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)國家重點實驗室，蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，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世紀以來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究逐漸成為生態(tài)、經(jīng)濟、地理等學(xué)科綜合研究的熱點。隨著專家學(xué)者們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的深入，研究內(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)在機制，認為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是維系人類生存生活的環(huán)境條件，強調(diào)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究。隨著千年生態(tài)系統(tǒng)評估(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)空間流動的研究，并在生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)的基礎(chǔ)上融入了地理學(xué)知識，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(產(chǎn)生、空間路徑及使用)的全過程進行研究。

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)。該功能對整個流域的生態(tài)系統(tǒng)和水資源產(chǎn)生影響。研究我國水供給服務(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過程，深入探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對人類福利產(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世紀對森林生態(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值研究為主，而供給研究是空間流動研究的基礎(chǔ)。

從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)基于水供給服務(wù)的過程進行研究。已有研究者通過觀測野外試驗和小流域?qū)Ρ仍囼瀬硖接懮鷳B(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。德國學(xué)者Ebmager等在巴伐利亞地區(qū)觀測林區(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)上精進模型，此后出現(xiàn)了眾多計算枯落物持水量、土壤蓄水量和森林蒸散發(fā)的經(jīng)驗公式。Robinson等在瑞士山區(qū)布置了2個集水區(qū)對比試驗，深入研究了植被對集水區(qū)徑流量的影響；姜志林和王紹忠通過田間試驗探究影響因素，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)在機制，忽略了人類需求。

從經(jīng)濟學(xué)角度出發(fā)開展水供給服務(wù)經(jīng)濟價值評價的研究。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)合國前秘書長安南呼吁2001—2005年間組織開展了全球千年生態(tài)系統(tǒng)評估對全球生態(tài)系統(tǒng)狀況進行評估，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世紀學(xué)者們運用最廣泛的經(jīng)濟評價和功能分類框架體系。后來的學(xué)者在此基礎(chǔ)上評估了生態(tài)系統(tǒng)的價值，核算方法主要有4種：(1)歐陽志云等運用生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值GEP(gross domestic product)指標(biāo)核算經(jīng)濟價值，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，運用GEP指標(biāo)核算生態(tài)價值，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等運用當(dāng)量因子法進行自然資源資產(chǎn)價值化；(3)還有學(xué)者將生態(tài)服務(wù)轉(zhuǎn)化成太陽能的價值核算方法；(4)通過尋找相關(guān)替代產(chǎn)品和服務(wù)的市場價格，間接得出其具有的價值，經(jīng)常采用替代市場法計算水供給價值。這些成果評價了水供給服務(wù)功能對人類的貢獻，考慮了人對水資源的需求，但人類需求有不確定性，同時受到地理區(qū)域的影響，很難準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世紀初，空間模擬和繪圖成為生態(tài)系統(tǒng)空間流動的主要研究。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，并通過長期日降雨和河流監(jiān)測數(shù)據(jù)校準。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、中國渭河流域、疏勒河流域上游地區(qū)等多個地區(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

已有報道水供給研究較多，需求研究較少，且彼此獨立沒有關(guān)聯(lián)，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動研究實質(zhì)上就是要在服務(wù)供給與需求之間建立時空關(guān)聯(lián)。水供給服務(wù)空間流動由供給區(qū)、需求區(qū)、傳輸區(qū)(包含流量和流向)3個部分組成，進入21世紀中期，有學(xué)者逐漸開始關(guān)注需求和傳輸區(qū)2個區(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)域尺度對水足跡、水消費結(jié)構(gòu)及用水效率進行評價。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)的社會經(jīng)濟數(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)域的研究認為，存在供給與需求連接的地理區(qū)域，而服務(wù)的流動傳輸及其變換過程是研究的難點。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)生和效益實現(xiàn)空間關(guān)系分為：(1)原位——服務(wù)供給和效益實現(xiàn)在同樣位置；(2)全方向——服務(wù)在一個位置提供，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)流動方向的特定位置。因此，理解服務(wù)產(chǎn)生及其效益實現(xiàn)之間的空間關(guān)系是研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動的基礎(chǔ)。Maass等對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項生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)功能評價，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20世紀90年代以來國內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動研究進行概述，闡釋了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動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。徐潔對寧夏防風(fēng)固沙服務(wù)和水供給服務(wù)物質(zhì)流與價值流的供給、需求、流動的作用機理進行深入研究，并構(gòu)建橫向生態(tài)補償框架。Li等建立簡化版的地表水資源流動模型，以柵格為流動單元模擬研究區(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，需要水資源補給。美國佛蒙特大學(xué)在美國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)知識支撐，模型的應(yīng)用推廣受到影響。

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

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，不同研究者對其有不同的認識和理解，至今未形成一個統(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算方法一致，沒有對其進行明確的區(qū)分，這導(dǎo)致研究中出現(xiàn)概念混淆、案例無法對比的問題。為明確研究對象，現(xiàn)對已有報道歸納梳理。

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，對降水進行二次分配，從而調(diào)節(jié)徑流、凈化水質(zhì)。張彪等對森林水源涵養(yǎng)的定義有廣義和狹義之分，狹義是指森林攔截降雨、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項功能。王曉學(xué)等認為常用的定量計算方法是公式計算方法，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單的公式換算，對內(nèi)在深層的討論不足，如森林土壤蓄水量和小流域試驗觀測，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)中植被生長需水和生產(chǎn)生活用水，廣義是指產(chǎn)水量。肖玉等認為水供給由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。本文認為二者之間對于降水?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，對二次分配后人類需求進行考量，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)空間流動研究歷程

