伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力時空變化及驅(qū)動因素分析

關(guān)鍵詞：水源涵養(yǎng)能力；InVEST 模型；地理探測器；伊洛河流域中圖分類號：TV213．4 文獻標志碼：A doi：10．3969 ／ j．issn．1000－1379．2025．06．011引用格式：，等．伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力時空變化及驅(qū)動因素分析［J］．人民黃河，2025，47（6）：69－75．

Analysis of Spatial?Temporal Changes and Driving Factors of Water Conservation Capacity in the Yiluo River Basin

ZHANG Shuqi1， ZUO Qiting1，2， BA Yinji3， ZHANG Zhizhuo1， ZHANG Lekai1 （1．School of Water Conservancy and Transportation， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China； 2．Yellow River Institute for Ecological Protection ＆ Regional Coordinated Development， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China； 3．Yantai Center of Coastal Zone Geological Survey， China Geological Survey， Yantai 264000， China） Abstract： In order to master the spatial?temporal changes and its driving factors of water conservation capacity in the Yiluo River basin， this paper adopted the InVEST model and water conservation calculation methods to quantitatively assess the water conservation capacity in the Yi? luo River basin from 2005 to 2020． It analyzed the spatial?temporal variation characteristics and quantitatively examined the driving factors of water conservation function by using geographic detectors． The results show that a） from 2005 to 2020， the water conservation capacity in the Yiluo River basin shows a trend of initial decrease followed by an increase． The highest water conservation capacity is observed in 2005， while the lowest is in 2015． b） The southern and western mountainous areas exhibit stronger water conservation capacity， whereas the cen? tral， northern and eastern regions are relatively weaker． c） During the study period， the ranking of water conservation capacity across differ? ent land use types from strongest to weakest is grassland， forest， shrubland， construction land， farmland， unused land and water bodies， with densely vegetated areas demonstrating stronger water conservation capacity． d） Precipitation is identified as the primary factor influencing changes in water conservation capacity in the Yiluo River basin， and the interaction between precipitation and land use has the most signifi? cant impact on water conservation capacity．

Key words： water conservation capacity； InVEST model； geographic detector； Yiluo River Basin

0 引言

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)重要調(diào)節(jié)功能之一，對維持生態(tài)平衡和支撐社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要作用［1］。 水源涵養(yǎng)不僅與水資源的儲存和供給密切相關(guān)，而且發(fā)揮著調(diào)節(jié)徑流、減少洪水風險以及改善水質(zhì)等多方面的作用［2－3］。 近年來，隨著極端氣候事件頻發(fā)［4］和城市化進程加快，很多地區(qū)的土地利用格局發(fā)生改變，水文和生態(tài)過程同時發(fā)生顯著變化［5－6］。 在這種背景下，水源涵養(yǎng)能力對保障區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，評估水源涵養(yǎng)能力、研究土地利用和氣候變化對水源涵養(yǎng)能力的影響，對于水資源規(guī)劃管理和生態(tài)安全保障具有重要意義。

近年來，學者們采用多種方法開展了不同區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力及其時空變化特征研究。 野外試驗測定法和模型模擬法是兩種較為常見的研究方法［7］，其中：野外試驗測定法受試驗場地限制，多以點尺度開展研究，較難模擬整個流域水源涵養(yǎng)能力的時空分布特征［8］；模型模擬法基于土地利用、氣候數(shù)據(jù)和地形特征等因素，能夠較為精準地模擬區(qū)域內(nèi)的水源涵養(yǎng)能力。 例如：張樂開等［9］采用 SWAT 模型對沁河流域水源涵養(yǎng)能力進行了分析，研究表明沁河流域水源涵養(yǎng)能力在未來將受氣候變化和土地利用變化的雙重影響；高向龍等［10］采用 InVEST 模型開展了三江源地區(qū)水源涵養(yǎng)價值時空變化及驅(qū)動因素研究，研究表明三江源地區(qū)水源涵養(yǎng)價值呈現(xiàn)上升趨勢，并且與降水量密切相關(guān)；Zhou 等［11］采用 InVEST 模型評估了我國沿海不同階地的水源涵養(yǎng)能力，發(fā)現(xiàn)沿海生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)波動變化，指出應(yīng)進一步加強沿海地區(qū)的生態(tài)保護和水資源管理。 然而，現(xiàn)有研究多數(shù)僅停留在區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的量化上，而各種因素對水源涵養(yǎng)能力的貢獻程度研究不足；針對水源涵養(yǎng)能力的驅(qū)動因素研究主要依賴傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法［12－13］，結(jié)合時空分異特征及多因子交互作用進行定量分析的研究尚不充分。

