基于INVEST 模型的资水流域产水量及其对环境响应的评估分析

周懿琳，毛德华

（湖南师范大学地理科学学院，长沙 410081）

水是人类赖以生存的自然资源，同时也是社会经济赖以发展的重要物质基础［1］。随着城市化进程加快，社会经济活动对水资源的生态占用逐渐加强，对水循环水环境的干预加强，再加上气候变化引起水源供给的不确定性［2］，导致水生态系统服务功能减弱［3］，为了使水资源满足社会经济发展又不对生态系统产生破坏，定量地研究水生态系统的水源供给功能尤为重要。目前，较为成熟的水文分析模型以及生态系统服务功能评估模型有SWAT 模型、INVEST 模型等，INVEST 模型因其参数小、数据要求低［4］，且INVEST 模型的产水量模块（Water yield）可以定量化地估算一个区域的产水量，精度较高，引起了国内外学者的广泛关注，国外学者如Manish 等［5］研究了泰国松克拉姆河流域土地利用变化及其对产水量的影响；Bastola 等［6］估算了尼泊尔巴格马蒂盆地的产水量；Kim 等［7］对朝鲜森林产水量进行了量化。中国学者对阿克苏流域［8］、石羊河上游［9］、大凌河上游［10］、海南岛［11］、大连市［12］、丹江口库区［13］、东北地区［14］、横断山区［15］等区域的产水量空间格局以及影响因素进行了研究，且模型估算效果较好，有助于当地对水资源的合理利用和规划。由于不同区域自然环境以及社会经济不同，经过统计发现，中国学者对产水量的研究集中于生态环境脆弱的西北干旱地区、东北地区以及西南的横断山区，对中部地区产水量研究较少，资水为长江流域洞庭湖水系的四大水系之一，也是洞庭湖水系的第三大支流，资水流域具有丰富的水资源，关于资水流域的研究，主要有刘培亮等［16］研究了资水流域汛期径流量的变化规律，张爱玲等［17］基于SWAT 模型模拟了资水流域径流量，向鹏等［18］研究了资水营养盐变化规律及水质，而资水流域属于亚热带湿润地区，植被覆盖度高，降水丰富，径流量大，基于INVEST 模型的产水量模块，研究了 2005 年、2010 年和 2015 年资水流域的产水量情况，并根据背景分析法，分析了资水流域降水量和土地利用变化对产水量的影响，通过对资水流域产水量定量化评估，有利于合理规划流域水资源，促进流域经济发展。

1 研究区概况

资水为长江流域洞庭湖水系的四大水系之一，也是洞庭湖水系的第三大支流（图1），发源于城步苗族自治县的雪峰山东麓，流经洞口、武冈、隆回、邵阳、新邵、冷水江、新化、安化、桃江、赫山、资阳等县（市）。流域涉及湖南省邵阳、益阳、娄底、永州、怀化、常德和广西壮族自治区桂林等7 个地级市的24个县（市），全长653 km。资水流域为亚热带季风气候，年均温在20 ℃左右，年降水量在1 200～1 800 mm，气候温和湿润，风景优美，适宜居住，流域地势西南高东北低，主要分布有丘陵、盆地和山丘，丘陵和盆地占40%，山丘占50%，其余为平原湖区。资水流域多年平均径流量为252×108m3。径流量年际变化较大，最大年径流量为378.8×108m3。资水流域在湖南省的面积占比为95.4%，在广西占比为4.6%，考虑到数据的可获得性以及统计方便，本研究选取了资水流域在湖南省的部分区域。

