水塘系统的水源涵养贡献力评估——以风岭流域为例

皋 鹏 飞，李 玉 凤，刘 红 玉，季 香

(江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点，江苏 南京 210023；江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023；南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023)

水塘系统的水源涵养贡献力评估
——以风岭流域为例

皋 鹏 飞，李 玉 凤*，刘 红 玉，季 香

(江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点，江苏 南京 210023；江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023；南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023)

应用InVEST模型和SCS模型并结合GIS技术，计算出仪征市风岭流域2015年的产水量、地表径流量以及水塘系统的水源涵养量分别为92.07×106m3、20.11×106m3和36.47×106m3，在子流域上其总体变化均呈现为由流域下游向上游减少的趋势。在此基础上，研究评估了区域水塘系统的水源涵养贡献力，总体而言，流域下游的贡献力均大于上游。在降水条件相同的情况下，建设用地分布较多的区域，产水量、地表径流量以及水塘系统的水源涵养贡献力均大于林地覆盖较多的区域；粘壤土分布区的地表径流量大于壤土分布区；水塘系统水源涵养量随地表径流量的增加而增加。

InVEST模型；SCS模型；水塘系统；水源涵养；风岭流域

0 引言

水塘是指在平地凿池、谷口或高地汇水处筑堤，就地蓄置雨水的小型水体，其面积在1～20 000 m2之间，具有自然、半自然和人工特征[1,2]。水塘系统由区域内的水塘组成，是我国存在3 000多年的典型农业小水利工程，其主要分布在南方丘陵地区。作为一种特殊的人工湿地，水塘系统具有调节气候、水源涵养、水质净化、维持生物多样性等重要的生态服务功能，在农业发展过程中具有不可替代的作用和价值。其中，水塘系统的水源涵养功能在减缓水土流失、维持流域水量、弥补农作物在需水时期的水资源短缺等方面起着非常重要的作用[3,4]，对于区域具有重要的水资源贡献。因此定量评估区域内水塘系统水源涵养的贡献力就显得尤为重要。

目前对于水源涵养功能的研究多集中在区域尺度上，如谢高地等对青藏高原水源涵养价值进行评估[5]；陈龙等对澜沧江流域的水源涵养功能进行了研究[6,7]；傅斌等对都江堰市的水源涵养功能及其重要性进行了研究[7]，Juszczak 等对波兰西部的农业森林流域水源涵养进行了评估[8]，Pawattana 等对泰国池河流域的水源涵养能力进行了研究[9]。但在这些研究中常常忽略水塘湿地的水源涵养功能及其对于整个区域的影响。因此围绕水塘系统的水源涵养功能及其对于区域的贡献程度进行一个科学、定量的评估，是本文要解决的主要问题。

位于仪征市的风岭流域由于农业灌溉的需要，区域内分布了大量的水塘，形成了发达的水塘湿地系统，这为本文提供了理想的研究区域。本文利用相关模型和方法分析水塘系统的水源涵养贡献力及其空间分布特征，将有利于更好地认识水塘湿地系统水资源利用过程及其生态效应，更好地优化区域内水塘系统的布局，对于湿地研究、农业开发和保护、区域水量平衡等具有重要意义。

1 研究区概况

高宝邵伯湖位于江苏省中部，总面积876.76 km2，是江苏省第三大湖，年平均水深1.46 m，是淮水入江的主要通道，且水质良好(III-IV类水质)。研究区风岭流域位于江苏省仪征市，在高宝邵伯湖的上游，是一个相对封闭的小流域，流域高程变化范围为20～50 m，流域面积为17.31 km2。研究区土地利用方式主要包括林地、建设用地、水域湿地及耕地。气候属于亚热带季风气候，年均气温14 ℃，降雨丰沛，年降水量1 256.60 mm，降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的59.20%。土壤类型以黄棕壤和水稻土为主[10,11]。20世纪60-70年代，为了区域内抗旱、防洪排涝，改良低洼易涝的盐碱地，开始了大规模的水利设施建设。因此在风岭流域区域内分布了大规模的水塘湿地系统，且至今持续使用。研究区具有水塘615个，平均面积0.28 hm2/个，总面积约175 hm2，占流域总面积10.11%。水塘系统为保证高宝邵伯湖的水质发挥着重要作用，对于区域也具有较高的水源涵养贡献力。

