基于InVEST模型的太湖流域水源涵養能力評價及其變化特征分析

顧晉飴，李一平，杜 薇

(1.河海大學環境學院, 江蘇 南京 210098； 2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098； 3.環境保護部南京環境科學研究所， 江蘇 南京 210042)

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成和維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用。它包括各類生態系統提供的食物和工農業生產的原料，支撐了地球的生命保障系統，維持生命物質的生物地球化學循環與水文循環[1-3]。水源涵養和水資源供給是生態系統提供的重要服務類型，生態系統水資源供給服務可以采用產水量進行評價。氣候及土地利用/覆被變化會影響蒸散發、滲透和截留量。近幾十年來，氣候變化和頻繁的人類活動，特別是城鎮化和社會經濟的快速發展引起了土地利用/覆被變化，已經對流域水文過程產生了劇烈影響，對地區水源涵養能力產生了深刻影響。太湖流域是我國經濟最發達、社會發展最具活力的區域之一。生態系統的水源涵養功能對水資源的規劃管理和區域可持續發展具有十分重要的意義，定量描述生態系統涵養水分的功能能夠為流域生態文明建設提供科學依據和決策支持。國內外針對歷史時期太湖流域的水文循環已有一些相關研究，但時間序列相對較短，且因不同學者的出發點和聚焦點不同，針對較長時段的太湖水源涵養能力的計算及其變化特征的描述十分匱乏。本研究以太湖流域為空間尺度，以25年為時間尺度，基于InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)產水量模型計算得到的產水量評價水源涵養能力，分析其時空變化特征，以期為進一步研究提供支持。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況

太湖流域位于我國東部長江三角洲區域(圖1)，北抵長江，東臨東海，南濱錢塘江，西倚天目山、茅山等，面積約3.69萬km2。區域屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫15～17℃。多年平均降水量為1 180 mm。地勢呈西高東低，四周高中間低，西部是上游山區獨立水系，東部為下游平原河網水系。在水資源三級分區中，劃分了湖西及湖區、武陽區、杭嘉湖區和黃浦江區4個區域。2015年太湖流域總人口約5 997萬人，占全國總人口4.4%，GDP為66 884 億元，占全國GDP的9.9%[4]。

圖1 太湖流域地理位置及水系分布

1.2 研究方法

1.2.1 產水量模型

采用InVEST產水量模型計算產水量，該模型由斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協會于2007年聯合開發，用于生態系統服務評估。它由多個子模塊組成，其中產水量模型是重要的基礎模塊之一，目前的應用研究多趨向于大尺度，如區域、地區乃至全球尺度[5]。相對于其他水文模型，InVEST產水量模型依托于地理信息系統，在空間分析與展示上具有優勢。

InVEST產水量模型主要基于Budyko理論和水量平衡原理。蘇聯氣候學家Budyko在研究全球水量和能量平衡時，指出陸面長期平均的蒸散發主要由大氣對陸面的水分供給(降水量)和蒸發需求(凈輻射量或潛在蒸散發量)之間的平衡來決定[6-9]。InVEST3.3.2中產水量模型運行基于柵格數據，只考慮單個柵格的產水量，不考慮柵格之間產水量的計算，對流域內不同土地利用/覆被(柵格單元)的產水量進行計算，匯總得到流域及各子流域的產水量。將地表徑流和地下水補給均看作生態系統產水量，因此不考慮地表水和地下水之間的時空轉換，由此得到的產水量，即降水量減去蒸散發。模型參數包括年均降水量、年均參考蒸散發量、植被有效含水量、根限制層深度(用土壤深度代替)、根系深度、植被蒸散發系數以及土地利用類型分布等。其中，降水量、蒸散發量采用多年平均時段的參數值。

采用InVEST模型計算不同土地利用類型單元格上的產水量，計算公式[10]為

(1)

式中：Yxj為柵格單元x中植被類型為j的年產水量；AETxj為柵格單元x中植被類型為j的蒸散發量；Px為柵格單元x的年平均產水量。

(2)

