沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給服務(wù)供需平衡研究

DOI：10.15928/j.1674-3075.202205180178

收稿日期：2022-05-18"""" 修回日期：2023-09-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金（41771200，41171399）。

作者簡介：程雨露，1998年生，女，碩士研究生，研究方向為可持續(xù)發(fā)展與規(guī)劃。E-mail：chengyulu07@163.com

通信作者：魏建兵，1972年生，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事景觀生態(tài)學(xué)、區(qū)域生態(tài)規(guī)劃與生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域科研和教學(xué)工作。E-mail：oliver1208@sina.com

摘要：以沈陽現(xiàn)代化都市圈為研究區(qū)，從地級市尺度上綜合自然水文過程和居民生產(chǎn)、生活消費需求，揭示區(qū)域水供給服務(wù)供需平衡關(guān)系，為區(qū)域水資源優(yōu)化管理提供依據(jù)。基于GIS平臺，采用2000、2010和2020年土地利用數(shù)據(jù)，耦合InVest模型產(chǎn)水量模塊、水需求服務(wù)模型、水資源安全指數(shù)等多種方法，以空間可視化的方式模擬研究水供給服務(wù)格局。研究結(jié)果表明：2000-2020年沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給量和水需求量均呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢，供需平衡狀況差距較大；2000年沈陽市、鞍山市、遼陽市、鐵嶺市、阜新市的水資源安全指數(shù)以及2010年、2020年沈陽市、遼陽市水資源安全指數(shù)均低于0.5；研究區(qū)水供給服務(wù)的供給與需求在空間分布上呈現(xiàn)顯著的不匹配特征，區(qū)域東部鐵嶺市、撫順市、本溪市為主要供給區(qū)，中部沈陽市、遼陽市需大于供，水資源供需矛盾突出。研究框架思路與研究結(jié)果能夠為都市圈尺度水資源供需矛盾的協(xié)調(diào)提供一定的決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水供給服務(wù)；InVest模型；水供需平衡；水資源安全；沈陽現(xiàn)代化都市圈

中圖分類號：F205；TV213.4"""""" 文獻標(biāo)志碼：A""""""" 文章編號：1674-3075（2024）04-0048-08

20世紀90年代末，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)概念及計算等研究被引入我國，歐陽志云等（1999）率先對國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間接價值進行粗略估計，并多次探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其與可持續(xù)發(fā)展研究的關(guān)系，表明生態(tài)系統(tǒng)直接或間接向人類提供了多種生產(chǎn)生活所需能源與資料，對維持人類賴以生存的生命支持系統(tǒng)、生命物質(zhì)的各類循環(huán)等過程有重要意義。之后，針對生態(tài)系統(tǒng)供給、調(diào)節(jié)、文化、支持4類服務(wù)的相關(guān)研究甚多（李雙成等，2011；張立偉和傅伯杰，2014），其中，供給服務(wù)中對人類生存和發(fā)展必不可少的水供給服務(wù)更是重中之重。水供給服務(wù)對區(qū)域的水循環(huán)和水量平衡、生態(tài)系統(tǒng)的維持和人類的生存與發(fā)展起著關(guān)鍵的作用。但因其具有很強的空間異質(zhì)性（徐潔等，2016；歐維新等，2020），導(dǎo)致水供給服務(wù)的供給與需求在空間上錯落，出現(xiàn)不匹配的問題（陳登帥等，2020）。因此，對水供給服務(wù)的供需平衡與區(qū)域流動進行定量化和空間化研究，明確水供給服務(wù)在何時何地產(chǎn)生效益并被享用（肖玉等，2016），將成為輔助決策者進行水資源管理的重要依據(jù)。

Paetzold等（2010）提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性受供給和人類需求對該服務(wù)期望供給水平的共同影響，目前，國內(nèi)外學(xué)者對水供給量服務(wù)在各尺度流域（歐維新等，2020；薛健等，2022；Serna-Chavez et al，2014）、行政區(qū)劃（吳健等，2017）層面研究都有涉及，在地表徑流（李子和張艷芳，2021）、蒸散發(fā)（潘韜等，2013）、水質(zhì)測評等方面開展了大量的評估工作，取得了豐富的研究成果。其方法主要有SWAT水文模型、InVest模型、SPANs模型、MIMES模型、ARIES模型等（Vigerstol amp; Aukema，2011）。關(guān)于水供給服務(wù)需求的模擬研究相對缺乏，大多數(shù)是基于地理數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)（陳登帥等，2020）、專家打分法（Burkhard et al，2012）、調(diào)查問卷等方法量化與分析水供給服務(wù)需求的時空分布特征。

