基于INVEST 模型的資水流域產水量及其對環境響應的評估分析

周懿琳，毛德華

（湖南師范大學地理科學學院，長沙 410081）

水是人類賴以生存的自然資源，同時也是社會經濟賴以發展的重要物質基礎［1］。隨著城市化進程加快，社會經濟活動對水資源的生態占用逐漸加強，對水循環水環境的干預加強，再加上氣候變化引起水源供給的不確定性［2］，導致水生態系統服務功能減弱［3］，為了使水資源滿足社會經濟發展又不對生態系統產生破壞，定量地研究水生態系統的水源供給功能尤為重要。目前，較為成熟的水文分析模型以及生態系統服務功能評估模型有SWAT 模型、INVEST 模型等，INVEST 模型因其參數小、數據要求低［4］，且INVEST 模型的產水量模塊（Water yield）可以定量化地估算一個區域的產水量，精度較高，引起了國內外學者的廣泛關注，國外學者如Manish 等［5］研究了泰國松克拉姆河流域土地利用變化及其對產水量的影響；Bastola 等［6］估算了尼泊爾巴格馬蒂盆地的產水量；Kim 等［7］對朝鮮森林產水量進行了量化。中國學者對阿克蘇流域［8］、石羊河上游［9］、大凌河上游［10］、海南島［11］、大連市［12］、丹江口庫區［13］、東北地區［14］、橫斷山區［15］等區域的產水量空間格局以及影響因素進行了研究，且模型估算效果較好，有助于當地對水資源的合理利用和規劃。由于不同區域自然環境以及社會經濟不同，經過統計發現，中國學者對產水量的研究集中于生態環境脆弱的西北干旱地區、東北地區以及西南的橫斷山區，對中部地區產水量研究較少，資水為長江流域洞庭湖水系的四大水系之一，也是洞庭湖水系的第三大支流，資水流域具有豐富的水資源，關于資水流域的研究，主要有劉培亮等［16］研究了資水流域汛期徑流量的變化規律，張愛玲等［17］基于SWAT 模型模擬了資水流域徑流量，向鵬等［18］研究了資水營養鹽變化規律及水質，而資水流域屬于亞熱帶濕潤地區，植被覆蓋度高，降水豐富，徑流量大，基于INVEST 模型的產水量模塊，研究了 2005 年、2010 年和 2015 年資水流域的產水量情況，并根據背景分析法，分析了資水流域降水量和土地利用變化對產水量的影響，通過對資水流域產水量定量化評估，有利于合理規劃流域水資源，促進流域經濟發展。

1 研究區概況

資水為長江流域洞庭湖水系的四大水系之一，也是洞庭湖水系的第三大支流（圖1），發源于城步苗族自治縣的雪峰山東麓，流經洞口、武岡、隆回、邵陽、新邵、冷水江、新化、安化、桃江、赫山、資陽等縣（市）。流域涉及湖南省邵陽、益陽、婁底、永州、懷化、常德和廣西壯族自治區桂林等7 個地級市的24個縣（市），全長653 km。資水流域為亞熱帶季風氣候，年均溫在20 ℃左右，年降水量在1 200～1 800 mm，氣候溫和濕潤，風景優美，適宜居住，流域地勢西南高東北低，主要分布有丘陵、盆地和山丘，丘陵和盆地占40%，山丘占50%，其余為平原湖區。資水流域多年平均徑流量為252×108m3。徑流量年際變化較大，最大年徑流量為378.8×108m3。資水流域在湖南省的面積占比為95.4%，在廣西占比為4.6%，考慮到數據的可獲得性以及統計方便，本研究選取了資水流域在湖南省的部分區域。

