河湟谷地水源涵养功能空间格局研究

侯光良, 许长军, 李晓勤, 戚宝正

河湟谷地水源涵养功能空间格局研究

侯光良1,*, 许长军2, 李晓勤3, 戚宝正3

1. 高原科学与可持续发展研究院, 西宁 810008 2. 青海省地理空间信息技术与应用重点实验室,西宁 810001 3. 青海师范大学地理科学学院,西宁 810008

河湟谷地水源涵养能力空间分布的科学分析, 为区域生态文明战略实施与兰西城市群水资源开发利用提供依据。采用水量平衡方程来计算河湟谷地水源涵养能力, 进行GIS空间分析, 并结合自然保护地(国家自然保护区、国家公园、水源地)分布, 综合划分区域水源涵养功能分区。结果表明: 本区北部祁连山脉的冷龙岭、达坂山一带为水源涵养功能极重要和重要区域, 约占总面积25%, 一般重要与中等重要区域主要分布于中部的中小起伏中山地, 约占总面积66.3%; 水源涵养功能不重要区域则集中在湟水与黄河谷地内, 此处人类活动最为集中, 约占本区面积的8.7%。提出区域水源涵养能力建设的措施包括将北部祁连山脉的冷龙岭和达坂山一带确定为水源涵养功能极重要和重要区域并列为自然保护区; 将水源涵养功能分区作为设置水源地的考虑因素; 因地制宜增加森林面积, 加大嵩草、杂类草高寒草甸和温带丛生禾草草原的治理与恢复。

河湟谷地; 水源涵养; 空间格局

0 前言

2019年9月, 习总书记发表了黄河流域生态保护和高质量发展讲话, 指出黄河流域是我国重要的生态屏障, 也是我国重要的经济地带, 坚持流域生态优先、绿色发展, 以水而定、量水而行, 让黄河成为造福人民的幸福河[1]。位于黄河上游的河湟谷地是青藏高原人口、城镇、产业最为集中的区域, 谷地内的西宁市既是省会, 又是青藏高原最大的城市, 因此河湟谷地成为实施与贯彻黄河流域生态保护和高质量发展的前沿阵地。此外国家区域发展战略—兰西城市群建设也涉及本区[2], 以兰州、西宁为轴心, 涵盖甘肃省定西市和青海省海东市、海北藏族自治州等22个地州市的经济地带, 是中国西部重要的跨省区城市群。同时西宁为融入国家发展战略, 也提出构建城市生态空间格局, 实施绿色人文建设行动升级版及生态环境治理能力提升行动。地处我国西北干旱半干旱地区的河湟谷地, 水资源的利用与开发事关上述国家战略与区域规划实施的成败, 而水源涵养能力评价与建设是个关键环节。因此对河湟谷地水源涵养能力的研究既有战略意义, 也有积极的实践需求。

目前国内外多采用生态系统服务功能价值核算的相关理论, 先计算区域内不同地块单元的水源涵养量, 然后根据水源涵养量选择其中需要重点保护的区域。这类方法广泛应用于对全球17类主要生态系统类型的生态服务功能价值进行估算[3], 中国陆地生态系统单位面积服务价值[4]等研究工作中。这些水源涵养定量研究中有采用Invest模型[5], 模型的产水量模块基于水循环原理, 通过降水等参数计算获得产水量, 再用地形指数进行修正, 进而获得水源涵养量, 实现对水生态系统服务功能的评估, 这一方法被广泛应用于三江源等地区的相关研究中[6–9]。也有一些研究采用水量平衡方程进行水源涵养的计算, 水源涵养功能是生态保护评价的重要指标之一, 也是划分生态保护红线的重要组成部分[10–11]。“生态保护红线”是国家的一条重要“生命线”, 是编制国土空间规划的基础[12]。2017年国家发展与改革委员会联合发布的《生态保护红线划定技术指南》中将水量平衡方程列为评价水源涵养的推荐方法[13], 该方法具有过程原理清晰、参数需求少、简单易行等优点, 被广泛应用于水源涵养能力评价中[14–15], 尤其是它直接服务于生态保护红线工作, 显示了具服务社会的实践功能和实用性。

