基于InVEST模型的阿克蘇河流域產水量評估及環境因素影響研究

郭麗潔，尹小君，茍貞珍，高軍

(石河子大學信息科學與技術學院/兵團空間信息工程技術研究中心/兵團空間信息工程實驗室，新疆 石河子 832003)

生態系統為我們提供糧食、凈化水源、保持水土等服務功能[1]，是可持續發展和人類福祉的基礎。Daily[2]和Costanza[3]等眾多學者對生態系統服務功能進行了研究和預測，“新千年生態系統評估”(Millenium Ecosystem Assessment，MA)對24項生態系統服務進行了評估，有15項(約占60%)包括產水服務正在退化或處于不可持續利用的狀態[4]，這可能對人類福祉產生巨大的負面影響。產水是一項重要的供給服務，對生態系統的可持續發展具有重要作用，是生態系統服務評估的重要方面[2-3]。人口增長、社會經濟的迅速發展以及全球變暖等因素對全球水資源產生了極大影響[5]。部分地區尤其是荒漠干旱地區出現了水資源短缺問題，并且越加嚴重，這將直接影響區域經濟和生態系統的可持續發展。在這個背景下對產水量進行估算和制圖及對其進行影響因素分析對水資源規劃和管理都有重要意義。

產水量的計算方法主要包括土壤蓄水能力法、水量平衡法、年徑流法等[6]，其中，以InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型下的產水(water yield)模塊最為成熟。InVEST工具[7-9]是由美國斯坦福大學，美國明尼蘇達大學，大自然保護協會(The Nature Conservancy)和世界自然基金會(WWF)共同開發的一款開源評估軟件，具有強大空間分析能力，較高的評估精度[10]。其下的產水模塊以水量平衡法原理為基礎，不僅可以量化產水量，還可以直觀地表達產水量在時間和空間上的分布特征，近年來被廣泛應用。產水模塊在朝鮮森林[11]、張家口—承德地區[12]、寧波地區[13]、岷江上游[14]、江蘇省[15]、晉北沙漠化區[16]、大凌河上游匯水區[17]、太湖流域[18]等區域均有實際應用，并且效果較好，對當地決策制定和資源管理起到重要作用。區域產水服務受到多方面因素的影響，多項研究[19-21]表明，氣候(降水和蒸散發)和土地利用/覆被是產水量變化的主要驅動力，同時產水量還受到地形和土壤質地等因素的影響[22]。

阿克蘇河是塔里木河流域最大的水量補給來源，同時它位于新疆第二大灌區區域內，在向塔河生態輸水和灌區用水方面發揮著重要作用。然而近幾年人口的急劇增長和灌溉面積不斷擴大使得流域水資源問題日益尖銳?！栋⒖颂K河流域水資源可持續利用研討會》中就如何提升阿克蘇河水資源利用效率，實現流域生態系統可持續發展等問題進行了探討。隨著國家“十三五”計劃和“一帶一路”重大戰略的實施，作為“絲綢之路經濟帶”建設的核心區，南疆地區的水資源可持續開發利用有著更加深刻的意義，這不僅與當地經濟社會可持續發展息息相關，還關系到南疆生生態保護、國防安全和國家“一帶一路”建設宏偉目標的實現[23]。因此本文以阿克蘇河流域作為研究區，利用InVEST模型產水模塊對研究區2010、2015年平均產水量進行評估，研究當地產水量時空分布特征并分析土地利用、氣候、土壤質地和高程等因素對產水服務的影響，對阿克蘇河流域可持續發展、水資源利用規劃有著重要意義。

1 研究區概況

阿克蘇河流域(75°35′～80°59′E，40°17′～42°27′N)地勢西北高、東南低(圖1)，位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北緣，屬暖溫帶大陸性干旱氣候[24]，流域總面積4.86×104km2。阿克蘇河是我國境內天山南坡徑流量最大的河流[25]，也是是塔里木河的主要水源補給源之一[26]。行政區包括阿克蘇市、阿圖什市、溫宿縣、烏什縣、阿瓦提縣、阿合奇縣和柯坪縣6個行政單位。

圖1 研究區概況

2 方法與數據

2.1 模型原理

InVEST模型的產水量(water yield)模塊是基于水量平衡原理，通過降水、植物蒸騰、地表蒸發、根系深度和土壤深度等參數計算產水量。

InVEST模型的產水量模塊的主要算法[27]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)—(4)中,Yxj為年產水量；Px為年均降水量；AETxj為年均蒸散量；Rxj為干燥指數，無量綱，是潛在蒸發量與降雨量的比值；ωx為植物年需水量和降水量的比值，是描述自然氣候和土壤性質的參數；Z為zhang系數，表征降水季節性特征的一個常數；AWCx為植被含水量，其值由土壤質地和有效土壤深度決定；ET0x為潛在蒸散發量；kxj為植被的蒸散發系數。

