基于INVEST模型的黑水河流域水質風險評估

徐凌云,丁 玲

(上海勘測設計研究院有限公司,上海 200434)

隨著人口擴張和城市發展伴隨而來的生態系統的破壞，使得人們對生態系統服務重要性的認識與日俱增，與此同時生態系統服務功能價值的評估已成為了生態學和生態經濟學研究的熱點，生態經濟學家根據生態系統提供的各項價值并結合環境經濟學，逐步確立了一些評估生態系統服務功能的模型。目前常用的生態系統服務功能價值評估模型有INVEST模型、生態足跡模型、CITYgreen模型、EVR模型(Ecological Value at Risk)，其中，生態足跡模型[1-3]能客觀反映人類對生態系統(生態基礎設施)的需求與供給之間的矛盾，指示自然資源的壓力狀態，但缺點在于產量因子存在偏差，計算結果有高估地區生態狀態的可能，而且只涉及自然資源，對于人類可持續發展的其他方面難以測算；CITYgreen模型[4-5]可用于城市森林(小區域如一個公園、一個社區范圍，大區域如整個縣、整個市區)的結構分析與生態效益評價，同時將結果以報告形式輸出，其基于GIS軟件ArcView開發，對遙感影像的質量要求較高。EVR模型(Ecological Value at Risk)[6-7]將生態服務價值的定量化與生態風險分析的數學模型相結合，可以進行基于生態服務價值的生態風險分析研究，但模型對數據要求量較大，且模型是借鑒金融分析市場組合的VaR方法，設定了假設條件，可推廣性差。而InVEST模型[8-9]能較好地把握總體格局，體現人類活動對生境的威脅程度和影響范圍，使利益相關者權衡發展與保護的關系，尋求最佳策略。

InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)[10-11]是由美國斯坦福大學、世界自然基金(WWF)和大自然保護協會(TNC)于2007年聯合開發出的一種生態系統服務和交易的綜合評估模型。該模型基于GIS平臺，可以定量化評估各項生態服務功能，并以地圖的形式體現其空間分布特征，為自然資源管理提供最優的決策支持。目前許多專家、學者把InVEST作為一款實用的分析工具，將其應用于生態環境、水利水電、土地資源、水產養殖等不同的領域[12-13]。本研究以黑水河流域為例，介紹了如何利用INVEST模型評價黑水河流域營養鹽的空間分布特征，從不同的角度分析評價黑水河流域水質威脅，并提出保護建議，為該流域生態和自然資源的保護提供決策依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 流域概況

黑水河(圖1)是金沙江左岸一級支流，位于四川省涼山彝族自治州境內，發源于昭覺縣瑪果梁子，自北向南流經昭覺、普格、寧南3縣，于寧南縣東南部葫蘆口注入金沙江；流域面積為3 591 km2，全長173.0 km，天然落差1 931 m，平均比降1.105%，河口處多年平均流量為80 m3/s、徑流量25.25億m3。通過黑水河干流的棲息地修復與建設可發揮其流水生境對長江上游特有魚類的保護作用，并為白鶴灘庫區喜緩流和靜水生境但需流水刺激產卵的魚類提供適宜的水生生境。

黑水河流域淡水資源供應是一項有助于社會發展的重要生態系統服務功能，保障了流域農業灌溉、人口增加、工業發展和旅游活動等。目前，黑水河流域的工業開發強度較低，流域內威脅水環境的主要因素有農業面源、場鎮居民生活污水、采石挖沙及沿河工礦企業生產廢水、養殖廢水，以及地質災害引發的水環境威脅。為進一步分析全流域氮、磷營養物空間分布情況，利用InVEST2.5.4中的產水量模塊和營養鹽截流(營養物沉積模塊)模塊模擬流域氮、磷營養物負荷分布，并在此基礎上對黑水河流域水質威脅進行分析評估，為黑水河干流的棲息地修復與建設提供決策依據。

1.2 研究方法

利用產水量模塊模擬黑水河流域的降雨徑流，然后將產水量空間分布導入營養鹽截流模塊，營養鹽截流模塊通過提取數字高程模型(DEM)的坡度，確定徑流路徑，通過分析匯流能力閾值提取出河網信息，并考慮了不同植被的截留能力，模擬了氮磷自一網格遷移至下一網格過程中的沉積與截留的損失量，以此來模擬氮磷營養物隨徑流輸入至河道的空間分布。

1.2.1 產水模塊

InVEST模型的產水模塊是一種基于Budyko曲線和年平均降水的水量平衡估算方法[14]，不考慮地表水與地下水的交互作用，認為某柵格單元的降雨量減去沒有上游徑流補給時蒸散發后的水量，即為產水量。該模型首先要計算出柵格單元某種特定植被類型下的年平均產水量，由公式(1)計算獲得：

(1)

式中Yxj——柵格單元x中植被類型為j的年產水量；AETxj——柵格單元x中植被類型j的實際蒸散量；Px——柵格單元x的年平均產水量。可由Budyko曲線公式(2)近似得到：

(2)

式中Rxj——Bydyko的干燥指數；ωx——自然氣候-土壤性質的非物理參數，分別由公式(3)和公式(4)計算得到。

(3)

