水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)模型及其空間數(shù)據(jù)庫(kù):以灤河小流域?yàn)槔?/h1>
2023-11-12 08:18:24馬麗
承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào) 2023年5期
馬 麗
(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 化學(xué)工程系,河北 承德 067000)
小流域(Watershed)是一類封閉的地形單元和水文單元,通常是指二、三級(jí)支流以下,集水面積在50 km2以下的相對(duì)獨(dú)立和封閉的自然匯水區(qū)域,包括溪流(溝道)或河川排泄至下游河道斷面上的全部徑流區(qū)域[1]。 小流域經(jīng)常作為水土保持規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的基本單元,在小流域管理中,涉及土壤、大氣、地貌、植被及人類活動(dòng)等多種因素,其信息具有明顯的時(shí)空特征,采用系統(tǒng)和高效的數(shù)據(jù)采集、分析和管理方法,建設(shè)“數(shù)字流域”,將有助于小流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的充分發(fā)揮[2]。 水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統(tǒng)保持水分的過(guò)程與能力,主要包括水循環(huán)過(guò)程中的降水在生態(tài)系統(tǒng)中被攔截、儲(chǔ)存,并在一定時(shí)空范圍內(nèi)發(fā)揮復(fù)雜的動(dòng)態(tài)功能;水源涵養(yǎng)功能受氣候、地形、植被、土壤等多個(gè)因素綜合影響[3-4]。 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水源涵養(yǎng)的研究多以單一生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象,探討其水源涵養(yǎng)價(jià)值,尤其在森林涵養(yǎng)水源方面積累了相對(duì)豐富的資料[5-6]。 國(guó)外學(xué)者則側(cè)重于水文過(guò)程及不同生態(tài)系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)特性對(duì)水文通量影響的研究[7-8]。 目前,由于流域生態(tài)系統(tǒng)存在時(shí)空分異,還不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)其所有水文過(guò)程機(jī)理的深入認(rèn)識(shí),水源涵養(yǎng)功能的研究尚存很多不足。 承德作為京津冀水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū),承擔(dān)著為京津冀城市群“阻沙源、涵水源、保障生態(tài)安全”的重任;堅(jiān)守“水清”底線,找出不足,對(duì)癥治理,將有利于更好地構(gòu)建京津冀生態(tài)屏障和推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展。 因此,對(duì)承德重點(diǎn)流域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)于保護(hù)流域水資源和提升其生態(tài)服務(wù)功能,實(shí)施“十四五規(guī)劃”,建設(shè)一流生態(tài)環(huán)境,具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義。 本文通過(guò)研究和比較適用于流域水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)的方法和模型,以承德水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)灤河支流示范小流域?yàn)槔?系統(tǒng)闡述了InVEST 模型評(píng)價(jià)小流域水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能的空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),及其數(shù)據(jù)獲取和處理方法,為科學(xué)規(guī)劃生態(tài)保護(hù)和治理措施,建設(shè)和管理小流域,以期更好地發(fā)揮其生態(tài)環(huán)境效益提供理論依據(jù)。
1 水源涵養(yǎng)功能及其評(píng)價(jià)
1.1 水源涵養(yǎng)功能概述
目前,國(guó)內(nèi)對(duì)水源涵養(yǎng)功能涵義的主流觀點(diǎn)有兩種,其一,認(rèn)為水源涵養(yǎng)功能的主要承擔(dān)者是森林系統(tǒng),森林的林冠層、枯枝落葉層和地下土壤層在攔截、吸收、蓄積降水過(guò)程中表現(xiàn)出涵養(yǎng)效力,對(duì)降水的蓄積和分配發(fā)揮了重要作用[9]。 其二,將水源涵養(yǎng)功能的研究對(duì)象拓寬至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng),主要包括攔蓄降水、調(diào)節(jié)河川流量、影響雨量、凈化水質(zhì)等[4]。
水源涵養(yǎng)功能的評(píng)價(jià)形式分為水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)能力,其中,水源涵養(yǎng)量是評(píng)估水源涵養(yǎng)功能的通用指標(biāo)。 水源涵養(yǎng)量主要表征生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際持留水量,其與區(qū)域降水量、氣候條件、地理環(huán)境等因素有關(guān)。 水源涵養(yǎng)量具有實(shí)際的物理意義,可以精準(zhǔn)計(jì)算出量值,應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估、水循環(huán)模擬、影響因素識(shí)別、氣候變化響應(yīng)等領(lǐng)域。
水源涵養(yǎng)能力重在表征相對(duì)變化,突出了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水源涵養(yǎng)的影響。 水源涵養(yǎng)能力的評(píng)價(jià)主要有兩種方式,其一,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)其服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估,包含了水源涵養(yǎng)功能,通常假定每公頃生境具有同等的涵養(yǎng)價(jià)值,忽略其空間結(jié)構(gòu)、生境質(zhì)量和稀有性等特征,其可信度有很大局限性;其二,通過(guò)模擬區(qū)域(例如:一個(gè)小流域或一片涵養(yǎng)林)的水源涵養(yǎng)服務(wù),結(jié)合長(zhǎng)期野外監(jiān)測(cè)和空間建模,將小尺度的實(shí)地研究和大尺度的模型模擬結(jié)合起來(lái),構(gòu)建評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能及其生態(tài)服務(wù)的評(píng)價(jià)。