图1 资水流域分布范围及其水系

2 研究方法及数据来源

2.1 INVEST 模型

式中，YXJ表示研究区域的年产水量，AETXJ表示年均实际蒸散量，PX表示年均降水量。

式中，RXJ为无量纲干燥指数，由潜在蒸散量与降水量的比值而得。

式中，ET0为年平均潜在蒸散量，KXJ为栅格单元中不同土地覆被类型对应的植被蒸散系数，其值可以通过查阅资料获得。

式中，AWCX为植物可利用含水量，其数值由土壤深度、土壤质地以及有机质含量决定。Z是Zhang系数，是一个经验系数，不同研究区域其数值也不同。

2.2 背景分析法

INVEST 模型产水量模块基于水量平衡原理，研究区的产水量定义为降水量扣除蒸散量后剩余的水量，其中蒸散量包括植物蒸腾和地表蒸发，所以降水量是影响区域产水量的气候因素，而蒸散量主要受土地利用/覆被影响，为了进一步探究气候变化（降水量）和人类活动（土地利用/覆被）对产水量的影响，设计了2 种背景，背景1 输入的降水数据为2005年、2010 年，土地利用/覆被数据为 2010 年、2015 年，降水数据保持不变，探究2005—2010、2005—2015、2010—2015 年土地利用/覆被对产水量的影响；背景2 输入的土地利用/覆被数据为 2005 年、2010 年，降水数据为2010 年、2015 年，土地利用/覆被数据保持不变，探究2005—2010、2005—2015、2010—2015 年气候变化对产水量的影响。

2.3 数据来源与处理

2.3.1 土地利用/覆被数据 研究需要的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn/），其数据分辨率为30 km，数据精度较高，可以很好地反映研究区的真实情况，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用土地6 个一级类型以及25 个二级类型。对获得的湖南省 2005 年、2010 年、2015 年土地利用数据进行裁剪，得到资水流域的土地利用数据。

2.3.2 年均降水量 降水量数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn/），为中国1980 年以来逐年年降水量空间插值数据集，分辨率为1 km，该数据集精度较高。选取2004—2006年、2009—2011 年、2013—2015 年的数据，通过 Arcgis 栅格计算器进行平均处理，得到2005 年、2010年、2015 年的降水量插值数据。

文件查询功能是用户对系统存储的用户专属数据的查询，用户登录可在文件目录中查看专属文件列表，利用FileSystem.listStatus()方法可获取用户专属数据的状态[4]。通过系统查询功能设置查询文件名，利用seacherFiles()方法实现对文件的查询，查询功能实现封装在UserFile类中，部分功能实现的代码如下：

2.3.3 年平均潜在蒸散量 潜在蒸散量是指在保持充分供给的土壤或水面，经过蒸发或植物蒸腾能达到的最大蒸发量。计算潜在蒸发量的公式有联合国粮农组织FAO 推荐的Penman-Monteith 公式（PM）、Hargreaves 公式、改进的 Hargreaves 公式（Modified-Hargreaves）等，其中PM 公式所需要的气象数据较多，包括最高气温、最低气温、相对湿度、风速等，且公式所需参数较多，因此受到了限制。本研究采用改进的Hargreaves［19］公式，数据获取容易且计算结果可靠。在中国气象网下载2004—2006 年、2009—2011 年、2013—2015 年逐日降水、气温以及辐射数据，通过公式计算得到 2005 年、2010 年、2015 年的潜在蒸散量，在Arcgis 中进行插值，得到2005 年、2010年、2015 年年均潜在蒸散量栅格数据集。

式中，TAV为研究区平均每日最高气温和最低气温的均值，℃；TD为这两者的差值，℃，P为月平均降雨量；RA为天文辐射量，MJ/（m2·d）。

2.3.4 土壤数据 土壤数据下载于寒旱区数据中心（http：//www.ncdc.ac.cn/portal/），该数据来源于联合国粮农组织（FAO）和维也纳国际应用系统研究所（IIASA）构建的世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database version 1.1）（HWSD），中国境内数据源为第二次全国土地调查南京土壤所提供的1∶100 万土壤数据。通过Arcgis 裁剪获得资水流域的土壤数据，该土壤数据属性包括FA090 土壤分类系统中土壤名称、土壤参考深度、土壤质地（沙含量、淤泥含量、黏土含量）以及土壤的各种物理属性参数等。土壤限制深度来源于土壤数据。

植物可利用含水量数据来源于土壤数据。

式中，SAN为沙含量，%；SIL为粉粒含量，%；CLA为黏土含量，%；C为有机质含量，%；PAWC可通过Arcgis 中字段计算器计算获得。

2.3.5 流域分区 高程（DEM）数据来源于地理空间数据云网站，其分辨率为30 m，通过Arcgis 提取，得到所研究的资水流域高程图，经过填洼、流向、流量分析，得到研究区的流量、流向，然后对其进行河网分级、倾泻点捕捉，形成集水区，共形成226 个流域分区，每一个流域分区赋予一个惟一值。

