遼河流域水源涵養能力評價及其變化特征分析

沈亞西

(遼寧省葠窩水庫管理局有限責任公司，遼寧 遼陽 111000)

水生態系統作為生態系統的關鍵性組成部分，其主要包括對供給、調節、支持以及文化服務四大主要方面，不僅可為人類的生產生活提供基礎性的必備產品，而且對維持生態系統環境、結構和生態功能發揮重要作用。生態系統提供的重要服務類型主要包括水資源供給與水源涵養，因此可以利用產水量評價生態系統水資源供給服務。流域蒸散發、截流量以及滲透特征與土地利用/覆蓋、氣候等因素密切相關。近年來，頻繁的人類活動以及劇烈的氣候變化，尤其是快速的社會經濟發展與城鎮化進程顯著改變了土地利用/覆被，從而對流域水文過程和地區水源涵養能力產生了劇烈的影響[1-6]。

遼河流域作為我國東北部地區社會發展與經濟活動最具活力的區域之一，其水源涵養功能對區域可持續發展和水資源管理規劃具有重大意義，對生態系統涵養水分功能的定量描述不僅可促進該區域社會經濟的持續、快速、穩健的發展，而且可為流域生態文明建設提供一定決策依據。針對遼河流域歷史時期的水文循環，國內外已有相關研究報道，但是所涉及到的時間序列較短，并且各學者的側重點與理論方法不盡相同，對遼河流域較長時間序列的變化特征描述及水源涵養能力分析相對更少。本文以遼河流域為空間尺度，并選取時間尺度為2000—2016年，對該流域水源涵養能力利用InVEST產水模型進行了評價，進一步分析了其時空變化特征，以期為促進該區域水資源的管理規劃，并充分發揮生態服務功能提供一定理論支持和決策依據。

1 研究概況與方法

1.1 遼河流域概況

遼河流域位于我國東北地區西南部，不僅是我國的重要糧食基地而且位于東北地區工業發展核心位置，流域內各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折，主要支流有老何哈、渾河、太子河、柴河等，流域全長1345km，占地面積為21.9萬km2。冬季漫長寒冷、夏季炎熱干燥屬于半干旱半濕潤氣候過渡區，年均降水量為350～1000mm，并且主要集中在6—9月份，多以暴雨或強降雨的形式出現，降雨量由東南向西北方向整體呈降低趨勢。區域內海拔高度由西北向中南部逐漸降低，最高和最低處約為1650mm和860m；氣溫在平原地區較高，山地較低由南向北整體呈降低趨勢，多年平均氣溫為4～9℃，由南向北方向年蒸發量依次遞減并處于為982～1650mm范圍。在水資源三級分區中可將遼河流域劃分為遼寧區、吉林區、蒙古區以及河北區4個區域[7-9]。

1.2 研究方法

InVEST模型是由斯坦福大學聯合其他機構協會研發的一種用于生態系統服務評估的多模塊計算模型。產水量模型作為InVEST模型的基礎模塊之一，在大尺度流域和地區具有廣泛的應用前景。該模型相對于其他水文模型在空間分析與展示上因依托于地理信息系統具有明顯的優勢和特點。水量平衡和Budyko理論為該模型的主要依據和理論基礎，學者Budyko指出大氣對陸面的蒸散發需求和水分供給之間的平衡是決定陸面長期平均蒸散發的關鍵因素。水源涵養服務功能的綜合表現為水與多種生態系統之間的共同作用，如土壤、森林、濕地等，水量均衡理論為InVEST模型中產水模塊的平衡計算的主要依據，在充分考慮氣候、土地利用/植被覆蓋類型、氣候環境等因素的基礎之上，將降水量減去實際蒸散發量即為各個格柵的水源涵養量，其中植被有效含水量、年均蒸散發量、降水量、根系深度、土地利用類型分布、植被蒸散發系數等為模型的主要參數。采用平均時段參數值作為蒸散發量與降水量數值。在中國北京森林區、美國多個山脈、群島以及西苕溪流域等區域，InVEST中的產水量模型已經得到了廣泛的應用和論證[10-12]，對各單元柵格上的產水量利用InVEST模型進行求解，其表達式為：

(1)

式中，Yxj—第j種植被類型對應于x格柵單元的產水量，mm；AETxj—第j種植被類型對應于x格柵的年實際蒸散量，mm；Px—x格柵單元的年均降產水量，mm。

(2)

式中，Rxj—第j中土地利用類型對應于x格柵的Budyko的干燥指數；ωx—用于描述土壤性質與自然氣候的經驗參數，即用于修正年降水量與需水量比值。

為適用于其他范圍在模型中對該參數進行了較大的修正，其中ωx修正最小值為1.25，即根系深度為0的裸土修正值；最大值設定為5，ωx計算公式為：

(3)

式中，Z—張系數，可反映多年平均降水特征的經驗常數，不僅與年均降水量次數相關，而且受季節性變化影響，Z值在降水總量相同的區域隨降水次數的增多而增大，在降水次數較多且具有明顯季節性變化特征的區域該參數具有較強的適用性與可行性；AWCx—在x格柵單元的土壤有效含水量，mm，通常是指貯藏域一定深度的土壤內并能夠被植被利用的水量，可根據有效根系深度和土壤紋理獲取。

年降水量、集水區、子集水區、土地利用/覆被、年潛在蒸散發量、能夠反映土地利用/覆被屬性的表格以及根限制層深度等為InVEST模型所需數據的主要來源。對遼河流域1995—2015年土地利用/覆蓋的各期分布狀況，可利用5年間隔生態分布系統進行獲取，該數據是結合地面調查研發和衛星遙感數據，并經過分類處理得到精度為100m的數據集合。