本文采用生态系统服务功能评估中常用的价值核算理论来对河湟谷地水源涵养功能进行评估,将区域内不同地带的水源涵养量进行定量分析, 结合区域内已经确立的河流源地、重要水源保障供给地、水源涵养功能保护性地带等, 综合确定区域水源涵养重要性等级与区域划分[16]。

1 研究区简介

本文的河湟谷地, 包括黄河和湟水谷地, 由北向南依次为冷龙岭-大通河谷地-达坂山-湟水河谷地-拉脊山-黄河谷地, 谷地内河谷宽阔, 阶地发育, 海拔多在1650—2400 m, 适宜发展农业。本区总面积约43600 km2, 海拔处于1650—5200 m之间; 属于高原温带半干旱气候, 年均气温3—8 ℃, 年均降水量250—520 mm, 蒸散发强烈。黄河干流自西向东贯穿全境, 并发育一级支流湟水河与隆务河、二级支流大通河。植被以温性草原为主, 巨大的海拔落差与地貌差异, 导致植被垂直地带性非常显著。河谷地区内为栽培作物; 海拔2200—2400 m的小起伏中山地主要为温带丛生矮草-半灌木草原; 海拔2400—2900 m中起伏中山地主要为温带丛生禾草草原; 海拔2900—3800 m的大起伏高山地生长金露梅等高寒灌丛; 海拔>3800 m的区域则为高寒草甸与草甸土[17]。

从行政区域来看, 包括西宁市(西宁市区、大通县、湟中县、湟源县)、海东市(平安区、乐都区、互助县、民和县、循化县、化隆县)、海北州门源县、黄南州同仁县和尖扎县、海南州贵德县等。本区是青藏高原水热条件较为优越的区域之一, 面积虽只占全省面积的5%, 但约占全省72.77%的人口和60%的耕地。西宁市与海东市就座落于河谷地区内, 是青藏高原人口、城镇、经济活动最为密集区域, 仅西宁市与海东市, 2018年人口达385.13 万人, 占全省的63.84%; 国民生产总值1737.91 亿元, 占全省的60.65%(中国统计信息网http://www.tjcn.org/tjgb/ 29qh/35837_3.html)。

图1 河湟谷地水系与城镇

Figure 1 River system and town in Hehuang Valley

2 数据与方法

2.1 数据

本文所用数据及来源为: 研究区90 m×90 m空间分辨率的DEM数据来自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www. gscloud.cn/); 基于DEM数据, 通过ArcGIS的表面分析功能得到坡度; 中国1 km栅格年均降水量数据(1971—2000年)来自资源学科创新平台网站(http://www.data.ac.cn/), 中国1 km月均气温和月均降水量(1971—2000年)来自国家生态系统观测研究网络科技资源服务系统(http://www.cnern.org.cn/)以及文献[18]; 植被数据为中国科学院资源环境科学数据中心的中国1:100 万植被类型空间分布数据。自然保护区来自于中华人民共和国生态环境部全国自然保护区名录(http://www.forestry.gov.cn/), 国家森林公园数据来自国家林业和草原局以及国家公园管理局网站(http://www.mee.gov.cn/),本区水源地资料来自西宁供水网(http://www.8112112.com/a/yewujianshe/ shuichangyushengchan/)和海东市人民政府办公室文件(http://www.haidong.gov.cn/html/52/75838.html)。

2.2 水源涵养能力

水源涵养能力的计算采用水量平衡方程, 计算公式为:

(1)式中:为总水源涵养量(m3),P为年均降水量(mm),R为年均地表径流量(mm),A为类生态系统面积(km2),为研究区第类生态系统类型,为研究区生态系统类型数,E为年均实际蒸散发(mm); (2)式中, A、B、C为经验系数, 分别取值3100、1.8、34.4,R为第月降水量(mm),t为第月平均气温(℃),E采用经验公式(2)计算获得[19]。

