基于InVEST模型的阿克苏河流域产水量评估及环境因素影响研究

郭丽洁，尹小君，苟贞珍，高军

(石河子大学信息科学与技术学院/兵团空间信息工程技术研究中心/兵团空间信息工程实验室，新疆 石河子 832003)

生态系统为我们提供粮食、净化水源、保持水土等服务功能[1]，是可持续发展和人类福祉的基础。Daily[2]和Costanza[3]等众多学者对生态系统服务功能进行了研究和预测，“新千年生态系统评估”(Millenium Ecosystem Assessment，MA)对24项生态系统服务进行了评估，有15项(约占60%)包括产水服务正在退化或处于不可持续利用的状态[4]，这可能对人类福祉产生巨大的负面影响。产水是一项重要的供给服务，对生态系统的可持续发展具有重要作用，是生态系统服务评估的重要方面[2-3]。人口增长、社会经济的迅速发展以及全球变暖等因素对全球水资源产生了极大影响[5]。部分地区尤其是荒漠干旱地区出现了水资源短缺问题，并且越加严重，这将直接影响区域经济和生态系统的可持续发展。在这个背景下对产水量进行估算和制图及对其进行影响因素分析对水资源规划和管理都有重要意义。

产水量的计算方法主要包括土壤蓄水能力法、水量平衡法、年径流法等[6]，其中，以InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型下的产水(water yield)模块最为成熟。InVEST工具[7-9]是由美国斯坦福大学，美国明尼苏达大学，大自然保护协会(The Nature Conservancy)和世界自然基金会(WWF)共同开发的一款开源评估软件，具有强大空间分析能力，较高的评估精度[10]。其下的产水模块以水量平衡法原理为基础，不仅可以量化产水量，还可以直观地表达产水量在时间和空间上的分布特征，近年来被广泛应用。产水模块在朝鲜森林[11]、张家口—承德地区[12]、宁波地区[13]、岷江上游[14]、江苏省[15]、晋北沙漠化区[16]、大凌河上游汇水区[17]、太湖流域[18]等区域均有实际应用，并且效果较好，对当地决策制定和资源管理起到重要作用。区域产水服务受到多方面因素的影响，多项研究[19-21]表明，气候(降水和蒸散发)和土地利用/覆被是产水量变化的主要驱动力，同时产水量还受到地形和土壤质地等因素的影响[22]。

阿克苏河是塔里木河流域最大的水量补给来源，同时它位于新疆第二大灌区区域内，在向塔河生态输水和灌区用水方面发挥着重要作用。然而近几年人口的急剧增长和灌溉面积不断扩大使得流域水资源问题日益尖锐。《阿克苏河流域水资源可持续利用研讨会》中就如何提升阿克苏河水资源利用效率，实现流域生态系统可持续发展等问题进行了探讨。随着国家“十三五”计划和“一带一路”重大战略的实施，作为“丝绸之路经济带”建设的核心区，南疆地区的水资源可持续开发利用有着更加深刻的意义，这不仅与当地经济社会可持续发展息息相关，还关系到南疆生生态保护、国防安全和国家“一带一路”建设宏伟目标的实现[23]。因此本文以阿克苏河流域作为研究区，利用InVEST模型产水模块对研究区2010、2015年平均产水量进行评估，研究当地产水量时空分布特征并分析土地利用、气候、土壤质地和高程等因素对产水服务的影响，对阿克苏河流域可持续发展、水资源利用规划有着重要意义。

1 研究区概况

阿克苏河流域(75°35′～80°59′E，40°17′～42°27′N)地势西北高、东南低(图1)，位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北缘，属暖温带大陆性干旱气候[24]，流域总面积4.86×104km2。阿克苏河是我国境内天山南坡径流量最大的河流[25]，也是是塔里木河的主要水源补给源之一[26]。行政区包括阿克苏市、阿图什市、温宿县、乌什县、阿瓦提县、阿合奇县和柯坪县6个行政单位。

图1 研究区概况

2 方法与数据

2.1 模型原理

InVEST模型的产水量(water yield)模块是基于水量平衡原理，通过降水、植物蒸腾、地表蒸发、根系深度和土壤深度等参数计算产水量。

InVEST模型的产水量模块的主要算法[27]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)—(4)中,Yxj为年产水量；Px为年均降水量；AETxj为年均蒸散量；Rxj为干燥指数，无量纲，是潜在蒸发量与降雨量的比值；ωx为植物年需水量和降水量的比值，是描述自然气候和土壤性质的参数；Z为zhang系数，表征降水季节性特征的一个常数；AWCx为植被含水量，其值由土壤质地和有效土壤深度决定；ET0x为潜在蒸散发量；kxj为植被的蒸散发系数。

2.2 数据需求及数据处理

InVEST模型产水量模块需要以下数据：年平均降雨量、年平均潜在蒸散量、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参数。计算过程中所需数据图地理坐标均为Krasovsk_1940_Albers，基准面为D_Krasovsk_1940。