2.3.6 其余数据 INVEST 模型需要输入蒸散发相关系数，包括植被蒸散系数以及最大根系深度，可以参考相关研究成果，或查阅联合国粮农组织相关资料获得［20，21］。

Z参数是表示区域降水特征的常数，数值为1～30，不同区域对应不同的数值，因此要对研究区的Z参数进行校验。模型的校准选用资水流域的多年平均径流量252×108m3，资水流域径流量数据来源于中国河流泥沙公报，通过不断调整Z参数，当Z参数取 28.5 时，2005 年产水量总体积为 332.17×108m3，2010 年产水量总体积为 280.45×108m3，2015 年产水量总体积为317.48×108m3，与多年径流量值最为接近，而且根据Donohue 等［22］对澳大利亚一系列气候条件的研究，发现降雨次数越多，Z值越大，所以Z参数取28.5 也符合资水流域的降雨事件。

3 结果与分析

将产水量模型需要的数据导入后，运行模型，得到 2005 年、2010 年、2015 年的产水量分布（图 2），从时间尺度来看，2005—2015 年，产水总量先降低又升高，但变化幅度不大，2005 年产水量为352.789～1 616.91 mm，年平均产水量为1 153.39 mm，产水总体 积 为 332.17×108m3；2010 年 产 水 量 为 216.216～1 470.7 mm，年平均产水量为973.81 mm，产水总体积 为 280.45×108m3；2015 年 产 水 量 为 282.342～1 622.23 mm，年平均产水量为1 102.37 mm，产水总体积为317.48×108m3。从空间尺度来看，3 个年份产水量的空间格局为北高南低，从娄底市以北到益阳市，产水量较高，娄底市以南到邵阳市，产水量相对较低。2005 年到2010 年，产水量整体空间格局变化较小，2005 年娄底市以南到邵阳市绿色区域较2010 年多，2005 年安化县、桃江县西部产水量较2010 年多，其余地区产水量空间变化较小。2005 年到2015 年，邵阳市南部新宁县、城步苗族自治县的产水量明显增多，其余地区产水量空间变化不大。

图2 2005—2015 年资水流域产水量分布

为了更好地区分产水量变化情况以及产水量高低格局，将资水流域划分为3 个等级，由于资水流域产水量较高，所以等级划分只是相对资水流域划分，产水量＜1 150 mm，为低产水量区；产水量在1 150～1 250 mm，为中产水量区；产水量＞1 250 mm，为高产水量区。从整体来看（图3），资水流域产水量大部分都处于低中水平，根据不同产水量等级统计（表1），2005 年低产水量区面积为 12 544.97 km2，占流域面积的43.51%；中产水量区面积为16 148.87 km2，占流域面积的56.01%；高产水量区面积为138.27 km2，占流域面积的0.48%，可以看出2005年资水流域产水量大部分处于中等水平。2010年产水量变化幅度较大，全部为低产水量区，中产水量和高产水量区都下降到了0。2015年低产水量区面积为21 289.35 km2，占流域面积的73.84%；中产水量区面积为7 542.76 km2，占流域面积的26.16%；高产水量区面积为0，2005 年至2015 年，低产水量区整体呈上升趋势。

图3 各处理经济效益分析

表1 2005—2015 年产水量等级面积占比

图3 2005—2015 年资水流域产水等级分布

4 土地利用变化和气候变化对产水量的影响

4.1 土地利用变化对产水量的影响

2005—2015 年资水流域的各类土地利用面积均发生了变化，从整体上来看，资水流域最主要的土地利用类型是林地，林地在各类土地利用中所占面积最大，占资水流域面积的62%；其次是耕地，耕地面积占资水流域面积的32%，耕地和林地面积占比也反映了湖南省是林业和农业大省，其森林生态系统在全球也具有很高的代表性；水域占资水流域面积的2%；城乡工矿居民用地和草地面积接近，未利用土地面积占比最小。根据2005—2015 年土地利用转移矩阵（表2），2005—2015 年，耕地、林地、草地呈减少状态，耕地减少的最多，减少了187.62 km2，水域、城乡工矿居民用地、未利用土地呈增加状态，城乡工矿居民用地增加的最多，增加了212.51 km2，说明2005—2015 年，城市化进程加快，城乡工矿居民用地在增加。耕地向林地和城乡工矿居民用地转移的最多，说明在城市化进程加快的同时，人们的生态文明意识也加强，逐步退耕还林；林地向耕地、草地、水域、城乡工矿居民用地转移较多；草地主要向耕地和林地转移；城乡工矿居民用地向耕地转移的最多，占转移面积的7%；未利用土地转移面积变化不大。

