劉樹鋒， 陳記臣， 關(guān)帥*， 崔靜思

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣州 510635； 2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 廣州 510635；3.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室， 廣州 510635)

水源涵養(yǎng)作為生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)功能之一，是對降水進(jìn)行再分配的復(fù)雜過程[1]。水源涵養(yǎng)功能是流域服務(wù)功能的重要組成部分，中外學(xué)者對水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了較多相關(guān)研究[2-3]。水源涵養(yǎng)功能評價方法主要有產(chǎn)流模型法[4]、層次分析法[5]、影子價格法[6]和效益評價法[7]等，但均對于水源涵養(yǎng)功能空間分布表現(xiàn)不夠直觀。近年來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs, InVEST)模型[8]被廣泛地應(yīng)用于水源涵養(yǎng)功能的研究。潘韜等[9]基于InVEST模型定量估算了1980—2005年三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水源供給量，表明氣候變化和土地利用導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)退化及下墊面改變可能是三江源區(qū)水源供給量下降的主要驅(qū)動力；包玉斌等[10]基于InVEST水源涵養(yǎng)功能評價模塊定量評價了黃土高原在退耕還林還草工程背景下土地利用/覆被變化對研究區(qū)水源涵養(yǎng)的影響，說明了退耕還林還草帶來生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的同時使區(qū)域的水源涵養(yǎng)量有所減少；吳娜等[11]采用InVEST模型核算了渭河流域水源涵養(yǎng)量，表明退耕還林等人來活動導(dǎo)致的土地利用變化會改變區(qū)域的水源涵養(yǎng)量；研究表明，InVEST模型在許多研究區(qū)均取得了較好的應(yīng)用效果，是量化評估水源涵養(yǎng)量的有效工具。人類活動的影響使得生態(tài)環(huán)境受到干擾，對其因土地利用變化所引起的生態(tài)系統(tǒng)價值響應(yīng)研究顯得尤為迫切[12-13]。水源涵養(yǎng)量是分析水源涵養(yǎng)特征的重要基礎(chǔ)，是反映一個區(qū)域水源涵養(yǎng)狀況的絕對指標(biāo)，但由于不同區(qū)域氣候條件及水源涵養(yǎng)量有所差異，一般的絕對指標(biāo)難以反映區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力[1]。因此，本研究以韶關(guān)市乳源瑤族自治縣的楊溪河流域為研究對象，利用InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊(Water Yield)對該流域不同年份的土地利用數(shù)據(jù)資料進(jìn)行水源涵養(yǎng)量分析，并對其水源涵養(yǎng)服務(wù)價值進(jìn)行量化評估，以期為中國南方地區(qū)中小流域的開發(fā)利用和保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況

楊溪河發(fā)源于廣東省乳源瑤族自治縣西北部五指山老鵬頂，屬于珠江流域北江水系上游武江的一級支流?？偭饔蛎娣e為498 km2，河流全長64 km，河道平均坡降10.9%。流域的多年平均降雨量是1 700 mm，降雨量年內(nèi)分布不均勻，汛期(4—9月)降雨量占全年降雨量的71%，非汛期(10—次年3月)降雨量占全年降雨量的29%。

2 研究方法

2.1 InVEST模型

InVEST模型是在柵格圖層上運行的，其水源涵養(yǎng)模塊(Water Yield)以水量平衡原理為基礎(chǔ)，根據(jù)降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、根系深度和土壤深度等參數(shù)，以計算區(qū)域的產(chǎn)水量[10]。計算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Yxj為第j種土地利用類型柵格x的年產(chǎn)水量；AET，xj為第j種土地利用類型柵格x的年實際蒸散發(fā)量；Px為柵格x的年降雨量；ωx為自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù)；Rxj為Budyko干燥指數(shù)；Z為Zhang系數(shù)，也稱為季節(jié)性因子，表示區(qū)域降雨分布及其他水文地質(zhì)特征；AWC，x為柵格x的年平均植物可利用含水量，由土壤深度和理化性質(zhì)決定；Kxj為第j種土地利用類型柵格x的植被蒸散發(fā)系數(shù)；ET0為年平均參考作物蒸散發(fā)量。

2.2 水源涵養(yǎng)服務(wù)價值評估

水源涵養(yǎng)服務(wù)價值指植被蓄滯吸收降水以及土壤儲水，不斷儲存水源，維持河流流量的價值[11]。本研究選取影子價格法[6,14]，通過水庫的建設(shè)成本具體量化水源涵養(yǎng)量的經(jīng)濟價值，其計算公式為

