秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力評估

卓 靜，何慧娟，王 娟

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安 710014)

秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力評估

卓 靜，何慧娟，王 娟

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安 710014)

在水均衡原理基礎(chǔ)上，提出了一種計算區(qū)域水源涵養(yǎng)量的方法，并利用該方法結(jié)合RS和GIS軟件對2000—2012年秦嶺地區(qū)的水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)弱的空間分布及其生態(tài)價值進(jìn)行計算和分析。結(jié)果表明：大部地區(qū)屬于一般或者中等水源涵養(yǎng)能力區(qū)；強(qiáng)和極強(qiáng)水源涵養(yǎng)能力區(qū)主要集中在漢江流域部分地區(qū)；涵養(yǎng)能力弱的區(qū)域集中在嘉陵江流域、石頭河流域以及黑河流域；紫陽縣、漢陰縣以及漢濱區(qū)水源涵養(yǎng)能力較好，陳倉區(qū)、眉縣以及鳳縣水源涵養(yǎng)能力較弱；2000—2012年秦嶺地區(qū)平均水源涵養(yǎng)量為7.22×1010m3/a，水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價值為4.83×1010元/a。

水源涵養(yǎng)；秦嶺；評估；生態(tài)價值

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要功能，受到眾多因素的影響。首先，不同的生態(tài)系統(tǒng)其水源涵養(yǎng)能力是不同的，森林、草地和濕地的水源涵養(yǎng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于荒漠等無植被覆蓋區(qū)，一般而言，可以根據(jù)不同的生態(tài)系統(tǒng)類型劃分不同水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)弱單元；其次，即使同樣是森林地區(qū)，不同的森林樹種其水源涵養(yǎng)能力也不盡相同，甚至差異較大；并且，水源涵養(yǎng)能力還受到氣候因子、土壤類型、地形地貌等諸多因素的影響。因此，在較大的空間范圍和區(qū)域尺度，如何準(zhǔn)確評價水源涵養(yǎng)能力在空間上的分布和水源涵養(yǎng)的生態(tài)價值一直是研究水源涵養(yǎng)生態(tài)功能中的難點。由于秦嶺是我國中部最重要的生態(tài)安全屏障，具有涵養(yǎng)水源，維護(hù)生物多樣性及水土保持的重要生態(tài)服務(wù)功能，是南水北調(diào)中線工程重要水源涵養(yǎng)區(qū)，因此對秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行準(zhǔn)確、科學(xué)的評估具有十分重要的意義。

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其經(jīng)濟(jì)價值日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，作為生態(tài)服務(wù)功能之一的水源涵養(yǎng)功能更是如此。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源物質(zhì)量的測算有多種方法，比如土壤蓄水能力法、水量平衡法、地下徑流增長法、降水儲存量法、林冠截留剩余量法等[1]。近些年，利用這些方法開展的水源涵養(yǎng)能力評估工作很多[2-8]，國內(nèi)對于秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力的評估工作還為數(shù)不多，劉曉清、張振文等從水源涵養(yǎng)功能的角度，利用影子工程法和市場價值法等，估算了2010年秦嶺生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價值[9]；李晶、任志遠(yuǎn)從林冠層、枯枝落葉層、土壤層3個層次分析了秦巴山區(qū)植被水源涵養(yǎng)的物質(zhì)量，并利用影子工程法、成本估算法等方法對其生態(tài)功能進(jìn)行了貨幣化評定[10-11]。可以看出，現(xiàn)有的針對秦嶺水源涵養(yǎng)能力的評估都是基于單一時間的研究，沒有長時間序列的評估，不能很好分析秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力的時空演化規(guī)律。利用水量平衡法估算2000—2012年秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力及其間接產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值，科學(xué)、客觀地反映出自開展秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作以來其水源涵養(yǎng)能力的分布規(guī)律和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)秦嶺地區(qū)位于32.511°N～34.542°N，105.701°E～111.031°E，包括西安、咸陽、寶雞、漢中、安康、商洛等6市32區(qū)縣(涉及31個氣象觀測站點)，總面積5.86×104km2。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 降雨量數(shù)據(jù)

