水塘系統的水源涵養貢獻力評估
——以風嶺流域為例

皋 鵬 飛，李 玉 鳳，劉 紅 玉，季 香

(江蘇省地理環境演化國家重點實驗室培育建設點，江蘇 南京 210023；江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023；南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023)

水塘系統的水源涵養貢獻力評估
——以風嶺流域為例

皋 鵬 飛，李 玉 鳳*，劉 紅 玉，季 香

(江蘇省地理環境演化國家重點實驗室培育建設點，江蘇 南京 210023；江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023；南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023)

應用InVEST模型和SCS模型并結合GIS技術，計算出儀征市風嶺流域2015年的產水量、地表徑流量以及水塘系統的水源涵養量分別為92.07×106m3、20.11×106m3和36.47×106m3，在子流域上其總體變化均呈現為由流域下游向上游減少的趨勢。在此基礎上，研究評估了區域水塘系統的水源涵養貢獻力，總體而言，流域下游的貢獻力均大于上游。在降水條件相同的情況下，建設用地分布較多的區域，產水量、地表徑流量以及水塘系統的水源涵養貢獻力均大于林地覆蓋較多的區域；粘壤土分布區的地表徑流量大于壤土分布區；水塘系統水源涵養量隨地表徑流量的增加而增加。

InVEST模型；SCS模型；水塘系統；水源涵養；風嶺流域

0 引言

水塘是指在平地鑿池、谷口或高地匯水處筑堤，就地蓄置雨水的小型水體，其面積在1～20 000 m2之間，具有自然、半自然和人工特征[1,2]。水塘系統由區域內的水塘組成，是我國存在3 000多年的典型農業小水利工程，其主要分布在南方丘陵地區。作為一種特殊的人工濕地，水塘系統具有調節氣候、水源涵養、水質凈化、維持生物多樣性等重要的生態服務功能，在農業發展過程中具有不可替代的作用和價值。其中，水塘系統的水源涵養功能在減緩水土流失、維持流域水量、彌補農作物在需水時期的水資源短缺等方面起著非常重要的作用[3,4]，對于區域具有重要的水資源貢獻。因此定量評估區域內水塘系統水源涵養的貢獻力就顯得尤為重要。

目前對于水源涵養功能的研究多集中在區域尺度上，如謝高地等對青藏高原水源涵養價值進行評估[5]；陳龍等對瀾滄江流域的水源涵養功能進行了研究[6,7]；傅斌等對都江堰市的水源涵養功能及其重要性進行了研究[7]，Juszczak 等對波蘭西部的農業森林流域水源涵養進行了評估[8]，Pawattana 等對泰國池河流域的水源涵養能力進行了研究[9]。但在這些研究中常常忽略水塘濕地的水源涵養功能及其對于整個區域的影響。因此圍繞水塘系統的水源涵養功能及其對于區域的貢獻程度進行一個科學、定量的評估，是本文要解決的主要問題。

位于儀征市的風嶺流域由于農業灌溉的需要，區域內分布了大量的水塘，形成了發達的水塘濕地系統，這為本文提供了理想的研究區域。本文利用相關模型和方法分析水塘系統的水源涵養貢獻力及其空間分布特征，將有利于更好地認識水塘濕地系統水資源利用過程及其生態效應，更好地優化區域內水塘系統的布局，對于濕地研究、農業開發和保護、區域水量平衡等具有重要意義。

1 研究區概況

高寶邵伯湖位于江蘇省中部，總面積876.76 km2，是江蘇省第三大湖，年平均水深1.46 m，是淮水入江的主要通道，且水質良好(III-IV類水質)。研究區風嶺流域位于江蘇省儀征市，在高寶邵伯湖的上游，是一個相對封閉的小流域，流域高程變化范圍為20～50 m，流域面積為17.31 km2。研究區土地利用方式主要包括林地、建設用地、水域濕地及耕地。氣候屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫14 ℃，降雨豐沛，年降水量1 256.60 mm，降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的59.20%。土壤類型以黃棕壤和水稻土為主[10,11]。20世紀60-70年代，為了區域內抗旱、防洪排澇，改良低洼易澇的鹽堿地，開始了大規模的水利設施建設。因此在風嶺流域區域內分布了大規模的水塘濕地系統，且至今持續使用。研究區具有水塘615個，平均面積0.28 hm2/個，總面積約175 hm2，占流域總面積10.11%。水塘系統為保證高寶邵伯湖的水質發揮著重要作用，對于區域也具有較高的水源涵養貢獻力。