式中：PETx為潛在蒸散發；wx為描述自然氣候與土壤性質的經驗參數，即修正植被年需水量與降水量的比值，InVEST3.3.2中模型對wx參數進行較大修正，以更適應全球范圍的應用，見式(3)。模型中設定wx最小值為常數1.25，即對應裸土(根系深度為0)的wx值，wx最大值為5。

(3)

式中：Z為張系數，是表征當地多年平均降水特征的經驗常數，是模型的關鍵參數，與年均降水事件數密切相關，對于降水總量相等的區域，降水次數越多，則Z值越大，適應于降水具有明顯季節變化且降水次數較多(一個季節大約100次降水)的區域；AWCx為植物有效含水量，一般是指土壤在一定深度內能夠貯藏的并能被植物利用的那部分水的數量，基于土壤紋理和有效根系深度得到。

1.2.2 數據來源和處理

InVEST模型所需數據包括土地利用/覆被、年降水量、年潛在蒸散發量、根限制層深度、植被可利用水分、集水區和子集水區以及反映每種土地利用/覆被屬性的表格。

a. 土地利用/覆被。對全球變化科學研究數據出版系統中的中國5年間隔陸地生態系統空間分布數據集(1990—2010)進行裁剪得到太湖流域5期土地利用/覆被分布圖(圖2)。該數據集基于1990年、1995年、2000年、2005年和2010年衛星遙感數據，結合地面調查研發，經過分類處理得到，空間分辨率為100 m。

b. 降水量與參考蒸散發。年降水量采用中國氣象數據網的中國地面降水月值0.5°×0.5°格點數據集(V2.0)累加得到，格點數據質量良好[12]。模型所需降水數據采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年5期土地利用/覆被條件下對應年份的前后共5年的均值，即1990年土地利用/覆被對應年降水為1987年9月—1992年8月的年均降水量，1995年土地利用/覆被對應年降水為1992年9月—1997年8月的年均降水量，依次類推(圖3)。

參考蒸散發是影響作物蓄水量估算的關鍵因素。目前估算參考蒸散發的方法主要有Penman-Monteith(PM)、Hargreaves(HG)、Thornthwaite法，Modified-Hargreaves法，Hamon法等。其中Penman-Monteith是由FAO推薦，是受到普遍認可的潛在蒸散發計算公式為

(4)

式中：ET0為參考騰發量；Rn為冠層表面凈輻射；T為平均氣溫；ea為飽和水汽壓；ed為實際水汽壓；Δ為飽和水汽壓與氣溫關系曲線在處的切線斜率；γ為濕度計常數；U2為2 m高處的風速。

(a) 1990年

(b) 1995年

(c) 2000年

(d) 2005年

(e) 2010年

(a) 1990年

(b) 1995年

(c) 2000年

(d) 2005年

選取太湖流域及其附近的23個站點1987年9月—2012年8月的平均風速、日照時數、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對濕度、日最高大氣壓和日最低大氣壓等氣象資料，計算得到各站點逐日參考蒸散發，取5年平均得到對應時刻的年均參考蒸散發，最終通過反距離權重法空間差值得到研究區的年均參考蒸散發的分布特征。

c. 根限制深度。指由于物理或化學特性的影響而強烈阻礙根系穿透時的土壤深度。根限制深度用土壤深度替代。土壤深度數據來自面向陸面模擬的中國土壤數據集的soil profile depth PDEP.nc數據文件，數據為柵格格式，空間分辨率為30″。此數據集的源數據來自第二次土壤普查的1∶100萬中國土壤圖和8 595個土壤剖面。數據集包括了全國范圍內的土層厚度、土壤密度、土壤結構和有機質等數據[13]。考慮到數據集中水體為無數據，結合土地利用類型，將水體(水庫和河流)和人工硬表面(聚落)的土壤深度設定為0，最終得到土壤深度圖。