所使用的降雨量數(shù)據(jù)均來源于陜西省氣象局31個氣象觀測站點 (圖1)的觀測數(shù)據(jù)，在觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過ArcGIS軟件平臺中Spline插值方法插值獲得空間分辨率為1 km×1 km的柵格圖像。

圖1 研究區(qū)氣象站點分布圖

2.2 陸地蒸散(ET)數(shù)據(jù)

陸地蒸散(ET)一般是指水分從地表(包括土壤和植被)進(jìn)入大氣的過程，是一個很復(fù)雜的物理過程。理論上這一過程的問題已經(jīng)基本解決，就計算方法而言，可分為統(tǒng)計法 (經(jīng)驗公式)、能量平衡法和湍流擴(kuò)散法[2]。這里使用的陸地蒸散數(shù)據(jù)是MOD16數(shù)據(jù)集中的蒸散年合成數(shù)據(jù)，空間分辨率1 km×1 km，時間范圍為2000—2012年。該數(shù)據(jù)集主要包括了2000—2012年全球蒸散(ET)、潛在蒸散(PET)、潛熱(LE)、潛在潛熱(PLE)四個地表蒸散特征參數(shù)，時間有8 d合成、月合成和年合成數(shù)據(jù)。蒸散算法是基于Penman-Monteith公式，包括地表蒸發(fā)和植物蒸散，陸地蒸散水分來源于土壤、植被攔截未達(dá)地面的雨水、植被莖葉的氣孔，計算需要反照率、葉面積指數(shù)、地表覆蓋類型等遙感數(shù)據(jù)和氣壓、氣溫、濕度、輻射等氣象數(shù)據(jù)[12]。

2.3 研究方法

研究范圍包括整個秦嶺地區(qū)，主要從整個區(qū)域空間上來考慮水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)弱的分布。依據(jù)數(shù)據(jù)精度將整個區(qū)域劃分為1 km×1 km的空間單元，并將每個單元作為一個閉合的集水區(qū)，以水量的輸入和輸出為著眼點，將大氣降水視為生態(tài)系統(tǒng)的水分輸入量，蒸發(fā)和蒸騰及各種徑流作為水分的輸出量。因此該評價單元上水量平衡方程為

式中，P為大氣降水量(mm)，Et為陸地蒸散(mm)，ΔW為土壤存水量(mm)，C為地表徑流量(mm)。

根據(jù)水量平衡法假定地表徑流量即為涵養(yǎng)水源量[2、13]，ΔW+C是整個區(qū)域貯存的水量和提供給江河徑流的水量，可以視其為該區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的體現(xiàn)，即通過求取降雨與蒸散的差值來實現(xiàn)，計算過程通過ERDAS軟件中的MODELER建模完成。

3 結(jié)果和分析

3.1 水源涵養(yǎng)能力時間變化規(guī)律

2000—2012年，秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)量在27.13(2002年)～379.99 mm(2011年)之間波動，且呈現(xiàn)出增加趨勢 (圖2)。多年平均值為150.43 mm，2000、2003、2005、2009—2011年這6 a的水源涵養(yǎng)量大于多年均值，其他7 a的水源涵養(yǎng)量均低于多年平均值。

圖2 2000—2012年秦嶺水源涵養(yǎng)量統(tǒng)計

3.2 水源涵養(yǎng)能力空間分布特征

研究區(qū)2000—2012年平均水源涵養(yǎng)量分布見圖3，圖中每個空間單元值的意義可看作是該單元能提供給江河補(bǔ)給量以及能進(jìn)入土壤貯存的量之和，即每個單元的水源涵養(yǎng)量。從圖中可以看出，研究區(qū)水源涵養(yǎng)量集中在-301～918.7 mm/a之間，涵養(yǎng)量出現(xiàn)負(fù)值，說明研究區(qū)內(nèi)的局部地區(qū)陸地蒸散大于降雨量，基本不能涵養(yǎng)水源，而有些地區(qū)水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)，可以達(dá)到900 mm/a以上。