2.2 數據需求及數據處理

InVEST模型產水量模塊需要以下數據：年平均降雨量、年平均潛在蒸散量、土壤深度、植物可利用水含量、土地利用/土地覆被、流域及子流域，生物物理表和Z參數。計算過程中所需數據圖地理坐標均為Krasovsk_1940_Albers，基準面為D_Krasovsk_1940。

2.2.1 土地利用/土地覆被

2010、2015年兩期土地利用數據是中國科學院資源環境數據中心的數據產品，來源于中國土地利用現狀遙感監測數據庫，是目前我國精度最高的土地利用遙感監測數據產品，已經在國家土地資源調查、水文、生態研究中發揮著重要作用。在ArcGIS中對獲取數據進行鑲嵌，裁剪，投影等處理，得到阿克蘇河流域2010、2015年土地利用圖(圖2a、2b)。研究區包括水田、旱地等23類二級土地利用類型。圖中編號為二級土地利用類型編號，見表1。

圖2 產水量模型空間參數

表1 生物物理系數表

表1續

一級分類二級分類編號蒸散系數根系深度/mm城鄉、工礦、居民用地城鎮用地510.3500農村居民點520.4500其它建設用地530.3500未利用土地沙地610.510戈壁620.510鹽堿地630.510沼澤地640.310裸土地650.510裸巖石質地660.310

2.2.2 年平均降雨量

年降雨數據中國科學院資源環境數據中心降水量空間插值數據集，該數據集使用ANUSPLIN空間插值處理生成，有較高的精度保障。對應于土地利用數據的時段，同時為了避免單年數據的低代表性，對2008—2012年、2013—2015年降雨數據進行多年平均，得到2010、2015年兩期的年平均降雨量柵格圖(圖2c、2 d)。

2.2.3 年平均潛在蒸散量

潛在蒸散量指太陽輻射為水分蒸發提供的能量。本文選取InVEST模型推薦使用的Modified-Hargreaves公式[28]計算年平均潛在蒸散量，其公式為：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tavg+17)×(TD-0.123P)0.76,

(5)

式(5)中：RA為太陽大氣頂層輻射(MJ·m-2·d-1)；Tavg為日最高氣溫均值和日最低氣溫均值的均值(℃)；TD為日最高氣溫均值與日最低氣溫均值的差值(℃)。

從中國氣象數據網獲取2008—2015年的新疆內站點的逐日輻射數據、氣溫和降雨數據。在Excel中對氣溫和降雨數據進行平均處理，使用公式計算各站點2008—2012年和2013—2015年年平均潛在蒸散量。在ArcGIS中進行反距離插值，裁剪等處理得到2010、2015年兩期年平均潛在蒸散量柵格圖(圖2e、2f)。

2.2.4 土壤數據

土壤數據來源于寒區旱區科學數據中心[29]，將獲取的中國土壤數據集進行投影裁剪轉換等操作獲得塔里木河流域內的土壤數據集。屬性資料包括土壤名稱、組成成分含量(沙含量、淤泥含量、粘土含量、有機碳含量等)，土壤參考深度等。

植物可利用水含量的計算采用周文佐等[30]所提出的AWC模型，公式如下：

AWC=54.509-0.132×SAN-0.03×SAN2-0.055×SIL-0.006×SIL2-0.738×CLA+0.007×CLA2-2.668×C+0.501×C2。

(6)

式(6)中：SAN為土壤的沙粒含量(%)；SIL為土壤的粉粒含量(%)；CLA為土壤的黏粒含量(%)；C為土壤的有機質含量(%)。PAWC所需土壤數據均來自中國土壤數據集。在ArcGIS中進行字段計算求出PAWC，經空間分析、轉換工具模塊處理，獲得植物可利用水含量柵格圖(圖2 g)。土壤參考深度屬性在ArcGIS中進行轉換、數學計算等處理后獲得土壤深度柵格圖(圖2 h)。

2.2.5 其它數據

利用ArcGIS空間分析模塊中水文分析功能，基于DEM提取阿克蘇河流域河網水流方向，生成22個子流域。生物物理系數(表2)包括土地利用類型、蒸散系數(Kc)和根系深度等。其中，蒸散系數和根系深度根據相關文獻[13,31]并結合用戶指南中推薦建議使用的聯合國糧農組織(FAO)的參考值進行賦值。文中圖表中關于土地利用類型的標注使用土地利用類型編號。