《中華人民共和國黃河保護法》于 2023 年 4 月正式實施，對恢復黃河流域生態(tài)系統(tǒng)、強化水源涵養(yǎng)能力提出了更高要求。 伊洛河是黃河的一級支流，對于維持流域生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要作用。 作為中部地區(qū)重要的工業(yè)基地和連接中西部的關(guān)鍵區(qū)域，伊洛河流域的經(jīng)濟發(fā)展迅速，但同時面臨水土流失、水資源短缺、人地矛盾突出等問題［14－15］。 開展伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力精確評估、時空變化分析及其驅(qū)動因素研究意義重大［16］。 本研究采用分布式模型與地理探測器，系統(tǒng)分析伊洛河流域的水源涵養(yǎng)能力時空演變特征并識別關(guān)鍵驅(qū)動因素，以期為流域人水關(guān)系改善、水資源及生態(tài)系統(tǒng)的綜合管理提供參考。

1 研究方法

1．1 InVEST 模型

InVEST 模型是一種綜合評估工具，由世界自然基金組織、斯坦福大學等共同開發(fā)，旨在幫助評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［17］。 該模型空間可視化程度高、參數(shù)設(shè)置簡便且適用于多種尺度，被廣泛應(yīng)用于水源涵養(yǎng)能力的定量化評估研究［18］。 因此，本研究使用 InVEST 模型計算伊洛河流域產(chǎn)水量［19］，主要計算公式如下：

式中： Y_a、P_a、E_a 分別為柵格單元 Ω_a 的年產(chǎn)水量、年降水量、年實際蒸散量，各變量的具體算法可參考 InVEST模型用戶手冊［20］。

模型的率定過程參考常建波等［21］的研究，通過調(diào)整 Zhang 系數(shù)對流域產(chǎn)水量計算結(jié)果進行校正，并結(jié)合伊洛河流域多年平均產(chǎn)水量的研究結(jié)果［22］進行校正，直至擬合精度達到要求。

1．2 水源涵養(yǎng)量計算方法

水源涵養(yǎng)量的實質(zhì)是一定時空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)儲存的降水量，是評估流域水源涵養(yǎng)能力的重要指標［23］。 本文基于 InVEST 模型產(chǎn)水量模塊的計算結(jié)果，并結(jié)合水源涵養(yǎng)量計算方法的相關(guān)要素進行校正［24－25］，得出伊洛河流域柵格尺度的水源涵養(yǎng)量計算公式：

式中： Wc 為流域水源涵養(yǎng)量， τ 為地形指數(shù)， υ 為流速系數(shù)， κ 為土壤飽和導水率， γ 為產(chǎn)水量， D 為流域柵格總數(shù)， S_d 為土壤厚度， P_s 為百分比坡度。

1．3 地理探測器模型

地理探測器是一種分析地理空間數(shù)據(jù)和揭示空間分布規(guī)律的統(tǒng)計工具，用于識別和量化驅(qū)動因子對空間分布模式的影響［27］。 本研究使用地理探測器模型中的因子探測和交互探測模塊來探究影響伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力時空變化的主要因素，其中：因子探測模塊用于評估單個因子對目標變量的解釋力，測量不同因子對空間分布的影響程度；而交互探測模塊則用于評估兩個因子的交互作用對目標變量的影響，檢測不同因子組合對空間分布的綜合影響力［28］。 解釋力的強弱通過 q 值來衡量［29］，其取值范圍為［0，1］，值越大代表解釋力越強。 q 的計算公式為

式中： N_h 為第 h 層的樣本量， σ_h² 為第 h 層的方差， N 為總樣本量， σ² 為總方差。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2．1 研究區(qū)概況

伊洛河流域位于東經(jīng) 109^°43^′-113^°11^′ 、北緯33^°39^′-34^°54^′ ，包括河南和陜西兩省的 21 個縣（市），流域面積為 18 881km² 。 該流域地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫為 10.9^°C ，年平均降水量為 820mm^[30] 。 降水產(chǎn)生的徑流約占年徑流量的