E=αV

(5)

式(5)中：E為水源涵養(yǎng)服務(wù)價值，元/a；α為單位庫容造價，元/m3，《林業(yè)生態(tài)工程生態(tài)效益評價技術(shù)規(guī)程》(DB11/T 1099—2014)根據(jù)1993—1999年《中國水利年鑒》平均水庫庫容造價為2.17元/m3，2005年價格指數(shù)為2.816，得到α為6.110 7元/m3，本研究α取6.110 7元/m3；V為水源涵養(yǎng)總量，m3/a。

2.3 模型參數(shù)確定

為提高模型的適用性，對相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)作了區(qū)域處理。地形數(shù)據(jù)取自航天飛機雷達(dá)地形測繪數(shù)據(jù)(shuttle radar topography mission, SRTM)，分辨率為30 m；Px和AET，xj等氣候數(shù)據(jù)根據(jù)《廣東省水文圖集》獲得多年平均值，并進(jìn)行克里金插值，生成30 m分辨率的柵格圖；土壤數(shù)據(jù)取自世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)南京土壤所1∶1 000 000土壤資料；土地利用數(shù)據(jù)是中國1995年、2005年和2015年的1∶1 000 000土地利用資料；年平均植物可利用含水量AWC,x等模型參數(shù)參考周文佐[15]的研究結(jié)果，利用SPAW Hydrology模型中的Open Soil Water Characteristics進(jìn)行計算獲得。

3 結(jié)果與討論

3.1 土地利用類型分析

中國土地利用分類體系一般將土地利用類型分為一級和二級2個層次。采用一級分類標(biāo)準(zhǔn)，共有耕地、林地、草地、水域和居民用地5個一級類。楊溪河流域內(nèi)1995年、2005年和2015年的土地利用類型具體分布情況如圖1所示，各年份土地利用類型統(tǒng)計情況如表1所示。根據(jù)圖1和表1可知，1995—2015年，楊溪河流域內(nèi)耕地和林地面積逐漸減少，草地面積先增加后略微減少，水域和居民用地面積逐漸增加。楊溪河流域2005年的土地利用情況與1995年有較大變化，而2005年和2015年這兩年的土地利用情況較為接近。

圖1 楊溪河流域不同年份的土地利用類型分布Fig.1 Land use types distribution in different years in Yangxi River Basin

表1 楊溪河流域不同年份的土地利用類型統(tǒng)計Table 1 Land use types statistics in different years in Yangxi River Basin

3.2 產(chǎn)水量分析

以InVEST模型為平臺，評價楊溪河流域的水源涵養(yǎng)功能，再通過ArcGIS平臺，分析處理了楊溪河流域水源涵養(yǎng)的空間分布和產(chǎn)水量情況。本研究分別以楊溪河干流上橫溪、釣魚臺和銀溪3宗水電站的壩址斷面為流域出口，繪制各斷面的集雨范圍，將楊溪河流域劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個區(qū)域。圖2為楊溪河流域在1995年、2005年和2015年土地利用情況下的產(chǎn)水量，產(chǎn)水量數(shù)值越大表示水源涵養(yǎng)功能越好。根據(jù)InVEST模型的模擬結(jié)果，楊溪河流域在1995年、2005年和2015年的產(chǎn)水量分別為774.31、704.66、708.11 mm。

InVEST模型水源涵養(yǎng)模塊在研究區(qū)域水源涵養(yǎng)功能上具有一定的可行性和可信度[16]。根據(jù)楊溪河流域內(nèi)1995年、2005年和2015年的不同土地利用類型面積，計算得到各年份不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量，如表2所示。根據(jù)表2可知，楊溪河流域在1995年的水源涵養(yǎng)量最大，為38 560.64×104m3；其次為2015年，其水源涵養(yǎng)量為35 263.88×104m3；最小的為2005年，其水源涵養(yǎng)量為35 092.07×104m3。楊溪河流域1995年各土地利用類型的水源涵養(yǎng)量大小情況為：林地>耕地>草地>居民用地>水域，2005年和2015年各土地利用類型的水源涵養(yǎng)量大小情況均為：林地>草地>耕地>水域>居民用地。

表2 楊溪河流域不同土地利用類型水源涵養(yǎng)量Table 2 Water conservation quantities of different land use types in Yangxi River Basin

