疏勒河流域水源供给服务时空变化研究

韦亦刚，曾建军，2，3

(1.兰州城市学院城市环境学院，甘肃 兰州 730700；2.西安理工大学西北旱区及生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；3.甘肃农业大学资源环境学院，甘肃 兰州 730070)

生态系统服务协同与权衡反映了生态系统服务供给之间的关系，对于理解和调节区域生态系统服务功能至关重要[1-2]。水源供给服务功能是区域生态系统服务的重要功能，对区域生物多样性和关键生态系统功能的维持起着重要作用，其功能关系到区域人口、社会经济的发展与布局[3-5]。

人类的生存发展和生活离不开水资源，水资源是最重要的自然资源之一。在全球水资源变化背景下，空间量化、可视化地评价区域生态系统水源供给功能是当前水文学和生态学交叉领域的重要研究热点问题[6]。特别是近几来，遥感GIS技术与水文模型的快速发展，越来越多的学者试图量化、可视化地分析和评估区域生态系统水源供给功能(产水功能)[7]。因此，借助遥感GIS技术，结合生态系统服务模型开展生态系统服务评估方法是解决生态系统服务的协同与权衡的有效方法之一。InVEST模型在生态系统服务价值评估中能结合空间信息技术，其独特的运行模式为生态环境模型的开发拓展了视野。在水源供给服务时空变化研究上，InVEST模型能基于水量平衡原理，考虑不同土地利用类型下土壤渗透性的空间差异性和地形等因素对径流的影响，实现不同景观类型下的水源供给量的定量估算，快速而有效地实现对生态系统服务的评估[8]。

疏勒河流域深居西北内陆腹地，是河西走廊三大内陆河流域之一，生态环境脆弱。受气候和人类活动变化影响，疏勒河流域水源供给服务发生了较大变化，带来了一系列生态环境问题。为此，以疏勒河流域为典型研究区域，通过使用生态系统服务与权衡综合评估模型(InVEST)，对疏勒河流域的水源供给功能进行科学而适用的定量评估，为政府和相关部门提供更好的依据，对研究者的学术探索提供了理论支持，为推动流域可持续发展和生态环境保护与区域协同发展具有重要实践意义。

1 研究区概况

疏勒河流域位于中国西北干旱区腹地，面积约为1.25×105km2。流域属于大陆性干旱荒漠气候，气候干燥，光热资源丰富，无霜期长，海拔914m至5816m之间[10]。流域内拥有世界文化遗产敦煌莫高窟、月牙泉、阳关和玉门关遗址等，遗产享誉国际，是我国“一带一路”发展战略中一个重要节点区域[11-12]。

2 研究方法与数据处理

2.1 产水模型

基于水量平衡原理，InVEST模型产水量模块利用每个栅格单元的降水量减去实际蒸散后的水量，从而计算出该栅格的产水量[13-14]。模型假设每个栅格单元的产水量都会通过地下或地表径流的方式输送到流域的出水口[15-16]。

其计算模型如下[15-16]：

(1)

式中，Yxj—第j种土地利用类型下的x栅格的产水量，mm；AETxj—第j种土地利用类型下的x栅格的年实际蒸散量，mm；Px—x栅格的多年平均降水量，mm。

(2)

式中，Rxj—第j种土地利用类型下的栅格x的Budyko干旱指数；ωx—植被有效含水量与年平均降水量之比。

(3)

(4)

AWCx=Min(Ds，Dr)·PAWCx

(5)

式中，AWCx—栅格x的植被有效含水量，mm；Z—用于表征降水季节性特征的季节参数，即Zhang系数；kxj—第j土地利用类型下的栅格x的植被蒸散系数；ET0x—栅格x的参考蒸散量，mm；DS—土壤深度，mm；Dr—根系深度，mm；PAWCx—栅格单元x的植被可利用水分，mm。

2.2 模型参数

InVEST产水模块的输入参数包括气象数据、土壤深度、土地利用类型、植被可利用水分、生物物理参数表和Zhang系数，其参数都对产水量的计算产生影响[18-20]，使用的坐标系为Albers_Conic_Equal_Area。

2.2.1降水量和参考蒸散发

从中国气象科学数据中心(http：//data. cma. cnusertoLogin. html)获取1980、2000、2020年周边气象站的降水量数据，用于模型中流域降水输入。用Arcgis软件进行空间插值，得到降水量的空间栅格数据，疏勒河流域1980、2000、2020年的降水量和蒸散发分布如图1—2所示。

图1 疏勒河流域1980、2000、2020年的降水量分布图

图2 疏勒河流域1980、2000、2020年的蒸散发分布图

2.2.2土地利用类型

利用Land-satTM/ETM+遥感影像进行图像解译，结合研究区的景观类型将区域划分为6个大类和12个小类，包括耕地、林地、草地、河流水域、建设用地和未利用地，疏勒河流域1980、2000、2020年土地利用类型如图3所示。