Nelson等（2009）采用InVest模型對美國西北部威拉米特河流域的水供給服務(wù)功能進行了分析，認為從空間尺度量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有助于高效利用資源；Burkhard等（2012）運用評估矩陣繪制供需圖，對德國中部水資源盈余做了定性評估；Boithias等（2014）引入供需比（S：D）來評估埃布羅河流域供水服務(wù)的主要區(qū)域；國內(nèi)針對水資源服務(wù)研究前些年主要集中在供給服務(wù)評價上，近幾年結(jié)合需求量，識別受益區(qū)（將自身水供給量不能滿足現(xiàn)實用水需求，需要接受跨區(qū)域調(diào)配水資源的地區(qū)）研究逐漸增多。徐潔等（2016）通過對東江湖流域水供給服務(wù)研究，識別出長株潭城市群是受益區(qū)范圍內(nèi)供需狀況最為緊張的區(qū)域；陳登帥等（2020）運用SWAT模型對延河流域進行水供給服務(wù)模擬，并在預(yù)測需求量基礎(chǔ)上進行供需平衡與服務(wù)流定量分析；Xiao等（2021）利用水供給服務(wù)量和累計受益人口，對錢塘江子流域的重要性進行了評價。這些研究多從流域上下游尺度對水供給服務(wù)供需關(guān)系展開分析，并未將研究結(jié)果與行政區(qū)劃結(jié)合起來。而在大多數(shù)地區(qū)，行政區(qū)劃邊界往往與自然流域邊界并不重合，水資源管理受行政區(qū)劃的約束，造成優(yōu)化調(diào)配等方面的困難。因此，有必要在行政區(qū)劃的基礎(chǔ)上考查水資源在空間上的供需現(xiàn)狀，為未來考慮自然流域統(tǒng)一調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

本文以沈陽現(xiàn)代化都市圈為案例，開展都市圈內(nèi)各地級市行政區(qū)水資源供給量、需求量和行政區(qū)間供需服務(wù)平衡研究，為區(qū)域水資源管理優(yōu)化決策提供參考。

1"" 研究區(qū)概況

沈陽現(xiàn)代化都市圈行政區(qū)劃上包括沈陽市、鞍山市、撫順市、本溪市、阜新市、遼陽市和鐵嶺市、沈撫改革創(chuàng)新示范區(qū)。地處40°01′～43°48′N，121°03′～125°78′E，總面積6.99×104 km2，該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。地勢東高西低，以山地、丘陵、平原為主。區(qū)域內(nèi)有渾河、太子河等重要遼河支流，具體區(qū)位見圖1。

沈陽現(xiàn)代化都市圈于遼寧省“十四五”規(guī)劃綱要中首次提出，是遼寧省構(gòu)建“一圈一帶兩區(qū)”區(qū)域發(fā)展新格局的重點工程。都市圈內(nèi)部分城市生態(tài)環(huán)境脆弱，深受水資源短缺困擾，供需矛盾突出，尤其在城市地區(qū)水資源缺口日益增大。2021年，遼寧省政府強調(diào)各地級市應(yīng)爭取早日實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境共保共治，并使該都市圈成為資源優(yōu)勢向經(jīng)濟優(yōu)勢轉(zhuǎn)變的“轉(zhuǎn)換器”。因此，如何實現(xiàn)脆弱生態(tài)環(huán)境下的水資源均衡配置以及區(qū)域資源-經(jīng)濟-生態(tài)合理高效發(fā)展（肖玉等，2016），成為沈陽現(xiàn)代化都市圈發(fā)展的重要課題。鑒于此，本文耦合InVest模型產(chǎn)水量模塊、水需求服務(wù)模型、水資源安全指數(shù)等多種方法，以空間可視化的方式模擬研究沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給服務(wù)，從地級市尺度上綜合自然水文過程和居民生產(chǎn)、生活消費需求，揭示區(qū)域水供給服務(wù)供需平衡關(guān)系。