1.2 水源涵養(yǎng)功能的評(píng)估方法
國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的常用方法有水量平衡法、林冠截留量法、蓄水能力法和降水貯存法等[10]。 其中,水量平衡法適用于所有尺度,主要作用于土壤層,其計(jì)算結(jié)果可信,但是,蒸散量計(jì)算難度大。 其他方法在理論上均存在不足,例如:林冠截留量法和土壤蓄水能力法僅將土壤作為蓄水載體,未考慮蒸散量耗水,使估算結(jié)果偏高;降水儲(chǔ)存法綜合考慮了林冠層、枯落物層及土壤層,但是,需要長(zhǎng)期可靠的觀測(cè),數(shù)據(jù)較難獲得;而綜合蓄水能力法僅考慮攔截蓄水作用,適用區(qū)域有限,其結(jié)果是理論最大值,不具有動(dòng)態(tài)變化特征,不能代表實(shí)際蓄水量。
水量平衡法是將流域生態(tài)系統(tǒng)視為一個(gè)封閉系統(tǒng),以一定時(shí)空尺度下系統(tǒng)蓄水量的輸入和輸出為端點(diǎn),降水量與蒸散量及其他消耗量(例如:深層滲漏量)之差為水源涵養(yǎng)量。 降水是區(qū)域水資源的主要來(lái)源,也是影響水源涵養(yǎng)量的重要因素,為了消除降水變化對(duì)水源涵養(yǎng)能力的影響,通常采用水源涵養(yǎng)量與降水量的比值,作為水源涵養(yǎng)能力的表征指標(biāo)[11]。 水源涵養(yǎng)的表征方程為:
式中:WS為水源涵養(yǎng)量,mm;P為降水量,mm;ET為實(shí)際蒸散量,mm;R為其他消耗量,mm;IWS為水源涵養(yǎng)指數(shù)。
隨著空間分析技術(shù)在區(qū)域規(guī)劃和管理中的應(yīng)用和發(fā)展,以水源涵養(yǎng)功能和其生態(tài)服務(wù)價(jià)值為切入點(diǎn),通過(guò)提取和集成流域面積、降水量、地貌類型、覆蓋因子、土壤質(zhì)地、河網(wǎng)分布、人口數(shù)量等因素可以進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能重要性的評(píng)價(jià);同時(shí),綜合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)繪圖表達(dá),可以直觀描繪區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的差異。
1.3 水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)模型
目前,學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成普遍接受的水源涵養(yǎng)功能的評(píng)估體系。 隨著GIS 技術(shù)、遙感技術(shù)、信息和通訊技術(shù)的發(fā)展,獲取和描述流域下墊面空間分布信息的技術(shù)日漸完善,流域分布式水文模型也得以不斷發(fā)展。 分布式水文模型的一個(gè)顯著特點(diǎn)是同數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)結(jié)合,這種基于DEM 的分布式水文模型也被稱作數(shù)字水文模型,模型以流域面上分散的水文參數(shù)和變量來(lái)描述流域水文時(shí)空變化的特征。 國(guó)際上常用的分布式水文水質(zhì)模型有Soil and Water Assessment Tool(SWAT)、Agricultural Non-Point Source(AGNPS)、Area Non-Point Source Watershed Environment Resource Simulation(ANSWERS)等[12-15];InVEST 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評(píng)估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)是美國(guó)自然資本項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的、用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的一套系統(tǒng),工具中包括一系列涵蓋廣泛生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的模型,其中,產(chǎn)水模塊可量化不同流域或次流域的相對(duì)產(chǎn)水量,并對(duì)土地利用變遷或氣候變化等驅(qū)動(dòng)因素的模擬變化表現(xiàn)敏感。
2 InVEST 評(píng)價(jià)小流域水源涵養(yǎng)功能的空間數(shù)據(jù)庫(kù)
2.1 灤河小流域環(huán)境現(xiàn)狀
灤河是承德市水源涵養(yǎng)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)及國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)防護(hù)區(qū)內(nèi)的主要水系,全長(zhǎng)885 km,流域面積5 111.38 km2,占保護(hù)區(qū)總面積的63.94%。 2019 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,灤河流域總體水質(zhì)狀況為優(yōu)。 水土流失和土地沙化依然是灤河流域的主要生態(tài)問(wèn)題,集中分布在灤河上游及西北部、伊遜河、蟻螞吐河等支流流域。 其中,圍場(chǎng)縣壩上及冀北山地森林生態(tài)系統(tǒng)位于伊遜河上游,具有極其重要的水源涵養(yǎng)功能,同時(shí)具備荒漠化控制和水資源保護(hù)的生態(tài)敏感性,主要生態(tài)問(wèn)題是農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致水土流失及荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重,污水排放及農(nóng)藥化肥的過(guò)量施用。 豐寧壩上地區(qū)是灤河發(fā)源地,生態(tài)區(qū)位極其重要,但是存在土壤侵蝕、土地沙化、草場(chǎng)退化、荒漠化嚴(yán)重等生態(tài)問(wèn)題,其草原生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務(wù)功能退化脆弱。 目前,保護(hù)區(qū)已經(jīng)實(shí)施以小流域?yàn)閱卧乃帘３志C合治理工程,選用適合保護(hù)區(qū)自然條件的水土保持治理模式,重點(diǎn)治理水土流失,改善和預(yù)防水環(huán)境污染等多個(gè)層面來(lái)提高流域內(nèi)的水源涵養(yǎng)功能。
2.2 小流域自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境數(shù)據(jù)收集
