疏勒河流域水源供給服務(wù)時(shí)空變化研究

韋亦剛，曾建軍，2，3

(1.蘭州城市學(xué)院城市環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730700；2.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)及生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給之間的關(guān)系，對(duì)于理解和調(diào)節(jié)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能至關(guān)重要[1-2]。水源供給服務(wù)功能是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要功能，對(duì)區(qū)域生物多樣性和關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)功能的維持起著重要作用，其功能關(guān)系到區(qū)域人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與布局[3-5]。

人類(lèi)的生存發(fā)展和生活離不開(kāi)水資源，水資源是最重要的自然資源之一。在全球水資源變化背景下，空間量化、可視化地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源供給功能是當(dāng)前水文學(xué)和生態(tài)學(xué)交叉領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)問(wèn)題[6]。特別是近幾來(lái)，遙感GIS技術(shù)與水文模型的快速發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者試圖量化、可視化地分析和評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源供給功能(產(chǎn)水功能)[7]。因此，借助遙感GIS技術(shù)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法是解決生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同與權(quán)衡的有效方法之一。InVEST模型在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估中能結(jié)合空間信息技術(shù)，其獨(dú)特的運(yùn)行模式為生態(tài)環(huán)境模型的開(kāi)發(fā)拓展了視野。在水源供給服務(wù)時(shí)空變化研究上，InVEST模型能基于水量平衡原理，考慮不同土地利用類(lèi)型下土壤滲透性的空間差異性和地形等因素對(duì)徑流的影響，實(shí)現(xiàn)不同景觀類(lèi)型下的水源供給量的定量估算，快速而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估[8]。

疏勒河流域深居西北內(nèi)陸腹地，是河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一，生態(tài)環(huán)境脆弱。受氣候和人類(lèi)活動(dòng)變化影響，疏勒河流域水源供給服務(wù)發(fā)生了較大變化，帶來(lái)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。為此，以疏勒河流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)域，通過(guò)使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評(píng)估模型(InVEST)，對(duì)疏勒河流域的水源供給功能進(jìn)行科學(xué)而適用的定量評(píng)估，為政府和相關(guān)部門(mén)提供更好的依據(jù)，對(duì)研究者的學(xué)術(shù)探索提供了理論支持，為推動(dòng)流域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)與區(qū)域協(xié)同發(fā)展具有重要實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于中國(guó)西北干旱區(qū)腹地，面積約為1.25×105km2。流域?qū)儆诖箨懶愿珊祷哪畾夂颍瑲夂蚋稍?，光熱資源豐富，無(wú)霜期長(zhǎng)，海拔914m至5816m之間[10]。流域內(nèi)擁有世界文化遺產(chǎn)敦煌莫高窟、月牙泉、陽(yáng)關(guān)和玉門(mén)關(guān)遺址等，遺產(chǎn)享譽(yù)國(guó)際，是我國(guó)“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略中一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)區(qū)域[11-12]。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 產(chǎn)水模型

基于水量平衡原理，InVEST模型產(chǎn)水量模塊利用每個(gè)柵格單元的降水量減去實(shí)際蒸散后的水量，從而計(jì)算出該柵格的產(chǎn)水量[13-14]。模型假設(shè)每個(gè)柵格單元的產(chǎn)水量都會(huì)通過(guò)地下或地表徑流的方式輸送到流域的出水口[15-16]。

其計(jì)算模型如下[15-16]：

(1)

式中，Yxj—第j種土地利用類(lèi)型下的x柵格的產(chǎn)水量，mm；AETxj—第j種土地利用類(lèi)型下的x柵格的年實(shí)際蒸散量，mm；Px—x柵格的多年平均降水量，mm。

(2)

式中，Rxj—第j種土地利用類(lèi)型下的柵格x的Budyko干旱指數(shù)；ωx—植被有效含水量與年平均降水量之比。

(3)

(4)

AWCx=Min(Ds，Dr)·PAWCx

(5)

式中，AWCx—柵格x的植被有效含水量，mm；Z—用于表征降水季節(jié)性特征的季節(jié)參數(shù)，即Zhang系數(shù)；kxj—第j土地利用類(lèi)型下的柵格x的植被蒸散系數(shù)；ET0x—柵格x的參考蒸散量，mm；DS—土壤深度，mm；Dr—根系深度，mm；PAWCx—柵格單元x的植被可利用水分，mm。

2.2 模型參數(shù)

InVEST產(chǎn)水模塊的輸入?yún)?shù)包括氣象數(shù)據(jù)、土壤深度、土地利用類(lèi)型、植被可利用水分、生物物理參數(shù)表和Zhang系數(shù)，其參數(shù)都對(duì)產(chǎn)水量的計(jì)算產(chǎn)生影響[18-20]，使用的坐標(biāo)系為Albers_Conic_Equal_Area。