圖1 研究區地理位置

2 水塘系統的水源涵養貢獻力評估方法

本文基于區域水量平衡法，對風嶺流域內水塘系統的水源涵養貢獻力進行評估。區域水量平衡法將研究對象看成一個“黑箱”，著眼于輸入水量與輸出水量，認為降水量與蒸散量以及地表徑流量之差即為區域的水源涵養量[12]。本文應用InVEST(the Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型計算研究區的產水量，即降水量減去蒸散量的部分；利用SCS模型計算研究區的地表徑流量。水塘系統的水源涵養量與區域水源涵養量的比值即為水塘系統的水源涵養貢獻率，其計算公式如下：

H=V/(W-E)

(1)

其中，H為水塘系統的水源涵養貢獻率(%)；V為水塘系統的水源涵養量(m3)，其利用GIS技術及相關數學方法等計算；W為區域產水量(m3)，包括地表徑流、土壤含水量、枯落物持水量和冠層截留量[13-15]；E為區域地表徑流量(m3)。

在計算出水塘系統的水源涵養貢獻率H的基礎上進一步分級，分級標準如表1，從而評估出研究區水塘系統的水源涵養貢獻力。

表1 水源涵養貢獻力分級

2.1 基于InVEST模型的產水量計算

InVEST模型是由美國斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協會聯合開發的生態系統服務功能評估工具[16,17]，該模型包含水質凈化、產水量、生物多樣性等多個模塊。本研究所用到的就是InVEST模型中的“產水量”模塊。

產水量模塊運行需要的參數如表2所示，其中，土壤有效含水量是指土壤中持有的并且可以被植物利用的那一部分水量[18]，取值范圍為0～1；參考作物蒸散量是指平坦地面被特定矮稈綠色植物(高0.12 m，地面發射率為0.23)全部遮蔽，同時土壤保持充分濕潤情況下的蒸散量[19]，它由Modified-Hargreaves法公式計算[20]：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tavg+17)×(TD-0.0123P)0.76

(2)

其中，ET0為參考作物蒸散量(mm/d)；RA為太陽大氣頂層輻射(MJ/(m2·d))，運用氣象站2015年太陽總輻射數據計算可得；Tavg是2015年日最高溫均值與日最低溫均值的均值(℃)，TD是日最高溫均值與日最低溫均值之差(℃)；P是降水量(mm)，降水量數據和氣溫數據收集于中國天氣網。

Zhang系數是表征降水特征的常數，取值范圍為1～10[21]。一般冬季降水集中的區域Zhang系數取10，終年濕潤或夏季降水集中的區域Zhang系數取1。研究區屬于夏季降水集中性的區域，因此Zhang系數取1[22,23]。生物物理系數表中需要確定的參數是植被蒸散系數K，它受到地表覆被的影響，因此，本文應用FAO提出的適合于自然植被非完全覆蓋條件下的植被系數的計算方法估算[24]；子流域的范圍的劃分主要是根據風嶺流域水文運移路徑(出水口位置、水流方向)確定子流域的邊界[25-27]。具體過程是在確保流域水塘濕地系統完整的情況下，以DEM為基礎，利用ArcGIS10.2的水文分析模塊，得到水流方向、匯流累積量等水文因子，并以此生成流域的河網。通過對大量實驗同現有地形進行對比，研究得出當河網的閾值為1 500時，河網的分布與實際最為接近，因此確定以1 500為最佳閾值劃分出35個子流域。