表2 2005—2015 年资水流域土地利用转移矩阵 （单位：km2）

4.1.1 不同土地利用类型产水量和蒸散发分析 土地利用/覆被是通过下垫面来影响蒸散发过程的，下垫面不同，蒸散发的大小也不同。利用Arcgis 的分区统计功能，分别统计了 2005 年、2010 年、2015 年 6种土地利用类型的产水量（图4），从2005 年到2015年，耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用土地均呈先减少后增加的趋势，2010 年各个土地利用类型的产水量最少。城乡工矿居民用地和未利用土地产水量较大，其次是草地、耕地、林地和水域。再对 2005 年、2010 年、2015 年不同土地利用类型的实际蒸散发进行统计（图5），发现水域＞林地＞耕地＞草地＞城乡工矿居民用地＞未利用土地，城乡工矿居民用地多为不透水地面，未利用土地多为荒地，下渗少，且植被相对较少，对降水的截留作用少，降落到地面的水大多形成地表径流，再加上城乡工矿居民用地和未利用土地的蒸散量较小，所以其产水量较高。草地、耕地、林地植被较多，对降水截留较多，可以将降水有效保存，且其土壤多为壤土，含水量较高，再加上蒸散发的共同作用，使得草地产水量大于耕地和林地。

图4 不同土地利用类型的产水量

图5 不同土地利用类型实际蒸散发

4.1.2 土地利用变化对产水量的影响 背景1 中，为了探究土地利用变化对产水量的影响，在2005年的降水条件下，改变土地利用数据，当土地利用数据为2010 年，年平均产水量为1 137.96 mm，产水总体积为327.73×108m3，与2005 年真实场景相比，年平均产水量下降了15.43 mm，产水总体积下降了4.44×108m3，2005—2015 年在土地利用变化的情况下，年平均产水量为1 133.549 mm，产水总体积为326.46×108m3，与2005年真实场景相比，年平均产水量下降了19.84 mm，产水总体积下降了5.71×108m3。在2010年降水条件下，土地利用数据为2015年，年平均产水量为988.67 mm，产水总体积为284.73×108m3，与2010 年真实情景相比，年平均产水量上升了14.86 mm，产水总量上升了4.28×108m3，根据产水量数值变化情况，土地利用变化对产水量的影响不大。从产水量区来看（图6、表3），2005—2010 年，在土地利用/覆被变化的情况下，低产水量区上升了16.29%，中产水量区下降了16.05%，高产水量区上升了0.24%。2005—2015 年，低产水量区上升了18.30%，中产水量区下降了18.06%，高产水量区上升了 0.24%。2010—2015 年，与基准年 2010 年相比，产水量区没有变化，全部为低产水量区。2005—2015 年，耕地、林地、草地呈减少状态，水域呈增加状态，再加上这几类土地利用类型产水量较低，导致2005—2015 年低产水量区增加，而 2005—2015 年高产水量区增加，可能是城乡工矿居民用地、未利用土地增加的缘故。

图6 土地利用变化下的产水量区

表3 土地利用变化下产水量区面积占比

4.2 气候变化对产水量的影响

降水量和蒸散量是影响产水量大小的气候要素，为了更直观地显示降水量和蒸散量对产水量的影响，分别对 2005 年、2010 年、2015 年平均降水量和产水量、平均潜在蒸散发和产水量进行了相关分析（表4），经过计算，降水量与产水量呈正相关，降水量越多，产水量越多；蒸散量与产水量呈负相关，蒸散量越多，产水量越小，且降水量、潜在蒸散发均与产水量在0.01 水平上显著相关。资水流域2005 年降水量为 1 384.81～1 684.22 mm，2010 年降水量为1 186.49～1 567.49 mm，2010 年降水量相比 2005 年有所下降，2015 年降水量为 1 336.77～1 713.43 mm，降水量与2005 年较为接近。降水量的空间格局与产水量一致，2005 年、2010 年、2015 年降水量都是中部偏北较高，南部较低，从安化到桃江降雨量较多，而邵阳为江南丘陵大地形区，夏季炎热少雨，是有名的干旱丘陵区。2005 年潜在蒸散量为0～1 147 mm，2010 年潜在蒸散量为 0～1 217.1 mm，2015 年潜在蒸散量为0～1 274.7 mm，2005—2015 年潜在蒸散量变化不大。

