都江堰市水源涵养功能空间格局

2013-08-02王玉宽

生态学报 2013年3期

傅斌，徐佩，王玉宽，* ，彭怡，任静

(1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041;2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041)

生态系统服务功能重要性评价是根据生态系统结构、过程与生态服务功能的关系，分析生态服务功能特征，及其对全国或区域生态安全的重要程度［1］。水源涵养重要性在于整个区域对于评价地区水资源的依赖程度，随所处流域级别等存在差异［2］。生态系统通过林冠、枯落物、根系以及土壤将降水拦蓄在系统内部，不仅满足系统内各生态组分对水源的需要，同时持续地向外部提供水源，在众多生态服务功能中占有非常关键的地位。因此，在不同尺度的生态区划中，水源涵养重要性评价都是必不可少的内容［3-6］。目前对水源涵养重要性评价的方法基本是按照环保部生态功能评估暂行规定，即按河流的上中游进行评价。这种评估主要考虑人类社会对水源的需求，没有考虑水源涵养功能的分布情况，在较大尺度上可行，但在县域一级尺度上就略显简单。此外，也有研究采用地形地貌、年降水量、植被类型为指标评价了区域生态系统的水源涵养重要性［7］。

都江堰市位于成都市的上游，是举世闻名的都江堰水利工程所在地。都江堰已成为实灌面积67.3×104hm2的特大型灌区，不仅满足了成都平原和川中丘陵地区农业灌溉的需要，而且还为灌区提供了供水、发电、水产养殖、生态保护、旅游等综合服务［8］。市域生态系统的水源涵养功能好坏不仅直接关系本市的供水安全，同时也对成都市乃至整个成都平原的社会经济都有重要的影响。汶川地震对都江堰市生态系统造成了巨大破坏［9］，直接影响水源涵养功能。准确评估震后市域生态系统的水源涵养重要性将对其创建国家级生态市，保障整个成都平原的生态安全具有重要意义。本文将采用Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs(InVEST)模型对水源涵养功能进行定量评估，在此基础进行县域水源涵养重要性评价。

1 研究区概况

都江堰市位于四川盆地成都平原西北部，距离省会成都市40km(图1)，东经103°25'42″—103°47'00″，北纬30°44'54″—31°22'09″，面积1207.5km2。由于地处川西高原向四川盆地过渡区，地貌差异显著，北部为中高山区，西南部为低山丘陵区，东部为丘陵即平原区，地势呈现西高东低的趋势。气候类型为亚热带湿润季风气候。多年平均气温为15.2℃，多年平均降水量为1225.4 mm，最丰年为1605.4 mm，最少年为713.5 mm，降水季节分配不均，出现冬干、春旱、夏多暴雨、秋天阴雨连绵的特点，5—9月降水量占全年总量的77.8%。都江堰市处于川西平原的源头区，境内河渠纵横，均为岷江支流，水源涵养直接关系到下游生态系统服务功能的发挥。同时，都江堰市城镇及成都平原生活和工业用水基本都取用地表水作为水源，水源涵养和水质保护对保证区域人口的正常生活和工农业生产非常重要。

2 研究方法

2.1 InVEST水源涵养模型

水源涵养功能的评价方法有土壤蓄水法［10］、降水储存量法［11］、区域水量平衡法［12］和地下径流增长法［13］。本文采用InVEST模型进行定量评估［14-15］。该模型根据水量平衡原理计算流域产水量，在产水量的基础上再考虑土壤厚度、渗透性、地形等因素的影响，计算水源涵养量。具体计算方法如下:

式中，WR为多年平均涵养水量(mm);TI为地形指数，无量纲，根据DEM计算;Ksat为土壤饱和导水率(cm/d);TravTime为径流运动时间(min)，用坡长除以流速系数(vel_coef)得到。

图1 都江堰市区位图Fig.1 location of Dujiangyan in Sichuan Province

式中，Drainage area为集水区栅格数量，无量纲，Soil depth为土壤深度(mm)，Percent slope为百分比坡度。产水量Yield由下式计算:

式中，Yjx为年产水量，Px为栅格单元x的年均降雨量;AETxj为土地利用类型j上栅格单元x的年平均蒸散发量，由(4)式计算:

式中，Rxj为土地利用类型j上栅格单元x的干燥指数，无量纲，表示潜在蒸发量与降雨量的比值:

式中，k(或ETk)为作物系数，是作物蒸散量ET与潜在蒸散量ET0的比值;潜在蒸散发量ET0，是指假设平坦地面被特定矮杆绿色植物全部遮蔽，同时土壤保持充分湿润情况下的蒸散量，采用下式计算:

式中，ET0为潜在蒸散量(mm/d);RA太阳大气顶层辐射(MJ·m-2·d-1);Tagv是日最高温均值和日最低温均值的平均值(℃);TD是日最高温均值和日最低温均值的差值(℃)。

太阳大气顶层辐射用气象站太阳平均总辐射除以50%计算获得(假设大气层顶的太阳辐射是100%。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射，向上散射占4%，大气吸收占21%，云量吸收占3%，云量反射

式中，Z为zhang系数［16］，是表征多年平均降水特征用一个常数，是模型的关键参数，默认值是9.433;AWCx为可利用水;

式中，MaxSoilDepth为最大土壤深度;RootDepth为根系深度;PAWCx为植被可利用水，利用土壤质地计算［17］;

式中，sand为土壤砂粒含量(%);silt为土壤粉粒含量(%);clay为土壤粘粒含量(%);OM为土壤有机质含量(%)。

2.2 重要性评价

水源涵养重要性评价采用综合指数法。同时考虑生态系统的供水功能，以及对洪水的减缓作用。水源涵养功能用水源涵养量表示，生态系统减洪作用用暴雨截流量表示。采用次降雨饱和截流量与多年平均暴雨日数相乘得到，然后对水源涵养量和植被截流量进行分级赋值后相加，结果按表2分级确定重要性。水源地保护区和饮用水水源地是水源涵养功能被利用的区域，直接被认为是极重要区。占23%，共约损失50%)。

ωx为修正植被年可利用水量与降水量的比值，无量纲:

表1 水源涵养功能分级Table 1 Classification of water retention function

表2 水源涵养重要性分级Table 2 importance of water retention reclass

2.3 参数与数据

InVEST水源涵养模型需要输入的参数有蒸散系数(ETk)，根系深度，流速系数(表3)。潜在蒸散发量PET，与模型中参考蒸散量(ET0)概念相同，是指假设平坦地面被特定矮杆绿色植物全部遮蔽，同时土壤保持充分湿润情况下的蒸散量。估算潜在蒸散量的方法主要有Penman-Monteith(PM)［18］、Hargreaves(HG)［19］、Thornthwaite法［20］、Modified-Hargreaves 法［21］。InVEST 模型推荐数据难以获取的地区使用 Modified-Hargreaves法。

最大根系深度表示植被能获得水的深度。各植被的最深根系可以由相关文献获得［22-26］。作物系数是指一定时段内水分充分供应的农作物实际蒸散量与生长茂盛、覆盖均匀、高度一致(8—15cm)和土壤水分供应充足的开阔草地蒸散量的比值，参照联合国粮农组织(FAO)出版的《作物蒸散量-作物需水量计算指南》模型提供的参考数据以及研究区地表植被覆盖实际情况确定［26-32］。流速系数表示了不同的下垫面对地表径流运动的影响。以USDA-NRCS提供的国家工程手册上的流速-坡度-景观表格为基准，乘以1000得到的。土壤饱和导水率采用澳大利亚威尔士大学开发的NeuroTheta软件计算［33］。

除上述参数外，运行模型还需要土地利用、DEM、土壤质地和长期气象数据。其中气象数据通过中国气象数据共享网获得，其他数据通过到都江堰市实地调查收集得到。

植被次暴雨截流量参考相关文献确定［34-36］。暴雨日数为多年平均的日降雨量大于50mm的日数，采用四川省1951—2005年日降雨资料插值获得。

表3 InVEST模型参数表Table 3 Parameters for InVEST model

3 结果

3.1 水源涵养功能

图2给出了都江堰市生态系统水源涵养功能评估结果。全市生态系统多年平均水源涵养量为266mm/a，占年均降水量的21.7%，水源涵养总量达到3.21亿m3，为紫坪铺水库库容的28.8%。水源涵养功能在市域内表现出明显的空间差异。水源涵养功能较高的区域有两个，其一为市域的北部中低山区，包括虹口乡与龙池镇的部分地区，多年平均水源涵养量在200—260mm之间;其二市域的西南部低山丘陵区，主要是青城山一带，多年平均水源涵养量在150—220mm之间，与北部山区不同的是该地区虽然水源涵养功能总体较高，但分布不及前者集中，在高涵养区中间同时还散布一些中低功能区。水源涵养功能较差的地区主要分布在北部高山区和东部平原区。前者主要是受地质影响，但是大面积的森林和草地被破坏，形成涵养能力极差的裸岩石砾地，但都江堰降水丰富，采用自然恢复为主结合人工植被重建应该能较快恢复。东部平原区是人口集中分布的区域，土地利用类型以耕地和建设用地为主，水源涵养能力较差。市域其他地区水源涵养功能处于中等。需要指出的是，都江堰水利工程以及紫坪铺水库所在地的紫坪铺镇水源涵养功能并不是最高，其原因是这一地区已处于岷江干旱河谷地区，植被稀疏、降雨偏少，因此生态系统水源涵养功能一般。

