基于InVEST模型的大連市產(chǎn)水量時空變化分析

呂樂婷， 任甜甜， 李賽賽， 韓月馳

(遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連 116029)

水資源是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善不可替代的自然資源。近年來，由于氣候變化帶來的水源供給的不確定性，嚴(yán)重威脅著生態(tài)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，影響著自然景觀變化、區(qū)域人口與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的布局[1]。因此，定量化地評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源供給功能是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，也是當(dāng)前生態(tài)學(xué)和水文學(xué)交叉領(lǐng)域研究的主要議題[2]。隨著遙感GIS技術(shù)與水文模型的發(fā)展，越來越多的學(xué)者通過水文模型分析和評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源供給功能[3-4]，如SWAT模型、InVEST模型等。InVEST模型產(chǎn)水量模塊基于水量平衡原理，可充分考慮不同土地利用類型下土壤滲透性的空間差異性及地形、地表粗糙程度等因素對徑流的影響，以柵格為單元定量估算不同景觀類型的水源供給能力[4]。該模型基于GIS平臺，將量化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以地圖的形式表現(xiàn)出來，不再用繁瑣的計算公式和過多的文字贅述來表達(dá)，且優(yōu)化了很多復(fù)雜的問題[5]。目前已被學(xué)者應(yīng)用于北京山區(qū)[6]、黃土高原[7]、三江源[8]、白龍江流域[9]等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估與研究中。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，土地利用方式逐漸改變，流域水源供給功能等在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)正在發(fā)生變化[10]。本文應(yīng)用InVEST模型產(chǎn)水量模塊對不同土地利用下大連市產(chǎn)水量的時空分布特征和影響因子進(jìn)行分析，為大連市水資源的開發(fā)與保護(hù)提供可視化的評估結(jié)果和依據(jù)，增強(qiáng)全社會的生態(tài)保護(hù)紅線意識。

1 研究區(qū)概況

大連市(120°58′—123°31′E，38°43′—40°10′N)位于遼東半島南端，東臨黃海，西臨渤海，北依東北三省及內(nèi)蒙古廣闊腹地，南與山東半島隔海相望[11]。下屬區(qū)縣包括莊河市、普蘭店區(qū)、瓦房店市、金州區(qū)、長?？h、市內(nèi)4區(qū)(中山區(qū)、西崗區(qū)、沙河口區(qū)、甘井子區(qū))及旅順口區(qū)，總面積1.30×104km2。該區(qū)位于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季分明；多年平均氣溫10.5 ℃，年均降水量在550～950 mm之間，降水空間分布由東北向西南逐漸減少。流域內(nèi)耕地、林地資源豐富，耕地資源是大連市面積最大，分布最廣的資源，面積比例為46.43%。以林地、耕地為主的生態(tài)系統(tǒng)對水源的供給功能起著關(guān)鍵性的作用[12]。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 InVEST模型產(chǎn)水量模型原理

InVEST模型“產(chǎn)水量”子模塊基于水量平衡原理估算產(chǎn)水量。該模塊將每個柵格單元的產(chǎn)水量定義為該柵格范圍內(nèi)的降水量扣除蒸散量(包括植物蒸騰和地表蒸發(fā))之后，剩余的那一部分水量。然后，假設(shè)每一個柵格單元所有的產(chǎn)水量都通過地表徑流或者地下徑流的方式到達(dá)了流域出口；最后在子流域尺度上對每一個柵格的產(chǎn)水量進(jìn)行加和或求取其平均值。模型主要算法如下：

(1)

式中：Yxj——年產(chǎn)水量；Px——年均降雨量； AETxj——土地利用類型j上柵格單元x的年平均實際蒸發(fā)量，由公式(2)計算：

(2)

式中：Rxj——Bydyko干燥指數(shù)，無量綱，表示潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值，由公式(3)計算：

(3)

式中：kxj——柵格單元x中土地覆被類型j的植被蒸散系數(shù)，由植被葉面積指數(shù)LAI計算獲得； ET0——潛在蒸發(fā)量，由Penman-Monteith公式計算，計算公式為：

(4)

式中：ET0——潛在蒸發(fā)量(mm/d)；Rn——地表凈輻射〔MJ/(m·d)〕；G——土壤熱通量〔MJ/(m2·d)〕；r——干濕表常數(shù)(kPa/℃)；Tmean——日平均溫度(℃)；u2——2 m高處風(fēng)速(m/s)；es——飽和水氣壓(kPa)；ea——實際水氣壓(kPa)。