80% ，是流域水源涵養(yǎng)的主要來源。 流域地形以山地丘陵為主，海拔西南部較高、東北部較低。 為了保護該流域的生態(tài)系統(tǒng)，實施退耕還林政策，這一措施有效提高了上游的植被覆蓋率，并增強了流域的水源涵養(yǎng)能力［14］ 。

2．2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用數(shù)字高程（DEM）、坡度、年降水量、年蒸發(fā)量、土地利用類型、土壤屬性、歸一化植被指數(shù)（NDVI）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力變化情況及其驅(qū)動因素。 根據(jù)研究需要，利用 ArcGIS10．5 軟件對各類數(shù)據(jù)進行預處理。 參照伊洛河流域邊界對各類數(shù)據(jù)進行裁剪，確保數(shù)據(jù)范圍與研究區(qū)域一致，各類數(shù)據(jù)的空間投影坐標統(tǒng)一為WGS＿1984＿Al?bers，柵格分辨率通過重采樣統(tǒng)一設(shè)定為 1km×1km ，土地利用數(shù)據(jù)采用中國陸地覆蓋數(shù)據(jù)集（CLCD）［31］的原始分類結(jié)果，坡度數(shù)據(jù)則基于DEM 數(shù)據(jù)通過空間分析工具生成。 數(shù)據(jù)來源見表1。

表 1 數(shù)據(jù)來源

3 結(jié)果情況

3．1 降水量變化情況

2005—2020 年典型年伊洛河流域降水量變化情況見圖1。 空間維度上，流域降水量的空間分布呈由北向南逐漸增大的趨勢，降水量較大的地區(qū)主要集中在流域南部的伊河發(fā)源地欒川縣伏牛山一帶，該地區(qū)年降水量為 743.3～1 016.8mm ；降水量較小的地區(qū)集中在流域的中北部，年降水量為 631.5～843.1mm 。 時間維度上，2005—2020 年流域降水量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，2005 年流域平均降水量 （755.49mm） ）最大，2010 年流域平均降水量（ 729.81mm ） 減小，2015 年流域平均降水量（ 696.31mm? ）最小，2020 年流域平均降水量 739.28mm ）有所回升。

圖 1 典型年伊洛河流域降水量變化情況Fig．1 Precipitation Changes of Yiluo River Basinin Representative Years

3．2 土地利用類型變化情況

典型年伊洛河流域各土地利用類型分布情況見圖2。 伊洛河流域的土地利用類型主要包括耕地、林地、灌木、草地、水域、建設(shè)用地以及少量的未利用地7 類，具有明顯的空間異質(zhì)性。 伊洛河流域耕地的面積最大，主要分布在流域的西部、中部及北部的平原地區(qū)；其次為林地，主要分布在流域西部、南部的山地一帶；灌木、水域及未利用地的面積較小。

圖 2 典型年伊洛河流域土地利用類型變化情況Fig．2 Land Use Type Changes of Yiluo RiverBasin in Representative Years

2005—2020 年伊洛河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣見表2。 可以看出，除水域及未利用地外，其他土地利用類型面積均發(fā)生了明顯變化，發(fā)生變化的面積總計為 2 080.79km² ，約占流域總面積的 11.02% 。 其中：耕地的轉(zhuǎn)出面積（ 1 330.95km²? ）最大，占轉(zhuǎn)出總面積的 54.4% ，在流域西部洛南縣、盧氏縣一帶主要轉(zhuǎn)化為林地，在流域北部洛陽市、義馬市、宣陽縣一帶主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，該變化歸因于我國的退耕還林政策［14］和近年來城市化進程的不斷推進；其次為草地（ 554.16km² ），占轉(zhuǎn)出總面積的 26.6% ，主要轉(zhuǎn)化為耕地及林地。 流域林地的轉(zhuǎn)入面積 957.21km² ）最大，占轉(zhuǎn)入總面積的 46.0% ；其次為建設(shè)用地 （476.59km² ），占轉(zhuǎn)入總面積的 22.9% 。

表 2 2005—2020 年伊洛河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab．2 Land Use Type Transfer Matrix of Yiluo River Basin from 2005 to 2020

km2

3．3 水源涵養(yǎng)能力空間分布格局變化情況

伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力的空間分布情況如圖 3所示。 由圖3 可知，水源涵養(yǎng)能力最強的區(qū)域主要分布在流域南部欒川縣及周邊山區(qū)，其次為流域西部洛南縣及盧氏縣附近山區(qū)，流域中部與北部洛陽市、義馬市、宜陽縣及周邊的平原丘陵地區(qū)的水源涵養(yǎng)能力較弱。