如果按照ARCGIS中栅格数据来计算, 则公式修改为:

则为第个像元格。

地表径流是降雨量乘以地表径流系数获得, 计算公式如下:

式中:为地表径流量(mm),为多年平均降雨量(mm),为地表径流系数, 如表1所示。

2.3 自然保护地

本区涉及到水源涵养的自然保护地, 有6个国家森林公园和3个国家级自然保护区, 类型均为森林生态系统; 其中祁连山自然保护区面积较大, 分布在门源、祁连、天峻、德令哈等县市, 在本区分布于门源。大通国家森林公园由鹞子沟和察汗河两部分组成, 它们都分布有丰富的地表与地下水资源,也是非常重要的水源涵养地。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。因此水源地未必属于自然保护地, 但本文为方便计算, 使之与国家森林公园、自然保护区列在一起。此外本区有两处国家地质公园, 与国家森林公园基本重合, 故不单独列出。自然保护地分布区域即为水源涵养极重要分布区。点状水源地也是水厂所在地, 因为涉及到百姓的水源生产与供给, 以点状水源地为中心, 做2 km的缓冲区, 区内也为水源涵养极重要区域。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型的水源涵养能力

通过计算并统计本区不同植被类型的水源涵养能力, 发现: 本区地处干旱半干旱地区, 降水较少, 蒸散发较大, 并有一定的径流量, 故本区各植被类型水源涵养能力均较低, 并处于负值状态, 除冰川地带, 降水在地表形成冰得以储存。尽管如此, 本区不同植被类型, 水源涵养能力仍有明显差别, 从总量来看水源涵养能力排在前五位的依次为温带落叶灌丛、温带针叶林、温带针阔混交林、寒温带和温带山地针叶林、亚热带落叶阔叶林, 从单位面积水源涵养能力来看依次为寒温带和温带山地针叶林>温带针叶林>亚热带落叶阔叶林>温带落叶阔叶林>温带针阔混交林>亚热带和热带山地针叶林>禾草、薹草高寒草原>温带落叶灌丛>亚高山革质常绿阔叶灌丛>温带丛生矮禾草、矮半灌木荒漠草原>亚高山落叶阔叶灌丛>温带丛生禾草草原>嵩草、杂类草高寒草甸>嵩草、杂类草高寒草甸+亚高山落叶阔叶灌丛>多汁盐生矮半灌木荒漠>栽培作物>高山稀疏植被。

表1 河湟谷地植被类型与地表径流系数[13]

表2 河湟谷地国家森林公园与自然保护区

3.2 水源涵养能力的空间分布

本区水源涵养能力变化幅度在-330—130 mm·a–1, 呈现出显著的南北高、中间低的空间分布模式(图2)。水源涵养能力>0的区域主要分布在北部的冷龙岭、门源盆地、达坂山一带以及南部的循化孟达自然保护区、麦秀林场一带。中部的湟水谷地-拉脊山-黄河谷地等广大区域的水源涵养能力＜0。湟水和黄河谷地水源涵养能力较弱, 尤其是贵德段黄河河谷地带, 水源涵养能力最差, 年水源涵养能力在-202—-330 mm之间。

3.3 河湟谷地水源涵养功能空间分区

根据本区水源涵养能力变化数值分布特征, 将水源涵养能力分级如表4。由表4知: 水源涵养能力不重要(-330—-220 mm·a–1)的区域面积为3794 km2, 约占本区面积的8.7%, 一般重要、中等重要、重要和极重要区域分别占本区面积的44.9%、30.2%、13.2%和3%, 也就是说水源涵养能力＜0的区域占总面积的83.8%, 是本区面积的绝大部分, 仅有16.2%的区域水源涵养能力>0, 因此本区水源涵养能力总体较弱。由此可见重要与极重要区域对于本区水源保障与供给显得极为重要。