灤河流域涉及區(qū)縣級(jí)及以下的行政單元非常多,其支流分屬不同的環(huán)境經(jīng)濟(jì)功能區(qū),時(shí)空單元尺度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致水文和水源涵養(yǎng)的過(guò)程分析失去精準(zhǔn)度,因此,采取以小流域?yàn)閱卧?研究其水源涵養(yǎng)功能重要性及其影響因素更具可行性。
小流域自然環(huán)境資料的收集,主要包括流域地理位置、地質(zhì)地貌、氣候水文、土地利用類型、覆被狀況等。 其中,氣候水文資料主要收集降水量、日照時(shí)數(shù)、氣溫、自然災(zāi)害、河段總長(zhǎng)、集水面積、洪水流量、枯水流量、年平均流量等。 土地利用類型包括土壤質(zhì)地、最大土壤深度、根系限制層深度、坡長(zhǎng)和坡度等。 生態(tài)環(huán)境特征及防治情況需要統(tǒng)計(jì)流域完成治理的水土流失面積、坡改梯改造坡耕地面積、種植經(jīng)濟(jì)果林和營(yíng)造水保林情況、封禁措施治理、蓄水池?cái)?shù)量、沉砂池?cái)?shù)量、排水溝長(zhǎng)度、建田間道路、高效節(jié)水和飲水灌溉面積等。
小流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況資料的收集,主要采用問(wèn)卷調(diào)查和地面調(diào)查相結(jié)合的方式,針對(duì)典型村屯、農(nóng)戶抽樣調(diào)查,結(jié)合縣級(jí)的統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行對(duì)比,獲取流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的基本情況;涉及研究流域范圍內(nèi)的行政區(qū)劃、自然村鎮(zhèn)數(shù)量、總?cè)丝诿芏?、勞?dòng)力數(shù)量、城鎮(zhèn)人口數(shù)、農(nóng)業(yè)人口數(shù)、近3 ~5 年內(nèi)的城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值、城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、畜牧業(yè)產(chǎn)值、副業(yè)產(chǎn)值等。
2.3 空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及要求
基于InVEST 模型的產(chǎn)水模塊(Water Yield)和泥沙輸送比模塊(Sediment Delivery Ratio, SDR),評(píng)價(jià)示范小流域的水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能,空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如圖1 所示。
InVEST 模型產(chǎn)水模塊是基于水量平衡原理計(jì)算產(chǎn)水量,模型運(yùn)行基于柵格地圖,在像素尺度上,綜合考慮氣象、地形、土地利用、土壤類型等多個(gè)因素,計(jì)算月徑流量、全年快速?gòu)搅髁?、潛在基流、?shí)際基流等,以每個(gè)像素對(duì)實(shí)際產(chǎn)流的貢獻(xiàn)作為涵養(yǎng)量,從而得到區(qū)域的水源涵養(yǎng)情況[16]。
InVEST 模型SDR 模塊可評(píng)價(jià)流域的土壤侵蝕情況和水土保持功能,通常以劃分的坡面單元為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫(kù),主要集成小流域的空間關(guān)系數(shù)據(jù)、圖形圖像數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)三大類,將收集到的文字、圖片、表格等資料實(shí)現(xiàn)一體化和可視化管理。 空間數(shù)據(jù)主要包括SDR 模塊與水源涵養(yǎng)功能相關(guān)的小流域地理邊界、地貌類型、降雨分布、土地利用、土壤分布等,這些基礎(chǔ)資料皆集成于ArcGIS 中建立的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)中,以便于GIS 用戶訪問(wèn)、管理、存儲(chǔ)和處理。
2.3.1 產(chǎn)水模塊數(shù)據(jù)要求
產(chǎn)水模塊要求的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域的降水事件表、氣候區(qū)劃圖、流域區(qū)劃圖、降水量和蒸散量地圖集、土地利用/覆被、土壤組成、DEM、生物物理表等。 其中,降水事件定義為當(dāng)日降水量大于0.1 mm,通過(guò)逐月統(tǒng)計(jì)研究區(qū)對(duì)應(yīng)氣象站降水天數(shù)獲得;土地利用/覆被來(lái)源于遙感影像解譯,柵格數(shù)據(jù)取整數(shù)值;DEM 數(shù)據(jù)通過(guò)重采樣轉(zhuǎn)換達(dá)到分辨率統(tǒng)一;所有圖集要求為柵格數(shù)據(jù)。 全部數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一大地坐標(biāo)與投影坐標(biāo)系(Albers_Conic_Equal_Area)。
產(chǎn)水量的評(píng)估主要基于Budyko 水熱耦合平衡假設(shè)和年(月)平均降水量數(shù)據(jù)[16],基于水量平衡原理計(jì)算水源涵養(yǎng)量的公式、各項(xiàng)參數(shù),以及修正系數(shù)的解釋和獲取方法詳見(jiàn)表1。 其中,潛在蒸散量(Potential evapotranspiration, ET0)(mm)是度量大氣蒸發(fā)能力的因子,也是評(píng)估流域水源涵養(yǎng)量的重要參數(shù),其計(jì)算和準(zhǔn)確獲取均有一定難度,根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的可操作性,可采用Modified-Hargreaves 公式進(jìn)行計(jì)算[17]。 土壤有效含水量(AWCx)指植物生長(zhǎng)利用的土壤中保持和釋放的水量(mm),其值由土壤質(zhì)地和土壤有效深度決定;植物可利用水含水量(PAWC)指田間持水量和萎蔫點(diǎn)之間的差值,常用體積含水量表示(mm),這兩個(gè)參數(shù)可通過(guò)測(cè)定土壤質(zhì)地組成(% 黏土、% 沙子、% 淤泥、% 有機(jī)碳)數(shù)據(jù),由SPAW 軟件計(jì)算輸出結(jié)果。
2.3.2 SDR 模塊數(shù)據(jù)要求
SDR 模塊要求的數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)處理和獲取方法詳見(jiàn)表1。 其中,土地利用類型和土壤類型圖的數(shù)字化處理,以及土壤侵蝕模擬的重要支撐參數(shù)和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)述如下:
1)土地利用類型和土壤類型圖土地利用類型,以國(guó)土資源局土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合小流域高分辨率遙感監(jiān)測(cè)影像,參照《國(guó)家土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017),使用ArcGIS 軟件,按照土地利用類型界線進(jìn)行判讀和勾繪最小圖斑,并結(jié)合地面調(diào)查,進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。 土地利用或覆被地圖,根據(jù)研究需要進(jìn)行數(shù)字化處理,要求統(tǒng)一分辨率,數(shù)據(jù)格式為柵格數(shù)據(jù),數(shù)值必須為整數(shù)。
土壤類型圖,掃描成TIFF 格式電子地圖,轉(zhuǎn)化為矢量格式。 土壤類型圖需進(jìn)行幾何校正、手工逐點(diǎn)跟蹤,進(jìn)行數(shù)字化及土壤名稱賦值,并結(jié)合點(diǎn)地面調(diào)查實(shí)際情況進(jìn)行修正,從而得到小流域矢量格式的土壤類型圖。 同時(shí),統(tǒng)計(jì)每個(gè)土種的理化性狀和典型剖面性狀并制作成表格,分層次列出土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量、氮磷鉀全量、pH 值、陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度等主要理化性質(zhì),可根據(jù)研究?jī)?nèi)容的需要調(diào)整理化性狀參數(shù)的設(shè)計(jì)和測(cè)定。
2)土壤侵蝕的模擬采用在我國(guó)水蝕預(yù)報(bào)模型中應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕模型,該模型是在大量小區(qū)觀測(cè)和人工模擬降雨試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上,對(duì)通用土壤流失方程參數(shù)進(jìn)行修正所得[18],計(jì)算公式如下:
式中:A為土壤侵蝕模數(shù),t·hm2·a-1;R為降雨侵蝕力模數(shù),MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;K為土壤可蝕性系數(shù),t·h·MJ-1·mm-1;LS為地形因子、C為地表覆蓋與管理因子、P為水土保持措施因子,均為無(wú)量綱。
評(píng)價(jià)土壤可蝕性的兩個(gè)關(guān)鍵因子為降雨侵蝕力因子R和土壤可蝕性因子K。 其中,R是指降雨和其產(chǎn)生的徑流作用力下引起土壤侵蝕的潛在能力[19],可基于日降雨量建立的半月降雨侵蝕力模型計(jì)算;K是指單位降雨侵蝕力在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)小區(qū)造成的土壤流失量,可通過(guò)Erosion-Productivity Impact calculator(EPIC)模型計(jì)算,該模型也是在我國(guó)應(yīng)用較多的土壤可蝕性計(jì)算模型[20-21],計(jì)算方法和公式詳見(jiàn)表1。
土壤質(zhì)地和土壤深度依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)進(jìn)行布點(diǎn)、采樣和測(cè)定,主要測(cè)定土壤機(jī)械組成(%黏土、%沙子、%淤泥)和有機(jī)碳含量(%)。 其中,根據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管技術(shù)規(guī)范-生態(tài)功能評(píng)價(jià)》(HJ 1142—2020),各土壤組分的粒級(jí)范圍為砂粒(0.05 ~2 mm)、淤泥(粉砂)(0.002 ~0.05 mm)、黏土(黏粒)( <0.002 mm)。 獲取土壤機(jī)械組成數(shù)據(jù)后,利用SPAW 軟件,可以計(jì)算出田間植物持水量和植物可利用水量等參數(shù)[22]。 此外,根系限制層深度和最大根系深度可根據(jù)植被覆蓋類型實(shí)測(cè)或依據(jù)參考文獻(xiàn)進(jìn)行賦值[22-23]。
地形因子包括坡長(zhǎng)因子(L)和坡度因子(S),是影響土壤侵蝕的重要參數(shù),是指在其他條件相同的情況下,某一給定坡長(zhǎng)和坡度的坡面上,土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值[20]。InVEST 模型根據(jù)輸入的DEM 數(shù)據(jù)和匯水累積量閾值可以自動(dòng)計(jì)算出LS因子,依據(jù)的是Desmet 和Govers 提出的基于二維表面的計(jì)算方法[24],也可參考計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行提取[25]。
C因子是指在一定條件下有植被覆蓋或?qū)嵤┨镩g管理的土地土壤流失總量與相同條件下實(shí)施清耕的連續(xù)休閑土地土壤流失總量的比值,介于0 ~1 之間[26]。C因子受植被、作物種植順序、生產(chǎn)力水平、生長(zhǎng)季、栽培措施、作物殘余物管理和降雨分布等多因素影響,應(yīng)用C值時(shí)應(yīng)主要考慮植被覆蓋度,參考相關(guān)文獻(xiàn)中的C因子計(jì)算方法和賦值[27-28]。 其中,植被覆蓋度的統(tǒng)計(jì),是根據(jù)《水土保持遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL592-2012),結(jié)合遙感影像,統(tǒng)一數(shù)據(jù)分辨率,提取流域的歸一化植被指數(shù)(NDVI),確定植被全覆蓋區(qū)域NDVI 的最大值和無(wú)植被區(qū)域NDVI 的最小值,計(jì)算植被覆蓋度。
水土保持措施因子(P)是反映水土保持措施對(duì)土壤侵蝕抵抗能力和控制坡面水土流失量的因子,其值變化介于0 ~1 之間,0 值代表不發(fā)生侵蝕的地區(qū),1 代表未采取任何水土保持措施的地區(qū)[21]。 可以參照USLE 手冊(cè),結(jié)合全國(guó)第一次水利普查調(diào)查經(jīng)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)不同坡度和地貌類型,分別對(duì)于不同土地利用類型(耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地)等系列進(jìn)行P值賦值。
表2 InVEST 模型主要輸入變量和參數(shù)的獲取
3 結(jié)論和展望
本文介紹了水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)的方法,比較了不同分布式水文模型的功能特征、適用范圍和優(yōu)勢(shì)不足等,選取InVEST 模型作為評(píng)價(jià)灤河支流示范小流域水源涵養(yǎng)功能的優(yōu)先項(xiàng),系統(tǒng)闡述了基于InVEST模型的產(chǎn)水模塊和泥沙輸送比模塊評(píng)價(jià)流域水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能的空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)包要求、數(shù)據(jù)獲取及處理方法。 InVEST 模型的生態(tài)服務(wù)功能適用于評(píng)價(jià)流域內(nèi)不同時(shí)空單元的水土流失情況、土壤侵蝕程度和水資源質(zhì)量,可為開(kāi)展流域水源涵養(yǎng)功能提升和水土資源保護(hù)規(guī)劃提供重要的理論支持。