图1 研究区地理位置

2 水塘系统的水源涵养贡献力评估方法

本文基于区域水量平衡法，对风岭流域内水塘系统的水源涵养贡献力进行评估。区域水量平衡法将研究对象看成一个“黑箱”，着眼于输入水量与输出水量，认为降水量与蒸散量以及地表径流量之差即为区域的水源涵养量[12]。本文应用InVEST(the Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型计算研究区的产水量，即降水量减去蒸散量的部分；利用SCS模型计算研究区的地表径流量。水塘系统的水源涵养量与区域水源涵养量的比值即为水塘系统的水源涵养贡献率，其计算公式如下：

H=V/(W-E)

(1)

其中，H为水塘系统的水源涵养贡献率(%)；V为水塘系统的水源涵养量(m3)，其利用GIS技术及相关数学方法等计算；W为区域产水量(m3)，包括地表径流、土壤含水量、枯落物持水量和冠层截留量[13-15]；E为区域地表径流量(m3)。

在计算出水塘系统的水源涵养贡献率H的基础上进一步分级，分级标准如表1，从而评估出研究区水塘系统的水源涵养贡献力。

表1 水源涵养贡献力分级

2.1 基于InVEST模型的产水量计算

InVEST模型是由美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的生态系统服务功能评估工具[16,17]，该模型包含水质净化、产水量、生物多样性等多个模块。本研究所用到的就是InVEST模型中的“产水量”模块。

产水量模块运行需要的参数如表2所示，其中，土壤有效含水量是指土壤中持有的并且可以被植物利用的那一部分水量[18]，取值范围为0～1；参考作物蒸散量是指平坦地面被特定矮秆绿色植物(高0.12 m，地面发射率为0.23)全部遮蔽，同时土壤保持充分湿润情况下的蒸散量[19]，它由Modified-Hargreaves法公式计算[20]：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tavg+17)×(TD-0.0123P)0.76

(2)

其中，ET0为参考作物蒸散量(mm/d)；RA为太阳大气顶层辐射(MJ/(m2·d))，运用气象站2015年太阳总辐射数据计算可得；Tavg是2015年日最高温均值与日最低温均值的均值(℃)，TD是日最高温均值与日最低温均值之差(℃)；P是降水量(mm)，降水量数据和气温数据收集于中国天气网。

Zhang系数是表征降水特征的常数，取值范围为1～10[21]。一般冬季降水集中的区域Zhang系数取10，终年湿润或夏季降水集中的区域Zhang系数取1。研究区属于夏季降水集中性的区域，因此Zhang系数取1[22,23]。生物物理系数表中需要确定的参数是植被蒸散系数K，它受到地表覆被的影响，因此，本文应用FAO提出的适合于自然植被非完全覆盖条件下的植被系数的计算方法估算[24]；子流域的范围的划分主要是根据风岭流域水文运移路径(出水口位置、水流方向)确定子流域的边界[25-27]。具体过程是在确保流域水塘湿地系统完整的情况下，以DEM为基础，利用ArcGIS10.2的水文分析模块，得到水流方向、汇流累积量等水文因子，并以此生成流域的河网。通过对大量实验同现有地形进行对比，研究得出当河网的阈值为1 500时，河网的分布与实际最为接近，因此确定以1 500为最佳阈值划分出35个子流域。

表2 产水量模型运行所需参数

2.2 基于SCS模型的地表径流量计算

SCS(Soil Conservation Service)模型是美国农业部水土保持局于1954年开发的流域水文模型，它能够客观反映土壤质地、土地利用方式以及土壤含水量对降雨径流的影响，是目前应用最广泛的流域水文模型之一[28]。模型计算公式：

E=R×K/1 000

(3)

R=(P-0.2L)2/(P+0.8L)，P≥0.2L

(4)

L=25 400/CN-254

(5)

其中，E是地表径流量(m3)；R是地表产流深度(mm)；K是区域面积(m2)；P是降水量(mm);L是最大可能滞留深度(mm)，取决于土壤入渗速率和土壤储水容量[29]；CN(Curve Number)是径流曲线系数，是与土壤质地和土地利用方式密切相关的一个径流系数，CN值越大，越容易产生地表径流[30]。

因此，模型所需要的参数分别是降水量P以及径流曲线系数CN。径流曲线系数CN值的大小主要受降水前湿润程度、土壤质地和土地利用方式3个因素的影响。降水前湿润程度通过已经获得的降水量，经过计算确定研究区域降水前土壤湿润程度的等级为Ⅰ类(表3)；土壤质地划分通过1∶100万土壤空间属性数据查找获得，结合研究区土壤质地状况，将研究区的土壤质地划分为粘壤土和壤土(图2)；土地利用方式通过ArcGIS10.2对研究区的土地利用方式进行解译，并按照SCS模型特定的分类标准合并(图3)。在此3个变量的基础上，通过查找美国国家工程手册第四章的CN值表得到研究区的CN值[31](表4)。在确定参数之后，按照式(3)-式(5)求出研究区的年地表径流量。