(5)

式中：Z——經(jīng)驗常數(shù)，代表區(qū)域降水分布及其他水文地質(zhì)特征。根據(jù)相關(guān)研究，對于冬季降水為主(12月至翌年4月)的地區(qū)，Z值接近10，而對于降水均勻分布的濕潤地區(qū)和夏季降水為主的地區(qū)，Z值接近1[12]。Z值越高，或干旱指數(shù)較大或較小的地區(qū)，模型結(jié)果受季節(jié)常數(shù)Z影響越小[13]； AWCx——柵格單元x的土壤有效含水量，由土壤深度和理化性質(zhì)決定。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

(1) 土地利用數(shù)據(jù)。1980，1990，2000和2015年4期的土地利用利用數(shù)據(jù)(空間分辨率為1 km)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期LandsatTM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。本研究區(qū)的土地利用類型根據(jù)實際情況歸并調(diào)整為6類，即耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用地(表1)。

(2) 氣象數(shù)據(jù)。本研究選取大連市1985—2015年降水、氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)、氣壓數(shù)據(jù)，均來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。為了提高數(shù)據(jù)的代表性，將數(shù)據(jù)分為4個時段(1980—1985年，1986—1996年，1997—2007年，2008—2015年)，1980，1990，2000和2015年的土地利用狀況分別代表4個時段的土地利用狀況。降水要素先進(jìn)行多年平均，然后通過反距離加權(quán)插值得到多年平均降水量柵格數(shù)據(jù)；其它氣候要素均選用日值，采用FAO修正的Penman-Monteith公式計算[14]潛在蒸發(fā)量，通過反距離加權(quán)插值法得到多年平均潛在蒸發(fā)量柵格數(shù)據(jù)。

(3) 土壤厚度和土壤有效含水量。土壤厚度數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫，中國境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)；土壤有效含水量在分析土壤質(zhì)地(砂土—壤土—黏土)百分比含量基礎(chǔ)上，利用土壤有效含水量經(jīng)驗公式在SPAW軟件中計算獲得。

(4) 生物物理參數(shù)表。生物物理參數(shù)表反映了研究區(qū)土地利用和土地覆蓋類型的屬性，包括土地利用編碼、植被最大深度、蒸散系數(shù)等。這些數(shù)據(jù)根據(jù)前人的研究成果[15]和InVEST模型數(shù)據(jù)庫資料獲得。

表1 1980-2015年大連市土地利用類型%

編號土地利用類型 1980年比例1990年比例2000年比例2015年比例1耕地47.0047.0346.4946.432林地39.7639.3438.8937.953草地1.521.471.451.384水域4.053.984.164.185城鄉(xiāng)工礦居民用地7.317.998.969.976未利用地0.350.190.060.1

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水量的時間變化特征

大連市1980—2015年降水、氣溫、潛在蒸發(fā)、實際蒸散、干燥系數(shù)(實際蒸散量占降水量的比例)、產(chǎn)水量的年際變化趨勢如圖1所示。研究區(qū)多年平均降水量677.50 mm，最高降水量1 007.01 mm(1985年)，最低降水量403.39 mm(2015年)，年均降水量呈不顯著下降趨勢，多年平均氣溫9.64 ℃，呈顯著上升趨勢(p=0.025)，上升速率為0.179 ℃/10 a；年均潛在蒸散量947.74 mm，呈不顯著下降趨勢，降低速率為12.67 mm/10 a；年均實際蒸散量445.78.mm，呈顯著下降趨勢(p=0.001)，降低速率為19.22 mm/10 a；年均干燥系數(shù)0.72，呈顯著上升趨勢，上升速率為0.057/10 a，這意味著大部分降水通過實際蒸散返回到了大氣當(dāng)中。在氣象要素變化的影響下，研究區(qū)多年平均產(chǎn)水量226.36 mm，占降水量33.41%，呈不顯著下降趨勢，降低速率為14.7 mm/10 a。

