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)效率，加快推進(jìn)清潔流域治理和山水林田湖草人綜合流域建設(shè)。后續(xù)研究需要綜合考慮海河流域的上下游流域水資源的關(guān)系及地下水與地表水的差別，采取其他方法減少人類直接消耗水量的影響；增加模型對(duì)中國自然生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性，改進(jìn)模型參數(shù)，結(jié)合區(qū)域的實(shí)際徑流觀測數(shù)據(jù)作進(jìn)一步驗(yàn)證分析等；另外應(yīng)重視流域內(nèi)的植被，可通過模擬不同植被結(jié)構(gòu)下水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱，得到最優(yōu)狀態(tài)下的林木結(jié)構(gòu)和植被物種，積極推進(jìn)水源涵養(yǎng)林工程更好更快發(fā)展。