图3 疏勒河流域1980、2000、2020年土地利用类型图

2.2.3土壤深度和土壤有效含水量

结合甘肃省土壤调查数据、甘肃土种志、土壤图和野外实地土壤样点剖面数据计算出土壤厚度，然后利用ArcGIS软件获得土壤厚度栅格图。为计算土壤有效含水量，分析不同土壤质地(砂土、壤土和粘土)的百分比含量，然后根据景观类型采用土壤有效含水量经验公式进行计算[3，18，21]，疏勒河流域土壤深度和植被可利用水空间分布如图4所示。

图4 疏勒河流域土壤深度和植被可利用水空间分布图

2.2.4生物物理参数表

生物物理参数表描述了研究区的土地利用和土地覆盖类型，包括土地利用编码、植被最大根深和蒸散系数等属性[22-23]。植被最大根深数据和蒸散系数主要参考前人研究成果、联合国粮农组织的蒸散系数(作物系数)参考值以及InVEST模型数据库资料，根据土地利用类型(景观类型)创建dbf数据得到[3，16，23]。

2.2.5Zhang系数

Zhang系数是用来衡量当地气候季节因子对降水分配的影响，其值范围通常为1到30。为了验证Zhang系数的可靠性，更准确地预测当地的水资源供需情况，根据水文站的多年径流观测数据，采用水量平衡方法对Zhang系数进行校验[24]。当Zhang系数为3.33时，InVEST产水模块的模拟效果最好。

3 结果分析

3.1 土地利用/覆被变化分析

疏勒河流域未利用地、草地所占面积和比例最大，其次是耕地和水域，林地、建设用地面积较少，1980—2020年疏勒河流域土地利用类型及变化特征见表1和如图3所示。分析可知，1980—2020年研究区内的耕地面积持续增长，增加面积为410km2，反映出近40年该地区农业规模扩大且农业发展迅速；1980—2020年河流、水域和建设用地面积均呈现不同程度的上升趋势，河流面积增加了130km2，水域面积增加了109km2，建设用地面积也有所增加，其增加幅度较大。

表1 疏勒河流域土地利用面积变化特征

近40年以来，疏勒河流域的城镇用地面积呈现出快速增长的趋势，表明城镇化进程不断加速，城市规模扩大。人口数量增加，城市化对土地资源的需求也在不断增加，变化趋势可能会对周边生态环境和农业发展产生影响，需要采取相应的管理措施以保护环境和维护生态平衡。然而，城市化进程不断加快且面积扩张，加剧了森林面积的缩减。其中，1980—2000年研究区内的林地面积增加了9km2，而2000—2020年林地面积下降迅速，下降面积203km2，说明城镇用地快速发展的阶段主要是处于2000—2020年的20年间，流域在城市化的进程中占用了大量林地。另外，1980—2020年草地面积上升幅度较小，面积由1980年的26783km2增加到2020年的26788km2，近40年增加了5km2，面积变化相对较小。

利用ArcGIS空间分析，获得疏勒河流域1980—2020年土地利用转移的信息，并通过对不同年份之间各地类转移方向和转移面积的分析，得出1980—2020年土地利用类型的转换情况和土地利用转移的空间分布。从表2—3中可以看出，1980—2000年间疏勒河流域的土地利用转移类型相对复杂，共有26种类型，且转移类型主要集中在流域的中东部和东南部地区。其中，水域转移至未利用地的转移类型面积最大，达到了101km2；其次是未利用地向草地的转换，面积也有39km2。未利用地转移至耕地、林地和水域等类型的转移面积也相对较多。值得注意的是，尽管疏勒河流域在1980—2000年期间的土地利用转移类型复杂，但是1980—2000年间建设用地并未发生转移，城镇化发展的速度相对缓慢。

表2 1980—2000年疏勒河流域土地利用类型转换表 单位：km2

表3 2000—2020年疏勒河流域土地利用类型转换表 单位：km2

2000—2020年间疏勒河流域的土地利用转移类型数量显著增加，达到了30种。其中，未利用地的转移面积最大，且转换类型最多，转移为耕地、草地、林地、建设用地和水域等多种类型。表明疏勒河流域在近20年间土地利用发生了较为明显的变化，未利用地资源得到了有效开发利用。如未利用地到草地面积转换最大，达到了8707km2，变化速度加快，反映了当地的牧场等有很大的发展。其次未利用地到水域、未利用地到耕地，分别转换了634、561km2。同时，也存在未利用地和耕地转换成了建设用地，转换面积分别达到192、62km2，表明在2000—2020年期间城镇化发展进程加快。在转换类型中，还包括部分未利用地转为了耕地和林地，研究结果表明，疏勒河流域的土地利用类型转移与人类活动密切相关。在近年来，随着人们环保意识的提高，疏勒河流域的土地利用类型转移呈现出一些新特点。例如，建设用地和水域的转移主要向林地和农田转移，反映了人们对保护生态环境的重视。此外，城镇化进程的放缓以及生态文明建设的加快也在推动土地利用类型转移的变化。