圖1 大連市降水、氣溫、潛在蒸散、實際蒸散、干燥系數(shù)及產(chǎn)水量時間變化

經(jīng)過相關(guān)分析得出(表2)，1980—2015年，研究區(qū)產(chǎn)水量與降水量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.793(p<0.01)；與氣溫、潛在蒸散、干燥系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.517(p<0.01)，-0.624(p<0.01)，-0.486(p<0.01)。潛在蒸發(fā)反映了水分充分供給條件下最大的蒸散量，受氣溫的顯著影響(R=0.344，p<0.05)。實際蒸散代表了綜合考慮氣候要素及下墊面狀況下的蒸發(fā)能力，受降水和潛在蒸發(fā)影響，與降水呈顯著正相關(guān)(R=0.365，p<0.05)，與潛在蒸發(fā)呈不顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.086，也與地表覆蓋類型有關(guān)。綜合分析，本研究認(rèn)為降水量是影響大連市產(chǎn)水量的主要氣候因素，同時受氣溫、潛在蒸發(fā)與干燥系數(shù)的影響。

表2 1980-2015年大連市產(chǎn)水量與氣候要素的相關(guān)性

注：**表示在0.01水平，相關(guān)性顯著。

3.2 產(chǎn)水量的空間變化特征

大連市氣象要素、土地利用類型、產(chǎn)水量空間分布特征如圖2所示。由圖2可知，1980—2015年，大連市年均降水量自東北向西南597.57～803.29 mm。其中，莊河市年均降水量最豐富，達(dá)733.65 mm,其次為普蘭店區(qū)，達(dá)672.09 mm，瓦房店市和南部7區(qū)縣的降水量次之，分別為644.73，643.94.mm。潛在蒸發(fā)空間特征與降水量相反，自東北向西南遞增858.33～1 036.39 mm。其中，南部7區(qū)縣潛在蒸發(fā)量最大，為998.94 mm；瓦房店市、普蘭店區(qū)的潛在蒸發(fā)量次之，分別為954.06，938.30 mm；莊河市的潛在蒸發(fā)量最小，為881.92 mm。實際蒸散空間分布與土地利用類型、降水基本一致，不同土地利用類型單位面積實際蒸散量不同，具體表現(xiàn)為：水域(616.74 mm)>林地(508.87 mm)>耕地(423.55 mm)>草地(422.86 mm)>居民地(306.83 mm)>未利用地(409.57 mm)。莊河市降水量居大連市之首，用地類型以水域、耕地、林地為主，蒸散發(fā)能力強(qiáng)，因此年均實際蒸散量最高，達(dá)457.22 mm,分別是南部七區(qū)縣、普蘭店區(qū)、瓦房店市的1.12，1.00和1.02倍(圖2，表3)。

受降水、蒸散發(fā)、土地利用(圖2)的綜合影響，大連市產(chǎn)水量總體變化趨勢為由東北向西南波動變化。高值區(qū)主要集中在莊河市東北部、瓦房店市南部，多年平均產(chǎn)水量在295.46～611.34 mm之間。莊河市東北部降水豐富，產(chǎn)水量大；瓦房店南部、南部7區(qū)縣中部以城市建設(shè)用地為主，蒸發(fā)能力弱，產(chǎn)水量亦最大；莊河市、瓦房店市北部及南部7區(qū)縣東北部、普蘭店區(qū)產(chǎn)水量次之，集中在168.62～295.46 mm之間；南部7區(qū)縣西南部、瓦房店市東北部以耕地和林地為主，蒸散系數(shù)高，對降水的截留能力強(qiáng)，產(chǎn)水量相對較小。從產(chǎn)水總量來看，莊河市因其降水量最大，土地面積廣闊，年均產(chǎn)水量最大，達(dá)276.78 mm，占降水量的37%，產(chǎn)水能力最高，分別是南部7區(qū)縣、普蘭店區(qū)、瓦房店市的1.16，1.29，1.39倍(表3)。

表3 1980-2015年大連市年均氣象要素及產(chǎn)水量

4 氣候變化和土地利用變化對產(chǎn)水量的影響

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移方向分析

由表4可知，大連市耕地和林地面積所占比例較大，分別為46%，38%，其次為城市建設(shè)用地，達(dá)10%，而草地、水體及未利用地所占的比例較小，分別為1.4%，4.2%和0.1%。1980—2015年，耕地、林地、未利用地面積均有不同程度的減小。其中，耕地面積減小87 km2，減幅1%，主要59%轉(zhuǎn)向建設(shè)用地及29%轉(zhuǎn)向林地；林地面積減小216 km2，減幅2%，主要95%轉(zhuǎn)向耕地。城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、水域的面積均有不同程度的增加。草地、水域面積增幅較小，分別為0.1%和0.2%。城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加339 km2，增幅2.7%，主要由60%以上的耕地轉(zhuǎn)移而來。從總體特征來看，大連市域是一個典型的快速城市化區(qū)域，建設(shè)用地36 a間快速增長，這主要是因為在快速城鎮(zhèn)化過程中，耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，而由于自然地理位置的原因，其它土地利用類型轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的面積很小[16]。

