刘树锋， 陈记臣， 关帅*， 崔静思

(1.广东省水利水电科学研究院， 广州 510635； 2.河口水利技术国家地方联合工程实验室， 广州 510635；3.广东省水动力学应用研究重点实验室， 广州 510635)

水源涵养作为生态系统重要的服务功能之一，是对降水进行再分配的复杂过程[1]。水源涵养功能是流域服务功能的重要组成部分，中外学者对水源涵养功能进行了较多相关研究[2-3]。水源涵养功能评价方法主要有产流模型法[4]、层次分析法[5]、影子价格法[6]和效益评价法[7]等，但均对于水源涵养功能空间分布表现不够直观。近年来，生态系统服务和权衡的综合评估模型(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs, InVEST)模型[8]被广泛地应用于水源涵养功能的研究。潘韬等[9]基于InVEST模型定量估算了1980—2005年三江源区生态系统的水源供给量，表明气候变化和土地利用导致的生态系统退化及下垫面改变可能是三江源区水源供给量下降的主要驱动力；包玉斌等[10]基于InVEST水源涵养功能评价模块定量评价了黄土高原在退耕还林还草工程背景下土地利用/覆被变化对研究区水源涵养的影响，说明了退耕还林还草带来生态系统恢复的同时使区域的水源涵养量有所减少；吴娜等[11]采用InVEST模型核算了渭河流域水源涵养量，表明退耕还林等人来活动导致的土地利用变化会改变区域的水源涵养量；研究表明，InVEST模型在许多研究区均取得了较好的应用效果，是量化评估水源涵养量的有效工具。人类活动的影响使得生态环境受到干扰，对其因土地利用变化所引起的生态系统价值响应研究显得尤为迫切[12-13]。水源涵养量是分析水源涵养特征的重要基础，是反映一个区域水源涵养状况的绝对指标，但由于不同区域气候条件及水源涵养量有所差异，一般的绝对指标难以反映区域的水源涵养能力[1]。因此，本研究以韶关市乳源瑶族自治县的杨溪河流域为研究对象，利用InVEST模型的水源涵养模块(Water Yield)对该流域不同年份的土地利用数据资料进行水源涵养量分析，并对其水源涵养服务价值进行量化评估，以期为中国南方地区中小流域的开发利用和保护提供参考依据。

1 区域概况

杨溪河发源于广东省乳源瑶族自治县西北部五指山老鹏顶，属于珠江流域北江水系上游武江的一级支流。总流域面积为498 km2，河流全长64 km，河道平均坡降10.9%。流域的多年平均降雨量是1 700 mm，降雨量年内分布不均匀，汛期(4—9月)降雨量占全年降雨量的71%，非汛期(10—次年3月)降雨量占全年降雨量的29%。

2 研究方法

2.1 InVEST模型

InVEST模型是在栅格图层上运行的，其水源涵养模块(Water Yield)以水量平衡原理为基础，根据降水、植物蒸腾、地表蒸发、根系深度和土壤深度等参数，以计算区域的产水量[10]。计算公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Yxj为第j种土地利用类型栅格x的年产水量；AET，xj为第j种土地利用类型栅格x的年实际蒸散发量；Px为栅格x的年降雨量；ωx为自然气候-土壤性质的非物理参数；Rxj为Budyko干燥指数；Z为Zhang系数，也称为季节性因子，表示区域降雨分布及其他水文地质特征；AWC，x为栅格x的年平均植物可利用含水量，由土壤深度和理化性质决定；Kxj为第j种土地利用类型栅格x的植被蒸散发系数；ET0为年平均参考作物蒸散发量。

2.2 水源涵养服务价值评估

水源涵养服务价值指植被蓄滞吸收降水以及土壤储水，不断储存水源，维持河流流量的价值[11]。本研究选取影子价格法[6,14]，通过水库的建设成本具体量化水源涵养量的经济价值，其计算公式为

E=αV

(5)

式(5)中：E为水源涵养服务价值，元/a；α为单位库容造价，元/m3，《林业生态工程生态效益评价技术规程》(DB11/T 1099—2014)根据1993—1999年《中国水利年鉴》平均水库库容造价为2.17元/m3，2005年价格指数为2.816，得到α为6.110 7元/m3，本研究α取6.110 7元/m3；V为水源涵养总量，m3/a。

2.3 模型参数确定

为提高模型的适用性，对相关参数和数据作了区域处理。地形数据取自航天飞机雷达地形测绘数据(shuttle radar topography mission, SRTM)，分辨率为30 m；Px和AET，xj等气候数据根据《广东省水文图集》获得多年平均值，并进行克里金插值，生成30 m分辨率的栅格图；土壤数据取自世界土壤数据库(HWSD)南京土壤所1∶1 000 000土壤资料；土地利用数据是中国1995年、2005年和2015年的1∶1 000 000土地利用资料；年平均植物可利用含水量AWC,x等模型参数参考周文佐[15]的研究结果，利用SPAW Hydrology模型中的Open Soil Water Characteristics进行计算获得。

3 结果与讨论

3.1 土地利用类型分析

中国土地利用分类体系一般将土地利用类型分为一级和二级2个层次。采用一级分类标准，共有耕地、林地、草地、水域和居民用地5个一级类。杨溪河流域内1995年、2005年和2015年的土地利用类型具体分布情况如图1所示，各年份土地利用类型统计情况如表1所示。根据图1和表1可知，1995—2015年，杨溪河流域内耕地和林地面积逐渐减少，草地面积先增加后略微减少，水域和居民用地面积逐渐增加。杨溪河流域2005年的土地利用情况与1995年有较大变化，而2005年和2015年这两年的土地利用情况较为接近。