3.2 水源供给服务功能评估

利用ArcGIS和InVEST模型分析疏勒河流域1980—2020年的产水量空间分布如图5所示，同时通过栅格计算器将不同时段的产水量图层相减，得到了产水量变化量的空间分布，如图6所示。分析揭示了疏勒河流域的水源供应在时间和空间上的变化规律，并可进一步分析其空间差异和变化特征。

图5 1980—2020年疏勒河流域产水量空间分布

图6 1980—2020年疏勒河流域不同时段的产水量变化量空间分布

在产水量数量上，1980、2000、2020年疏勒河流域总产生量分别为1.9458×109、2.1660×109、5.2109×109m3，这3个年份基于栅格单元的平均产生量分别为15.63、17.40、41.86mm，整体处于上升趋势，1980—2020年平均产水量上升了26.23mm。

在空间分布上，1980年疏勒河流域基于栅格像元上的产水量范围为0～477.09mm，疏勒河流域的产水量空间分布具有明显的空间差异性，其高值区主要集中在流域中上游地区，而低值区则主要分布在地势起伏较大的山脊处。分布差异与地形的影响密切相关，地形较大起伏导致土壤深度较浅，同时也容易出现水土流失的现象，因此产水量低值区域的土地利用和生态保护需更加注重，以有效保障疏勒河流域水资源的可持续利用。2000年，疏勒河流域产水量最大值减小到469.36mm，随着流域城镇化和建设用地扩张的加速，产水量高值区的范围逐渐向外扩张。流域建设用地扩展导致不透水面面积增加，限制了降水的下渗，同时增加了建设用地上的产水量，使得原有的产水量高值区面积不断扩大。此外，建设用地的扩展还会导致生态系统的破坏和生态环境的恶化，影响流域的水资源供给和水环境质量。因此，应该在流域规划中合理控制建设用地的扩张，保护流域生态环境，维护流域的水资源供给和生态安全。2020年，疏勒河流域基于栅格像元上的产水量范围为0～653.46mm，产水量上升，高值区范围快速扩大，呈现西部快速扩大。总体来看，疏勒河流域在1980年至2020年间的产水量总体呈现上升趋势，而在各个年份上，产水量的变化呈现出不同的特点。具体来说，1980—2000年，疏勒河流域的产水量呈下降趋势，且下降幅度主要集中在-150～0mm。而从2000年开始，产水量的变化趋势发生了转变，呈现出逐渐上升的趋势。需要指出的是，虽然总体上疏勒河流域的产水量呈现出上升趋势，但在流域的不同地区产水量的变化还存在较大的差异。在2000—2020年间，疏勒河流域的产水量呈现出上升趋势。具体而言，产水量变化主要集中在0～400mm的范围内，其中增加幅度大于300mm的范围继续扩张，而产水量变化小于500mm的范围也略微扩大。

4 结论与讨论

以疏勒河流域为研究区，对流域近40年土地利用与覆被变化进行动态时空分析，并对水源供给功能数量、时空分布特征进行定量评估和评价研究。

(1)1980—2020年疏勒河流域土地利用类型的变化以草地和未利用地为主导，近40年林地、未利用地面积减少，耕地、水域、建设用地面积快速增长。

(2)1980、2000、2020年3年疏勒河流域总产水量分别为1.9458×109、2.1660×109、5.2109×109m3，近40年产水量增加3.2651×109m3，增加1.68倍。3个年份基于栅格单元的平均产生量分别为15.63、17.40、41.86mm，整体上处于上升趋势，1980—2020年平均产水量上升了26.23mm。

(3)近40年疏勒河流域水源供给量的变化呈现先减少、后增大的趋势，与产水量高值区相似，水源供给量的空间分布也主要集中在流域中上游。由于流域中上游区域有较高的降水量和蓄水能力，对整个流域的水资源供给具有重要作用。疏勒河流域以农田、林地对水源供给贡献量最大，疏勒河流域内耕地多为山地地区，尤其是在流域中上游，受季风气候影响，而降水丰富，从而使得水源供给量充足。

通过InVEST模型对疏勒河流域水源评估，可知InVEST模型也适于大尺度流域的生态系统服务功能评估，特别是西北干旱区生态脆弱区域的水源供给功能评估。但由于疏勒河流域的地形起伏、水文特征和气候条件与国外的差异较大，为确定模型的可靠性，减小模型的精度偏差，需要对模型进行反复校验。此外，发现疏勒河流域近40年水源供给虽然有所好转，但整体功能依旧不够强大。需要进一步加强生态保护，提高水资源的利用效率，以满足不断增长的社会经济发展需求和人民日益增长的水资源需求。