圖1 資水流域分布范圍及其水系

2 研究方法及數據來源

2.1 INVEST 模型

式中，YXJ表示研究區域的年產水量，AETXJ表示年均實際蒸散量，PX表示年均降水量。

式中，RXJ為無量綱干燥指數，由潛在蒸散量與降水量的比值而得。

式中，ET0為年平均潛在蒸散量，KXJ為柵格單元中不同土地覆被類型對應的植被蒸散系數，其值可以通過查閱資料獲得。

式中，AWCX為植物可利用含水量，其數值由土壤深度、土壤質地以及有機質含量決定。Z是Zhang系數，是一個經驗系數，不同研究區域其數值也不同。

2.2 背景分析法

INVEST 模型產水量模塊基于水量平衡原理，研究區的產水量定義為降水量扣除蒸散量后剩余的水量，其中蒸散量包括植物蒸騰和地表蒸發，所以降水量是影響區域產水量的氣候因素，而蒸散量主要受土地利用/覆被影響，為了進一步探究氣候變化（降水量）和人類活動（土地利用/覆被）對產水量的影響，設計了2 種背景，背景1 輸入的降水數據為2005年、2010 年，土地利用/覆被數據為 2010 年、2015 年，降水數據保持不變，探究2005—2010、2005—2015、2010—2015 年土地利用/覆被對產水量的影響；背景2 輸入的土地利用/覆被數據為 2005 年、2010 年，降水數據為2010 年、2015 年，土地利用/覆被數據保持不變，探究2005—2010、2005—2015、2010—2015 年氣候變化對產水量的影響。

2.3 數據來源與處理

2.3.1 土地利用/覆被數據 研究需要的土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn/），其數據分辨率為30 km，數據精度較高，可以很好地反映研究區的真實情況，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和未利用土地6 個一級類型以及25 個二級類型。對獲得的湖南省 2005 年、2010 年、2015 年土地利用數據進行裁剪，得到資水流域的土地利用數據。

2.3.2 年均降水量 降水量數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn/），為中國1980 年以來逐年年降水量空間插值數據集，分辨率為1 km，該數據集精度較高。選取2004—2006年、2009—2011 年、2013—2015 年的數據，通過 Arcgis 柵格計算器進行平均處理，得到2005 年、2010年、2015 年的降水量插值數據。

文件查詢功能是用戶對系統存儲的用戶專屬數據的查詢，用戶登錄可在文件目錄中查看專屬文件列表，利用FileSystem.listStatus()方法可獲取用戶專屬數據的狀態[4]。通過系統查詢功能設置查詢文件名，利用seacherFiles()方法實現對文件的查詢，查詢功能實現封裝在UserFile類中，部分功能實現的代碼如下：

2.3.3 年平均潛在蒸散量 潛在蒸散量是指在保持充分供給的土壤或水面，經過蒸發或植物蒸騰能達到的最大蒸發量。計算潛在蒸發量的公式有聯合國糧農組織FAO 推薦的Penman-Monteith 公式（PM）、Hargreaves 公式、改進的 Hargreaves 公式（Modified-Hargreaves）等，其中PM 公式所需要的氣象數據較多，包括最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速等，且公式所需參數較多，因此受到了限制。本研究采用改進的Hargreaves［19］公式，數據獲取容易且計算結果可靠。在中國氣象網下載2004—2006 年、2009—2011 年、2013—2015 年逐日降水、氣溫以及輻射數據，通過公式計算得到 2005 年、2010 年、2015 年的潛在蒸散量，在Arcgis 中進行插值，得到2005 年、2010年、2015 年年均潛在蒸散量柵格數據集。

式中，TAV為研究區平均每日最高氣溫和最低氣溫的均值，℃；TD為這兩者的差值，℃，P為月平均降雨量；RA為天文輻射量，MJ/（m2·d）。

2.3.4 土壤數據 土壤數據下載于寒旱區數據中心（http：//www.ncdc.ac.cn/portal/），該數據來源于聯合國糧農組織（FAO）和維也納國際應用系統研究所（IIASA）構建的世界土壤數據庫（Harmonized World Soil Database version 1.1）（HWSD），中國境內數據源為第二次全國土地調查南京土壤所提供的1∶100 萬土壤數據。通過Arcgis 裁剪獲得資水流域的土壤數據，該土壤數據屬性包括FA090 土壤分類系統中土壤名稱、土壤參考深度、土壤質地（沙含量、淤泥含量、黏土含量）以及土壤的各種物理屬性參數等。土壤限制深度來源于土壤數據。

植物可利用含水量數據來源于土壤數據。

式中，SAN為沙含量，%；SIL為粉粒含量，%；CLA為黏土含量，%；C為有機質含量，%；PAWC可通過Arcgis 中字段計算器計算獲得。

2.3.5 流域分區 高程（DEM）數據來源于地理空間數據云網站，其分辨率為30 m，通過Arcgis 提取，得到所研究的資水流域高程圖，經過填洼、流向、流量分析，得到研究區的流量、流向，然后對其進行河網分級、傾瀉點捕捉，形成集水區，共形成226 個流域分區，每一個流域分區賦予一個惟一值。