利用中國氣象數據網獲得格點數據質量較好的參考蒸散發與降水量數據，采用1995—2015年5期的土地利用/覆被條件對應年份的降水量均值，作為模型所需降水數據的來源。影響作物需水量估算的核心是對參考蒸散發數值的確定，目前常用的方法有Hamon法、Penman-Monteith法，Hargreaves法等，其中被廣泛認可的潛在蒸散發計算方法為Penman-Monteith法。

所需氣象資料來源于遼河流域及其附近各氣象站點觀測數據，主要包括日照時數、平均風速、日最高與最低氣溫、大氣壓以及相對濕度等。通過計算各站點逐日參考蒸散發數據，并選取5年平均值作為相應年份參考值，然后對研究區域參考蒸散發分布特征根據反距離權重法空間差值獲取。

根系穿透時的土壤深度可受到土壤理化特性與物理性質的影響作用，因此可采用土壤深度代替根限制深度。由中國土壤數據集作為土壤深度數據的來源，主要包括有機質、土壤結構、深度、厚度等參數。考慮到水體數據并未存在于數據集中，因此可根據土地利用類型將聚落、水庫與河流的土壤深度設定為0，并得到土壤深度分布特征。

植被可利用水分是指在一定深度內土壤能夠儲存的用于植物生長需要的水分，通常情況下可利用永久萎蔫系數與田間持水量之間的差值對植被有效含水量進行估計，在InVEST模型中其取值范圍為0～1，并采用非線性擬合模型對土壤質地與有機質進行模擬。

植被蒸散法系數、最大根系深度、名稱描述、代碼為土地利用/覆被生物物理因子的主要內容。通過調整參考蒸散發可得到植被蒸散法系數，而對于農作物可根據農業組織與聯合國糧食灌溉手冊進行查詢，蒸散發系數位于0～1.5之間。對土地利用是否被植被覆蓋可通過實際蒸散發代碼進行確定。另外，結合相關文獻資料可將張系數Z取值范圍設定為1～2，并將遼河流域自然地理特征設定為6.2。根據上述分析結果，InVEST模型部分參數設定結果見表1。

表1 產水模型部分參數設定值

2 結果與分析

結合遼河流域社會經濟特點和自然地理特征，利用上述模型進行分析評價，最終得到土地利用/覆被和降水量為驅動該流域水源涵養能力改變的主要因素。不同時期遼河流域各分區的降水量變化情況見表2。

表2 不同時期遼河流域年降水量 單位：mm

由表2可知，在時間序列上4個區域的降水量時間變化趨勢基本保持一直，各區域在2000年和2010年期間的降水量均呈現出一定幅度的下降，并且以2010年下降幅度最為明顯，此期間受氣候條件的影響較大。在2015年各區域降水量基本與1995年持平，因吉林區域自然地理條件的差異，其降水量差異雖大，并且隨時間變化出現較大的變化特征。降水量由東南向西北方向呈現出逐漸降低的變化趨勢，并且降水量在各年份的分布狀況存在一定的差異，該分析結果與遼河流域實際狀況保持良好的一致性。

遼河流域土地利用/覆被類型在不同時期的變化情況見表3。土地利用/覆被類型主要以農田為主，其次為森林和水體濕地，其他各類占比相對較低，均小于0.5%。

表3不同時期遼河流域土地利用/覆被類型比例單位：%

結果顯示，在研究期間農田比例呈現出逐漸下降的趨勢，累計下降量超過10%以上，而森林占比波動相對較小，基本保持穩定。自2005年以來草地類型相對穩定，并保持在0.45%水平，而在之前期間呈現出下降趨勢。水體濕地整體呈現出增大趨勢，而聚類面積逐漸增加并且增大幅度相對較大，其他類型面積在1995年變化較為明顯，而在后期逐漸趨于穩定，在0.04%水平。根據上述各區域土地類型比例變化情況，在2010—2015年為各土地利用/覆被類型的變化相對較為劇烈。

通過分析不同土地利用類型之間的轉化情況可以看出，農田面積在研究期間被大面積的占用，建設用地面積不斷增大。結合研究流域實際情況，造成農田面積顯著降低的主要原因為農業結構的調整、交通建設用地的增加以及城市化工業化的發展。大量耕地面積的流失是該流域目前面臨的主要問題，并且造成該變化的因素還與沿海區域經濟發展戰略、房地產改革以及城市開發等相關。

在5期內各分區的山水量分布見表4，由上表計算結果可知，遼河流域在1995—2015年的產水量整體呈現較為明顯的波動性特征，并且產水量在山區丘陵地帶的吉林區較大處于720～933mm范圍，而在平原地帶河北區相對較小為510～751mm范圍。

表4 不同時期遼河流域產水量統計 單位：mm

3 結語

本文以遼河流域為例，通過將1995—2015年期間劃分為5個期間，利用InVEST產水模型研究了該區域水淹涵養能力及其變化特征，得出的結論如下：

(1)在時間序列上4個區域的降水量時間變化趨勢基本保持一直，各區域在2000年和2010年期間的降水量均呈現出一定幅度的下降，并且以2010年下降幅度最為明顯，此期間受氣候條件的影響較大。

(2)農田比例呈現出逐漸下降的趨勢，累計下降量超過10%以上，而森林占比波動相對較小，基本保持穩定；自2005年以來草地類型相對穩定，并保持在0.45%水平，而在之前期間呈現出下降趨勢。

(3)遼河流域在1995—2015年的產水量整體呈現較為明顯的波動性特征，并且產水量在山區丘陵地帶的吉林區較大，而在平原地帶河北區相對較小。并且，在總體上土地利用/覆被對產水量的影響作用低于降水量。