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馬 麗
(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 化學(xué)工程系,河北 承德 067000)
小流域(Watershed)是一類封閉的地形單元和水文單元,通常是指二、三級(jí)支流以下,集水面積在50 km2以下的相對(duì)獨(dú)立和封閉的自然匯水區(qū)域,包括溪流(溝道)或河川排泄至下游河道斷面上的全部徑流區(qū)域[1]。 小流域經(jīng)常作為水土保持規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的基本單元,在小流域管理中,涉及土壤、大氣、地貌、植被及人類活動(dòng)等多種因素,其信息具有明顯的時(shí)空特征,采用系統(tǒng)和高效的數(shù)據(jù)采集、分析和管理方法,建設(shè)“數(shù)字流域”,將有助于小流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的充分發(fā)揮[2]。 水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統(tǒng)保持水分的過(guò)程與能力,主要包括水循環(huán)過(guò)程中的降水在生態(tài)系統(tǒng)中被攔截、儲(chǔ)存,并在一定時(shí)空范圍內(nèi)發(fā)揮復(fù)雜的動(dòng)態(tài)功能;水源涵養(yǎng)功能受氣候、地形、植被、土壤等多個(gè)因素綜合影響[3-4]。 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水源涵養(yǎng)的研究多以單一生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象,探討其水源涵養(yǎng)價(jià)值,尤其在森林涵養(yǎng)水源方面積累了相對(duì)豐富的資料[5-6]。 國(guó)外學(xué)者則側(cè)重于水文過(guò)程及不同生態(tài)系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)特性對(duì)水文通量影響的研究[7-8]。 目前,由于流域生態(tài)系統(tǒng)存在時(shí)空分異,還不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)其所有水文過(guò)程機(jī)理的深入認(rèn)識(shí),水源涵養(yǎng)功能的研究尚存很多不足。 承德作為京津冀水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū),承擔(dān)著為京津冀城市群“阻沙源、涵水源、保障生態(tài)安全”的重任;堅(jiān)守“水清”底線,找出不足,對(duì)癥治理,將有利于更好地構(gòu)建京津冀生態(tài)屏障和推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展。 因此,對(duì)承德重點(diǎn)流域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)于保護(hù)流域水資源和提升其生態(tài)服務(wù)功能,實(shí)施“十四五規(guī)劃”,建設(shè)一流生態(tài)環(huán)境,具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義。 本文通過(guò)研究和比較適用于流域水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)的方法和模型,以承德水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)灤河支流示范小流域?yàn)槔?系統(tǒng)闡述了InVEST 模型評(píng)價(jià)小流域水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能的空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),及其數(shù)據(jù)獲取和處理方法,為科學(xué)規(guī)劃生態(tài)保護(hù)和治理措施,建設(shè)和管理小流域,以期更好地發(fā)揮其生態(tài)環(huán)境效益提供理論依據(jù)。
1 水源涵養(yǎng)功能及其評(píng)價(jià)
1.1 水源涵養(yǎng)功能概述
目前,國(guó)內(nèi)對(duì)水源涵養(yǎng)功能涵義的主流觀點(diǎn)有兩種,其一,認(rèn)為水源涵養(yǎng)功能的主要承擔(dān)者是森林系統(tǒng),森林的林冠層、枯枝落葉層和地下土壤層在攔截、吸收、蓄積降水過(guò)程中表現(xiàn)出涵養(yǎng)效力,對(duì)降水的蓄積和分配發(fā)揮了重要作用[9]。 其二,將水源涵養(yǎng)功能的研究對(duì)象拓寬至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng),主要包括攔蓄降水、調(diào)節(jié)河川流量、影響雨量、凈化水質(zhì)等[4]。
水源涵養(yǎng)功能的評(píng)價(jià)形式分為水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)能力,其中,水源涵養(yǎng)量是評(píng)估水源涵養(yǎng)功能的通用指標(biāo)。 水源涵養(yǎng)量主要表征生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際持留水量,其與區(qū)域降水量、氣候條件、地理環(huán)境等因素有關(guān)。 水源涵養(yǎng)量具有實(shí)際的物理意義,可以精準(zhǔn)計(jì)算出量值,應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估、水循環(huán)模擬、影響因素識(shí)別、氣候變化響應(yīng)等領(lǐng)域。
水源涵養(yǎng)能力重在表征相對(duì)變化,突出了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水源涵養(yǎng)的影響。 水源涵養(yǎng)能力的評(píng)價(jià)主要有兩種方式,其一,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)其服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估,包含了水源涵養(yǎng)功能,通常假定每公頃生境具有同等的涵養(yǎng)價(jià)值,忽略其空間結(jié)構(gòu)、生境質(zhì)量和稀有性等特征,其可信度有很大局限性;其二,通過(guò)模擬區(qū)域(例如:一個(gè)小流域或一片涵養(yǎng)林)的水源涵養(yǎng)服務(wù),結(jié)合長(zhǎng)期野外監(jiān)測(cè)和空間建模,將小尺度的實(shí)地研究和大尺度的模型模擬結(jié)合起來(lái),構(gòu)建評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能及其生態(tài)服務(wù)的評(píng)價(jià)。