2.3.6 其余數據 INVEST 模型需要輸入蒸散發相關系數，包括植被蒸散系數以及最大根系深度，可以參考相關研究成果，或查閱聯合國糧農組織相關資料獲得［20，21］。

Z參數是表示區域降水特征的常數，數值為1～30，不同區域對應不同的數值，因此要對研究區的Z參數進行校驗。模型的校準選用資水流域的多年平均徑流量252×108m3，資水流域徑流量數據來源于中國河流泥沙公報，通過不斷調整Z參數，當Z參數取 28.5 時，2005 年產水量總體積為 332.17×108m3，2010 年產水量總體積為 280.45×108m3，2015 年產水量總體積為317.48×108m3，與多年徑流量值最為接近，而且根據Donohue 等［22］對澳大利亞一系列氣候條件的研究，發現降雨次數越多，Z值越大，所以Z參數取28.5 也符合資水流域的降雨事件。

3 結果與分析

將產水量模型需要的數據導入后，運行模型，得到 2005 年、2010 年、2015 年的產水量分布（圖 2），從時間尺度來看，2005—2015 年，產水總量先降低又升高，但變化幅度不大，2005 年產水量為352.789～1 616.91 mm，年平均產水量為1 153.39 mm，產水總體 積 為 332.17×108m3；2010 年 產 水 量 為 216.216～1 470.7 mm，年平均產水量為973.81 mm，產水總體積 為 280.45×108m3；2015 年 產 水 量 為 282.342～1 622.23 mm，年平均產水量為1 102.37 mm，產水總體積為317.48×108m3。從空間尺度來看，3 個年份產水量的空間格局為北高南低，從婁底市以北到益陽市，產水量較高，婁底市以南到邵陽市，產水量相對較低。2005 年到2010 年，產水量整體空間格局變化較小，2005 年婁底市以南到邵陽市綠色區域較2010 年多，2005 年安化縣、桃江縣西部產水量較2010 年多，其余地區產水量空間變化較小。2005 年到2015 年，邵陽市南部新寧縣、城步苗族自治縣的產水量明顯增多，其余地區產水量空間變化不大。

圖2 2005—2015 年資水流域產水量分布

為了更好地區分產水量變化情況以及產水量高低格局，將資水流域劃分為3 個等級，由于資水流域產水量較高，所以等級劃分只是相對資水流域劃分，產水量＜1 150 mm，為低產水量區；產水量在1 150～1 250 mm，為中產水量區；產水量＞1 250 mm，為高產水量區。從整體來看（圖3），資水流域產水量大部分都處于低中水平，根據不同產水量等級統計（表1），2005 年低產水量區面積為 12 544.97 km2，占流域面積的43.51%；中產水量區面積為16 148.87 km2，占流域面積的56.01%；高產水量區面積為138.27 km2，占流域面積的0.48%，可以看出2005年資水流域產水量大部分處于中等水平。2010年產水量變化幅度較大，全部為低產水量區，中產水量和高產水量區都下降到了0。2015年低產水量區面積為21 289.35 km2，占流域面積的73.84%；中產水量區面積為7 542.76 km2，占流域面積的26.16%；高產水量區面積為0，2005 年至2015 年，低產水量區整體呈上升趨勢。

圖3 各處理經濟效益分析

表1 2005—2015 年產水量等級面積占比

圖3 2005—2015 年資水流域產水等級分布

4 土地利用變化和氣候變化對產水量的影響

4.1 土地利用變化對產水量的影響

2005—2015 年資水流域的各類土地利用面積均發生了變化，從整體上來看，資水流域最主要的土地利用類型是林地，林地在各類土地利用中所占面積最大，占資水流域面積的62%；其次是耕地，耕地面積占資水流域面積的32%，耕地和林地面積占比也反映了湖南省是林業和農業大省，其森林生態系統在全球也具有很高的代表性；水域占資水流域面積的2%；城鄉工礦居民用地和草地面積接近，未利用土地面積占比最小。根據2005—2015 年土地利用轉移矩陣（表2），2005—2015 年，耕地、林地、草地呈減少狀態，耕地減少的最多，減少了187.62 km2，水域、城鄉工礦居民用地、未利用土地呈增加狀態，城鄉工礦居民用地增加的最多，增加了212.51 km2，說明2005—2015 年，城市化進程加快，城鄉工礦居民用地在增加。耕地向林地和城鄉工礦居民用地轉移的最多，說明在城市化進程加快的同時，人們的生態文明意識也加強，逐步退耕還林；林地向耕地、草地、水域、城鄉工礦居民用地轉移較多；草地主要向耕地和林地轉移；城鄉工礦居民用地向耕地轉移的最多，占轉移面積的7%；未利用土地轉移面積變化不大。