水供給服務(wù)空間流動是一個縱向和橫向相結(jié)合的動態(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)；(2)降雨、降雪流入河流中，因地勢高低不同(DEM)，伴隨河流自上游向下游流動(即橫向流動)。水供給服務(wù)極具流動性和特殊性，空間關(guān)系極其復(fù)雜，定量計算存在重復(fù)計算的風(fēng)險。因此，水供給服務(wù)空間流動的研究必須有全局意識，供給區(qū)、需求區(qū)、輸送區(qū)3個部分相互關(guān)聯(lián)，缺一不可。水供給區(qū)模型評估生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水量，即定量模擬縱向流動過程，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過程，輸送區(qū)在流動過程中傳遞物質(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，運用空間柵格運算，得到研究區(qū)范圍內(nèi)供需平衡時空格局分布，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)空間流量化評估方法

水供給服務(wù)空間流具有顯著的空間屬性和流動性，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)空間流動定量化研究極其重要。

3.1 供給區(qū)評估方法

3.1.1 中小尺度公式計算法 水量平衡法是一個流域的實際蒸散發(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空尺度，數(shù)據(jù)處理方法簡單易于操作，是目前評估水源涵養(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陜西省區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)進行科學(xué)評估表明，2000—2014年陜西省水源涵養(yǎng)呈整體上升、局部下降趨勢，氣候因素對水源涵養(yǎng)的影響較強。王鵬程運用綜合蓄水能力法對三峽庫區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能評估發(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個缺陷：一是實際的陸地蒸散發(fā)量難以計算，檢驗系數(shù)法易導(dǎo)致顯著的計算誤差；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)計算流域內(nèi)每個柵格的徑流量，產(chǎn)水量為區(qū)域上每個柵格單元的降水量減去實際蒸散量的差值。經(jīng)過計算，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丹江流域、秦嶺、黃土高原、黃河流域、美國肯塔基、西非等多個國家及地區(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，需進一步模擬驗證。美國農(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)水文過程的長期動態(tài)變化，物理機制強，能準確分析水文時空變化特征。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，每個柵格包含幾組數(shù)據(jù)并單獨計算，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)模型定量評估方法

3.2 需求區(qū)評估方法

水供給服務(wù)流動是由生態(tài)系統(tǒng)單元組成，每個單元是一個柵格，通過柵格運算得到水需求量。水需求量是指人類從事生產(chǎn)生活等活動對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)的需求量被認定為用水量，用水量數(shù)據(jù)采用水資源公報中各行政分區(qū)(地市級)的實際數(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)進行空間計算，并通過柵格運算最終得到研究區(qū)水需求量的時空分布圖。

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)域的流域用水量進行公式計算(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)時空圖。

=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，試驗觀測還不能推至區(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等運用相同行列數(shù)的5個矩陣，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應(yīng)的土地利用類型建立空間對應(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。劉頌等運用矩陣分析法對嘉興市水文調(diào)節(jié)服務(wù)進行研究，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，首先建立5個基礎(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)活動空間流動路徑()、動態(tài)剩余水量()和區(qū)域間流動()4個矩陣，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，運用IDL編程進行模擬。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)需要上游補給，動態(tài)剩余水量波動較大，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)流空間動態(tài)模型 美國佛蒙特大學(xué)開發(fā)一款生態(tài)系統(tǒng)人工智能模型(artifical intelligence for ecosystem services， ARIES)，適用于評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動空間格局。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，判斷出水供給流動服務(wù)過程是正向還是負向流動，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。陳登帥等運用ARIES模型對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趨勢，而供給量卻逐年下降，供不應(yīng)求。模型物理屬性強，數(shù)據(jù)要求高，存在一定的數(shù)據(jù)誤差風(fēng)險，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)推廣還有待驗證。

4 水供給服務(wù)空間流框架構(gòu)建

水供給服務(wù)流動模擬研究框架搭建的水供給分析框架由3個模塊組成(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、國家、省市統(tǒng)計年鑒的社會經(jīng)濟數(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)方法制定空間流動路徑，繪制空間水供給服務(wù)流動地圖，最終確定水供給服務(wù)的供需平衡關(guān)系。

注：實際供給單元即靜態(tài)剩余水量為正值(供給量>需求量)，潛在供給單元即靜態(tài)剩余水量為負值；實際受益單元是靜態(tài)剩余水量為正值，潛在受益單元是靜態(tài)剩余水量為負值；箭頭曲線表示水流動路徑；數(shù)字表示水供給單元上下游關(guān)系以及距離河道的遠近，具有優(yōu)先順序，數(shù)字越小獲得的優(yōu)先級別越高；路徑箭頭曲線粗細表示水供給服務(wù)流動的物質(zhì)量多少；水供給服務(wù)流動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)流動研究的實質(zhì)是對水供給服務(wù)的供給與需求進行定量化評估，建立服務(wù)供給與需求之間的時空關(guān)系，即供需平衡。明確服務(wù)流或水流的流動路徑與流量大小。其中，對水資源的供給量與需求量進行定量評估及其空間特征研究是開展水供給服務(wù)空間流動研究的重要基礎(chǔ)性工作。水供給服務(wù)是最具有流動特征的服務(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性和跨區(qū)域補給調(diào)節(jié)的特征。因此，明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的效益在什么時間和地點被享用，有助于生態(tài)保護和補償政策的制定實施。