1.2 水源涵養(yǎng)功能的評(píng)估方法
國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的常用方法有水量平衡法、林冠截留量法、蓄水能力法和降水貯存法等[10]。 其中,水量平衡法適用于所有尺度,主要作用于土壤層,其計(jì)算結(jié)果可信,但是,蒸散量計(jì)算難度大。 其他方法在理論上均存在不足,例如:林冠截留量法和土壤蓄水能力法僅將土壤作為蓄水載體,未考慮蒸散量耗水,使估算結(jié)果偏高;降水儲(chǔ)存法綜合考慮了林冠層、枯落物層及土壤層,但是,需要長(zhǎng)期可靠的觀測(cè),數(shù)據(jù)較難獲得;而綜合蓄水能力法僅考慮攔截蓄水作用,適用區(qū)域有限,其結(jié)果是理論最大值,不具有動(dòng)態(tài)變化特征,不能代表實(shí)際蓄水量。
水量平衡法是將流域生態(tài)系統(tǒng)視為一個(gè)封閉系統(tǒng),以一定時(shí)空尺度下系統(tǒng)蓄水量的輸入和輸出為端點(diǎn),降水量與蒸散量及其他消耗量(例如:深層滲漏量)之差為水源涵養(yǎng)量。 降水是區(qū)域水資源的主要來(lái)源,也是影響水源涵養(yǎng)量的重要因素,為了消除降水變化對(duì)水源涵養(yǎng)能力的影響,通常采用水源涵養(yǎng)量與降水量的比值,作為水源涵養(yǎng)能力的表征指標(biāo)[11]。 水源涵養(yǎng)的表征方程為:
式中:WS為水源涵養(yǎng)量,mm;P為降水量,mm;ET為實(shí)際蒸散量,mm;R為其他消耗量,mm;IWS為水源涵養(yǎng)指數(shù)。
隨著空間分析技術(shù)在區(qū)域規(guī)劃和管理中的應(yīng)用和發(fā)展,以水源涵養(yǎng)功能和其生態(tài)服務(wù)價(jià)值為切入點(diǎn),通過(guò)提取和集成流域面積、降水量、地貌類型、覆蓋因子、土壤質(zhì)地、河網(wǎng)分布、人口數(shù)量等因素可以進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能重要性的評(píng)價(jià);同時(shí),綜合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)繪圖表達(dá),可以直觀描繪區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的差異。
1.3 水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)模型
目前,學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成普遍接受的水源涵養(yǎng)功能的評(píng)估體系。 隨著GIS 技術(shù)、遙感技術(shù)、信息和通訊技術(shù)的發(fā)展,獲取和描述流域下墊面空間分布信息的技術(shù)日漸完善,流域分布式水文模型也得以不斷發(fā)展。 分布式水文模型的一個(gè)顯著特點(diǎn)是同數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)結(jié)合,這種基于DEM 的分布式水文模型也被稱作數(shù)字水文模型,模型以流域面上分散的水文參數(shù)和變量來(lái)描述流域水文時(shí)空變化的特征。 國(guó)際上常用的分布式水文水質(zhì)模型有Soil and Water Assessment Tool(SWAT)、Agricultural Non-Point Source(AGNPS)、Area Non-Point Source Watershed Environment Resource Simulation(ANSWERS)等[12-15];InVEST 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評(píng)估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)是美國(guó)自然資本項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的、用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的一套系統(tǒng),工具中包括一系列涵蓋廣泛生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的模型,其中,產(chǎn)水模塊可量化不同流域或次流域的相對(duì)產(chǎn)水量,并對(duì)土地利用變遷或氣候變化等驅(qū)動(dòng)因素的模擬變化表現(xiàn)敏感。
2 InVEST 評(píng)價(jià)小流域水源涵養(yǎng)功能的空間數(shù)據(jù)庫(kù)
2.1 灤河小流域環(huán)境現(xiàn)狀
灤河是承德市水源涵養(yǎng)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)及國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)防護(hù)區(qū)內(nèi)的主要水系,全長(zhǎng)885 km,流域面積5 111.38 km2,占保護(hù)區(qū)總面積的63.94%。 2019 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,灤河流域總體水質(zhì)狀況為優(yōu)。 水土流失和土地沙化依然是灤河流域的主要生態(tài)問(wèn)題,集中分布在灤河上游及西北部、伊遜河、蟻螞吐河等支流流域。 其中,圍場(chǎng)縣壩上及冀北山地森林生態(tài)系統(tǒng)位于伊遜河上游,具有極其重要的水源涵養(yǎng)功能,同時(shí)具備荒漠化控制和水資源保護(hù)的生態(tài)敏感性,主要生態(tài)問(wèn)題是農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致水土流失及荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重,污水排放及農(nóng)藥化肥的過(guò)量施用。 豐寧壩上地區(qū)是灤河發(fā)源地,生態(tài)區(qū)位極其重要,但是存在土壤侵蝕、土地沙化、草場(chǎng)退化、荒漠化嚴(yán)重等生態(tài)問(wèn)題,其草原生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務(wù)功能退化脆弱。 目前,保護(hù)區(qū)已經(jīng)實(shí)施以小流域?yàn)閱卧乃帘３志C合治理工程,選用適合保護(hù)區(qū)自然條件的水土保持治理模式,重點(diǎn)治理水土流失,改善和預(yù)防水環(huán)境污染等多個(gè)層面來(lái)提高流域內(nèi)的水源涵養(yǎng)功能。
2.2 小流域自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境數(shù)據(jù)收集
灤河流域涉及區(qū)縣級(jí)及以下的行政單元非常多,其支流分屬不同的環(huán)境經(jīng)濟(jì)功能區(qū),時(shí)空單元尺度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致水文和水源涵養(yǎng)的過(guò)程分析失去精準(zhǔn)度,因此,采取以小流域?yàn)閱卧?研究其水源涵養(yǎng)功能重要性及其影響因素更具可行性。