表2 產水量模型運行所需參數

2.2 基于SCS模型的地表徑流量計算

SCS(Soil Conservation Service)模型是美國農業部水土保持局于1954年開發的流域水文模型，它能夠客觀反映土壤質地、土地利用方式以及土壤含水量對降雨徑流的影響，是目前應用最廣泛的流域水文模型之一[28]。模型計算公式：

E=R×K/1 000

(3)

R=(P-0.2L)2/(P+0.8L)，P≥0.2L

(4)

L=25 400/CN-254

(5)

其中，E是地表徑流量(m3)；R是地表產流深度(mm)；K是區域面積(m2)；P是降水量(mm);L是最大可能滯留深度(mm)，取決于土壤入滲速率和土壤儲水容量[29]；CN(Curve Number)是徑流曲線系數，是與土壤質地和土地利用方式密切相關的一個徑流系數，CN值越大，越容易產生地表徑流[30]。

因此，模型所需要的參數分別是降水量P以及徑流曲線系數CN。徑流曲線系數CN值的大小主要受降水前濕潤程度、土壤質地和土地利用方式3個因素的影響。降水前濕潤程度通過已經獲得的降水量，經過計算確定研究區域降水前土壤濕潤程度的等級為Ⅰ類(表3)；土壤質地劃分通過1∶100萬土壤空間屬性數據查找獲得，結合研究區土壤質地狀況，將研究區的土壤質地劃分為粘壤土和壤土(圖2)；土地利用方式通過ArcGIS10.2對研究區的土地利用方式進行解譯，并按照SCS模型特定的分類標準合并(圖3)。在此3個變量的基礎上，通過查找美國國家工程手冊第四章的CN值表得到研究區的CN值[31](表4)。在確定參數之后，按照式(3)-式(5)求出研究區的年地表徑流量。

表3 降水前濕潤程度等級劃分

圖2 研究區土壤質地

圖3 研究區土地利用分類

表4 不同土地濕潤程度下各土地利用方式和土壤類型的CN值

Table 4 Runoff curve number of different type of land use and soil texture in different ARCs

土壤質地濕潤程度森林農田濕地/城鎮壤土粘壤土Ⅰ5175100Ⅱ7088100Ⅲ8595100Ⅰ5980100Ⅱ7791100Ⅲ8997100

2.3 水塘系統的水源涵養量計算

水塘作為特殊的人工濕地，在水源涵養方面具有重要作用[32]。水塘的年水源涵養量包括兩部分：一是水塘的基礎庫容量；二是水塘對村莊、農田排水和降雨的截留增加量[33]，即：

V=V1+V2=(h1+Δh2)×S

(6)

其中，V為水塘的水源涵養量(m3)；V1為水塘的基礎庫容(m3)；V2為水塘一年內對于水分的截留增加量(m3)；h1為水塘的基礎水深(m),Δh2為一年內水塘的水位上升量(m)；S為水塘的表面積(m2)。

水塘的基礎水深測量方法是:在水塘兩岸選點設腳架，懸掛鋼尺進入水中，通過鋼尺拉動測量基礎水深，并利用DEM進行校驗獲得。DEM數據來源于江蘇省測繪局，其精度為5 m×5 m；水塘的水位上升量是指水塘一年內水位上升的總和，其來源于2015年一年的野外實地調查，調查方法是基于60個水塘樣點，每個樣點確定一個基準點，量取每周的水位變化量，統計獲得一年內水塘水位的上升量，該數據能夠反映出水塘蓄水供水的情況。再根據該數據得到水塘的水源涵養總深度，并建立水塘系統的水源涵養深度與水塘表面積的線性模型：h1+Δh2=0.177×10-6×S+3.354，以此求出其他水塘的水源涵養量。