圖 3 典型年伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力變化情況Fig．3 Changes of Water Conservation Capacity ofYiluo River Basin in Representative Years

2005—2020 年流域水源涵養(yǎng)能力呈先減小后增大的趨勢（ 見表 3），2005 年 （5.75mm ） 最大，2015 年（ 4.49mm 最小，2020 年增大到 5.35mm 。 不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)能力各不相同，由強到弱排序為草地 gt; 林地 gt; 灌木 gt; 建設(shè)用地 gt; 耕地 gt; 未利用地 gt; 水域。草地、林地、灌木的植被覆蓋好且根系發(fā)達，能夠有效地攔截降水，使得植被豐茂的地區(qū)水源涵養(yǎng)能力較強；耕地由于經(jīng)常性的耕作和裸露的土壤表面，容易受到水流的侵蝕，因此水源涵養(yǎng)能力較弱。 各土地利用類型的水源涵養(yǎng)總量與其水源涵養(yǎng)能力以及面積大小相關(guān)，由高到低排序為林地 gt; 耕地 gt; 草地 gt; 灌木 gt; 建設(shè)用地＞未利用地＞水域。

3．4 水源涵養(yǎng)能力驅(qū)動因子分析

利用地理探測器對 DEM、坡度、降水量、NDVI、蒸發(fā)量和土地利用類型 6 個驅(qū)動因子進行單因子探測，定量評估各驅(qū)動因子對伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力變化的解釋力，結(jié)果見表4。 2005—2020 年典型年，這6 個蒸發(fā)量 gt; 坡度＞DEM。 降水量的解釋力最強，對伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力的變化起主導作用， q 值為 0.386～ 0．442；其次為土地利用類型， q 值為 0.315～0.349 ；NDVI 與蒸發(fā)量兩個因子 q 值分別為 0.259～0.353 和0.285～0.313 ，解釋力不及降水量和土地利用類型；坡度與 DEM 的解釋力較弱， q 值分別為 0.133～0.167 和0．118 ～ 0．160。

表 3 典型年伊洛河流域及各土地利用類型水源涵養(yǎng)能力

b．3 Water Conservation Capacity of Land Use Types of Yiluo River Basin in Representative

驅(qū)動因子均通過顯著性水平為 0．001 的顯著性檢驗，表明這6 個因子對伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力的變化具有顯著影響［32］。 各因子對于水源涵養(yǎng)能力的解釋力不同，從大到小排序為降水量 gt; 土地利用類型＞NDVI＞

表 4 典型年伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力單因子探測結(jié)果Tab．4 Results of Single Factor Detection for Water Conser? vation Capacity of Yiluo River Basin in Representative Years

利用地理探測器對典型年伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力變化的解釋力進行因子交互探測，結(jié)果見表 5。 各驅(qū)動因子兩兩交互均呈現(xiàn)雙因子增強狀態(tài)，證明兩種因子的交互作用均可增強對流域水源涵養(yǎng)能力變化的解釋力［33］。 降水量與土地利用交互的解釋力 （0.495lt; qlt;0.557 ）最強，其次為降水量與蒸發(fā)量的交互 （0.437lt; qlt;0.511 ） 以及降水量與 DEM 的交互（ 0.417

表 5 典型年伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力因子交互探測結(jié)果 Tab．5 Results of Indicators Interaction Detection for Water Conservation Capacity of Yiluo River Basin in Representative Years

表5（續(xù)）

4 討論

水源涵養(yǎng)能力是研判生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)［34］。 本研究表明伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力時空分異性明顯，2005—2020 年呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，2015 年出現(xiàn)谷值，這與呂明軒等［26］、方露露等［35］的研究結(jié)果一致。 伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力空間分布極不均衡，由于林地、草地及灌木的水源涵養(yǎng)能力較強，耕地、建設(shè)用地和水域的水源涵養(yǎng)能力較弱，因此流域西南部植被覆蓋度較高的山區(qū)水源涵養(yǎng)能力較強，中部和北部以耕地與建設(shè)用地為主的平原地區(qū)水源涵養(yǎng)能力較弱，這與 Wang 等［36］的研究結(jié)果一致。