圖3 秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)分布

根據(jù)水源涵養(yǎng)量所在范圍、相關(guān)研究成果[3]以及野外調(diào)查情況對計算結(jié)果進(jìn)行分區(qū)：水源涵養(yǎng)量小于0 mm/a的區(qū)域定義為水源涵養(yǎng)能力弱的區(qū)域；水源涵養(yǎng)量在0～150 mm/a的區(qū)域定義為一般水源涵養(yǎng)能力區(qū)；水源涵養(yǎng)量在150～300 mm/a的區(qū)域定義為中等水源涵養(yǎng)能力區(qū)；水源涵養(yǎng)量在300～450 mm/a的區(qū)域定義為強(qiáng)水源涵養(yǎng)能力區(qū)；水源涵養(yǎng)量大于450 mm/a的區(qū)域定義為水源涵養(yǎng)能力極強(qiáng)區(qū)(圖4，圖見20頁)。

在ARCMAP軟件中，對研究區(qū)水源涵養(yǎng)量各等級區(qū)域所占比例進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)一般水源涵養(yǎng)能力區(qū)所占比例為50.8%，說明秦嶺地區(qū)五成左右區(qū)域水源涵養(yǎng)能力一般；涵養(yǎng)能力弱的區(qū)域所占比例為10.5%，主要集中在嘉陵江流域鳳縣段，石頭河流域陳倉區(qū)、眉縣段，以及黑河流域周至段；水源涵養(yǎng)能力中等區(qū)主要集中在漢江流域勉縣、漢陽區(qū)、城固縣和洋縣一帶，子午河流域，伊洛河流域，以及丹江流域丹鳳、商南段，該等級區(qū)域占研究區(qū)總面積的34.0%；強(qiáng)水源涵養(yǎng)能力區(qū)所占比例為3.6%，主要集中在漢江流域漢陰縣、紫陽縣、漢濱區(qū)附近；極強(qiáng)水源涵養(yǎng)區(qū)主要位于漢江流域的紫陽縣附近，所占比例為1%，這些水源涵養(yǎng)能力較好的地區(qū)為流經(jīng)此處的河流進(jìn)行了很好的補(bǔ)給。

表1為秦嶺地區(qū)各區(qū) (縣)水源涵養(yǎng)能力不同等級分布百分比。由表1可知，秦嶺所轄32區(qū)縣中，紫陽縣、漢陰縣以及漢濱區(qū)水源涵養(yǎng)能力較好，其中紫陽縣水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)，這3區(qū) (縣)強(qiáng)和極強(qiáng)等級所占比例分別為87.2%、45.5%、37.9%；陳倉區(qū)、眉縣以及鳳縣水源涵養(yǎng)能力較弱，其中陳倉區(qū)57.4%的區(qū)域都屬于弱水源涵養(yǎng)能力區(qū)，眉縣弱水源涵養(yǎng)能力區(qū)所占比例也高達(dá)53.0%，鳳縣這一比例為46.1%；其他區(qū)縣基本屬于一般或者中等水源涵養(yǎng)能力區(qū)。

表1 秦嶺地區(qū)各區(qū)(縣)水源涵養(yǎng)能力不同等級分布百分比 %

結(jié)合降雨量和陸地蒸散量來看，在降雨量充足的很多地區(qū)，其水源涵養(yǎng)能力也較強(qiáng)，例如紫陽縣和子午河流域；有些地區(qū)降雨量雖然充足，但是其陸地蒸散也較強(qiáng)，所以水源涵養(yǎng)能力反而不強(qiáng)，例如褒河和沮水流域；有些地區(qū)降雨量本身就少，陸地蒸散還較強(qiáng)，這些地區(qū)水源涵養(yǎng)能力就很弱，例如嘉陵江流域鳳縣段，石頭河流域陳倉區(qū)、眉縣段，以及黑河流域周至段。