图1 杨溪河流域不同年份的土地利用类型分布Fig.1 Land use types distribution in different years in Yangxi River Basin

表1 杨溪河流域不同年份的土地利用类型统计Table 1 Land use types statistics in different years in Yangxi River Basin

3.2 产水量分析

以InVEST模型为平台，评价杨溪河流域的水源涵养功能，再通过ArcGIS平台，分析处理了杨溪河流域水源涵养的空间分布和产水量情况。本研究分别以杨溪河干流上横溪、钓鱼台和银溪3宗水电站的坝址断面为流域出口，绘制各断面的集雨范围，将杨溪河流域划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个区域。图2为杨溪河流域在1995年、2005年和2015年土地利用情况下的产水量，产水量数值越大表示水源涵养功能越好。根据InVEST模型的模拟结果，杨溪河流域在1995年、2005年和2015年的产水量分别为774.31、704.66、708.11 mm。

InVEST模型水源涵养模块在研究区域水源涵养功能上具有一定的可行性和可信度[16]。根据杨溪河流域内1995年、2005年和2015年的不同土地利用类型面积，计算得到各年份不同土地利用类型的水源涵养量，如表2所示。根据表2可知，杨溪河流域在1995年的水源涵养量最大，为38 560.64×104m3；其次为2015年，其水源涵养量为35 263.88×104m3；最小的为2005年，其水源涵养量为35 092.07×104m3。杨溪河流域1995年各土地利用类型的水源涵养量大小情况为：林地>耕地>草地>居民用地>水域，2005年和2015年各土地利用类型的水源涵养量大小情况均为：林地>草地>耕地>水域>居民用地。

表2 杨溪河流域不同土地利用类型水源涵养量Table 2 Water conservation quantities of different land use types in Yangxi River Basin

图2 杨溪河流域不同年份的产水量分布Fig.2 Spatial distributions of water yield in different years in Yangxi River Basin

杨溪河流域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个区域的产水量和水源涵养量情况如表3所示。根据表3可知，杨溪河流域1995年、2005年和2015年各区的产水量大小情况均为：Ⅳ区>Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区。杨溪河流域上游和下游(即Ⅰ区和Ⅳ区)的产水量较高，主要原因是该流域上游和下游的林地和耕地面积占比相对较大，有利于水源涵养。

3.3 水源涵养服务价值

杨溪河流域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个区域在1995年、2005年和2015年的水源涵养服务价值如表4所示。可以看出，杨溪河流域在1995年、2005年和2015年的水源涵养服务价值分别为23.56亿元/a、21.44亿元/a和21.55亿元/a；该流域在1995年、2005年和2015年各区的水源涵养服务价值大小情况均为：Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅳ区>Ⅲ区。

3.4 讨论

土地利用类型等下垫面的变化，影响了杨溪河流域的水源供给。流域的下垫面条件的变化，会影响流域下渗、蒸散发、径流等水文过程的特征。

杨溪河流域内土地利用变化的主要因素是人类活动，流域内社会经济的发展和人口的增加不断侵占耕地和林地，居民用地增加的同时亦导致耕地和林地面积的减少，同时杨溪河流域内横溪、钓鱼台和银溪水电站等水利工程的建立使得流域内水域面积亦有所增加[17-19]。由图2和表2可知，杨溪河流域内1995年的水源涵养量比2005年和2015年大。主要原因是杨溪河流域内1995年的林地面积比2005年和2015年大，而1995年的居民用地面积比2005年和2015年小(图1、表1)。李曦彤等[20]和陈骏宇等[21]的研究表明，林地的土壤蓄水能力较强，可有效蓄渗降雨，具有较强的水源涵养功能；而居民用地使下垫面硬质化，造成蓄渗降雨的能力减弱，其水源涵养功能较弱。

表3 杨溪河流域各区的产水量和水源涵养量统计Table 3 Water yields and water conservation quantities of each district in Yangxi River Basin

表4 杨溪河流域各区的水源涵养服务价值Table 4 Service value of water conservation of each district in Yangxi River Basin

因此，为了维持杨溪河流域较强的水源涵养功能，一方面，相关部门需要加强对林地的保护，严禁毁林开荒等行为，另一方面则需要严格控制建设用地的扩张速度和规模，并对居民用地中的下垫面使用透水铺装等方式增大降雨量的下渗。

4 结论

利用InVEST模型的水源涵养模块(Water Yield)，对杨溪河流域1995年、2005年和2015年的不同土地利用情况进行水源涵养功能评价。得出如下主要结论。

(1)杨溪河流域在1995年的水源涵养量最大，为38 560.64×104m3；其次为2015年，其水源涵养量为35 263.88×104m3；最小的为2005年，其水源涵养量为35 092.07×104m3。杨溪河流域内林地面积的减少和居民用地面积的增加，导致其对降雨的蓄渗能力降低，是该流域2005年和2015年的水源涵养量比1995年小的主要原因。

(2)杨溪河流域1995年、2005年和2015年各区的产水量大小情况均为：Ⅳ区>Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区，上游和下游的产水量较高。主要原因是该流域上游和下游的林地和耕地的占比相对较大，有利于水源涵养。

(3)杨溪河流域在1995年、2005年和2015年的水源涵养服务价值分别为23.56亿元/a、21.44亿元/a和21.55亿元/a，该流域在不同年份各区的水源涵养服务价值大小情况均为：Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅳ区>Ⅲ区。

林地对于流域的水源涵养、生态安全和可持续开发具有重要作用，为了维持杨溪河流域等中国南方中小流域较强的水源涵养功能，一方面需要加强对林地的保护，另一方面则需要严格控制建设用地的扩张。