3 結果分析

3.1 子流域劃分

根據模型的要求，計算出產水量柵格結果后，要在子流域上進行統計，因此，要對研究區風嶺流域內各個子流域的范圍進行劃分。利用ArcGIS10.2水文分析模塊并根據實際地形，經過大量的實驗對比劃分出35個子流域(圖4)，子流域的面積范圍在0.15～1.02 km2之間，坡度范圍在0°～35.12°之間。

圖4 研究區子流域分布

3.2 不同子流域的產水量

輸入模型所需要的參數后，運行InVEST模型，得到2015年研究區的產水量，研究區總體的產水量為92.07×106m3，產水量較大。為使產水量的結果進行子流域之間的比較而不受子流域面積的影響，本文選用單位時間單位面積上的產水量(即產水模數)來表達(圖5)。由圖5可知，產水量較大的子流域有13個，主要分布在流域的下游，包括子流域6～8、18～23、34～35以及1和4，產水量在605.41～1 066.64 m3/(km2·a)之間，子流域4的產水量最大。產水量一般的子流域有12個，主要分布在流域的下游，包括子流域2～3、11～15以及5、17、24、30、32，產水量在409.12～583.93 m3/(km2·a)之間。產水量較小的子流域有10個，主要分布在流域的上游，包括子流域9～10、25～29以及16、31、33，產水量在293.07～389.14 m3/(km2·a)之間，子流域28的產水量最小。

圖5 研究區各子流域產水量分布

因此可以得出結論，產水量在流域內表現出明顯的空間差異，總體變化呈現由流域的下游向上游方向減少的趨勢。產水量的大小與降水量、土地利用方式、土壤有效含水量、土壤深度等有關，研究區的降水量總體一致，因此可以結合研究區土地利用方式等因素分析其原因：首先，流域的下游相對于上游分布了更加密集的建設用地，如城鎮、工廠及村莊等，建設用地多為不透水地面，降水難以下滲，相對于上游較容易產流；其次，流域下游的農田作物根系深度較小，造成土壤有效含水量偏低，地表蒸發量較小，而上游的土地利用方式除了農田以外，植被類型還包含了較多的林地，土壤的深度和植被的根系深度均較大，提高了土壤的有效含水量和地表蒸發量。因此總體上，流域下游的產水量比上游偏大。

3.3 不同子流域的地表徑流量

根據SCS模型計算得到研究區2015年地表徑流量為20.11×106m3，地表徑流量較大。為了使地表徑流量的結果進行子流域之間的比較而不受子流域面積的影響，本文選用單位時間單位面積上的地表徑流量(即地表徑流模數)來表達(圖6)。由圖6可知，地表徑流量較大的子流域有12個，其分布多集中在流域的下游，包括子流域14～15、18～23、34～35以及5、32，地表徑流量在97.70～99.60 m3/(km2·a)之間，子流域35的地表徑流量最大。地表徑流量一般的子流域有13個，主要分布在流域的下游，包括子流域3～4、6～8、11～13、29～30以及1、17、24，地表徑流量在96.19～97.69 m3/(km2·a)之間。地表徑流量較小的子流域有10個，集中分布在流域的上游，包括子流域9～10、25～28以及2、16、31、33，地表徑流量在92.01～95.18 m3/(km2·a)之間，子流域25的地表徑流量最小。

圖6 研究區各子流域地表徑流量分布

因此可以得出結論，地表徑流量在流域內表現出明顯的空間差異，總體變化呈現由流域的下游向上游方向減少的趨勢。分析出現這種情況的原因：在降水相同的條件下，地表徑流量的大小與土壤質地、土地利用方式密切相關。首先，流域下游的土壤質地主要為粘壤土，質地黏重，降水不易下滲，容易形成地表徑流而流失；而上游的土壤質地為壤土，下滲能力較粘壤土要大，因此上游相對于下游形成的地表徑流量要小。其次，研究區的建設用地(如城鎮、工廠及村莊等)在流域下游的分布相對于上游更加密集，且下游分布了大量農田，在這樣的土地利用方式下，降水更容易形成地表徑流；而流域上游的林地相對較多，對于降水的截留能力較強，地表徑流量較小。因此總體上，流域下游的地表徑流量比上游偏大。