式中Kxj——柵格單元x中土地利用覆被類型下的植被蒸散發系數；ETox——柵格單元x中的參考蒸散。

(4)

式中AWCx——土壤有效含水量，是由土壤質地和有效土層厚度決定的；Z——季節性因子，代表季節性降雨分布和降水深度，不同的研究區域具有不同的適宜值。

1.2.2 營養鹽截留模塊

地表徑流中的氮磷通過植被緩沖帶后，其中部分氮磷通過植物吸收、微生物固定、硝化反硝化作用后被截留，部分氮磷通過土壤吸附而滲透到土層中、沉積礦化而被截留。營養物截留模塊基于改進后的輸出系數法，考慮了氮磷營養物在輸移過程中由于截留和沉積作用而不可能完全進入收納水體，以此來模擬氮磷營養物流入河川徑流中的空間分布：

ALVx=HSSx·polx

(5)

式中ALVx——柵格x調節的載荷值；polx——柵格x的輸出系數；HSSx——柵格x的水文敏感性得分值。

1.3 數據來源及處理

a) DEM數據。采用流域實測30 m×30 m的DEM數據。DEM圖中可以看出，黑水河流域北高南低，地貌多以山嶺和河谷相間，河谷到分水嶺高差較大，在700～4 000 m左右，沿河支溝發育。

b) 土地利用。土地利用數據采用2016年度實測的流域1∶250 000土地利用圖。從土地利用圖可以看出，目前黑水河流域土地利用方式主要有坡耕地、耕地、梯田、林地、建設用地、裸地、水域及水利設施用地等，以林地和坡耕地占地面積最大，分別占整個流域面積的42.0%和47.9%。坡耕地和耕地主要沿黑水河、則木河、西洛河及其兩側支溝的河谷地帶分布。根據對黑水河流域的初步調查分析，威脅流域內水文、水質及自然生態系統的主要因素還包括居民點、采石挖沙、沿河企業、養殖等幾種方式，將這幾種類型更新至土地利用圖中進行校正。

c) 土壤數據。土壤數據采用收集到的1∶100萬數字化土壤圖，包括土壤厚度、土壤顆粒組成、持水率等基本信息，土壤類型采用收集到的1∶250 000土壤類型空間分布圖。

d) 降雨與植物潛在蒸散量。降雨數據采用黑水河流域的多年平均年降雨量。根據InVEST用戶手冊上的建議和文獻查閱，發現修正的哈格里夫斯公式在計算年均潛在蒸散量上應用較廣，采用該公式計算研究區域ET0。修正的哈格里夫斯公式如下：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tav+17)×

(TD-0.0123P)0.76

式中RA——地球外輻射(太陽總輻射)，MJ/(m2·d-1)；Tav——年均日最高氣溫和年均日最低氣溫的平均值，℃；TD——年均日最高氣溫和年均日最低氣溫的差值，單位是℃；P——月均降雨量，mm。

通過中國氣象科學數據共享平臺，得到寧南站多年日最高氣溫和年均日最低氣溫，計算出Tav和TD。查閱四川省太陽能輻射分布圖，得到研究區域的RA值，取地區均值5 760 MJ/(m2·a-1)。根據哈格里夫斯公式最終計算得出黑水河流域植物潛在蒸散量的空間范圍為605～635 mm/a。

e) 模型參數取值。InVEST模型參數是基于不同土地利用類型的參數集合，主要包括植被最大根深、蒸散發系數及各個營養鹽的輸出系數、截留能力。其中植被最大根深數據參考Canadell等對于全球范圍內植被最大根深的研究[15]，并進行了率定；蒸散系數參考InVEST用戶指南，并進行了率定；而不同土地利用類型的氮磷輸出系數和氮磷去除效率參考了國內外文獻和三峽庫區農業面源污染負荷[16]，并進行了率定。率定結果具體見表1。

表1 模型參數取值

2 結果與分析

2.1 產水量模塊的校驗與營養鹽輸出空間分布

應用INVEST模型分別對流域產水和耗水進行模擬，將產水量和耗水量的差作為流域實際出水量。采用寧南水文站多年平均流量對模擬結果進行驗證(表2)。根據寧南水文站代表年多年年均流量為69.1 m3/s，年徑流量為21.79億m3，經過對產水量模塊的反復調試，模擬出的寧南水文站多年平均徑流量為20.76億m3，誤差為4.7%，與實際情況吻合較好。

將校驗后的產水量(mm)柵格圖導入營養鹽截留模塊，可以提取黑水河流域出口處的氮、磷營養鹽濃度數據，將黑水河流域出口處的總氮和總磷的濃度值與2016年實測豐水期、平水期、枯水期及年均值進行對比，對比發現模擬計算出的黑水河河口處的總氮和總磷年均濃度相對誤差分別為3%和20%(表3)。