表2 2005—2015 年資水流域土地利用轉移矩陣 （單位：km2）

4.1.1 不同土地利用類型產水量和蒸散發分析 土地利用/覆被是通過下墊面來影響蒸散發過程的，下墊面不同，蒸散發的大小也不同。利用Arcgis 的分區統計功能，分別統計了 2005 年、2010 年、2015 年 6種土地利用類型的產水量（圖4），從2005 年到2015年，耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和未利用土地均呈先減少后增加的趨勢，2010 年各個土地利用類型的產水量最少。城鄉工礦居民用地和未利用土地產水量較大，其次是草地、耕地、林地和水域。再對 2005 年、2010 年、2015 年不同土地利用類型的實際蒸散發進行統計（圖5），發現水域＞林地＞耕地＞草地＞城鄉工礦居民用地＞未利用土地，城鄉工礦居民用地多為不透水地面，未利用土地多為荒地，下滲少，且植被相對較少，對降水的截留作用少，降落到地面的水大多形成地表徑流，再加上城鄉工礦居民用地和未利用土地的蒸散量較小，所以其產水量較高。草地、耕地、林地植被較多，對降水截留較多，可以將降水有效保存，且其土壤多為壤土，含水量較高，再加上蒸散發的共同作用，使得草地產水量大于耕地和林地。

圖4 不同土地利用類型的產水量

圖5 不同土地利用類型實際蒸散發

4.1.2 土地利用變化對產水量的影響 背景1 中，為了探究土地利用變化對產水量的影響，在2005年的降水條件下，改變土地利用數據，當土地利用數據為2010 年，年平均產水量為1 137.96 mm，產水總體積為327.73×108m3，與2005 年真實場景相比，年平均產水量下降了15.43 mm，產水總體積下降了4.44×108m3，2005—2015 年在土地利用變化的情況下，年平均產水量為1 133.549 mm，產水總體積為326.46×108m3，與2005年真實場景相比，年平均產水量下降了19.84 mm，產水總體積下降了5.71×108m3。在2010年降水條件下，土地利用數據為2015年，年平均產水量為988.67 mm，產水總體積為284.73×108m3，與2010 年真實情景相比，年平均產水量上升了14.86 mm，產水總量上升了4.28×108m3，根據產水量數值變化情況，土地利用變化對產水量的影響不大。從產水量區來看（圖6、表3），2005—2010 年，在土地利用/覆被變化的情況下，低產水量區上升了16.29%，中產水量區下降了16.05%，高產水量區上升了0.24%。2005—2015 年，低產水量區上升了18.30%，中產水量區下降了18.06%，高產水量區上升了 0.24%。2010—2015 年，與基準年 2010 年相比，產水量區沒有變化，全部為低產水量區。2005—2015 年，耕地、林地、草地呈減少狀態，水域呈增加狀態，再加上這幾類土地利用類型產水量較低，導致2005—2015 年低產水量區增加，而 2005—2015 年高產水量區增加，可能是城鄉工礦居民用地、未利用土地增加的緣故。

圖6 土地利用變化下的產水量區

表3 土地利用變化下產水量區面積占比

4.2 氣候變化對產水量的影響

降水量和蒸散量是影響產水量大小的氣候要素，為了更直觀地顯示降水量和蒸散量對產水量的影響，分別對 2005 年、2010 年、2015 年平均降水量和產水量、平均潛在蒸散發和產水量進行了相關分析（表4），經過計算，降水量與產水量呈正相關，降水量越多，產水量越多；蒸散量與產水量呈負相關，蒸散量越多，產水量越小，且降水量、潛在蒸散發均與產水量在0.01 水平上顯著相關。資水流域2005 年降水量為 1 384.81～1 684.22 mm，2010 年降水量為1 186.49～1 567.49 mm，2010 年降水量相比 2005 年有所下降，2015 年降水量為 1 336.77～1 713.43 mm，降水量與2005 年較為接近。降水量的空間格局與產水量一致，2005 年、2010 年、2015 年降水量都是中部偏北較高，南部較低，從安化到桃江降雨量較多，而邵陽為江南丘陵大地形區，夏季炎熱少雨，是有名的干旱丘陵區。2005 年潛在蒸散量為0～1 147 mm，2010 年潛在蒸散量為 0～1 217.1 mm，2015 年潛在蒸散量為0～1 274.7 mm，2005—2015 年潛在蒸散量變化不大。