小流域自然環(huán)境資料的收集,主要包括流域地理位置、地質(zhì)地貌、氣候水文、土地利用類型、覆被狀況等。 其中,氣候水文資料主要收集降水量、日照時(shí)數(shù)、氣溫、自然災(zāi)害、河段總長(zhǎng)、集水面積、洪水流量、枯水流量、年平均流量等。 土地利用類型包括土壤質(zhì)地、最大土壤深度、根系限制層深度、坡長(zhǎng)和坡度等。 生態(tài)環(huán)境特征及防治情況需要統(tǒng)計(jì)流域完成治理的水土流失面積、坡改梯改造坡耕地面積、種植經(jīng)濟(jì)果林和營(yíng)造水保林情況、封禁措施治理、蓄水池?cái)?shù)量、沉砂池?cái)?shù)量、排水溝長(zhǎng)度、建田間道路、高效節(jié)水和飲水灌溉面積等。
小流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況資料的收集,主要采用問(wèn)卷調(diào)查和地面調(diào)查相結(jié)合的方式,針對(duì)典型村屯、農(nóng)戶抽樣調(diào)查,結(jié)合縣級(jí)的統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行對(duì)比,獲取流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的基本情況;涉及研究流域范圍內(nèi)的行政區(qū)劃、自然村鎮(zhèn)數(shù)量、總?cè)丝诿芏?、勞?dòng)力數(shù)量、城鎮(zhèn)人口數(shù)、農(nóng)業(yè)人口數(shù)、近3 ~5 年內(nèi)的城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值、城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、畜牧業(yè)產(chǎn)值、副業(yè)產(chǎn)值等。
2.3 空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及要求
基于InVEST 模型的產(chǎn)水模塊(Water Yield)和泥沙輸送比模塊(Sediment Delivery Ratio, SDR),評(píng)價(jià)示范小流域的水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能,空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如圖1 所示。
InVEST 模型產(chǎn)水模塊是基于水量平衡原理計(jì)算產(chǎn)水量,模型運(yùn)行基于柵格地圖,在像素尺度上,綜合考慮氣象、地形、土地利用、土壤類型等多個(gè)因素,計(jì)算月徑流量、全年快速?gòu)搅髁?、潛在基流、?shí)際基流等,以每個(gè)像素對(duì)實(shí)際產(chǎn)流的貢獻(xiàn)作為涵養(yǎng)量,從而得到區(qū)域的水源涵養(yǎng)情況[16]。
InVEST 模型SDR 模塊可評(píng)價(jià)流域的土壤侵蝕情況和水土保持功能,通常以劃分的坡面單元為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫(kù),主要集成小流域的空間關(guān)系數(shù)據(jù)、圖形圖像數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)三大類,將收集到的文字、圖片、表格等資料實(shí)現(xiàn)一體化和可視化管理。 空間數(shù)據(jù)主要包括SDR 模塊與水源涵養(yǎng)功能相關(guān)的小流域地理邊界、地貌類型、降雨分布、土地利用、土壤分布等,這些基礎(chǔ)資料皆集成于ArcGIS 中建立的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)中,以便于GIS 用戶訪問(wèn)、管理、存儲(chǔ)和處理。
2.3.1 產(chǎn)水模塊數(shù)據(jù)要求
產(chǎn)水模塊要求的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域的降水事件表、氣候區(qū)劃圖、流域區(qū)劃圖、降水量和蒸散量地圖集、土地利用/覆被、土壤組成、DEM、生物物理表等。 其中,降水事件定義為當(dāng)日降水量大于0.1 mm,通過(guò)逐月統(tǒng)計(jì)研究區(qū)對(duì)應(yīng)氣象站降水天數(shù)獲得;土地利用/覆被來(lái)源于遙感影像解譯,柵格數(shù)據(jù)取整數(shù)值;DEM 數(shù)據(jù)通過(guò)重采樣轉(zhuǎn)換達(dá)到分辨率統(tǒng)一;所有圖集要求為柵格數(shù)據(jù)。 全部數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一大地坐標(biāo)與投影坐標(biāo)系(Albers_Conic_Equal_Area)。
產(chǎn)水量的評(píng)估主要基于Budyko 水熱耦合平衡假設(shè)和年(月)平均降水量數(shù)據(jù)[16],基于水量平衡原理計(jì)算水源涵養(yǎng)量的公式、各項(xiàng)參數(shù),以及修正系數(shù)的解釋和獲取方法詳見(jiàn)表1。 其中,潛在蒸散量(Potential evapotranspiration, ET0)(mm)是度量大氣蒸發(fā)能力的因子,也是評(píng)估流域水源涵養(yǎng)量的重要參數(shù),其計(jì)算和準(zhǔn)確獲取均有一定難度,根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的可操作性,可采用Modified-Hargreaves 公式進(jìn)行計(jì)算[17]。 土壤有效含水量(AWCx)指植物生長(zhǎng)利用的土壤中保持和釋放的水量(mm),其值由土壤質(zhì)地和土壤有效深度決定;植物可利用水含水量(PAWC)指田間持水量和萎蔫點(diǎn)之間的差值,常用體積含水量表示(mm),這兩個(gè)參數(shù)可通過(guò)測(cè)定土壤質(zhì)地組成(% 黏土、% 沙子、% 淤泥、% 有機(jī)碳)數(shù)據(jù),由SPAW 軟件計(jì)算輸出結(jié)果。
2.3.2 SDR 模塊數(shù)據(jù)要求
SDR 模塊要求的數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)處理和獲取方法詳見(jiàn)表1。 其中,土地利用類型和土壤類型圖的數(shù)字化處理,以及土壤侵蝕模擬的重要支撐參數(shù)和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)述如下:
1)土地利用類型和土壤類型圖土地利用類型,以國(guó)土資源局土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合小流域高分辨率遙感監(jiān)測(cè)影像,參照《國(guó)家土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017),使用ArcGIS 軟件,按照土地利用類型界線進(jìn)行判讀和勾繪最小圖斑,并結(jié)合地面調(diào)查,進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。 土地利用或覆被地圖,根據(jù)研究需要進(jìn)行數(shù)字化處理,要求統(tǒng)一分辨率,數(shù)據(jù)格式為柵格數(shù)據(jù),數(shù)值必須為整數(shù)。
