基于INVEST模型的黑水河流域水质风险评估

徐凌云,丁 玲

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434)

随着人口扩张和城市发展伴随而来的生态系统的破坏，使得人们对生态系统服务重要性的认识与日俱增，与此同时生态系统服务功能价值的评估已成为了生态学和生态经济学研究的热点，生态经济学家根据生态系统提供的各项价值并结合环境经济学，逐步确立了一些评估生态系统服务功能的模型。目前常用的生态系统服务功能价值评估模型有INVEST模型、生态足迹模型、CITYgreen模型、EVR模型(Ecological Value at Risk)，其中，生态足迹模型[1-3]能客观反映人类对生态系统(生态基础设施)的需求与供给之间的矛盾，指示自然资源的压力状态，但缺点在于产量因子存在偏差，计算结果有高估地区生态状态的可能，而且只涉及自然资源，对于人类可持续发展的其他方面难以测算；CITYgreen模型[4-5]可用于城市森林(小区域如一个公园、一个社区范围，大区域如整个县、整个市区)的结构分析与生态效益评价，同时将结果以报告形式输出，其基于GIS软件ArcView开发，对遥感影像的质量要求较高。EVR模型(Ecological Value at Risk)[6-7]将生态服务价值的定量化与生态风险分析的数学模型相结合，可以进行基于生态服务价值的生态风险分析研究，但模型对数据要求量较大，且模型是借鉴金融分析市场组合的VaR方法，设定了假设条件，可推广性差。而InVEST模型[8-9]能较好地把握总体格局，体现人类活动对生境的威胁程度和影响范围，使利益相关者权衡发展与保护的关系，寻求最佳策略。

InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)[10-11]是由美国斯坦福大学、世界自然基金(WWF)和大自然保护协会(TNC)于2007年联合开发出的一种生态系统服务和交易的综合评估模型。该模型基于GIS平台，可以定量化评估各项生态服务功能，并以地图的形式体现其空间分布特征，为自然资源管理提供最优的决策支持。目前许多专家、学者把InVEST作为一款实用的分析工具，将其应用于生态环境、水利水电、土地资源、水产养殖等不同的领域[12-13]。本研究以黑水河流域为例，介绍了如何利用INVEST模型评价黑水河流域营养盐的空间分布特征，从不同的角度分析评价黑水河流域水质威胁，并提出保护建议，为该流域生态和自然资源的保护提供决策依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 流域概况

黑水河(图1)是金沙江左岸一级支流，位于四川省凉山彝族自治州境内，发源于昭觉县玛果梁子，自北向南流经昭觉、普格、宁南3县，于宁南县东南部葫芦口注入金沙江；流域面积为3 591 km2，全长173.0 km，天然落差1 931 m，平均比降1.105%，河口处多年平均流量为80 m3/s、径流量25.25亿m3。通过黑水河干流的栖息地修复与建设可发挥其流水生境对长江上游特有鱼类的保护作用，并为白鹤滩库区喜缓流和静水生境但需流水刺激产卵的鱼类提供适宜的水生生境。

黑水河流域淡水资源供应是一项有助于社会发展的重要生态系统服务功能，保障了流域农业灌溉、人口增加、工业发展和旅游活动等。目前，黑水河流域的工业开发强度较低，流域内威胁水环境的主要因素有农业面源、场镇居民生活污水、采石挖沙及沿河工矿企业生产废水、养殖废水，以及地质灾害引发的水环境威胁。为进一步分析全流域氮、磷营养物空间分布情况，利用InVEST2.5.4中的产水量模块和营养盐截流(营养物沉积模块)模块模拟流域氮、磷营养物负荷分布，并在此基础上对黑水河流域水质威胁进行分析评估，为黑水河干流的栖息地修复与建设提供决策依据。

1.2 研究方法

利用产水量模块模拟黑水河流域的降雨径流，然后将产水量空间分布导入营养盐截流模块，营养盐截流模块通过提取数字高程模型(DEM)的坡度，确定径流路径，通过分析汇流能力阈值提取出河网信息，并考虑了不同植被的截留能力，模拟了氮磷自一网格迁移至下一网格过程中的沉积与截留的损失量，以此来模拟氮磷营养物随径流输入至河道的空间分布。

1.2.1 产水模块

InVEST模型的产水模块是一种基于Budyko曲线和年平均降水的水量平衡估算方法[14]，不考虑地表水与地下水的交互作用，认为某栅格单元的降雨量减去没有上游径流补给时蒸散发后的水量，即为产水量。该模型首先要计算出栅格单元某种特定植被类型下的年平均产水量，由公式(1)计算获得：

(1)

式中Yxj——栅格单元x中植被类型为j的年产水量；AETxj——栅格单元x中植被类型j的实际蒸散量；Px——栅格单元x的年平均产水量。可由Budyko曲线公式(2)近似得到：

(2)

式中Rxj——Bydyko的干燥指数；ωx——自然气候-土壤性质的非物理参数，分别由公式(3)和公式(4)计算得到。

(3)