3.4 不同子流域內水塘系統的水源涵養量

通過GIS技術以及相關數學模型的計算，獲得2015年水塘系統的水源涵養量。研究區總體的水塘系統水源涵養量為36.47×106m3，水源涵養量較大。為了使水塘系統的水源涵養量的結果進行子流域之間的比較而不受子流域面積的影響，本文選用單位時間單位面積上的水源涵養量(即水源涵養模數)來表達(圖7)。由圖7可知，水塘系統的水源涵養量較大的子流域有12個，其分布集中在流域下游，包括子流域1～2、5～8、11～13、23～24以及18，水源涵養量在264.57～402.60 m3/(km2·a)之間，子流域1的地表徑流量最大。水源涵養量一般的子流域有13個，流域的上游和下游均有分布，包括子流域14～17、19～21、31～32以及3、9、27、29，水源涵養量在180.47～245.29 m3/(km2·a)之間。水源涵養量較小的子流域有10個，主要分布在流域的上游，包括子流域25～26、33～35以及4、10、22、28、30，水源涵養量在22.92～166.56 m3/(km2·a)之間，子流域22的地表徑流量最小。

因此可以得出結論，水塘的水源涵養量在流域內表現出明顯的空間差異，總體變化呈現由流域的下游向上游方向減少的趨勢。分析出現這種情況的原因：水塘系統的水源涵養量主要來源于直接降水、農田以及村鎮的排水徑流等，而流域的降水量是一致的，所以水塘系統的水源涵養量的空間差異主要受到地表徑流量的影響。經過前面的分析，由于研究區的土壤質地、土地利用方式等原因，導致流域產生的地表徑流量不同，且由流域的下游向上游減少。而流域內的水塘系統能夠攔截地表徑流(如農田排水)，并進行存儲，使得徑流不至于全部流入河流，進而實現水源涵養，地表徑流量越大，水塘系統的水源涵養量越大。因此總體上，流域下游水塘系統的水源涵養量大于上游。

圖7 各子流域水塘系統的水源涵養量分布

3.5 不同子流域內水塘系統的水源涵養貢獻力

基于研究區的年產水量、年地表徑流量以及水塘系統的年水源涵養量，得出水塘系統的水源涵養貢獻率(圖8a、表5)，并進一步進行分級，評估出水塘系統的水源涵養貢獻力，評估結果如圖8b所示。

圖8 不同子流域水塘系統水源涵養貢獻率與貢獻力分布

由圖8b可知，水塘系統的水源涵養貢獻力極大的子流域有9個，包括子流域1～2、12～13、27～29以及5、16，其分布在流域的下游，水源涵養貢獻率大于70%。水源涵養貢獻力較大的子流域有13個，在流域的上游和下游均有分布，包括子流域6～7、9～11、24～25、31～33以及3、14、17，水源涵養貢獻率在50%～70%之間。水源涵養貢獻力一般的子流域有8個，主要分布在流域的下游，包括子流域18～21以及8、15、23、26，水源涵養貢獻率在30%～50%之間。水源涵養貢獻力較小的子流域有5個，其主要分布在流域的上游，包括子流域34～35以及4、22、30，水源涵養貢獻率小于30%。

因此可以得出結論，水塘系統的水源涵養貢獻力在流域內表現出明顯的空間差異，總體來說，流域下游的水塘系統水源涵養貢獻力大于上游。分析出現這種情況的原因：在降水條件相同的情況下，水塘系統的水源涵養貢獻力與土地利用方式密切相關。流域的下游分布著較密集的建設用地，其對降水量截留的較少，從而水塘系統截留的降水量較多，水塘系統的水源涵養貢獻力較大[34];而流域的上游分布著較多的林地，其對降水量截留的較多，水塘系統截留的較少，因此流域上游的水塘系統的水源涵養貢獻力一般甚至較小。