表3 降水前湿润程度等级划分

图2 研究区土壤质地

图3 研究区土地利用分类

表4 不同土地湿润程度下各土地利用方式和土壤类型的CN值

Table 4 Runoff curve number of different type of land use and soil texture in different ARCs

土壤质地湿润程度森林农田湿地/城镇壤土粘壤土Ⅰ5175100Ⅱ7088100Ⅲ8595100Ⅰ5980100Ⅱ7791100Ⅲ8997100

2.3 水塘系统的水源涵养量计算

水塘作为特殊的人工湿地，在水源涵养方面具有重要作用[32]。水塘的年水源涵养量包括两部分：一是水塘的基础库容量；二是水塘对村庄、农田排水和降雨的截留增加量[33]，即：

V=V1+V2=(h1+Δh2)×S

(6)

其中，V为水塘的水源涵养量(m3)；V1为水塘的基础库容(m3)；V2为水塘一年内对于水分的截留增加量(m3)；h1为水塘的基础水深(m),Δh2为一年内水塘的水位上升量(m)；S为水塘的表面积(m2)。

水塘的基础水深测量方法是:在水塘两岸选点设脚架，悬挂钢尺进入水中，通过钢尺拉动测量基础水深，并利用DEM进行校验获得。DEM数据来源于江苏省测绘局，其精度为5 m×5 m；水塘的水位上升量是指水塘一年内水位上升的总和，其来源于2015年一年的野外实地调查，调查方法是基于60个水塘样点，每个样点确定一个基准点，量取每周的水位变化量，统计获得一年内水塘水位的上升量，该数据能够反映出水塘蓄水供水的情况。再根据该数据得到水塘的水源涵养总深度，并建立水塘系统的水源涵养深度与水塘表面积的线性模型：h1+Δh2=0.177×10-6×S+3.354，以此求出其他水塘的水源涵养量。

3 结果分析

3.1 子流域划分

根据模型的要求，计算出产水量栅格结果后，要在子流域上进行统计，因此，要对研究区风岭流域内各个子流域的范围进行划分。利用ArcGIS10.2水文分析模块并根据实际地形，经过大量的实验对比划分出35个子流域(图4)，子流域的面积范围在0.15～1.02 km2之间，坡度范围在0°～35.12°之间。

图4 研究区子流域分布

3.2 不同子流域的产水量

输入模型所需要的参数后，运行InVEST模型，得到2015年研究区的产水量，研究区总体的产水量为92.07×106m3，产水量较大。为使产水量的结果进行子流域之间的比较而不受子流域面积的影响，本文选用单位时间单位面积上的产水量(即产水模数)来表达(图5)。由图5可知，产水量较大的子流域有13个，主要分布在流域的下游，包括子流域6～8、18～23、34～35以及1和4，产水量在605.41～1 066.64 m3/(km2·a)之间，子流域4的产水量最大。产水量一般的子流域有12个，主要分布在流域的下游，包括子流域2～3、11～15以及5、17、24、30、32，产水量在409.12～583.93 m3/(km2·a)之间。产水量较小的子流域有10个，主要分布在流域的上游，包括子流域9～10、25～29以及16、31、33，产水量在293.07～389.14 m3/(km2·a)之间，子流域28的产水量最小。

图5 研究区各子流域产水量分布

因此可以得出结论，产水量在流域内表现出明显的空间差异，总体变化呈现由流域的下游向上游方向减少的趋势。产水量的大小与降水量、土地利用方式、土壤有效含水量、土壤深度等有关，研究区的降水量总体一致，因此可以结合研究区土地利用方式等因素分析其原因：首先，流域的下游相对于上游分布了更加密集的建设用地，如城镇、工厂及村庄等，建设用地多为不透水地面，降水难以下渗，相对于上游较容易产流；其次，流域下游的农田作物根系深度较小，造成土壤有效含水量偏低，地表蒸发量较小，而上游的土地利用方式除了农田以外，植被类型还包含了较多的林地，土壤的深度和植被的根系深度均较大，提高了土壤的有效含水量和地表蒸发量。因此总体上，流域下游的产水量比上游偏大。