3.3 水源涵養(yǎng)經(jīng)濟(jì)價值評估

水源涵養(yǎng)的價值是指單位面積的年水資源涵養(yǎng)量的經(jīng)濟(jì)價值，是地表通過截流降雨，阻攔和含蓄徑流后而產(chǎn)生的水資源的經(jīng)濟(jì)價值。利用水的影子價格乘以涵養(yǎng)水源總量即得研究區(qū)涵養(yǎng)水源的價值。水的影子價格取得方法共有6種：①根據(jù)水庫的蓄水成本確定；②根據(jù)供應(yīng)水的價格確定；③根據(jù)電能生產(chǎn)成本確定；④根據(jù)級差地租確定；⑤根據(jù)區(qū)域水源運(yùn)費(fèi)確定；⑥根據(jù)海水淡化費(fèi)確定[8]。這里根據(jù)水庫的蓄水成本法確定水的影子價格。公式為

式中，Wa為水源涵養(yǎng)價值，Wb是水源涵養(yǎng)量，0.67元為1988—1991年全國水庫建設(shè)投資預(yù)算每建設(shè)1 m3庫容需投入的成本費(fèi)。

根據(jù)秦嶺水源涵養(yǎng)量分布圖 (圖4)，在ARCMAP軟件中統(tǒng)計獲得2000—2012年研究區(qū)平均水源涵養(yǎng)量為7.22×1010m3/a，那么其水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價值為4.83×1010元/a。

3 結(jié)論

通過對秦嶺地區(qū)2000—2012年水源涵養(yǎng)量以及其經(jīng)濟(jì)價值的分析，得出結(jié)論。

(1)秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力分為弱、一般、中等、強(qiáng)、極強(qiáng)五個等級，所占比例分別為10.5%、50.8%、34.0%、3.6%、1%。

(2)秦嶺地區(qū)大部地區(qū)屬于一般或者中等水源涵養(yǎng)能力區(qū)；強(qiáng)和極強(qiáng)水源涵養(yǎng)能力區(qū)主要集中在漢江流域部分地區(qū)；涵養(yǎng)能力弱的區(qū)域集中在嘉陵江流域、石頭河流域以及黑河流域。

(3)秦嶺32區(qū)(縣)中，紫陽縣、漢陰縣以及漢濱區(qū)水源涵養(yǎng)能力較好，陳倉區(qū)、眉縣以及鳳縣水源涵養(yǎng)能力較弱，其他區(qū) (縣)基本屬于一般或者中等水源涵養(yǎng)能力區(qū)。

(4)根據(jù)水庫的蓄水成本法，2000—2012年秦嶺地區(qū)平均水源涵養(yǎng)量為722.03億m3/a，水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價值為483.76億元/a。

(5)利用水量平衡法來計算秦嶺水源涵養(yǎng)量，一方面這種方法由于數(shù)據(jù)的可獲取性和在時間上的連續(xù)性容易實現(xiàn)對區(qū)域尺度上水源涵養(yǎng)能力的動態(tài)評估，但是該方法的缺陷是將徑流全部作為水源涵養(yǎng)，然而徑流不一定對人類有利，有時會帶走土壤中的有機(jī)物質(zhì)而產(chǎn)生一定的危害。

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P467

：A

卓靜，何慧娟，王娟.秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力評估[J].陜西氣象，2015(3)：12-16.

1006-4354(2015)03-0012-05

2015-01-21

卓靜 (1978—)，女，陜西西安人，漢族，碩士，高工，主要從事生態(tài)環(huán)境動態(tài)評估工作。