d. 植被可利用水分。指土壤在一定深度內儲存的能被植物所利用的那部分水量。一般植被有效含水量可用田間持水量和永久萎蔫系數之間的插值來估算，InVEST3.3.2中植被有效含水量的取值范圍為0～1，采用周文佐[14]的基于土壤質地和土壤有機質的非線性擬合模型估算。

e. 生物物理參數。土地利用/覆被的生物物理因子包括代碼、名稱描述、植被最大根系深度和植被蒸散發系數。植被蒸散發系數用來調整參考蒸散發從而得到潛在蒸散發。對于作物而言，該系數可以通過聯合國糧食及農業組織的灌溉與園藝手冊查詢，取值范圍為0～1.5。實際蒸散發計算代碼用于判別土地利用類型是否為植被覆蓋，用于蒸散發的計算。InVEST產水量模型部分參數見表1。此外，模型還需輸入張系數，其值的范圍為1～20，基于太湖流域自然地理特點，參考相關文獻將其取值為6.5[15]。

2 結果與分析

結合研究區自然地理及社會經濟特點，根據模型計算可得，影響水源涵養能力最主要的驅動因素為降水量和土地利用/覆被。

表2為太湖流域各區不同時期年降水量。由圖3和表2可知，總體上4個區域的年降水量在時間序列變化趨勢上是一致的，均在1995年和2005年出現了下降，其中2005年降幅最大，即氣候的波動性最大。2010年降水量基本維持了1990年的水平，杭嘉湖區因為自然地理條件的差別，其降水量最大，時間趨勢上波動幅度也最大。從空間分布上，降水量整體上呈自北向南增大趨勢。每個年份降水量空間分布差異性較大，1990、2005年為自東北向西南增大趨勢，1995、2000年為自西北向東南增大趨勢，2010年為自北向南增大趨勢。

表2 太湖流域各區不同時期年降水量 mm

表3為太湖流域不同時期土地利用/覆被類型比例變化情況。農田為主要優勢的土地利用/覆被類型，森林和水體濕地次之，草地和其他兩種類型所占比例最小，均小于0.5%。但是，農田所占比例呈逐年下降趨勢，累計下降超過了總面積的12%；森林所占比例基本穩定，波動較小；草地總體呈下降趨勢，自2000年以來，面積占比穩定在0.44%；水體濕地所占比例則呈連續上升趨勢，但增長幅度不大，共增加了總面積的0.73%；聚落面積則大幅增加，累計增加超過總面積的10%；其他類型面積變化幅度不大，較為穩定。從時間序列上分為4個階段：1990—1995年為第一階段，1995—2000年為第二階段，2000—2005年為第三階段，2005—2010年為第四階段。第三階段是4個階段中變化劇烈的時段。

表3 太湖流域不同時期土地利用/覆被類型比例變化情況 %

分析4個階段不同土地利用/覆被類型之間的相互轉換情況，可以看出農田被大幅度占用，聚落特別是建設用地大幅增加。隨著經濟的發展與人口的增多，工業化與城市化的發展、交通建設用地增加與農業結構的調整是農田減少的主要原因。耕地的大量流失是經濟快速發展地區面臨的普遍問題，表明經濟是耕地數量變化的最主要的驅動因素之一[16-17]。太湖流域以耕地減少為主的土地利用變化深受包括開放沿海城市、房地產改革和沿江發展戰略等國家宏觀政策影響[18-20]。