2"" 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所使用的數(shù)據(jù)主要有：沈陽現(xiàn)代化都市圈的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）、氣象數(shù)據(jù)（降水、日照、風(fēng)速、濕度）、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。其中土地利用數(shù)據(jù)（2000、2010、2020年）和DEM均來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心，分辨率為30 m；研究年份逐日觀測氣象要素數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心，主要選取研究區(qū)及其周邊共45個站點數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)為世界土壤數(shù)據(jù)庫（harmonized world soil database，HWSD）的中國土壤數(shù)據(jù)集，第2次全國土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)。此外，參考遼寧省、沈陽現(xiàn)代化都市圈內(nèi)各地級市統(tǒng)計年鑒、水資源統(tǒng)計公報等，獲得包括人口數(shù)量、各部門經(jīng)濟值以及各部門用水量等各類社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

本研究采用了2000、2010和2020年土地利用數(shù)據(jù)的第一級分類數(shù)據(jù)，主要包括：耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用土地。沈陽現(xiàn)代化都市圈2000、2010、2020年土地覆蓋情況如圖2所示。降水、日照、風(fēng)速、濕度數(shù)據(jù)都由研究區(qū)內(nèi)部及周邊站點數(shù)據(jù)插值生成，根據(jù)模型運行要求，數(shù)據(jù)最終精度統(tǒng)一為100 m×100 m。

2.1"" 水資源產(chǎn)水量估算

2.1.1nbsp;" 基于InVest模型的產(chǎn)水量估算"" 對沈陽現(xiàn)代化都市圈的產(chǎn)水量進行計算是進行水供給服務(wù)研究的基礎(chǔ)。吳健等（2017）借助InVest模型分析東北地區(qū)1990-2010年產(chǎn)水量時空分布格局及驅(qū)動因素，薛健等（2022）借此研究祁連山自上世紀80年代水源涵養(yǎng)量時空變化特征等，均證明此模型對計算區(qū)域產(chǎn)水量有很強的適用性。本文利用InVest模型產(chǎn)水模塊，計算各地級市轄區(qū)內(nèi)產(chǎn)水量，計算公式如下：

[Yx=（1?AET，xPx）×Px]""""""""""""""""""""" ①

式中：Yx為單元格x上的年產(chǎn)水量（mm）；AET，x為單元格x上的年實際蒸散發(fā)量（mm）；Px為單元格上的年降水量（mm） 。

[AET，xPx=1+ωxRx1+ωxRx+1Rx]""""""""""""""""""""""" ②

式中：Rx為Bydyko干燥指數(shù)，是潛在蒸散量與降水量的比值；ωx為代表氣候與土壤屬性的非物理參數(shù)，是修正植被年可利用水量與降水量的比值。

[ωx=ZAWC，xPx]" """"""""""""""""""""""""③

式中：Z為Zhang系數(shù)，是代表降水季節(jié)性特點的常數(shù)，其值為1～10（本文利用研究區(qū)內(nèi)主要河流多年平均徑流量數(shù)據(jù)，對Zhang系數(shù)進行校驗。當(dāng)Zhang系數(shù)為7.5 h，模擬產(chǎn)水量與自然徑流量之間差值最小，此時模擬效果最好）；AWC，x為植物可利用含水量，結(jié)合土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)計算得出，計算公式為：

式中：mSAN、mSIL、mCLA和mC分別為砂粒、粉粒、黏粒和有機質(zhì)的含量（%）。

2.1.2"" Penman-Monteith模型"" 1998年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）正式提出將Penman-Monteith公式作為計算ET0的標(biāo)準方法。具體公式為：

[ET0=0.408Δ（Rn?G）+r900T+273u2（es?ea）Δ+r（1+0.34u2）]"""""""""""""""" ⑤

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)量（mm/d）；Rn為凈輻射（MJ/m2·d）；G為土壤熱通量（MJ/m·d），年尺度下可采用0；γ為干濕常數(shù)（kPa/℃）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）；U2為高度2 m處的風(fēng)速（m/s）；es為平均飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；T為氣溫（℃）。