圖2 楊溪河流域不同年份的產(chǎn)水量分布Fig.2 Spatial distributions of water yield in different years in Yangxi River Basin

楊溪河流域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個區(qū)域的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量情況如表3所示。根據(jù)表3可知，楊溪河流域1995年、2005年和2015年各區(qū)的產(chǎn)水量大小情況均為：Ⅳ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)。楊溪河流域上游和下游(即Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū))的產(chǎn)水量較高，主要原因是該流域上游和下游的林地和耕地面積占比相對較大，有利于水源涵養(yǎng)。

3.3 水源涵養(yǎng)服務(wù)價值

楊溪河流域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個區(qū)域在1995年、2005年和2015年的水源涵養(yǎng)服務(wù)價值如表4所示?？梢钥闯觯瑮钕恿饔蛟?995年、2005年和2015年的水源涵養(yǎng)服務(wù)價值分別為23.56億元/a、21.44億元/a和21.55億元/a；該流域在1995年、2005年和2015年各區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價值大小情況均為：Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅲ區(qū)。

3.4 討論

土地利用類型等下墊面的變化，影響了楊溪河流域的水源供給。流域的下墊面條件的變化，會影響流域下滲、蒸散發(fā)、徑流等水文過程的特征。

楊溪河流域內(nèi)土地利用變化的主要因素是人類活動，流域內(nèi)社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增加不斷侵占耕地和林地，居民用地增加的同時亦導(dǎo)致耕地和林地面積的減少，同時楊溪河流域內(nèi)橫溪、釣魚臺和銀溪水電站等水利工程的建立使得流域內(nèi)水域面積亦有所增加[17-19]。由圖2和表2可知，楊溪河流域內(nèi)1995年的水源涵養(yǎng)量比2005年和2015年大。主要原因是楊溪河流域內(nèi)1995年的林地面積比2005年和2015年大，而1995年的居民用地面積比2005年和2015年小(圖1、表1)。李曦彤等[20]和陳駿宇等[21]的研究表明，林地的土壤蓄水能力較強，可有效蓄滲降雨，具有較強的水源涵養(yǎng)功能；而居民用地使下墊面硬質(zhì)化，造成蓄滲降雨的能力減弱，其水源涵養(yǎng)功能較弱。

表3 楊溪河流域各區(qū)的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量統(tǒng)計Table 3 Water yields and water conservation quantities of each district in Yangxi River Basin

表4 楊溪河流域各區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價值Table 4 Service value of water conservation of each district in Yangxi River Basin

因此，為了維持楊溪河流域較強的水源涵養(yǎng)功能，一方面，相關(guān)部門需要加強對林地的保護(hù)，嚴(yán)禁毀林開荒等行為，另一方面則需要嚴(yán)格控制建設(shè)用地的擴張速度和規(guī)模，并對居民用地中的下墊面使用透水鋪裝等方式增大降雨量的下滲。

4 結(jié)論

利用InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊(Water Yield)，對楊溪河流域1995年、2005年和2015年的不同土地利用情況進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能評價。得出如下主要結(jié)論。

(1)楊溪河流域在1995年的水源涵養(yǎng)量最大，為38 560.64×104m3；其次為2015年，其水源涵養(yǎng)量為35 263.88×104m3；最小的為2005年，其水源涵養(yǎng)量為35 092.07×104m3。楊溪河流域內(nèi)林地面積的減少和居民用地面積的增加，導(dǎo)致其對降雨的蓄滲能力降低，是該流域2005年和2015年的水源涵養(yǎng)量比1995年小的主要原因。

(2)楊溪河流域1995年、2005年和2015年各區(qū)的產(chǎn)水量大小情況均為：Ⅳ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)，上游和下游的產(chǎn)水量較高。主要原因是該流域上游和下游的林地和耕地的占比相對較大，有利于水源涵養(yǎng)。

(3)楊溪河流域在1995年、2005年和2015年的水源涵養(yǎng)服務(wù)價值分別為23.56億元/a、21.44億元/a和21.55億元/a，該流域在不同年份各區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價值大小情況均為：Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅲ區(qū)。

林地對于流域的水源涵養(yǎng)、生態(tài)安全和可持續(xù)開發(fā)具有重要作用，為了維持楊溪河流域等中國南方中小流域較強的水源涵養(yǎng)功能，一方面需要加強對林地的保護(hù)，另一方面則需要嚴(yán)格控制建設(shè)用地的擴張。