表2 西大橋站實測年徑流量(2008—2015年) 單位:×108 m3

2.3 結果校驗

Z是表征降水季節性特征的一個常數[32]，其值在1～10之間?？梢酝ㄟ^調節Z系數，基于研究區內水文站點的年徑流量實測數據，對產水量模塊的輸出結果進行校驗，竇苗等[31]研究橫斷山區水量時Z調整為15，評估結果與實測結果一致。根據中國河流泥沙公報中阿克蘇河西大橋水文控制站實測，阿克蘇河流域2008—2012年年平均徑流量為46.60×108m3，2013—2015年年平均徑流量為34.60×108m3，經過多次調整，當2010、2015年Z值分別為為0.75、0.63時，產水量分別為46.60×108、34.86×108m3，與實際徑流量最接近，整體誤差最小，模型模擬效果最優。

3 結果與分析

3.1 阿克蘇河流域產水量變化時空格局

運行InVEST模型的Water Yield模塊，得到阿克蘇河流域2010、2015年兩期產水量的空間分布(圖2)。為便于對比，根據自然間斷點分級法，將產水量劃分為5個區間：0～40、>40～100、>100～170、>170～250、>250 mm并據此將產水量劃分為低、較低、中、較高和高5個級別，統計各等級土地面積及其所占百分比(表3)。阿克蘇河流域產水量一半以上處于較低水平，集中分布在柯坪縣和烏什縣中南部地區。2010—2015年，較低、中和較高等級產水量面積增加，三者之和的占比從32.77%增加到45.47%，而低和高等級生境面積減少，尤其高等級面積大幅度減少，占比從16.13%減少到4.2%。2010—2015年，阿克蘇河流域產水量具有顯著的空間異質性，呈現西高東低、北高南低的特征(圖3a、3b)。阿克蘇河流域2010年產水區間為0～613.37 mm，平均產水量為95.67 mm，產水總量為46.60×108m3，2015年產水區間為0～518.63 mm，平均產水量為71.57 mm，產水總量為34.86×108m3。與2010年相比，2015年的產水量空間格局整體變化不大，部分區域存在小幅度的變化。圖3c、3 d為阿克蘇河流域子流域平均產水量空間分布圖，研究區南北產水量分布差異明顯，2010—2015年間編號為4、5的子流域產水量降低，所屬地區為阿圖什市、阿合奇縣南部及柯坪縣北部；編號為9、10的子流域產水量降低升高，所屬區域為阿克蘇是中部及阿瓦提縣東北部。

表3 不同年份各等級產水量面積及其比例

圖3 研究區產水量空間分布

3.2 阿克蘇河流域土地利用變化及對產水量的影響

2010—2015年，阿克蘇河流域各地類面積均在不同程度上發生變化。旱地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、戈壁和裸巖石質地是阿克蘇河流域主要的土地利用類型，總和約占土地總面積的86%。主要分布在西部、北部以及東南部局部地區(圖2a、2b)。如圖4b，2010—2015年間，旱地面積大幅度增加，增量為599.15 km2，占土地面積比例由10.99%增加到12.22%；城鎮用地面積略有增長，增量為14.99 km2，所占比例由0.08%增加到0.11%；低覆蓋度草地面積大幅度減少，期間減少262.16 km2，所占比例由21.23%減少到20.69%；鹽堿地面積略有減少，期間減少103.58 km2，所占比例由3.93%減少到3.72%；灌木林、中覆蓋度草地、沙地和戈壁面積都有所減少，期間分別減少76.56、54.90、54.35、30.73 km2。其余地類面積變化量較小。為了解這一時期阿克蘇河流域土地利用變化方向以及結構特征，本文構建土地利用轉移矩陣，省略了轉移面積小于5 km2的轉移類型，得出2010—2015年主要的地類轉移類型及各轉移面積(圖4c)。阿克蘇河流域土地利用變化方向主要以旱地的變化為主。水田、灌木林、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、沙地、戈壁、鹽堿地和裸土地都不同程度的轉變為旱地，其中有268 km2的低覆蓋度草地轉變為旱地，占旱地增長面積比例的44.74%。同時旱地主要轉變為中覆蓋度草地、低覆蓋度草地和城鎮用地，可能是受到生態環境保護政策的影響以及城鎮化和工業化對土地的需求增加。戈壁還轉變為其他建設用地。阿克蘇河流域土地利用轉移空間分布如圖4a所示，地類變化主要集中于東南部的阿克蘇市、溫宿縣和阿瓦提縣。