考虑到自然保护地均为极重要的水源涵养区, 本文的自然保护地包括国家森林公园、国家自然保护区和水源地, 将自然保护地与水源涵养能力进行叠合, 综合分析, 则可以得到本区最终的水源涵养功能重要性分级。由表4可见: 考虑自然保护地后, 水源涵养极重要区域面积明显增多, 达到6001.3 km2, 符合本区生态建设为重中之重的战略需求[20], 也与兰西城市群的建设规划相一致。水源涵养功能极重要与重要区域面积占本区面积的25%, 而中等重要与一般重要区域面积约占全区面积的66.3%, 不重要区域面积约占全区的8.7%(图3)。

表3 本区不同植被类型水源涵养能力

总体来看, 水源涵养功能极重要和重要区域主要分布在北部祁连山脉的冷龙岭和达坂山一带, 南部西倾山少部分地区也有分布, 中部广大地区面积小, 较分散, 呈岛状不连续分布。一般重要区域分布面积最广, 主要分布在河谷与大起伏高山地过渡地带的中小起伏中山地, 而河谷地带则基本为不重要区域。

注: a.年均降水量; b.蒸散发; c.年径流系数; d.年径流量; e.水源涵养能力。

Figure 2 Water conservation capacity and factor map of Hehuang Valley

表4 水源涵养功能重要性分级标准[8]

4 讨论

为强化和建设本区生态环境的水源涵养功能, 将水源涵养能力强的区域也纳入自然保护区, 加以保护。尤其是本区北部冷龙岭、达坂山一带的水源涵养能力为45—130 mm·a–1的区域, 目前均未纳入自然保护区也未纳入国家森林公园, 因此建议以上区域(图3b)应该纳入自然保护地中, 实行有效管理, 提升其水源涵养能力[21]。尤其是达坂山一带, 与大通北川河源区自然保护区毗邻, 却属于无人管理的状态, 该区域也是北川河河源的重要部分, 其水源涵养功能直接关系到西宁市生态文明建设及其水源的供给, 具有重要的生态与生产价值[20]。

注: a.国家级自然保护区、国家级森林公园和水源地分布; b.水源涵养能力分级; c.水源涵养功能重要性分布。

Figure 3 Importance distribution of water conservation function in Hehuang Valley

为保证水源供给质量与可持续发展, 因地制宜适当增加水源涵养功能极重要和重要区域的水源地建设, 关闭环境污染问题较突出且分布在一般重要与不重要区域的水源地。从目前本区17个水源地分布来看, 仅有3个位于水源涵养功能极重要区域, 1个位于中等重要区域, 9个位于一般重要区域, 甚至有4个位于不重要区域。水源地分布于极重要与重要区域的数量明显偏少, 甚至重要区域无水源地; 而一般重要与不重要区域明显偏多。需要说明的是水源涵养功能极重要和重要区域, 多是远离人类活动密集的高山地带, 人类活动干扰少, 水质受污染的可能性较低; 恰好相反, 4个位于不重要区域的水源地, 距离城镇较近, 有些存在地下水位下降、工农业污染严重的问题[22]。当然水源地的设置不仅仅是考虑水源涵养功能重要性, 还要综合考虑技术经济以及社会经济要素的分布。

加强区域生态治理与修复。由前文可知: 寒温带和温带山地针叶林、温带针叶林、温带落叶阔叶林、针阔混交林等几种适应本地生态环境的植被类型有较高的水源涵养能力, 因此因地制宜, 根据区域的环境差异, 大力营造适宜本地的人工林, 而以上几种植被类型显然是比较好的选择。有研究也支持这种说法, 提出最佳的水源涵养林树种配置模式是青海云杉-白桦混交林[23–24], 并认为树种的选择要优先考虑云杉落叶松、青海云杉、云杉白桦混交、华北落叶松、白桦等[25]。此外, 从表3可知, 本区植被类型分布面积最广的是嵩草、杂草类高寒草甸和温带丛生禾草草原, 它们在维持区域水源涵养、土壤发育等生态系统服务功能方面有重要价值[26], 在维护区域生态安全格局等方面有重要作用[27–28]。但本区高寒草甸和温性草原, 普遍存在开发过度、退化严重的问题[29], 因此要加强高寒草甸和温性草原的生态治理与修复[30], 本区生态服务功能将大有提高。