3.3 不同子流域的地表径流量

根据SCS模型计算得到研究区2015年地表径流量为20.11×106m3，地表径流量较大。为了使地表径流量的结果进行子流域之间的比较而不受子流域面积的影响，本文选用单位时间单位面积上的地表径流量(即地表径流模数)来表达(图6)。由图6可知，地表径流量较大的子流域有12个，其分布多集中在流域的下游，包括子流域14～15、18～23、34～35以及5、32，地表径流量在97.70～99.60 m3/(km2·a)之间，子流域35的地表径流量最大。地表径流量一般的子流域有13个，主要分布在流域的下游，包括子流域3～4、6～8、11～13、29～30以及1、17、24，地表径流量在96.19～97.69 m3/(km2·a)之间。地表径流量较小的子流域有10个，集中分布在流域的上游，包括子流域9～10、25～28以及2、16、31、33，地表径流量在92.01～95.18 m3/(km2·a)之间，子流域25的地表径流量最小。

图6 研究区各子流域地表径流量分布

因此可以得出结论，地表径流量在流域内表现出明显的空间差异，总体变化呈现由流域的下游向上游方向减少的趋势。分析出现这种情况的原因：在降水相同的条件下，地表径流量的大小与土壤质地、土地利用方式密切相关。首先，流域下游的土壤质地主要为粘壤土，质地黏重，降水不易下渗，容易形成地表径流而流失；而上游的土壤质地为壤土，下渗能力较粘壤土要大，因此上游相对于下游形成的地表径流量要小。其次，研究区的建设用地(如城镇、工厂及村庄等)在流域下游的分布相对于上游更加密集，且下游分布了大量农田，在这样的土地利用方式下，降水更容易形成地表径流；而流域上游的林地相对较多，对于降水的截留能力较强，地表径流量较小。因此总体上，流域下游的地表径流量比上游偏大。

3.4 不同子流域内水塘系统的水源涵养量

通过GIS技术以及相关数学模型的计算，获得2015年水塘系统的水源涵养量。研究区总体的水塘系统水源涵养量为36.47×106m3，水源涵养量较大。为了使水塘系统的水源涵养量的结果进行子流域之间的比较而不受子流域面积的影响，本文选用单位时间单位面积上的水源涵养量(即水源涵养模数)来表达(图7)。由图7可知，水塘系统的水源涵养量较大的子流域有12个，其分布集中在流域下游，包括子流域1～2、5～8、11～13、23～24以及18，水源涵养量在264.57～402.60 m3/(km2·a)之间，子流域1的地表径流量最大。水源涵养量一般的子流域有13个，流域的上游和下游均有分布，包括子流域14～17、19～21、31～32以及3、9、27、29，水源涵养量在180.47～245.29 m3/(km2·a)之间。水源涵养量较小的子流域有10个，主要分布在流域的上游，包括子流域25～26、33～35以及4、10、22、28、30，水源涵养量在22.92～166.56 m3/(km2·a)之间，子流域22的地表径流量最小。

因此可以得出结论，水塘的水源涵养量在流域内表现出明显的空间差异，总体变化呈现由流域的下游向上游方向减少的趋势。分析出现这种情况的原因：水塘系统的水源涵养量主要来源于直接降水、农田以及村镇的排水径流等，而流域的降水量是一致的，所以水塘系统的水源涵养量的空间差异主要受到地表径流量的影响。经过前面的分析，由于研究区的土壤质地、土地利用方式等原因，导致流域产生的地表径流量不同，且由流域的下游向上游减少。而流域内的水塘系统能够拦截地表径流(如农田排水)，并进行存储，使得径流不至于全部流入河流，进而实现水源涵养，地表径流量越大，水塘系统的水源涵养量越大。因此总体上，流域下游水塘系统的水源涵养量大于上游。

图7 各子流域水塘系统的水源涵养量分布

3.5 不同子流域内水塘系统的水源涵养贡献力

基于研究区的年产水量、年地表径流量以及水塘系统的年水源涵养量，得出水塘系统的水源涵养贡献率(图8a、表5)，并进一步进行分级，评估出水塘系统的水源涵养贡献力，评估结果如图8b所示。

图8 不同子流域水塘系统水源涵养贡献率与贡献力分布

由图8b可知，水塘系统的水源涵养贡献力极大的子流域有9个，包括子流域1～2、12～13、27～29以及5、16，其分布在流域的下游，水源涵养贡献率大于70%。水源涵养贡献力较大的子流域有13个，在流域的上游和下游均有分布，包括子流域6～7、9～11、24～25、31～33以及3、14、17，水源涵养贡献率在50%～70%之间。水源涵养贡献力一般的子流域有8个，主要分布在流域的下游，包括子流域18～21以及8、15、23、26，水源涵养贡献率在30%～50%之间。水源涵养贡献力较小的子流域有5个，其主要分布在流域的上游，包括子流域34～35以及4、22、30，水源涵养贡献率小于30%。