式中Kxj——栅格单元x中土地利用覆被类型下的植被蒸散发系数；ETox——栅格单元x中的参考蒸散。

(4)

式中AWCx——土壤有效含水量，是由土壤质地和有效土层厚度决定的；Z——季节性因子，代表季节性降雨分布和降水深度，不同的研究区域具有不同的适宜值。

1.2.2 营养盐截留模块

地表径流中的氮磷通过植被缓冲带后，其中部分氮磷通过植物吸收、微生物固定、硝化反硝化作用后被截留，部分氮磷通过土壤吸附而渗透到土层中、沉积矿化而被截留。营养物截留模块基于改进后的输出系数法，考虑了氮磷营养物在输移过程中由于截留和沉积作用而不可能完全进入收纳水体，以此来模拟氮磷营养物流入河川径流中的空间分布：

ALVx=HSSx·polx

(5)

式中ALVx——栅格x调节的载荷值；polx——栅格x的输出系数；HSSx——栅格x的水文敏感性得分值。

1.3 数据来源及处理

a) DEM数据。采用流域实测30 m×30 m的DEM数据。DEM图中可以看出，黑水河流域北高南低，地貌多以山岭和河谷相间，河谷到分水岭高差较大，在700～4 000 m左右，沿河支沟发育。

b) 土地利用。土地利用数据采用2016年度实测的流域1∶250 000土地利用图。从土地利用图可以看出，目前黑水河流域土地利用方式主要有坡耕地、耕地、梯田、林地、建设用地、裸地、水域及水利设施用地等，以林地和坡耕地占地面积最大，分别占整个流域面积的42.0%和47.9%。坡耕地和耕地主要沿黑水河、则木河、西洛河及其两侧支沟的河谷地带分布。根据对黑水河流域的初步调查分析，威胁流域内水文、水质及自然生态系统的主要因素还包括居民点、采石挖沙、沿河企业、养殖等几种方式，将这几种类型更新至土地利用图中进行校正。

c) 土壤数据。土壤数据采用收集到的1∶100万数字化土壤图，包括土壤厚度、土壤颗粒组成、持水率等基本信息，土壤类型采用收集到的1∶250 000土壤类型空间分布图。

d) 降雨与植物潜在蒸散量。降雨数据采用黑水河流域的多年平均年降雨量。根据InVEST用户手册上的建议和文献查阅，发现修正的哈格里夫斯公式在计算年均潜在蒸散量上应用较广，采用该公式计算研究区域ET0。修正的哈格里夫斯公式如下：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tav+17)×

(TD-0.0123P)0.76

式中RA——地球外辐射(太阳总辐射)，MJ/(m2·d-1)；Tav——年均日最高气温和年均日最低气温的平均值，℃；TD——年均日最高气温和年均日最低气温的差值，单位是℃；P——月均降雨量，mm。

通过中国气象科学数据共享平台，得到宁南站多年日最高气温和年均日最低气温，计算出Tav和TD。查阅四川省太阳能辐射分布图，得到研究区域的RA值，取地区均值5 760 MJ/(m2·a-1)。根据哈格里夫斯公式最终计算得出黑水河流域植物潜在蒸散量的空间范围为605～635 mm/a。

e) 模型参数取值。InVEST模型参数是基于不同土地利用类型的参数集合，主要包括植被最大根深、蒸散发系数及各个营养盐的输出系数、截留能力。其中植被最大根深数据参考Canadell等对于全球范围内植被最大根深的研究[15]，并进行了率定；蒸散系数参考InVEST用户指南，并进行了率定；而不同土地利用类型的氮磷输出系数和氮磷去除效率参考了国内外文献和三峡库区农业面源污染负荷[16]，并进行了率定。率定结果具体见表1。

表1 模型参数取值

2 结果与分析

2.1 产水量模块的校验与营养盐输出空间分布

应用INVEST模型分别对流域产水和耗水进行模拟，将产水量和耗水量的差作为流域实际出水量。采用宁南水文站多年平均流量对模拟结果进行验证(表2)。根据宁南水文站代表年多年年均流量为69.1 m3/s，年径流量为21.79亿m3，经过对产水量模块的反复调试，模拟出的宁南水文站多年平均径流量为20.76亿m3，误差为4.7%，与实际情况吻合较好。

将校验后的产水量(mm)栅格图导入营养盐截留模块，可以提取黑水河流域出口处的氮、磷营养盐浓度数据，将黑水河流域出口处的总氮和总磷的浓度值与2016年实测丰水期、平水期、枯水期及年均值进行对比，对比发现模拟计算出的黑水河河口处的总氮和总磷年均浓度相对误差分别为3%和20%(表3)。