图2 都江堰市水源涵养功能Fig.2 Water retention function of Dujiangyan

3.2 水源涵养重要性

由于地处成都市的上游，都江堰水源涵养整体上都属重要。图3a表明，都江堰市生态系统的减洪功能都重要，市域西部的青城山至虹口一带，是森林主要分布区，也是山区，其减洪功能对于缓解市域的洪灾极为重要，这主要由生态系统的分布与暴雨分布决定。与之类似，水源涵养重要区空间分异也较为明显(图3b)，极重要区主要集中在县域北部，包括龙池镇与虹口乡的大部分地区，以及市域西南的青城山风景区中部与大观镇的西部。由于紫坪铺水库对于下游的供水安全极为重要，因此尽管其水源涵养功能不是最高，其重要性等级仍然为极重要。市域东部的广大平原与丘陵区由于水源涵养功能较差，故水源涵养重要性等级最低。其余地区重要性处于中等。水源涵养重要性总体上与水源涵养功能的格局一致，这说生态功能评估结果在生态重要性评价中占有重要地位，因此在数据和方法可行的条件下，应尽量以水源涵养功能评估为基础进行水源涵养重要性评价。

图3 重要性评价Fig.3 water retention importance of Dujiayan a.植被减洪重要性，b.水源涵养重要性

4 讨论与结论

采用InVEST模型可以对县域水源涵养功能进行定量评估，在此基础上开展的水源涵养重要性评价能够较为精细地反映水源涵养功能的空间差异及其对人类社会的重要性。根据本文的研究结果，都江堰市的水源涵养极重要区面积为421km2，占全市总面积的34.9%，远大于目前县域的水源保护区面积。因此在灾后重建以及都江堰的生态市建设(2010—2020)中，需要围绕水源涵养功能的恢复，开展水源保护区建设。受地震破坏，县域北部水源涵养功能破坏较重，但由于都江堰地处川西高原向盆地过渡地区，地势西高东低，来自东部的季风县域西部和北部形成丰富的降水，有利于植被快速恢复，只要采取自然修复并辅以人工植被建设，就能在较短时间恢复该地区的水源涵养功能。

水源涵养重要性评价需要以水源涵养功能评估为基础。由于缺乏对水源涵养定量评价的方法，目前多数评估都采用替代的方式。如胡国红在评估长江上游森林生态系统水源涵养功能时，从拦截蓄水，调节径流和净化水质3个方面构建了11个指标的评价体系，但对拦截蓄水采用的的土壤孔隙度，厚度等参数，评价的是生态系统潜在的水源涵养功能，而不是实际能够提供的功能［37］。王春菊采用地形地貌、年降水量、植被类型为指标评价了区域生态系统的水源涵养重要性［7］，实际上也是从生态系统涵养水源的能力角度出发，但没有明确计算水源涵养量。水源涵养重要性不仅要反映供水功能的差异，同时也要体现对缓解洪水的作用。在类似的评估中都没有进行区分。目前对水源涵养重要性的评价主要按生态系统处于流域中的位置关系进行评价［2，4，6］，并没有考虑功能的差异，适用于大尺度的评估。在县域评价时，特别是山区，其人口分布主要在下游，流域位置关系简单，仅用这种关系不能有精细的划分。而采用InVEST模型进行水源涵养重要性评价能够做到定量化和空间化，识别的重要区更为精细。

水源涵养重要性评价是制定水资源利用，生态保护等政策与规划的基础。水源涵养重要性的科学评价首先依赖水源涵养功能的准确评估，尽管本文采用InVEST模型进行了定量评估，但由于问题的复杂性，未来在以下方面还需要深入研究:1)水源涵养功能不仅反映了生态系统自身调节水分的能力，同时还受到气候条件的影响，如何在评估中区分生态水源涵养的潜在能力与生态系统实际能够提供的功能是评估中的关键问题;2)在水源涵养重要性评价中还需要定量考虑水源涵养区与下游需水区的关系，将下游地区对上游地区水源的需求在空间上和数量上进行计算，这将为实施生态补偿，切实保护水源地提供科学依据。

致谢:本文使用了美国斯坦福大学与世界自然基金会(WWF)以及大自然保护协会(TNC)联合开发的综合生态系统服务评估模型(InVEST)，在模型调试与验证过程中得到了Gretchen Daily教授，Driss博士的热情帮助，特此致谢。

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