因此可以得出结论，水塘系统的水源涵养贡献力在流域内表现出明显的空间差异，总体来说，流域下游的水塘系统水源涵养贡献力大于上游。分析出现这种情况的原因：在降水条件相同的情况下，水塘系统的水源涵养贡献力与土地利用方式密切相关。流域的下游分布着较密集的建设用地，其对降水量截留的较少，从而水塘系统截留的降水量较多，水塘系统的水源涵养贡献力较大[34];而流域的上游分布着较多的林地，其对降水量截留的较多，水塘系统截留的较少，因此流域上游的水塘系统的水源涵养贡献力一般甚至较小。

表5 研究区水塘系统水源涵养贡献率百分比

4 结论与讨论

本文以水量平衡法为基础，应用InVEST、SCS模型并结合GIS 技术，对研究区水塘系统的水源涵养贡献力进行了科学、定量的评估分析，得出如下结论：1)风岭流域具有大规模的水塘系统，区域内具有较大的年产水量(92.07×106m3)和年地表径流量(20.11×106m3)，其总体变化呈现由流域的下游向上游方向减少的趋势。在降水条件相同的情况下，建设用地覆盖较多区域的产水量、地表径流量大于林地覆盖较多的区域；粘壤土分布区域的地表径流量大于壤土分布的区域。2)区域内水塘系统具有较大的水源涵养量(36.47×106m3)，其总体变化呈现由流域的下游向上游方向减少的趋势。在降水条件相同的情况下，地表径流量较大的区域，水塘系统的水源涵养量较大，反之水塘系统的水源涵养量较小。3)不同子流域内水塘系统的水源涵养贡献力具有明显的空间差异，总体而言，流域下游的水塘系统水源涵养贡献力大于上游。在降水条件相同的情况下，建设用地分布较多的区域水塘系统水源涵养贡献力大于林地覆盖较多的区域。

本文对风岭流域内水塘系统的水源涵养贡献力进行了评估，补充了以往在水塘湿地系统水源涵养功能评估方面的缺失。通过分析水源涵养贡献力，能够更好地优化区域内的水塘湿地系统，为水资源的存储、水源供给利用以及农业开发保护提供了理论基础。结合InVEST模型和SCS模型能够对某一区域的产水量、地表径流量及其差异进行科学、定量的分析，两种模型均以水量平衡法为基础，具有较高的可行性，并且能够反映出土地利用方式、土壤质地等因素对于计算结果的影响。其中SCS模型虽然能够计算出区域地表径流量的差异，但是模型中的各变量关系是经验性的，各参数之间的关系以及CN值的确定需要进一步讨论。

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Evaluation on the Contribution Capacity of Water Conservation of Pond System:A Case Study of Fengling Watershed

GAO Peng-fei,LI Yu-feng,LIU Hong-yu,JI Xiang

(StateKeyLaboratoryCultivationBaseofGeographicalEnvironmentEvolutionofJiangsuProvince,Nanjing210023;JiangsuCenterforCollaborativeInnovationinGeographicalInformationResourceDevelopmentandApplication,Nanjing210023;CollegeofGeographicalScience,NanjingNormalUniversity,Nanjing210023,China)

In this paper,taking Fengling watershed in Yizheng as an example,water yield and surface runoff in 2015 were obtained by applying the InVEST model and SCS model.Based on the data above,water conservation of pond system was calculated.The results were as follows:water yield,surface runoff and water conservation of pond system were 92.07×106m3,20.11×106m3and 36.47×106m3respectively.Generally speaking,the value of water yield,surface runoff and water conservation tended to decrease from downstream to upstream.Based on these,the contribution capacity of water conservation of pond system was evaluated.On the whole,the contribution capacity of water conservation in the downstream was greater than that in the upstream.Under the same condition of rainfall,water yield,surface runoff and the contribution capacity of water conservation of the areas covered by more construction was larger than that of the areas covered by more forests;surface runoff of the clay loam area was larger than that of the loam area;water conservation of pond system increased with surface runoff.

InVEST model;SCS model;pond system;water conservation;Fengling watershed

2016-06-18；

2016-08-18

国家自然科学基金项目(41401205、31570459)；江苏省自然科学基金项目(BK20140921)；江苏省高校自然科学研究重点项目(15KJA170002)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(164320H116)；江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心资助

皋鹏飞(1992-)，男，硕士研究生，主要从事湿地景观与GIS应用研究。*通讯作者E-mail：pandalee_0826@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.06.016

P333.1

A

1672-0504(2016)06-0094-07