5 结论

河湟谷地在国家生态文明战略实施与兰西城市群建设中具有重要地位, 而水源涵养能力也是区域水资源开发的重要环节, 本文对区域水源涵养能力空间分布进行研究, 并提出相应的对策建议。但是也存在明显不足, 本文未结合国家主体功能区规划的生态功能定位进行综合阐释, 单独强调水源涵养功能的重要性, 并不一定符合主导生态亚类功能的定位。希望在以后的工作中进一步细化与推进, 使得相关工作更为全面。本文取得如下结论:

(1)不同的植被类型, 水源涵养能力有明显差别。从单位面积水源涵养能力来看森林水源涵养能力最强, 包括寒温带和温带山地针叶林、温带针叶林、温带落叶阔叶林、针阔混交林等, 草原中温带丛生矮禾草、矮半灌木荒漠草原水源涵养能力较为突出。

(2)本区水源涵养能力呈现出北部冷龙岭、达坂山一带较高, 中间湟水与黄河谷地较低的空间分布模式。

(3)将本区水源涵养功能重要性分为5级, 其中北部祁连山脉的冷龙岭和达坂山一带为极重要和重要区域, 约占本区总面积的25%; 一般重要区域分布面积最广, 约占42%, 主要分布在河谷与大起伏高山地过渡地带的中小起伏中山地; 不重要区域则主要分布于河谷地带。

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Spatial pattern of water conservation function in Hehuang Valley

HOU Guangliang1,*, XU Changjun2, LI Xiaoqin3, QI Baozheng3

1. Academy of Plateau Science and Sustainability, Xining 810008, China2. Geomatics Technology and Application Key Laboratory of Qinghai Province, Xining 810001, China3. School of Geography Science, Qinghai Normal University, Xining, 810008, China

This paper discusses the spatial distribution of water conservation capacity in Hehuang Valley, providing basis for the implementation of regional ecological civilization strategy and the scientific development and utilization of water resources in Lanxi urban agglomeration. Water balance equation is used for calculating the water conservation capacity of Hehuang Valley, and then GIS analysis is carried out;what’s more, combining with the distribution of natural reserves (national nature reserves, national parks, water sources), the zonesof function for regional water conservation were divided comprehensively. The results show that the areas of Lenglong Mountain and Daban Mountain in the north of Qilian Mountains are the extremely important and important area for the function of water conservation, accounting for 25% of the total area; and the general important and middle importantarea are mainly distributed in the middle and small undulating mountains of the middle part, accounting for 66.3% of the total area; the unimportant area for the function of water conservation ismainly distributed in Huangshui and Yellow River Valley; where human activities are the most concentrated, accounting for 8.7% of the area. Therefore, the measures of regional water conservation capacity construction are put forward. The Lenglong Mountain and Daban Mountain areas in the north of Qilian Mountains are determined as extremely important and important area for the function of water conservation, which are classified as natural reserves; the zones of function for water conservation is considered as the consideration of setting water sources; according to the local conditions, increasing the forest area and the management and restoration of Kobresia, miscellaneous grass alpine meadow and temperate clump grass grassland.

Hehuang Valley; water conservation; spatial pattern

侯光良, 许长军, 李晓勤, 等. 河湟谷地水源涵养功能空间格局研究[J]. 生态科学, 2021, 40(4): 169–176.

HOU Guangliang, XU Changjun, LI Xiaoqin, et al. Spatial pattern of water conservation function in Hehuang Valley[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 169–176.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.019

X144

A

1008-8873(2021)04-169-08

2020-02-20;

2020-03-18

青海省地理空间信息技术与应用重点实验室基金(2019-002)

侯光良(1972—), 博士, 教授, 主要从事自然地理与人类活动研究, E-mail: hgl20@163.com

侯光良