在葉立娟等［37］、劉嬌等［38］的研究基礎(chǔ)上，本文進一步探究多種驅(qū)動因子對于水源涵養(yǎng)能力的貢獻。 單因子探測表明，降水量對伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力貢獻最大，是影響水源涵養(yǎng)能力變化的最重要指標，這與Yang 等［39－40］ 的研究結(jié)果一致。 根據(jù) Budyko 水熱耦合公式及水量平衡方程可知，水源涵養(yǎng)量直接受制于降水量與蒸發(fā)量［41］，結(jié)合本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力較強的地區(qū)大多具有豐沛的降水量，水源涵養(yǎng)能力較弱的地區(qū)降水量相對較少，進一步表明水源涵養(yǎng)能力的時空變化與氣候變化緊密相關(guān)。同時，土地利用類型與 NDVI 也對水源涵養(yǎng)能力有重要影響，這與何秋琴等［32］的研究結(jié)果一致。 下墊面變化會改變區(qū)域的產(chǎn)流過程以及降水儲蓄、水質(zhì)凈化等多種生態(tài)功能［23］，進一步影響水源涵養(yǎng)能力，交互探測結(jié)果同樣表明降水量與土地利用類型的交互對水源涵養(yǎng)能力影響最為顯著。

本文的研究結(jié)果表明，降水量為伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力的最主要影響因子，土地利用、NDVI、蒸發(fā)量為重要影響因子，DEM 與坡度為一般影響因子。 另外，雙因子的交互作用均可增強對水源涵養(yǎng)能力變化的解釋力，其中DEM 單因子對水源涵養(yǎng)能力的解釋力最弱，但其與降水量的交互作用對水源涵養(yǎng)能力的解釋力顯著增強，原因是單一的DEM 因子無法反映水分供給和植被覆蓋等特征，而DEM 與降水量結(jié)合能夠反映地形與水文過程的關(guān)系，使得水源涵養(yǎng)能力在不同高程區(qū)域表現(xiàn)出明顯的空間差異。

綜上所述，在開展生態(tài)系統(tǒng)保護和水資源管理工作時，一方面要關(guān)注氣候變化對水源涵養(yǎng)能力帶來的影響，降水模式變化和極端天氣事件增多將導致水資源的強烈變化，直接影響流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和水資源的可持續(xù)性；另一方面要關(guān)注與人類活動密切相關(guān)的土地利用類型的變化，如農(nóng)業(yè)過度開墾和大規(guī)模城市化可能導致水土流失加劇，影響地表徑流和地下水補給。 因此，必須制定適應(yīng)性強的土地利用規(guī)劃，平衡生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系，優(yōu)先保護和恢復水源涵養(yǎng)能力強的生態(tài)系統(tǒng)，提升水資源的可持續(xù)利用能力，實現(xiàn)流域綜合管理和可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

本研究基于 InVEST 模型的產(chǎn)水量模塊，結(jié)合地形指數(shù)、土壤飽和導水率等相關(guān)參數(shù)，對伊洛河流域2005—2020 年的水源涵養(yǎng)能力進行了分析，同時使用地理探測器中的單因子探測和交互探測模塊，評估 6個驅(qū)動因子對流域水源涵養(yǎng)能力空間分布的影響，得出結(jié)論如下。

1）研究期內(nèi)伊洛河流域水源涵養(yǎng)能力及水源涵養(yǎng)總量均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，2005 年水源涵養(yǎng)總量最高，2015 年水源涵養(yǎng)總量最低；流域南部及西部山區(qū)水源涵養(yǎng)能力強，中部、北部及東部水源涵養(yǎng)能力弱。

2）伊洛河流域各土地利用類型水源涵養(yǎng)能力從強到弱排序為草地＞林地＞灌木＞建設(shè)用地＞耕地 gt; 未利用地 gt; 水域；水源涵養(yǎng)總量從高到低排序為林地 gt; 耕地 gt; 草地 gt; 灌木＞建設(shè)用地＞未利用地 gt; 水域。

3）降水量是影響水源涵養(yǎng)能力變化的最主要因子，土地利用、NDVI、蒸發(fā)量為重要影響因子，高程與坡度為一般影響因子；降水量與土地利用類型的交互作用對水源涵養(yǎng)能力的解釋力最強。

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【責任編輯 張華興】