2.2"" 水資源需求量估算

本文水資源需求計算采取歐維新等（2020）在對太湖流域水供給服務(wù)進行供需時空演變分析時采用的方法。主要包括人類從事三產(chǎn)及生活的水資源消耗量，不包含因植被吸收、河流下滲等其他過程損耗的水資源。水需求服務(wù)模型主要包括4類：農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活用水、生態(tài)環(huán)境用水。計算公式如下：

[Wi" =Ai+Ii+Ri+Ei]

[Ai=" ACAP×WPA]

[Ii=ICIP×WPI]"""""""""""""""""""""""" ⑥

[Ri=RCRP×WPR]

式中：Ai、I i 、R i、Ei分別指代各地級市的農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活用水、生態(tài)環(huán)境用水。AC為各市一產(chǎn)增加值（萬元）；AP為全省一產(chǎn)增加值（萬元） ，WPA為省域農(nóng)業(yè)用水總量（億m3）；IC為各市二產(chǎn)增加值（萬元）；IP全省二產(chǎn)增加值（萬元） ，WPI為省域工業(yè)用水總量（億m3）；RC為地級市行政區(qū)上的人口總數(shù)（萬人），RP為全省人口總數(shù)（萬人），RPR為省域生活用水總量（億m3）。

選用折算數(shù)據(jù)主要是鑒于2000年水資源統(tǒng)計分類（農(nóng)灌用水、林牧漁業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水）與2010年、2020年有所不同（農(nóng)田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、居民生活用水、生態(tài)環(huán)境用水）。且與各地級市水資源公報統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比相差不大。

2.3"" 供需平衡

區(qū)域水資源供給量與需求量的比值（S：D）是用來評估區(qū)域用水供需平衡狀況的重要指標(biāo)。一般情況下，供需平衡有2種取值辦法，一是直接取二者比值，二是在河流流量較大的情況下，取二者比值的對數(shù)，以便對高度偏態(tài)分布進行可視化和提高可比性（Li et al，2017；陳登帥等，2020）。本研究區(qū)域有遼河和渾河2條較大水系，遼河流域面積21.9萬km2，多年平均流量約400 m3/s，多年平均徑流量126億m3，渾河流域面積2.7萬km2，多年平均流量約8.3 m3/s，多年平均徑流量60億m3，均為河流流量較大的河流。在對沈陽現(xiàn)代化都市圈水資源供給服務(wù)的供需平衡格局進行分析時，由于各地級市水資源服務(wù)供給量在不同時間段差異明顯，因此采用水資源安全指數(shù)（freshwater security index，F(xiàn)SI），即由水資源服務(wù)供給量與需求量比值得出，并將其計算結(jié)果分為短缺、盈余、相對平衡3種情況（Li et al，2017；陳登帥等，2020）。

[FSI=lgSCDC]"""""""""""""""""""""nbsp;""" ⑦

式中：S[C]為各地級市的水資源供給量；D[C]為各地級市的水資源需求量。結(jié)合都市圈具體情況，當(dāng)FSIgt;1時，表示該地級市水資源供給服務(wù)盈余，供給量大于需求量；當(dāng)0.5gt;FSIgt;1時，表示該地級市水資源服務(wù)供給量與需求量相差不多；當(dāng)FSIlt;0.5，表示該地級市水資源供給服務(wù)短缺，供給量小于需求量。

2.4"" 模型模擬結(jié)果驗證

產(chǎn)水量結(jié)果驗證如表1。根據(jù)各地級市水資源公報計算得2000、2010、2020年沈陽現(xiàn)代化都市圈水資源總量平均值為278.93×108 m3，地下水資源與地表水資源平均重復(fù)量為28.84×108 m3，扣除重復(fù)計入的地下水資源量（忽略地下水的補給），實際水資源量為250.09×108 m3，與本文3年平均產(chǎn)水量的219.51×108 m3相比，相對誤差控制在12.2%，可見產(chǎn)水總量得到較好模擬（薛健等，2022）。