為研究土地利用類型對產水量的影響，在ArcGIS中工具統計獲取阿克蘇河流域2010、2015年不同土地利用類型下的平均產水量(圖5a)。2010年各地類下平均產水量較高的從大到小依次為高覆蓋度草地、有林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、疏林地、旱地、裸巖石質地和灌木林。2010年各地類下平均產水量較高的從大到小依次為高覆蓋度草地、有林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、旱地、灌木林、疏林地、湖泊和裸巖石質地?？傮w來看一級分類為草地和林地下的平均產水量較高。它們有著較強的產水功能[33]。河渠、水庫坑塘、灘地、城鎮用地、其它建設用地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地及農村居民點下產水量為零，占總面積的23.19%。為研究土地利用變化對產水量變化的影響，將土地利用轉移空間分布圖與產水量變化柵格圖疊加，統計各地類變化下產水量的變化面積(圖5b)，灌木林、中覆蓋度草地、沙地、鹽堿地的變化后大面積區域的產水量增加;旱地的變化下產水量減少。這與土地利用類型的轉移方向有關。灌木林的轉移方向主要是向旱地和中覆蓋度草地轉移；中覆蓋度草地的轉移方向主要是向旱地和高覆蓋度草地轉移；沙地和鹽堿地的轉移方向主要是向旱地轉移。旱地的轉移方向主要是向中覆蓋度草地、高覆蓋度草地、城鎮用地和農村居民點轉移。低覆蓋度草地、戈壁變化下部分區域產水量增加，部分減少。說明低覆蓋度草地和戈壁變化對產水量變化的影響不穩定，主要取決于低覆蓋度草地和戈壁的轉換方向。低覆蓋度草地的轉移方向主要是向旱地、高覆蓋度草地和水庫坑塘轉移；戈壁的轉移方向主要是向旱地、其它建設用地和裸土地轉移?？梢缘贸鲛D移方向向旱地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地轉移的區域產水量增大；向城鎮用地、農村居民點、水庫坑塘、建設用地和裸土地轉移的區域產水量減小。

圖5 土地利用變化對產水量的影響

3.3 阿克蘇河流域氣候要素變化及對產水量的影響

產水量模型的氣候要素主要包括降水量和潛在蒸散量(圖2c、2 d、2e、2f)。氣候要素變化主要通過影響降水和潛在蒸散發(太陽輻射、溫度和降水)，進而影響產水量。阿克蘇河流域降水量具有顯著的空間異質性，呈現西高東低、北高南低的特征，與產水量空間分布一致。阿克蘇河流域整體降雨量較小，2010年接近60%的區域，降雨量在77～294 mm。降雨量在560～1 033 mm的區域分布在流域的北部地區。2010年年平均潛在蒸散量空間分布特征為自西向東逐漸降低；2015年年平均潛在蒸散量空間分布特征為自南向北逐漸降低，但整體蒸散量差異不大。2010年潛在蒸散量在1 074～1 082 mm的區域占研究區的面積最大，為42%，分布在研究區的西部地區。2010、2015年阿克蘇河流域年平均降水量分別為284.29、245.64 mm。與2010年相比，2015年的降水量減少了38.65 mm。2010、2015年阿克蘇河流域年平均潛在蒸散量分別為1 090.68、1 153.02 mm。與2010年相比，2015年的潛在蒸散量增加了62.34 mm。

為研究阿克蘇河流域氣候要素變化對產水量變化的影響，在ArcGIS中對2010、2015年兩期的降水量、潛在蒸散量和產水量進行處理，得到2010—2015年降水量、潛在蒸散量和產水量變化空間分布圖(圖6a、6b、6c)?？梢钥闯霎a水量變化與降水量變化基本一致，東南部地區降水量、產水量增加，其它地區減少。阿克蘇河流域潛在蒸散量整體都在增加，自西向東增加量逐漸增大。產水量隨著氣候要素變化而增加或減少，降水量增加，產水量也會隨之增加，降水量減少，產水量也會隨之減少。一般情況下，產水量會隨著潛在蒸散量的增加而減少。

本文統計了2010、2015年各產水量等級下的平均降水量和平均潛在蒸散量(圖6 d)。在產水量等級下2015年平均降水量普遍小于2010年平均降水量，2015年平均潛在蒸散量全部大于2010年平均潛在蒸散量?？梢钥闯霎a水量等級越高，平均降水量越大。2010產水量等級越高，平均潛在蒸散量越大。2015產水量等級越高，平均潛在蒸散量越小。在ArcGIS中計算降水量、潛在蒸散量和產水量的相關關系，2010年產水量與降水量相關系數為0.74，與降水量相關系數為0.40。年平均潛在蒸散量數值沒有較大的差異性，不能很好的體現年平均潛在蒸散量對產水量的相關性。