表2 寧南水文站多年平均實測徑流量與計算徑流量對比

表3 黑水河河口處營養鹽濃度計算值與實測值對比

2.2 黑水河流域營養鹽負荷水平

根據INVEST模型模擬出2016年全年黑水河流域氮、磷營養鹽負荷空間分布及各個子流域的氮、磷營養鹽負荷空間分布，見圖2。

從圖2、3中可以看出，營養鹽的負荷輸出差異十分明顯，其中山嶺地區營養物輸出量小，而河谷地區輸出量大，這和區域的土地利用類型分布基本一致。山嶺地區土地利用類型主要為林地，人工開發強度低，面源污染產生的氮磷負荷量小，加上林地植被繁茂，對氮、磷污染物的截留率高，這些因素大大降低了山嶺地區的氮磷輸出。

各子流域氮、磷輸出負荷差異也較大，黑水河和則木河沿線所在子流域輸出負荷量較大，流域北部及黑水河東西兩側的山嶺地區所在的子流域輸出負荷量較小，各子流域中氮、磷單位面積年輸出負荷最高值分別為26.17 kg/ha、2.62 kg/ha。

2.3 黑水河流域營養鹽濃度水平

為更直觀的反映黑水河流域氮、磷營養物質的現狀水平及水環境類別，通過對各子流域氮磷輸出總量和實際產水量分布圖疊加完成單位換算，得出各子流域氮、磷平均濃度空間分布，見圖3。

從圖3可以看出，各子流域氮、磷平均濃度變化較大，總氮濃度在0.12～3.4 mg/L左右，總磷濃度在0.01～0.34 mg/L左右。根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》對黑水河流域氮磷濃度水平進行評價，總氮和總磷濃度滿足各類水質標準的子流域面積占流域總面積的比例見表4。總體來說，大部分子流域水環境質量較好，少數子流域水體中氮、磷含量超過三類水標準，而超標區域主要集中在黑水河干流、西洛河干流和則木河、西洛河交匯處所在的小流域。

表4 營養鹽濃度滿足相應水質標準的子流域面積百分比

3 結果討論

對黑水河流域水質主要威脅源進行分析和討論。

a) 從不同土地利用類型的營養鹽平均輸出量角度分析。根據氮磷營養物輸出結果，氮磷營養鹽輸出量與土地利用類型密切關聯。將黑水河流域氮磷營養鹽空間分布圖與土地利用圖進行疊加統計，得出不同土地利用類型的氮、磷平均輸出量，不同土地利用類型的氮、磷平均輸出量及貢獻率見表5。

根據表5的統計結果，養殖和采石采砂的氮、磷平均輸出量較高，水域的其次。養殖以及采石采砂的高氮磷輸出量與其自身產生的污染負荷較高有關；水體由于基本位于流域出水口，接受上游輸入的污染負荷高，其自身截留能力差，因而輸出的氮磷負荷較高；耕地、坡耕地和梯田的氮、磷輸出量相近，要略低，這與其本身的截留能力較強有關；林地的截留能力相比耕地更強，而產生的負荷也更小，所以氮、磷輸出量最小；建設用地、企業、居民的氮、磷輸出量與其負荷產生量和截留能力密切相關；裸地截留能力最差，但是由于其污染物負荷產生量也小，因此氮、磷輸出量也不高。

表5 不同土地利用類型氮、磷平均輸出量及貢獻率

b) 從超過三類水標準的子流域營養鹽平均輸出量角度分析。對氮、磷濃度超過三類水標準的子流域各土地利用類型對應的單位污染負荷貢獻率進行統計，總氮濃度超三類的子流域有12個，總氮濃度超三類的子流域氮的平均輸出量的主要威脅因子貢獻率見表6。總磷濃度超三類的子流域有4個，總磷濃度超三類的子流域磷的平均輸出量的威脅因子貢獻率見表7。從兩張表中可以看出，采石采砂、養殖、建設用地、裸地、坡耕地等的單位面積氮磷的高輸出是造成子流域氮磷濃度超標的主要威脅源，如子流域146、251單位面積氮磷輸出量最大的是建設用地，子流域84、175單位面積氮磷輸出量最大的是采石采砂，子流域183、207單位面積氮磷輸出量最大的是養殖。

表6 總氮濃度超三類的子流域單位面積氮輸出量的主要威脅因子及其貢獻率

表7 總磷濃度超三類的子流域單位面積磷輸出量的主要威脅因子及其貢獻率

4 結論

綜合上述分析，黑水河流域氮磷營養負荷的高低與流域土地利用方式和開發強度密切相關，對氮磷濃度超過三類水標準的子流域分析發現，城鎮建設(人口)、養殖、農業面源、采石采砂等是影響這些子流域水質狀況的主要威脅源，應該積極采取相應保護措施，改善這些子流域的水質狀況，如加強城鎮基礎設施建設、應用農業最佳管理措施，禁止干流河道采砂等，同時由于坡耕地的氮磷輸出總量的貢獻率較大，也需要對氮磷濃度超過三類水標準的子流域中的坡耕地采取相應的措施，如將坡耕地改造為梯田。

總體而言，InVEST模型較好地模擬了黑水河流域產水量和氮磷營養鹽負荷，并且給出了不同土地利用類型的氮磷營養鹽負荷的主要威脅因子及其貢獻率，以及根據水質標準給出了威脅程度及貢獻率較高的區域(子流域)。