3"" 結(jié)果與分析

3.1"" 水供給服務(wù)供給量變化

2000-2020年都市圈的供水量呈現(xiàn)出先增多后減少的趨勢。2010年最多，區(qū)域產(chǎn)水量達447.57×108 m3；2020年次之，區(qū)域產(chǎn)水量約為235.86×108 m3；2000年的總產(chǎn)水量最小，約為153.36×108 m3。從時間尺度上看，影響區(qū)域供水量最直接的因素是降水量。同期地級市總降水量也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。2010年研究區(qū)平均降水量為1 003 mm，為1951年來最多，平均氣溫比常年低0.5 ℃，降水多、蒸發(fā)少導(dǎo)致2010年產(chǎn)水量異常豐富。2000年和2020年平均降水量分別只有627 mm和776 mm，而2000年遼寧省大旱，降水量缺乏導(dǎo)致2000年產(chǎn)水量較低。

從空間尺度上分析，本溪市、撫順市供給量較高，位于它們中下游地區(qū)的沈陽市、遼陽市、鞍山市是供給低值區(qū)。2010年相較于其他2個年份，各地級市供給量的分級明顯偏高。各地區(qū)降水量、植被覆蓋、土壤屬性等不同，都會導(dǎo)致進入該地區(qū)的水量呈現(xiàn)差異（白楊等，2017）。如本溪市供給量較高的原因與它擁有較大集水面積有關(guān)，且相較于其他地區(qū)，降水量也相對較高。除以上條件外，區(qū)域供給量與其下墊面的結(jié)構(gòu)組成、土地利用類型占比（陳燕等，2022）也有明顯關(guān)系。如阜新市2000年區(qū)域產(chǎn)水量比遼陽市少3.09億m3，到2020年已縮減至1.08億m3， 期間遼陽市比阜新市降水量多，但阜新市近20年林地占比由30.04%增加至34.22%，水源涵養(yǎng)能力增強。

3.2"" 水供給服務(wù)需求量變化

沈陽現(xiàn)代化都市圈2000-2020年的用水量呈現(xiàn)先增多后減少趨勢。2010年需求量最大，2000年次之，但7個地級市需求量規(guī)劃仍接近80億m3，這意味著都市圈內(nèi)部分城市用水缺口較大，水資源承載能力將難以滿足現(xiàn)實的用水需求，或?qū)⒅萍s區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。從空間格局上分析，沈陽市、鞍山市、遼陽市水需求量大于其他地級市，屬于高用水區(qū)域，鐵嶺市次之，阜新市、撫順市、本溪市屬于低用水區(qū)域。主要原因是各地級市間產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同，常住人口數(shù)量差距大，因而各地級市從事生產(chǎn)活動等的用水量也各不相同。

3.3"" 水供給服務(wù)供需平衡變化

2000-2020年沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給服務(wù)供給、需求、供需平衡空間分布見圖3。為了更加清晰地表達出沈陽現(xiàn)代化都市圈用水供需矛盾現(xiàn)狀與空間變化特征，本研究參考陳登帥等（2020）對延河流域水資源安全指數(shù)所做劃分，根據(jù)研究區(qū)實際情況將水資源安全指數(shù)劃分為3類，分別是0～lt;0.5、0.5～1、gt;1。

2000-2020年大部分地級市的FSI取值為0～1。隨著時間的推進，F(xiàn)SIlt;1的地級市數(shù)量呈現(xiàn)增多的趨勢。2000年都市圈用水安全平均指數(shù)為0.35；2010年水資源安全指數(shù)略上升至0.8，撫順市、本溪市從0.6左右提升至1.1；到2020年，用水安全平均指數(shù)為0.62。這表明都市圈水資源短缺問題不容樂觀，人們的生活、生產(chǎn)用水安全受到威脅。從供需平衡的空間格局分析，沈陽市、遼陽市水資源安全指數(shù)長期處于0～0.5，是用水資源最為短缺的地區(qū)。撫順市、本溪市在欠年水安全指數(shù)均gt;0.5，豐年均gt;1，與這些地級市高水供給能力、低水資源消耗的情況有緊密關(guān)系。而2020年水資源嚴重短缺、用水安全指數(shù)低于0的區(qū)域，在空間分布上與2000年、2010年基本一致，主要集中在沈陽市、遼陽市，這些城市一般都有高耗水工業(yè)和水需求量大的城鎮(zhèn)建設(shè)活動。

4"" 討論

本文基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡研究框架，耦合InVest產(chǎn)水模塊、水需求服務(wù)模型、水資源安全指數(shù)等多種方法，對區(qū)域水供給服務(wù)的供需平衡進行定量評估與空間制圖，獲得了符合實際的研究結(jié)果，對于區(qū)域水資源優(yōu)化管理有一定的指導(dǎo)意義。