表4 1980-2015年大連市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖2 大連市氣象要素、土地利用類型(2015年)、產(chǎn)水量空間分布特征

4.2 情景設(shè)置

為了區(qū)分1980—2015年研究區(qū)氣候變化和土地利用變化對產(chǎn)水量的影響，本研究選擇兩個階段，第一階段是1980—1990年，另一階段是2005—2015年。1980年和2015年的土地利用圖用來表示這兩個時期的土地利用模式。本研究設(shè)置了4種情景。情景1：1980—1990年的氣候和1980年的土地利用；情景2：1980—1990年的氣候和2015年的土地利用；情景3：2005—2015年的氣候和1980年的土地利用；情景4：2005—2015年的氣候和2015年的土地利用。情景1和情景4分別表示兩個時期的實際情況；情景1—2揭示土地利用變化對產(chǎn)水量的影響；情景1—3描述氣候變化對產(chǎn)水量的影響；情景4—1描述土地利用和氣候變化對產(chǎn)水量的綜合影響。

4.3 不同情景下產(chǎn)水量的時間變化

表5顯示了1980—2015年不同情景下研究區(qū)的產(chǎn)水量以及變化量。情景2和情景1的產(chǎn)水量差異表明，土地利用變化的影響增加了6.97 mm，占情景1條件下產(chǎn)水量的5%。情景3和情景1的產(chǎn)水量差異代表了氣候變化的效應(yīng)，減少了16.92 mm，占情景1條件下產(chǎn)水量的12%。與情景1相比，情景4下土地利用和氣候變化的綜合效應(yīng)下產(chǎn)水量減少了10.09 mm，占情景1產(chǎn)水量的7%。結(jié)果表明，土地利用和氣候變化都影響了研究區(qū)的產(chǎn)水量，氣候變化的影響大于土地利用變化的影響。當(dāng)氣候變化效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用時，土地利用變化對產(chǎn)水量的影響并不明顯。

4.4 不同情景下產(chǎn)水量的空間變化

圖3顯示了不同情境下大連市產(chǎn)水量的空間分布圖，表6顯示了不同情景下不同地區(qū)的產(chǎn)水量?？傮w上，在不同情景下，產(chǎn)水量的空間分布趨勢基本一致。在情景1條件下，平均產(chǎn)水量142.75 mm。其中，莊河市產(chǎn)水量最大，為194.92 mm；長?？h、普蘭店區(qū)的產(chǎn)水量次之，分別為180.78，131.85 mm；旅順口區(qū)的產(chǎn)水量最小，為75.54 mm。在情景2條件下，土地利用為主要驅(qū)動因素，平均產(chǎn)水量為149.72 mm，相比情景1，增加了6.97 mm，絕大部分地區(qū)的產(chǎn)水量呈增加趨勢。

表5 不同情景下大連市的產(chǎn)水量及變化值

圖3 不同情景下產(chǎn)水量的空間分布

其中，市內(nèi)4區(qū)耕地面積減少了46 km2，林地面積減少24 km2，城市建設(shè)用地增加了73 km2，相應(yīng)平均產(chǎn)水量增加最大，為30 mm；其次為金州區(qū)，耕地、林地面積分別減少了55和15 km2，城市建設(shè)用地增加了78 km2，相應(yīng)平均產(chǎn)水量增加了16.84 mm；旅順口區(qū)、瓦房店市、普蘭店區(qū)，耕地、林地、城市建設(shè)用地面積變化較小，產(chǎn)水量亦變化較小，平均產(chǎn)水量分別增加了6.78，6.5，4.08 mm；莊河市耕地、林地面積分別減少8和48 km2，城市建設(shè)用地增加64 km2，平均產(chǎn)水量增加最小，分別為3.17 mm。綜合分析，林地和耕地面積的下降，城市建設(shè)用地的增加，對大連市產(chǎn)水量有些微的影響。在情景3條件下，氣候變化為主要驅(qū)動因素，平均產(chǎn)水量為125.83 mm，相比情景1，減少了16.92 mm，絕大部分地區(qū)的產(chǎn)水量呈減少趨勢，尤其莊河市的產(chǎn)水量減少最大，為42.82 mm，主要原因在于1980—2015年期間，氣溫增加明顯，降水量減少最大，達(dá)65 mm以上。在情景4條件下，氣候變化和土地利用為主要驅(qū)動因素，平均產(chǎn)水量為132.66 mm，相比情景1，減少了10.09 mm。莊河市、長?？h、普蘭店產(chǎn)水量呈減少趨勢，其中，莊河市減少量最大，為39.69 mm。金州區(qū)、旅順口區(qū)、市內(nèi)4區(qū)、瓦房店產(chǎn)水量呈增加趨勢，其中，市內(nèi)4區(qū)產(chǎn)水量增加最大，為40.55 mm。結(jié)果表明，不同情景下，產(chǎn)水量的空間分布趨勢基本一致。研究區(qū)土地利用的變化對產(chǎn)水量的增加有些微影響，氣候變化是影響產(chǎn)水量變化的主要驅(qū)動力。