2.2.1降水量和參考蒸散發(fā)

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//data. cma. cnusertoLogin. html)獲取1980、2000、2020年周邊氣象站的降水量數(shù)據(jù)，用于模型中流域降水輸入。用Arcgis軟件進(jìn)行空間插值，得到降水量的空間柵格數(shù)據(jù)，疏勒河流域1980、2000、2020年的降水量和蒸散發(fā)分布如圖1—2所示。

圖1 疏勒河流域1980、2000、2020年的降水量分布圖

圖2 疏勒河流域1980、2000、2020年的蒸散發(fā)分布圖

2.2.2土地利用類(lèi)型

利用Land-satTM/ETM+遙感影像進(jìn)行圖像解譯，結(jié)合研究區(qū)的景觀類(lèi)型將區(qū)域劃分為6個(gè)大類(lèi)和12個(gè)小類(lèi)，包括耕地、林地、草地、河流水域、建設(shè)用地和未利用地，疏勒河流域1980、2000、2020年土地利用類(lèi)型如圖3所示。

圖3 疏勒河流域1980、2000、2020年土地利用類(lèi)型圖

2.2.3土壤深度和土壤有效含水量

結(jié)合甘肅省土壤調(diào)查數(shù)據(jù)、甘肅土種志、土壤圖和野外實(shí)地土壤樣點(diǎn)剖面數(shù)據(jù)計(jì)算出土壤厚度，然后利用ArcGIS軟件獲得土壤厚度柵格圖。為計(jì)算土壤有效含水量，分析不同土壤質(zhì)地(砂土、壤土和粘土)的百分比含量，然后根據(jù)景觀類(lèi)型采用土壤有效含水量經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[3，18，21]，疏勒河流域土壤深度和植被可利用水空間分布如圖4所示。

圖4 疏勒河流域土壤深度和植被可利用水空間分布圖

2.2.4生物物理參數(shù)表

生物物理參數(shù)表描述了研究區(qū)的土地利用和土地覆蓋類(lèi)型，包括土地利用編碼、植被最大根深和蒸散系數(shù)等屬性[22-23]。植被最大根深數(shù)據(jù)和蒸散系數(shù)主要參考前人研究成果、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的蒸散系數(shù)(作物系數(shù))參考值以及InVEST模型數(shù)據(jù)庫(kù)資料，根據(jù)土地利用類(lèi)型(景觀類(lèi)型)創(chuàng)建dbf數(shù)據(jù)得到[3，16，23]。

2.2.5Zhang系數(shù)

Zhang系數(shù)是用來(lái)衡量當(dāng)?shù)貧夂蚣竟?jié)因子對(duì)降水分配的影響，其值范圍通常為1到30。為了驗(yàn)證Zhang系數(shù)的可靠性，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)氐乃Y源供需情況，根據(jù)水文站的多年徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用水量平衡方法對(duì)Zhang系數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)[24]。當(dāng)Zhang系數(shù)為3.33時(shí)，InVEST產(chǎn)水模塊的模擬效果最好。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用/覆被變化分析

疏勒河流域未利用地、草地所占面積和比例最大，其次是耕地和水域，林地、建設(shè)用地面積較少，1980—2020年疏勒河流域土地利用類(lèi)型及變化特征見(jiàn)表1和如圖3所示。分析可知，1980—2020年研究區(qū)內(nèi)的耕地面積持續(xù)增長(zhǎng)，增加面積為410km2，反映出近40年該地區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大且農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速；1980—2020年河流、水域和建設(shè)用地面積均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)，河流面積增加了130km2，水域面積增加了109km2，建設(shè)用地面積也有所增加，其增加幅度較大。

表1 疏勒河流域土地利用面積變化特征

近40年以來(lái)，疏勒河流域的城鎮(zhèn)用地面積呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，城市規(guī)模擴(kuò)大。人口數(shù)量增加，城市化對(duì)土地資源的需求也在不斷增加，變化趨勢(shì)可能會(huì)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生影響，需要采取相應(yīng)的管理措施以保護(hù)環(huán)境和維護(hù)生態(tài)平衡。然而，城市化進(jìn)程不斷加快且面積擴(kuò)張，加劇了森林面積的縮減。其中，1980—2000年研究區(qū)內(nèi)的林地面積增加了9km2，而2000—2020年林地面積下降迅速，下降面積203km2，說(shuō)明城鎮(zhèn)用地快速發(fā)展的階段主要是處于2000—2020年的20年間，流域在城市化的進(jìn)程中占用了大量林地。另外，1980—2020年草地面積上升幅度較小，面積由1980年的26783km2增加到2020年的26788km2，近40年增加了5km2，面積變化相對(duì)較小。