其中都市圈水供給服務(wù)需求量整體先增后減，這是因為2000-2010年、2010-2020年都市圈內(nèi)凈新增人口42.45萬、-7.65萬。根據(jù)遼寧省2010年人均用水量328.4 m3，2020年人均用水量303.1 m3，可得出2010、2020年新增用水量1.39×108、-0.23×108 m3。2000年工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人工生態(tài)用水占總用水量84.43%，到2010年，比重增至89.04%，2020年下降到80.3%。相對地，水供給服務(wù)呈現(xiàn)相同趨勢主要是由于2010年為降水豐年。2010年全省降水總量為1 432.11億m3，折合年降水深977.6 mm，比多年平均值多45.1%，為1956年以來全省年降水量最多的一年。因此本文通過統(tǒng)計比對3個年份前后5年平均自然降水量（表2），從時間段上看對“先增加后減少的結(jié)論”影響不大。

但因各種數(shù)據(jù)的空間分辨率所限，對供給區(qū)和需求區(qū)的界定及供需區(qū)域之間的空間關(guān)系僅基于地級市行政邊界。未來進一步深入的方向可以從以下幾個方面考慮：

（1）采用更高分辨率的空間數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)參數(shù)化InVest模型和水需求服務(wù)模型，對區(qū)域內(nèi)產(chǎn)水量和需水量進行精細刻劃，以利于為區(qū)域不同行政單元間協(xié)調(diào)解決水資源供需矛盾提供更精確的證據(jù)（申嘉澍等，2021）。

（2）本文研究采用的時間序列間隔年為10年，但由于產(chǎn)水量受年度降雨量的影響顯著，因而適當(dāng)增加研究時段內(nèi)評估年度密度可能會獲得更為準確的評估結(jié)果。

（3）水供給服務(wù)需求是指人類從事生產(chǎn)生活所消耗的各類水資源，強調(diào)的是發(fā)生在各土地利用空間上的用水量（Fu et al，2013）。而本文雖通過將用水統(tǒng)計數(shù)據(jù)與主要經(jīng)濟活動類型之間建立對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)了都市圈用水量的空間化表達，但由于可獲取數(shù)據(jù)有限，本文只通過各地級市農(nóng)業(yè)、工業(yè)、主要居民人數(shù)占省統(tǒng)計數(shù)據(jù)的比例以及實際投入生態(tài)環(huán)境用水量預(yù)估需求量，并未包括細化后的牲畜用水、公共設(shè)施用水和自然生態(tài)系統(tǒng)需求量等，可能會造成部分地級市用水量被低估的情況。

（4）在水供給服務(wù)供需平衡關(guān)系的研究中，通常伴隨著重要又復(fù)雜的尺度問題（Xu et al，2016）。不同尺度上，水供給服務(wù)對自然生態(tài)和人類社會過程依賴程度不盡相同，因此不論是水供給服務(wù)的生產(chǎn)還是使用，均要受到尺度的制約與影響（Deng et al，2021；柳冬青，2019）。本文嘗試從行政區(qū)劃尺度對水供給服務(wù)供需關(guān)系的時空格局展開分析，有利于研究結(jié)果在管理決策中的實際應(yīng)用，但其理論上可能會造成的誤差還需要進一步探討和驗證。

（5）本文采用的方法框架和研究結(jié)果為沈陽現(xiàn)代化都市圈宏觀層面水資源供需矛盾的協(xié)調(diào)解決提供了一定的依據(jù)，此方法中涉及的模型參數(shù)等在其他地區(qū)的應(yīng)用需要根據(jù)具體地區(qū)特征進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

（6）根據(jù)都市圈內(nèi)地市間的水資源供需盈虧情況，建議虧缺的城市加強水源涵養(yǎng)區(qū)的保護和生態(tài)修復(fù)、提高污水處理和回用率、建設(shè)儲水和蓄水基礎(chǔ)設(shè)施等，提高自身供給能力的同時，廣泛推廣節(jié)水技術(shù)。