圖6 2010—2015年降水量、潛在蒸散量和產水量變化空間分布圖

3.4 阿克蘇河流域土壤質地分布及對產水量的影響

使用ArcGIS中區域分析工具獲取2010年阿克蘇河流域不同土壤質地面積占比及產水量指標。由圖7a可以看出流域內包含薄層土、石膏土、鹽土、栗鈣土、鈣積土、沖積土、冰川、人為土、黑土、雛形土、砂性土、水體、變性土和黑鈣土14種土壤類型，流域以薄層土、石膏土、鹽土為主，分別占流域面積的28.6%、26.0%、12.7%。薄層土分布在阿克蘇河流域的的北部?？梢钥闯鲭x散值最大的土壤類型是冰川，表明不同位置的冰川的產水量的值變化較大，這是因為冰川受溫度影響較大，最大產水量達到613.37 mm，為研究區產水量最大值。平均產水量較多的是雛形土(256.14 mm)、黑鈣土(245.68 mm)和薄層土(211.01 mm)。雛形土和黑鈣土面積較小，分布在研究區的北部。產水量較少的是石膏土(9.30 mm)、砂性土(10.90 mm)。這些土壤類型保水性能差，石膏土占地26%，分布在研究區的中部，是鹽堿地和戈壁的主要所在地；砂性土面積較小，為1.7%。

圖7 土壤質地、高程在產水量上的響應

3.5 阿克蘇河流域高程對產水量的影響

阿克蘇河流域高程具有西高東低、北高南低的特征，與產水量和降水量空間分布一致。高程在1 012～3 049 m的區域面積約占總面積的80%。產水量與高程之間的相關系數為0.74，具有較強的相關性。為研究高程對產水量的影響，利用ArcGIS中區域分析工具統計2015年阿克蘇河流域不同高程下的產水量各等級面積。為便于對比，根據自然間斷點分級法，將高程劃分為5個區間1 012～1 542、1 542～2 283、2 283～3 049、3 049～3 867、3 867～6 103 m。由圖7b可知，低高程區域中以低產水量和較低產水量為主，面積總占比96%。并且隨著高程的逐漸增加，面積逐漸減??；中產水量主要出現在高程為2 283～3 049 m的區域內。較高產水量出現在高程為2 283～3 867 m的區域內，并隨著高程的逐漸增加，面積逐漸增大。高產水量主要出現在高程為3 049～6 103 m的區域內。

4 結論

阿克蘇河流域具有強蒸發、弱降水、低覆被和高耗水的干旱區特征，阿克蘇河流域水產量的評估對研究區的可持續發展、生態建設以及水資源合理規劃具有重要意義。該研究利用InVEST模型中的Water Yield模塊對阿克蘇河流域的產水量進行了評估并且分析了影響因素與產水量的關系，結果如下：

(1)阿克蘇河流域2010年平均產水量為95.67 mm，2015年平均產水量為71.57 mm。與2010年相比，2015年的產水量空間格局整體變化不大，部分區域存在小幅度的變化。阿克蘇河流域產水量具有顯著的空間異質性，呈現西高東低、北高南低的特征，與降水量、高程空間分布特征一致?？臻g分布上降水量越大，產水量越大；高程越大，產水量越大；時間變化上，降水量增加，產水量增加。

(2)阿克蘇河流域深居內陸水汽難以到達，蒸發量遠大于降水量，導致較小的產水量。氣候變化和土地利用是導致阿克蘇河流域產水量變化的2個主要因素。2010—2015年，氣候變化(降水量減少，潛在蒸散量增加)對阿克蘇河流域產水量變化呈負面作用。降水量的減少降低了產水量的源頭水量；潛在蒸散表征區域生態系統的水分消耗能力，潛在蒸散越大，可能消耗的水分越多。

(3)土地利用的變化對阿克蘇河流域產水量變化呈正面作用。不同的土地利用類型下的產水量不同，2010年高覆蓋度草地、有林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地和旱地平均產水量較高。植被有較好的截留作用，因此要提高該地區的植物覆蓋率，促進產水量的增加。產水量的變化與土地利用類型轉移方向有關。轉移方向向旱地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地轉移的區域產水量增大。這可能與旱地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地具有顯著的降溫增濕的功能有關。不同的土壤質地下的產水量不同，平均產水量較多的是雛形土，較少的是石膏土、砂性土。