基于InVEST3.3.2產水量模型得到5期產水量分布(圖4)及4個分區的產水量統計(表4)。1990年太湖流域產水量為286.1億m3，單位面積生態系統產水能力為493～1 306 mm，均值為775 mm；從單位面積產水能力來看，整體上產水量由東北向西南遞增趨勢。山區丘陵地帶較平原地帶產水量相對較高。單位面積產水量從大到小排序為杭嘉湖區、湖西及湖區、黃浦江區和武陽區。杭嘉湖區受海洋影響較大，產水量較其他3個分區高；武陽區靠近內陸，受海洋氣候影響相對較小，單位面積產水量最小。1995年太湖流域產水量為255.3億m3，單位面積生態系統產水能力為270～1 351 mm，均值為691 mm；從單位面積產水能力來看，整體上產水量呈由西北向東南遞增趨勢，其余空間分布特征與1990年相似；與1990年相比，絕大部分區域的單位面積生態系統產水能力在減少。2000年太湖流域產水量為324.7億m3，單位面積生態系統產水能力為473～1 455 mm，均值為880 mm；從單位面積產水能力來看，整體上產水量由西北向東南遞增趨勢，產水能力較1990和1995年大幅增加，增幅超過10%。2005年太湖流域產水量為227.7億m3，單位面積生態系統產水能力為291～1 062 mm，均值為617 mm；從單位面積產水能力來看，整體上產水量由東北向西南遞增趨勢，產水能力較1990—2005年大幅減少。2010年太湖流域產水量為276.0億m3，單位面積生態系統產水能力為280～1 398 mm，均值為748 mm；從單位面積產水能力來看，整體上產水量由北向南遞增趨勢，產水能力與1990年大致持平，但空間分布較1990年區別很大，差異性和不均衡性較1990年大。

表4 太湖流域各區產水量統計 mm

1990—2010年，太湖流域產水量波動性明顯。總體上，山區丘陵地帶較平原地帶產水量大。單位面積產水量從大到小排序為杭嘉湖區、湖西及湖區、黃浦江區和武陽區。4個分區在時間序列變化趨勢上是一致的，均在1995年和2005年出現了下降，其中2005年降幅最大。單位面積產水量與降水量空間分布特征相一致，其大小變化與降水量高度相關。對4個分區年降水量和產水量相關性進行分析，其確定性系數R2從大到小排序為：黃浦江區、武陽區、杭嘉湖區和湖西及湖區。這是因為黃浦江區和杭嘉湖區人類活動作用巨大，建設用地快速增加，杭嘉湖區同時受到海洋性氣候影響，而湖西及湖區則存在丘陵山地，土地利用/覆被類型復雜。特別值得注意的是，產水量空間分布的差異性和不均衡性正在增大，聚落特別是建設用地增加使產水量增加，即增加了區域水源涵養生態系統功能。總體上，降水量對產水量的影響要大于土地利用/覆被。有關自然資源管理的決定應該圍繞生態系統服務功能權衡及生態系統服務功能間的相互協同作用兩個方面開展[18-20]。

(a) 1990年 (b) 1995年 (c) 2000年

(d) 2005年 (e) 2010年

3 結 論

將InVEST產水量模型應用于太湖流域，得到1990—2010年每5年共5期的水源涵養能力即產水量變化情況。結果表明：太湖流域總產水量為227.7～324.7億m3，波動性明顯。山區丘陵地帶較平原地帶產水量大，南部地區較北部產水量大。單位面積產水量從大到小排序為杭嘉湖區、湖西及湖區、黃浦江區和武陽區，這是自然地理特征和人類活動共同作用的結果。4個分區在時間序列變化趨勢上是一致的。總體上，降水量對產水量的影響要大于土地利用/覆被。

參考文獻：

[1]中國可持續發展林業戰略研究項目組.中國可持續發展林業戰略研究總論[M]．北京：中國林業出版社，2002.

[2]歐陽志云,王效科.中國陸地生態系統服務功能及其生態經濟價值的初步研究[J].生態學報,1999,19(5):607-613.(OUYANG Zhiyun,WANG Xiaoke.A primary study on Chinese terrestrial ecosystem services and theirecological-economic values[J].Acta Ecologica Sinica,1999,19(5):607-613.(in Chinese))

[3]DAILY G C.Nature’s services:societal dependence on natural ecosystems[J].Pacific Conservation Biology,1997,6(2):220-221.

[4]水利部太湖流域管理局.太湖流域和東南諸河水資源公報[R].上海：水利部太湖流域管理局，2012.

[5]GOLDMAN R L.EcoLogic ecosystem services and water funds:conservation approaches that benefit people and biodiversity[J].Journal,2009,101(12):20-22.