5"" 結(jié)論

本文采用多種方法耦合，在區(qū)域尺度上以空間定量化和可視化的方式，探究了沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給與需求的時空關(guān)聯(lián)特征。以地級市為邊界劃分出了供給區(qū)和受益區(qū)的空間范圍。得出的主要結(jié)論如下：

（1）2000、2010和2020年沈陽現(xiàn)代化都市圈內(nèi)水供給服務(wù)的供給量呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢，分別約為153.36×108、447.57×108、235.86×108 m3。撫順市、鐵嶺市、和本溪市屬于高水供給地區(qū)。

（2）2000-2010年沈陽現(xiàn)代化都市圈水需求量呈現(xiàn)逐年增多的趨勢，空間分布上沈陽市、遼陽市水需求量較高。供需矛盾最為突出的區(qū)域是沈陽市。

（3）沈陽現(xiàn)代化都市圈內(nèi)3個主要受益區(qū)分別是沈陽市、遼陽市、鞍山市。用水安全指數(shù)低的區(qū)域主要為沈陽市、遼陽市。

程雨露等，沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給服務(wù)供需平衡研究

AWC，x = 54.509-0.132[×]mSAN-0.003[×]（mSAN）2-0.055[×]mSIL-0.006[×]（mSIL）2-0.738[×]mCLA" +

0.007[×]（mCLA）2-2.668[×]mC+0.501[×]（mC）2"""

④

程雨露等，沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給服務(wù)供需平衡研究

Modern Metropolitan Area from 2000 to 2020

程雨露等，沈陽現(xiàn)代化都市圈水供給服務(wù)供需平衡研究

參考文獻

白楊，王敏，李暉，等，2017. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的理論與管理方法[J].生態(tài)學(xué)報， 37（17）： 5846-5852.

陳登帥，李晶，張渝萌，等，2020. 延河流域水供給服務(wù)供需平衡與服務(wù)流研究[J].生態(tài)學(xué)報， 40（1）： 112-122.

陳燕，譚堰琴，邱曉敏，等，2022. 供需關(guān)系下長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流轉(zhuǎn) [J].華僑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），43（3）：403-411.

李雙成，劉金龍，張才玉，等，2011. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究動態(tài)及地理學(xué)研究范式[J].地理學(xué)報， 66（12）： 1618-1630.

李子，張艷芳，2021. 基于InVEST模型的渭河流域干支流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空演變特征分析[J].水土保持學(xué)報， 35（4）： 178-185.

柳冬青，2019. 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究：以甘肅白龍江流域為例[D]. 蘭州：蘭州大學(xué).

歐維新，劉翠，陶宇，2020. 太湖流域水供給服務(wù)供需時空演變分析[J].長江流域資源與環(huán)境， 29（3）： 623-633.

歐陽志云，王效科，苗鴻，1999. 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟價值的初步研究[J].生態(tài)學(xué)報， 19（5）：19-25.

歐陽志云，1999. 生態(tài)系統(tǒng)·服務(wù)功能·價值評價[J].科學(xué)新聞， （15）：4-5.

潘韜，吳紹洪，戴爾阜，等，2013. 基于InVEST模型的三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源供給服務(wù)時空變化[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 24（1）： 183-189.

申嘉澍，李雙成，梁澤，等，2021. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系研究進展與趨勢展望[J].自然資源學(xué)報， 36（8）： 1909-1922.

吳健，李英花，黃利亞，等，2017. 東北地區(qū)產(chǎn)水量時空分布格局及其驅(qū)動因素[J].生態(tài)學(xué)雜志， 36（11）： 3216-3223.

肖玉，謝高地，魯春霞，等，2016. 基于供需關(guān)系的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動研究進展[J].生態(tài)學(xué)報， 36（10）： 3096-3102.

徐潔，肖玉，謝高地，等，2016. 東江湖流域水供給服務(wù)時空格局分析[J].生態(tài)學(xué)報， 36（15）： 4892-4906.

薛健，李宗省，馮起，等，2022. 1980-2017年祁連山水源涵養(yǎng)量時空變化特征[J].冰川凍土， 44（1）： 1-13.

張立偉，傅伯杰，2014. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖研究進展[J].生態(tài)學(xué)報， 34（2）： 316-325.