表5 研究區水塘系統水源涵養貢獻率百分比

4 結論與討論

本文以水量平衡法為基礎，應用InVEST、SCS模型并結合GIS 技術，對研究區水塘系統的水源涵養貢獻力進行了科學、定量的評估分析，得出如下結論：1)風嶺流域具有大規模的水塘系統，區域內具有較大的年產水量(92.07×106m3)和年地表徑流量(20.11×106m3)，其總體變化呈現由流域的下游向上游方向減少的趨勢。在降水條件相同的情況下，建設用地覆蓋較多區域的產水量、地表徑流量大于林地覆蓋較多的區域；粘壤土分布區域的地表徑流量大于壤土分布的區域。2)區域內水塘系統具有較大的水源涵養量(36.47×106m3)，其總體變化呈現由流域的下游向上游方向減少的趨勢。在降水條件相同的情況下，地表徑流量較大的區域，水塘系統的水源涵養量較大，反之水塘系統的水源涵養量較小。3)不同子流域內水塘系統的水源涵養貢獻力具有明顯的空間差異，總體而言，流域下游的水塘系統水源涵養貢獻力大于上游。在降水條件相同的情況下，建設用地分布較多的區域水塘系統水源涵養貢獻力大于林地覆蓋較多的區域。

本文對風嶺流域內水塘系統的水源涵養貢獻力進行了評估，補充了以往在水塘濕地系統水源涵養功能評估方面的缺失。通過分析水源涵養貢獻力，能夠更好地優化區域內的水塘濕地系統，為水資源的存儲、水源供給利用以及農業開發保護提供了理論基礎。結合InVEST模型和SCS模型能夠對某一區域的產水量、地表徑流量及其差異進行科學、定量的分析，兩種模型均以水量平衡法為基礎，具有較高的可行性，并且能夠反映出土地利用方式、土壤質地等因素對于計算結果的影響。其中SCS模型雖然能夠計算出區域地表徑流量的差異，但是模型中的各變量關系是經驗性的，各參數之間的關系以及CN值的確定需要進一步討論。

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Evaluation on the Contribution Capacity of Water Conservation of Pond System:A Case Study of Fengling Watershed

GAO Peng-fei,LI Yu-feng,LIU Hong-yu,JI Xiang

(StateKeyLaboratoryCultivationBaseofGeographicalEnvironmentEvolutionofJiangsuProvince,Nanjing210023;JiangsuCenterforCollaborativeInnovationinGeographicalInformationResourceDevelopmentandApplication,Nanjing210023;CollegeofGeographicalScience,NanjingNormalUniversity,Nanjing210023,China)

In this paper,taking Fengling watershed in Yizheng as an example,water yield and surface runoff in 2015 were obtained by applying the InVEST model and SCS model.Based on the data above,water conservation of pond system was calculated.The results were as follows:water yield,surface runoff and water conservation of pond system were 92.07×106m3,20.11×106m3and 36.47×106m3respectively.Generally speaking,the value of water yield,surface runoff and water conservation tended to decrease from downstream to upstream.Based on these,the contribution capacity of water conservation of pond system was evaluated.On the whole,the contribution capacity of water conservation in the downstream was greater than that in the upstream.Under the same condition of rainfall,water yield,surface runoff and the contribution capacity of water conservation of the areas covered by more construction was larger than that of the areas covered by more forests;surface runoff of the clay loam area was larger than that of the loam area;water conservation of pond system increased with surface runoff.

InVEST model;SCS model;pond system;water conservation;Fengling watershed

2016-06-18；

2016-08-18

國家自然科學基金項目(41401205、31570459)；江蘇省自然科學基金項目(BK20140921)；江蘇省高校自然科學研究重點項目(15KJA170002)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(164320H116)；江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心資助

皋鵬飛(1992-)，男，碩士研究生，主要從事濕地景觀與GIS應用研究。*通訊作者E-mail：pandalee_0826@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.06.016

P333.1

A

1672-0504(2016)06-0094-07