土壤類型圖,掃描成TIFF 格式電子地圖,轉(zhuǎn)化為矢量格式。 土壤類型圖需進(jìn)行幾何校正、手工逐點(diǎn)跟蹤,進(jìn)行數(shù)字化及土壤名稱賦值,并結(jié)合點(diǎn)地面調(diào)查實(shí)際情況進(jìn)行修正,從而得到小流域矢量格式的土壤類型圖。 同時(shí),統(tǒng)計(jì)每個(gè)土種的理化性狀和典型剖面性狀并制作成表格,分層次列出土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量、氮磷鉀全量、pH 值、陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度等主要理化性質(zhì),可根據(jù)研究?jī)?nèi)容的需要調(diào)整理化性狀參數(shù)的設(shè)計(jì)和測(cè)定。
2)土壤侵蝕的模擬采用在我國(guó)水蝕預(yù)報(bào)模型中應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕模型,該模型是在大量小區(qū)觀測(cè)和人工模擬降雨試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上,對(duì)通用土壤流失方程參數(shù)進(jìn)行修正所得[18],計(jì)算公式如下:
式中:A為土壤侵蝕模數(shù),t·hm2·a-1;R為降雨侵蝕力模數(shù),MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;K為土壤可蝕性系數(shù),t·h·MJ-1·mm-1;LS為地形因子、C為地表覆蓋與管理因子、P為水土保持措施因子,均為無(wú)量綱。
評(píng)價(jià)土壤可蝕性的兩個(gè)關(guān)鍵因子為降雨侵蝕力因子R和土壤可蝕性因子K。 其中,R是指降雨和其產(chǎn)生的徑流作用力下引起土壤侵蝕的潛在能力[19],可基于日降雨量建立的半月降雨侵蝕力模型計(jì)算;K是指單位降雨侵蝕力在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)小區(qū)造成的土壤流失量,可通過(guò)Erosion-Productivity Impact calculator(EPIC)模型計(jì)算,該模型也是在我國(guó)應(yīng)用較多的土壤可蝕性計(jì)算模型[20-21],計(jì)算方法和公式詳見(jiàn)表1。
土壤質(zhì)地和土壤深度依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)進(jìn)行布點(diǎn)、采樣和測(cè)定,主要測(cè)定土壤機(jī)械組成(%黏土、%沙子、%淤泥)和有機(jī)碳含量(%)。 其中,根據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管技術(shù)規(guī)范-生態(tài)功能評(píng)價(jià)》(HJ 1142—2020),各土壤組分的粒級(jí)范圍為砂粒(0.05 ~2 mm)、淤泥(粉砂)(0.002 ~0.05 mm)、黏土(黏粒)( <0.002 mm)。 獲取土壤機(jī)械組成數(shù)據(jù)后,利用SPAW 軟件,可以計(jì)算出田間植物持水量和植物可利用水量等參數(shù)[22]。 此外,根系限制層深度和最大根系深度可根據(jù)植被覆蓋類型實(shí)測(cè)或依據(jù)參考文獻(xiàn)進(jìn)行賦值[22-23]。
地形因子包括坡長(zhǎng)因子(L)和坡度因子(S),是影響土壤侵蝕的重要參數(shù),是指在其他條件相同的情況下,某一給定坡長(zhǎng)和坡度的坡面上,土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值[20]。InVEST 模型根據(jù)輸入的DEM 數(shù)據(jù)和匯水累積量閾值可以自動(dòng)計(jì)算出LS因子,依據(jù)的是Desmet 和Govers 提出的基于二維表面的計(jì)算方法[24],也可參考計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行提取[25]。
C因子是指在一定條件下有植被覆蓋或?qū)嵤┨镩g管理的土地土壤流失總量與相同條件下實(shí)施清耕的連續(xù)休閑土地土壤流失總量的比值,介于0 ~1 之間[26]。C因子受植被、作物種植順序、生產(chǎn)力水平、生長(zhǎng)季、栽培措施、作物殘余物管理和降雨分布等多因素影響,應(yīng)用C值時(shí)應(yīng)主要考慮植被覆蓋度,參考相關(guān)文獻(xiàn)中的C因子計(jì)算方法和賦值[27-28]。 其中,植被覆蓋度的統(tǒng)計(jì),是根據(jù)《水土保持遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL592-2012),結(jié)合遙感影像,統(tǒng)一數(shù)據(jù)分辨率,提取流域的歸一化植被指數(shù)(NDVI),確定植被全覆蓋區(qū)域NDVI 的最大值和無(wú)植被區(qū)域NDVI 的最小值,計(jì)算植被覆蓋度。
水土保持措施因子(P)是反映水土保持措施對(duì)土壤侵蝕抵抗能力和控制坡面水土流失量的因子,其值變化介于0 ~1 之間,0 值代表不發(fā)生侵蝕的地區(qū),1 代表未采取任何水土保持措施的地區(qū)[21]。 可以參照USLE 手冊(cè),結(jié)合全國(guó)第一次水利普查調(diào)查經(jīng)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)不同坡度和地貌類型,分別對(duì)于不同土地利用類型(耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地)等系列進(jìn)行P值賦值。
表2 InVEST 模型主要輸入變量和參數(shù)的獲取
3 結(jié)論和展望
本文介紹了水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)的方法,比較了不同分布式水文模型的功能特征、適用范圍和優(yōu)勢(shì)不足等,選取InVEST 模型作為評(píng)價(jià)灤河支流示范小流域水源涵養(yǎng)功能的優(yōu)先項(xiàng),系統(tǒng)闡述了基于InVEST模型的產(chǎn)水模塊和泥沙輸送比模塊評(píng)價(jià)流域水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能的空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)包要求、數(shù)據(jù)獲取及處理方法。 InVEST 模型的生態(tài)服務(wù)功能適用于評(píng)價(jià)流域內(nèi)不同時(shí)空單元的水土流失情況、土壤侵蝕程度和水資源質(zhì)量,可為開(kāi)展流域水源涵養(yǎng)功能提升和水土資源保護(hù)規(guī)劃提供重要的理論支持。
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