表4 产水量与降水量、潜在蒸散发的相关系数

背景2 中，资水流域土地利用为2005 年，当输入2010 年的降水量数据时，资水流域年平均产水量988.67 mm，产水总体积为 284.73×108m3，2005—2010 年在气候变化的情况下，年平均产水量下降了164.72 mm，产水总体积下降了 47.44×108m3，这与2010 年降水量较2005 年降水量有所下降相吻合，降水量越少，产水量越少。2005—2015 年在气候变化的情况下，年平均产水量为1 122.02 mm，产水总体积为 323.14×108m3，与 2005 年相比，年平均产水量下降了31.37 mm，产水总体积下降了9.03×108m3。当土地利用数据为2010 年，降水量数据为2015 年，年平均产水量为1 106.73 mm，产水总体积为318.73×108m3，与 2010 年真实情况相比，年平均产水量上升了132.92 mm，产水总体积上升了38.28×108m3，产水量上升表明2015 年较2010 年降水量有所增多。根据产水量区（图7、表5）来看，2005—2010 年，低产水量区面积占比上升了56.49%，中产水量区与高产水量区下降为0。2005—2015 年，低产水量区面积占比上升了10.35%，中产水量区下降了10.34%，高产水量区下降了0.01%。2010—2015年，低产水量区有35.51%上升为高产水量区。通过2005—2015 年产水量变化情况，可以看出2005 年降水量最大，其次是2015 年，2010 年降水量最小，降水量与产水量息息相关，对产水量影响较大。

图7 气候变化下的产水量区

表5 气候变化下产水量区面积占比

为了对比降水量和土地利用/覆被对产水量的贡献程度，通过计算，发现 2005—2010 年、2005—2015 年、2010—2015 年，土地利用变化对产水量的贡献分别为为8.57%、38.80%、10.06%，降水量变化对产水量的贡献分别为91.43%、61.20%、89.94%。通过对比，可以看出降水量对产水量的影响更大。

5 结论

资水流域属于亚热带湿润地区，植被覆盖度高，降水丰富，径流量大。通过对资水流域产水量定量化评估，有利于合理规划流域水资源，促进流域经济发展。本试验基于INVEST 模型的产水量模块，研究了 2005 年、2010 年、2015 年资水流域的产水量情况，并根据资水流域产水量具体情况，划分了3 个等级产水量区，分别为低产水量区、中产水量区、高产水量区。其次根据背景分析法，模拟了资水流域降水量和土地利用变化情况下，对产水量的影响。2005—2015 年，产水总量先降低又升高，但变化幅度不大，2005 年、2010 年和 2015 年平均产水量分别为 1 153.39、973.81、1 102.37 mm，产水总体积为332.17×108、280.45×108、317.48×108m3，3 个年份产水量的空间格局为北高南低，从娄底市以北到益阳市，产水量较高，娄底市以南到邵阳市，产水量相对较低。根据等级划分，资水流域大多处于低中产水量区。

2005—2015 年，耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用土地产水量均是呈先减少后增加的局势，城乡工矿居民用地和未利用土地产水量最大，其次是草地、耕地、林地和水域，对不同土地利用类型的实际蒸散发统计发现，蒸散发大小顺序为水域＞林地＞耕地＞草地＞城乡工矿居民用地＞未利用土地。

降水量和产水量呈正相关，潜在蒸散发和产水量呈负相关，且二者均与产水量在0.01水平上显著相关。

背景分析下，2005—2010 年、2005—2015 年、2010—2015 年，土地利用变化对产水量的贡献分别为为8.57%、38.80%、10.06%，降水量变化对产水量的贡献分别为91.43%、61.20%、89.94%。通过对比，发现降水量对产水量的影响更显著，土地利用对产水量的影响较小。