利用ArcGIS空間分析，獲得疏勒河流域1980—2020年土地利用轉(zhuǎn)移的信息，并通過(guò)對(duì)不同年份之間各地類(lèi)轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移面積的分析，得出1980—2020年土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換情況和土地利用轉(zhuǎn)移的空間分布。從表2—3中可以看出，1980—2000年間疏勒河流域的土地利用轉(zhuǎn)移類(lèi)型相對(duì)復(fù)雜，共有26種類(lèi)型，且轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要集中在流域的中東部和東南部地區(qū)。其中，水域轉(zhuǎn)移至未利用地的轉(zhuǎn)移類(lèi)型面積最大，達(dá)到了101km2；其次是未利用地向草地的轉(zhuǎn)換，面積也有39km2。未利用地轉(zhuǎn)移至耕地、林地和水域等類(lèi)型的轉(zhuǎn)移面積也相對(duì)較多。值得注意的是，盡管疏勒河流域在1980—2000年期間的土地利用轉(zhuǎn)移類(lèi)型復(fù)雜，但是1980—2000年間建設(shè)用地并未發(fā)生轉(zhuǎn)移，城鎮(zhèn)化發(fā)展的速度相對(duì)緩慢。

表2 1980—2000年疏勒河流域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換表 單位：km2

表3 2000—2020年疏勒河流域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換表 單位：km2

2000—2020年間疏勒河流域的土地利用轉(zhuǎn)移類(lèi)型數(shù)量顯著增加，達(dá)到了30種。其中，未利用地的轉(zhuǎn)移面積最大，且轉(zhuǎn)換類(lèi)型最多，轉(zhuǎn)移為耕地、草地、林地、建設(shè)用地和水域等多種類(lèi)型。表明疏勒河流域在近20年間土地利用發(fā)生了較為明顯的變化，未利用地資源得到了有效開(kāi)發(fā)利用。如未利用地到草地面積轉(zhuǎn)換最大，達(dá)到了8707km2，變化速度加快，反映了當(dāng)?shù)氐哪翀?chǎng)等有很大的發(fā)展。其次未利用地到水域、未利用地到耕地，分別轉(zhuǎn)換了634、561km2。同時(shí)，也存在未利用地和耕地轉(zhuǎn)換成了建設(shè)用地，轉(zhuǎn)換面積分別達(dá)到192、62km2，表明在2000—2020年期間城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程加快。在轉(zhuǎn)換類(lèi)型中，還包括部分未利用地轉(zhuǎn)為了耕地和林地，研究結(jié)果表明，疏勒河流域的土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。在近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，疏勒河流域的土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移呈現(xiàn)出一些新特點(diǎn)。例如，建設(shè)用地和水域的轉(zhuǎn)移主要向林地和農(nóng)田轉(zhuǎn)移，反映了人們對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重視。此外，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的放緩以及生態(tài)文明建設(shè)的加快也在推動(dòng)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移的變化。

3.2 水源供給服務(wù)功能評(píng)估

利用ArcGIS和InVEST模型分析疏勒河流域1980—2020年的產(chǎn)水量空間分布如圖5所示，同時(shí)通過(guò)柵格計(jì)算器將不同時(shí)段的產(chǎn)水量圖層相減，得到了產(chǎn)水量變化量的空間分布，如圖6所示。分析揭示了疏勒河流域的水源供應(yīng)在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律，并可進(jìn)一步分析其空間差異和變化特征。

圖5 1980—2020年疏勒河流域產(chǎn)水量空間分布

圖6 1980—2020年疏勒河流域不同時(shí)段的產(chǎn)水量變化量空間分布

在產(chǎn)水量數(shù)量上，1980、2000、2020年疏勒河流域總產(chǎn)生量分別為1.9458×109、2.1660×109、5.2109×109m3，這3個(gè)年份基于柵格單元的平均產(chǎn)生量分別為15.63、17.40、41.86mm，整體處于上升趨勢(shì)，1980—2020年平均產(chǎn)水量上升了26.23mm。