表6 不同情景下不同地區(qū)的產(chǎn)水量mm

地 區(qū)情景1情景2情景3情景4金州區(qū) 116.78133.62118.82135.34旅順口區(qū)75.5482.3282.1488.93普蘭店區(qū)131.85135.93118.02121.94瓦房店市115.06121.56109.63115.95長海縣 180.78180.78156.30156.30莊河市 194.92198.09152.12155.23市內(nèi)4區(qū)130.89161.89140.45171.44

5 結(jié) 論

(1) 1980—2015年，大連市年均降水量677.50 mm，年均潛在蒸發(fā)947.74 mm，二者不顯著下降，下降速率分別為22.22和12.67 mm/10 a。平均氣溫9.64 ℃，年均干燥系數(shù)為72%，二者顯著增加，增加速率分別為0.179和0.057/10 a；年均實際蒸散量445.78.mm，顯著下降，降低速率19.22 mm/10 a。研究區(qū)多年平均產(chǎn)水量226.36 mm，占降水量33.41%。在研究時段內(nèi)，平均產(chǎn)水量不顯著下降，降低速率14.7 mm/10 a。在降水波動的影響下，不同年代，各地區(qū)潛在蒸散、實際蒸散量波動變化；產(chǎn)水量變化趨勢與降水變化趨勢一致，都呈先降低后增加的趨勢。降水量是影響大連市產(chǎn)水量的主要氣候因素，同時受潛在蒸發(fā)量與干燥系數(shù)的影響。

(2) 1980—2015年大連市產(chǎn)水量總體上由東北向西南波動變化。高值區(qū)主要集中在莊河市東北部、瓦房店市南部、南部7區(qū)縣中部，多年平均產(chǎn)水量在295.46～611.34 mm之間；莊河市、瓦房店市北部及南部7區(qū)縣東北部、普蘭店區(qū)產(chǎn)水量次之，集中在168.62～295.46 mm之間；南部7區(qū)縣西南部、瓦房店市東北部產(chǎn)水量相對較小，集中在1.11～168.62 mm之間。從產(chǎn)水總量來看，莊河市年均產(chǎn)水總量最大，達(dá)1.10×109m3。

(3) 1980—2015年，研究期間大連市耕地、林地面積有所減少。城市建設(shè)用地面積有所增加，主要由耕地轉(zhuǎn)移而來。其它用地類型面積變化較小。

(4) 氣候變化和土地利用變化是引起大連市產(chǎn)水量時空變化的兩個主要因素，氣候變化的影響大于土地利用變化的影響，當(dāng)氣候變化效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用時，土地利用變化對產(chǎn)水量的影響并不明顯。氣候因子主要通過改變降水和潛在蒸散來影響產(chǎn)水量，降水的增加可以提高產(chǎn)水量的源頭水量，潛在蒸散表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水分消耗能力。土地利用的變化可以影響實際蒸散，進(jìn)而影響產(chǎn)水量。

(5) InVEST模型的引入，為大中尺度流域的水源供給服務(wù)的估算與空間分布提供了定量和可視化的參考，但由于模型結(jié)構(gòu)的簡化以及缺乏長期的野外觀測數(shù)據(jù)，致使研究結(jié)果存在一定的不準(zhǔn)確性。因此，建議在今后的研究工作中，加強(qiáng)野外數(shù)據(jù)的觀測、調(diào)整模型參數(shù)使其本土化，確保評估結(jié)果的可靠性。