[6]CARR J，COSTA F P D.Evaluation of an empirical equation for annual evaporation using field observations and results from a biophysical model[J].Journal of Hydrology，1999，216(1/2):99-110.

[7]MILLY P C D,DUNNE K A.Macroscale water fluxes 2:water and energy supply control of their interannual variability[J].Water Resources Research，2002，38(10):241-249.

[8]傅抱璞.論陸面蒸發的計算[J].大氣科學,1981,5(1)25-33.(FU Baopu.The calculation of surface evaporation[J].Atmospheric Sciences,1981,5(1)25-33.(in Chinese))

[9]孫福寶，楊大文，劉志雨，等.基于Budyko假設的黃河流域水熱耦合平衡規律研究[J].水利學報，2007，38(4) :409-416.(SUN Fubao,YANG Dawen,LIU Zhiyu,et al.Study on coupled water-energy balance in Yellow River basin based on Budyko Hypothesis[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38(4)：409-416.(in Chinese))

[10]嚴巖.遼河流域生態系統評估[M].北京:科學出版社，2016.

[11]陳駿宇,劉鋼,白楊.基于InVEST模型的太湖流域水源涵養服務價值評估[J].水利經濟,2016,34(2):25-29.(CHEN Junyu,LIU Gang,BAI Yang.Evaluation of service value of water conservation in Taihu Lake basin based on InVEST model[J].Journal of Economics of Water Resources,2016,34(2):25-29.(in Chinese))

[12]趙煜飛,朱江.近50年中國降水格點日值數據集精度及評估[J].高原氣象,2015,34(1):50-58.(ZHAO Yufei,ZHU Jiang.The accuracy and evaluation of the data sets of China’s precipitation in the past 50 years[J].Plateau Meteorology,2015,34(1):50-58.(in Chinese))

[13]SHANG G,DAI W Y,LIU B,et al.A China data set of soil properties for landsurface modeling[J].Journal of Advances in Modeling Earth Systems,2013,5(2)：212-224.

[14]周文佐.基于GIS的我國主要土壤類型土壤有效含水量研究[D].南京：南京農業大學,2003.

[15]ZHANG Canqiang,LI Wenhua,ZHANG Biao,et al.Water yield of Xitiaoxi River Basin based on InVEST modeling[J].Journal of Resources and Ecology,2012,3(1):50-54.

[16]YANG G.The process and driving forces of change in arable-land area in the Yangtze River Delta during the past 50 years[J].Journal of Natural Resources,2001,16:121-127.

[17]萬榮榮,楊桂山.太湖流域土地利用與景觀格局演變研究[J].應用生態學報,2005,16(3):475-480.(WAN Rongrong,YANG Guishan.Changes of land use and landscape pattern in Taihu Lake Basin[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2005,16(3):475-480.(in Chinese))

[18]朱威,周小平,蔡杰.太湖流域水環境綜合治理及其啟示[J].水資源保護,2016,32(3):149-152.(ZHU Wei,ZHOU Xiaoping,CAI Jie.Lessons from comprehensive management of water environment in Taihu Basin[J].Water Resources Protection,2016,32(3):149-152.(in Chinese))

[19]吳哲,陳歆,劉貝貝,等.不同土地利用/覆蓋類型下海南島產水量空間分布模擬[J].水資源保護,2014,30(3):9-13.(WU Zhe,CHEN Xin,LIU Beibei,et al.Simulation of spatial distribution of water yield of Hainan Island with different types of land use/land cover[J].Water Resources Protection,2014,30(3):9-13.(in Chinese))

[20]白楊,鄭華,莊長偉,等.白洋淀流域生態系統服務評估及其調控[J].生態學報,2013,33(3):711-717.(BAI Yang,ZHENG Hua,ZHUANG Changwei,et al.Ecosystem services valuation and its regulation in Baiyangdian Baisn:based on InVEST model[J].Acta Ecologica Sinica,2013,33(3):711-717.(in Chinese))