表2 宁南水文站多年平均实测径流量与计算径流量对比

表3 黑水河河口处营养盐浓度计算值与实测值对比

2.2 黑水河流域营养盐负荷水平

根据INVEST模型模拟出2016年全年黑水河流域氮、磷营养盐负荷空间分布及各个子流域的氮、磷营养盐负荷空间分布，见图2。

从图2、3中可以看出，营养盐的负荷输出差异十分明显，其中山岭地区营养物输出量小，而河谷地区输出量大，这和区域的土地利用类型分布基本一致。山岭地区土地利用类型主要为林地，人工开发强度低，面源污染产生的氮磷负荷量小，加上林地植被繁茂，对氮、磷污染物的截留率高，这些因素大大降低了山岭地区的氮磷输出。

各子流域氮、磷输出负荷差异也较大，黑水河和则木河沿线所在子流域输出负荷量较大，流域北部及黑水河东西两侧的山岭地区所在的子流域输出负荷量较小，各子流域中氮、磷单位面积年输出负荷最高值分别为26.17 kg/ha、2.62 kg/ha。

2.3 黑水河流域营养盐浓度水平

为更直观的反映黑水河流域氮、磷营养物质的现状水平及水环境类别，通过对各子流域氮磷输出总量和实际产水量分布图叠加完成单位换算，得出各子流域氮、磷平均浓度空间分布，见图3。

从图3可以看出，各子流域氮、磷平均浓度变化较大，总氮浓度在0.12～3.4 mg/L左右，总磷浓度在0.01～0.34 mg/L左右。根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对黑水河流域氮磷浓度水平进行评价，总氮和总磷浓度满足各类水质标准的子流域面积占流域总面积的比例见表4。总体来说，大部分子流域水环境质量较好，少数子流域水体中氮、磷含量超过三类水标准，而超标区域主要集中在黑水河干流、西洛河干流和则木河、西洛河交汇处所在的小流域。

表4 营养盐浓度满足相应水质标准的子流域面积百分比

3 结果讨论

对黑水河流域水质主要威胁源进行分析和讨论。

a) 从不同土地利用类型的营养盐平均输出量角度分析。根据氮磷营养物输出结果，氮磷营养盐输出量与土地利用类型密切关联。将黑水河流域氮磷营养盐空间分布图与土地利用图进行叠加统计，得出不同土地利用类型的氮、磷平均输出量，不同土地利用类型的氮、磷平均输出量及贡献率见表5。

根据表5的统计结果，养殖和采石采砂的氮、磷平均输出量较高，水域的其次。养殖以及采石采砂的高氮磷输出量与其自身产生的污染负荷较高有关；水体由于基本位于流域出水口，接受上游输入的污染负荷高，其自身截留能力差，因而输出的氮磷负荷较高；耕地、坡耕地和梯田的氮、磷输出量相近，要略低，这与其本身的截留能力较强有关；林地的截留能力相比耕地更强，而产生的负荷也更小，所以氮、磷输出量最小；建设用地、企业、居民的氮、磷输出量与其负荷产生量和截留能力密切相关；裸地截留能力最差，但是由于其污染物负荷产生量也小，因此氮、磷输出量也不高。

表5 不同土地利用类型氮、磷平均输出量及贡献率

b) 从超过三类水标准的子流域营养盐平均输出量角度分析。对氮、磷浓度超过三类水标准的子流域各土地利用类型对应的单位污染负荷贡献率进行统计，总氮浓度超三类的子流域有12个，总氮浓度超三类的子流域氮的平均输出量的主要威胁因子贡献率见表6。总磷浓度超三类的子流域有4个，总磷浓度超三类的子流域磷的平均输出量的威胁因子贡献率见表7。从两张表中可以看出，采石采砂、养殖、建设用地、裸地、坡耕地等的单位面积氮磷的高输出是造成子流域氮磷浓度超标的主要威胁源，如子流域146、251单位面积氮磷输出量最大的是建设用地，子流域84、175单位面积氮磷输出量最大的是采石采砂，子流域183、207单位面积氮磷输出量最大的是养殖。

表6 总氮浓度超三类的子流域单位面积氮输出量的主要威胁因子及其贡献率

表7 总磷浓度超三类的子流域单位面积磷输出量的主要威胁因子及其贡献率

4 结论

综合上述分析，黑水河流域氮磷营养负荷的高低与流域土地利用方式和开发强度密切相关，对氮磷浓度超过三类水标准的子流域分析发现，城镇建设(人口)、养殖、农业面源、采石采砂等是影响这些子流域水质状况的主要威胁源，应该积极采取相应保护措施，改善这些子流域的水质状况，如加强城镇基础设施建设、应用农业最佳管理措施，禁止干流河道采砂等，同时由于坡耕地的氮磷输出总量的贡献率较大，也需要对氮磷浓度超过三类水标准的子流域中的坡耕地采取相应的措施，如将坡耕地改造为梯田。

总体而言，InVEST模型较好地模拟了黑水河流域产水量和氮磷营养盐负荷，并且给出了不同土地利用类型的氮磷营养盐负荷的主要威胁因子及其贡献率，以及根据水质标准给出了威胁程度及贡献率较高的区域(子流域)。