在空間分布上，1980年疏勒河流域基于柵格像元上的產(chǎn)水量范圍為0～477.09mm，疏勒河流域的產(chǎn)水量空間分布具有明顯的空間差異性，其高值區(qū)主要集中在流域中上游地區(qū)，而低值區(qū)則主要分布在地勢(shì)起伏較大的山脊處。分布差異與地形的影響密切相關(guān)，地形較大起伏導(dǎo)致土壤深度較淺，同時(shí)也容易出現(xiàn)水土流失的現(xiàn)象，因此產(chǎn)水量低值區(qū)域的土地利用和生態(tài)保護(hù)需更加注重，以有效保障疏勒河流域水資源的可持續(xù)利用。2000年，疏勒河流域產(chǎn)水量最大值減小到469.36mm，隨著流域城鎮(zhèn)化和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的加速，產(chǎn)水量高值區(qū)的范圍逐漸向外擴(kuò)張。流域建設(shè)用地?cái)U(kuò)展導(dǎo)致不透水面面積增加，限制了降水的下滲，同時(shí)增加了建設(shè)用地上的產(chǎn)水量，使得原有的產(chǎn)水量高值區(qū)面積不斷擴(kuò)大。此外，建設(shè)用地的擴(kuò)展還會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞和生態(tài)環(huán)境的惡化，影響流域的水資源供給和水環(huán)境質(zhì)量。因此，應(yīng)該在流域規(guī)劃中合理控制建設(shè)用地的擴(kuò)張，保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境，維護(hù)流域的水資源供給和生態(tài)安全。2020年，疏勒河流域基于柵格像元上的產(chǎn)水量范圍為0～653.46mm，產(chǎn)水量上升，高值區(qū)范圍快速擴(kuò)大，呈現(xiàn)西部快速擴(kuò)大?？傮w來(lái)看，疏勒河流域在1980年至2020年間的產(chǎn)水量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而在各個(gè)年份上，產(chǎn)水量的變化呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，1980—2000年，疏勒河流域的產(chǎn)水量呈下降趨勢(shì)，且下降幅度主要集中在-150～0mm。而從2000年開(kāi)始，產(chǎn)水量的變化趨勢(shì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。需要指出的是，雖然總體上疏勒河流域的產(chǎn)水量呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但在流域的不同地區(qū)產(chǎn)水量的變化還存在較大的差異。在2000—2020年間，疏勒河流域的產(chǎn)水量呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。具體而言，產(chǎn)水量變化主要集中在0～400mm的范圍內(nèi)，其中增加幅度大于300mm的范圍繼續(xù)擴(kuò)張，而產(chǎn)水量變化小于500mm的范圍也略微擴(kuò)大。

4 結(jié)論與討論

以疏勒河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，對(duì)流域近40年土地利用與覆被變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)空分析，并對(duì)水源供給功能數(shù)量、時(shí)空分布特征進(jìn)行定量評(píng)估和評(píng)價(jià)研究。

(1)1980—2020年疏勒河流域土地利用類(lèi)型的變化以草地和未利用地為主導(dǎo)，近40年林地、未利用地面積減少，耕地、水域、建設(shè)用地面積快速增長(zhǎng)。

(2)1980、2000、2020年3年疏勒河流域總產(chǎn)水量分別為1.9458×109、2.1660×109、5.2109×109m3，近40年產(chǎn)水量增加3.2651×109m3，增加1.68倍。3個(gè)年份基于柵格單元的平均產(chǎn)生量分別為15.63、17.40、41.86mm，整體上處于上升趨勢(shì)，1980—2020年平均產(chǎn)水量上升了26.23mm。

(3)近40年疏勒河流域水源供給量的變化呈現(xiàn)先減少、后增大的趨勢(shì)，與產(chǎn)水量高值區(qū)相似，水源供給量的空間分布也主要集中在流域中上游。由于流域中上游區(qū)域有較高的降水量和蓄水能力，對(duì)整個(gè)流域的水資源供給具有重要作用。疏勒河流域以農(nóng)田、林地對(duì)水源供給貢獻(xiàn)量最大，疏勒河流域內(nèi)耕地多為山地地區(qū)，尤其是在流域中上游，受季風(fēng)氣候影響，而降水豐富，從而使得水源供給量充足。

通過(guò)InVEST模型對(duì)疏勒河流域水源評(píng)估，可知InVEST模型也適于大尺度流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估，特別是西北干旱區(qū)生態(tài)脆弱區(qū)域的水源供給功能評(píng)估。但由于疏勒河流域的地形起伏、水文特征和氣候條件與國(guó)外的差異較大，為確定模型的可靠性，減小模型的精度偏差，需要對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)校驗(yàn)。此外，發(fā)現(xiàn)疏勒河流域近40年水源供給雖然有所好轉(zhuǎn)，但整體功能依舊不夠強(qiáng)大。需要進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，提高水資源的利用效率，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和人民日益增長(zhǎng)的水資源需求。