表4 產水量與降水量、潛在蒸散發的相關系數

背景2 中，資水流域土地利用為2005 年，當輸入2010 年的降水量數據時，資水流域年平均產水量988.67 mm，產水總體積為 284.73×108m3，2005—2010 年在氣候變化的情況下，年平均產水量下降了164.72 mm，產水總體積下降了 47.44×108m3，這與2010 年降水量較2005 年降水量有所下降相吻合，降水量越少，產水量越少。2005—2015 年在氣候變化的情況下，年平均產水量為1 122.02 mm，產水總體積為 323.14×108m3，與 2005 年相比，年平均產水量下降了31.37 mm，產水總體積下降了9.03×108m3。當土地利用數據為2010 年，降水量數據為2015 年，年平均產水量為1 106.73 mm，產水總體積為318.73×108m3，與 2010 年真實情況相比，年平均產水量上升了132.92 mm，產水總體積上升了38.28×108m3，產水量上升表明2015 年較2010 年降水量有所增多。根據產水量區（圖7、表5）來看，2005—2010 年，低產水量區面積占比上升了56.49%，中產水量區與高產水量區下降為0。2005—2015 年，低產水量區面積占比上升了10.35%，中產水量區下降了10.34%，高產水量區下降了0.01%。2010—2015年，低產水量區有35.51%上升為高產水量區。通過2005—2015 年產水量變化情況，可以看出2005 年降水量最大，其次是2015 年，2010 年降水量最小，降水量與產水量息息相關，對產水量影響較大。

圖7 氣候變化下的產水量區

表5 氣候變化下產水量區面積占比

為了對比降水量和土地利用/覆被對產水量的貢獻程度，通過計算，發現 2005—2010 年、2005—2015 年、2010—2015 年，土地利用變化對產水量的貢獻分別為為8.57%、38.80%、10.06%，降水量變化對產水量的貢獻分別為91.43%、61.20%、89.94%。通過對比，可以看出降水量對產水量的影響更大。

5 結論

資水流域屬于亞熱帶濕潤地區，植被覆蓋度高，降水豐富，徑流量大。通過對資水流域產水量定量化評估，有利于合理規劃流域水資源，促進流域經濟發展。本試驗基于INVEST 模型的產水量模塊，研究了 2005 年、2010 年、2015 年資水流域的產水量情況，并根據資水流域產水量具體情況，劃分了3 個等級產水量區，分別為低產水量區、中產水量區、高產水量區。其次根據背景分析法，模擬了資水流域降水量和土地利用變化情況下，對產水量的影響。2005—2015 年，產水總量先降低又升高，但變化幅度不大，2005 年、2010 年和 2015 年平均產水量分別為 1 153.39、973.81、1 102.37 mm，產水總體積為332.17×108、280.45×108、317.48×108m3，3 個年份產水量的空間格局為北高南低，從婁底市以北到益陽市，產水量較高，婁底市以南到邵陽市，產水量相對較低。根據等級劃分，資水流域大多處于低中產水量區。

2005—2015 年，耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和未利用土地產水量均是呈先減少后增加的局勢，城鄉工礦居民用地和未利用土地產水量最大，其次是草地、耕地、林地和水域，對不同土地利用類型的實際蒸散發統計發現，蒸散發大小順序為水域＞林地＞耕地＞草地＞城鄉工礦居民用地＞未利用土地。

降水量和產水量呈正相關，潛在蒸散發和產水量呈負相關，且二者均與產水量在0.01水平上顯著相關。

背景分析下，2005—2010 年、2005—2015 年、2010—2015 年，土地利用變化對產水量的貢獻分別為為8.57%、38.80%、10.06%，降水量變化對產水量的貢獻分別為91.43%、61.20%、89.94%。通過對比，發現降水量對產水量的影響更顯著，土地利用對產水量的影響較小。