Boithias L， Acu?a V， Vergo?ós L， et al，2014. Assessment of the water supply：demand ratios in a Mediterranean basin under different global change scenarios and mitigation alternatives [J].Science of the Total Environment， 470471：567-577.

Burkhard B， Kroll F， Nedkov S， et al，2012. Mapping ecosystem service supply， demand and budgets[J].Ecological Indicators， 21：17-29.

Deng C， Zhu D， Nie X， et al，2021. Precipitation and urban expansion caused jointly the spatiotemporal dislocation between supply and demand of water provision service[J].Journal of Environmental Management， 299（4）： 113660.

Fu B， Wang S， Su C H， et al，2013. Linking ecosystem processes and ecosystem services[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability， 5（1）：4-10.

Li D， Wu S， Liu L， et al，2017. Evaluating regional water security through a freshwater ecosystem service flow model： a case study in Beijing-Tianjian-Hebei region， China[J]. Ecological Indicators， 81：159-170.

Nelson E， Mendoza G， Regetz J， et al，2009. Modeling multiple ecosystem services， biodiversity conservation， commodity production， and tradeoffs at landscape scales[J].Frontiers in Ecology and the Environment， 7（1）：4-11.

Paetzold A， Warren P H， Maltby L L，2010. A framework for assessing ecological quality based on ecosystem services[J].Ecological Complexity， 7（3）：273-281.

Serna-Chavez H， Schulp C van， Bodegom P， et al，2014. A quantitative framework for assessing spatial flows of ecosystem services[J].Ecological Indicators， 39：24-33.

Vigerstol K L， Aukema J E，2011. A comparison of tools for modeling freshwater ecosystem services[J].Journal of Environmental Management， 92（10）： 2403-2409.

Xiao L， Wei S， Dou Z， et al，2021. Evaluating water provision service at the sub-watershed scale by combining supply， demand， and spatial flow[J].Ecological Indicators， 127：107745.

Xu F， Dong G， Wang Q R， et al，2016. Impacts of DEM uncertainties on critical source areas identification for non-point source pollution control based on SWAT model[J]. Journal of Hydrology， 540： 355-367.

（責(zé)任編輯"" 鄭金秀）

Balancing Water Supply and Demand in Shenyang Modern Metropolitan Area

CHENG Yu‐lu1， WEI Jian‐bing1， LU Qing‐xuan2， ZHENG Hong1， WANG Yang1， CHENG Quan‐guo1

（1. Key Laboratory of Eco-Restoration of Regional Contaminated Environment of Ministry

of Education in Shenyang University， Shenyang 110044， P. R. China;

2. School of life Science and Engineering， Shenyang University， Shenyang 110044， P. R. China）

Abstract：In this study， the Shenyang Modern Metropolitan Area was selected for research and we explored the balance between water supply and demand. Natural hydrological processes and water demands for production， living， and consumption were comprehensively analyzed at the prefecture-level scale. The Shenyang Modern Metropolitan Area includes the cities of Shenyang， Anshan， Fushun， Benxi， Fuxin， Liaoyang and Tieling， and the Shifu demonstration zone. Using a GIS platform， land use data for 2000， 2010 and 2020 and other basic data on geography， digital elevation， meteorology， soils and socioeconomics were used to simulate and study the water supply service pattern. Effective spatial visualization was achieved by combining the water yield module of the Integrated"Valuation"of"Ecosystem"Services"and"Tradeoffs"（InVest） model， the water demand service model and the water security index. Results show that the water supply for the Shenyang Modern Metropolitan Area was 153.36×108 in 2000， 447.57×108 in 2010 and 235.86×108"m3 in 2020， and the gap between supply and demand was large. The water resource security index for Shenyang， Anshan， Liaoyang， Tieling and Fuxin Cities in 2000， and Shenyang and Liaoyang Cities in 2010 and 2020 were all lower than 0.5. Supply and demand for water in the study area showed significant spatial mismatches. Tieling City， Fushun City and Benxi City in the eastern part of the region were the primary supply areas， while demand in Shenyang City and Liaoyang City in the central area exceeded supply. Our research framework and results provide a valuable decision-making reference for coordinating mismatches between water supply and demand at the metropolitan area scale.

Key words：water supply; InVest model; water supply and demand balance; water resource security; Shenyang Modern Metropolitan Area