2.2.1 土地利用/土地覆被

2010、2015年两期土地利用数据是中国科学院资源环境数据中心的数据产品，来源于中国土地利用现状遥感监测数据库，是目前我国精度最高的土地利用遥感监测数据产品，已经在国家土地资源调查、水文、生态研究中发挥着重要作用。在ArcGIS中对获取数据进行镶嵌，裁剪，投影等处理，得到阿克苏河流域2010、2015年土地利用图(图2a、2b)。研究区包括水田、旱地等23类二级土地利用类型。图中编号为二级土地利用类型编号，见表1。

图2 产水量模型空间参数

表1 生物物理系数表

表1续

一级分类二级分类编号蒸散系数根系深度/mm城乡、工矿、居民用地城镇用地510.3500农村居民点520.4500其它建设用地530.3500未利用土地沙地610.510戈壁620.510盐碱地630.510沼泽地640.310裸土地650.510裸岩石质地660.310

2.2.2 年平均降雨量

年降雨数据中国科学院资源环境数据中心降水量空间插值数据集，该数据集使用ANUSPLIN空间插值处理生成，有较高的精度保障。对应于土地利用数据的时段，同时为了避免单年数据的低代表性，对2008—2012年、2013—2015年降雨数据进行多年平均，得到2010、2015年两期的年平均降雨量栅格图(图2c、2 d)。

2.2.3 年平均潜在蒸散量

潜在蒸散量指太阳辐射为水分蒸发提供的能量。本文选取InVEST模型推荐使用的Modified-Hargreaves公式[28]计算年平均潜在蒸散量，其公式为：

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

(5)

式(5)中：RA为太阳大气顶层辐射(MJ·m-2·d-1)；Tavg为日最高气温均值和日最低气温均值的均值(℃)；TD为日最高气温均值与日最低气温均值的差值(℃)。

从中国气象数据网获取2008—2015年的新疆内站点的逐日辐射数据、气温和降雨数据。在Excel中对气温和降雨数据进行平均处理，使用公式计算各站点2008—2012年和2013—2015年年平均潜在蒸散量。在ArcGIS中进行反距离插值，裁剪等处理得到2010、2015年两期年平均潜在蒸散量栅格图(图2e、2f)。

2.2.4 土壤数据

土壤数据来源于寒区旱区科学数据中心[29]，将获取的中国土壤数据集进行投影裁剪转换等操作获得塔里木河流域内的土壤数据集。属性资料包括土壤名称、组成成分含量(沙含量、淤泥含量、粘土含量、有机碳含量等)，土壤参考深度等。

植物可利用水含量的计算采用周文佐等[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为土壤的沙粒含量(%)；SIL为土壤的粉粒含量(%)；CLA为土壤的黏粒含量(%)；C为土壤的有机质含量(%)。PAWC所需土壤数据均来自中国土壤数据集。在ArcGIS中进行字段计算求出PAWC，经空间分析、转换工具模块处理，获得植物可利用水含量栅格图(图2 g)。土壤参考深度属性在ArcGIS中进行转换、数学计算等处理后获得土壤深度栅格图(图2 h)。

2.2.5 其它数据

利用ArcGIS空间分析模块中水文分析功能，基于DEM提取阿克苏河流域河网水流方向，生成22个子流域。生物物理系数(表2)包括土地利用类型、蒸散系数(Kc)和根系深度等。其中，蒸散系数和根系深度根据相关文献[13,31]并结合用户指南中推荐建议使用的联合国粮农组织(FAO)的参考值进行赋值。文中图表中关于土地利用类型的标注使用土地利用类型编号。

表2 西大桥站实测年径流量(2008—2015年) 单位:×108 m3

2.3 结果校验

Z是表征降水季节性特征的一个常数[32]，其值在1～10之间。可以通过调节Z系数，基于研究区内水文站点的年径流量实测数据，对产水量模块的输出结果进行校验，窦苗等[31]研究横断山区水量时Z调整为15，评估结果与实测结果一致。根据中国河流泥沙公报中阿克苏河西大桥水文控制站实测，阿克苏河流域2008—2012年年平均径流量为46.60×108m3，2013—2015年年平均径流量为34.60×108m3，经过多次调整，当2010、2015年Z值分别为为0.75、0.63时，产水量分别为46.60×108、34.86×108m3，与实际径流量最接近，整体误差最小，模型模拟效果最优。

3 结果与分析

3.1 阿克苏河流域产水量变化时空格局

运行InVEST模型的Water Yield模块，得到阿克苏河流域2010、2015年两期产水量的空间分布(图2)。为便于对比，根据自然间断点分级法，将产水量划分为5个区间：0～40、>40～100、>100～170、>170～250、>250 mm并据此将产水量划分为低、较低、中、较高和高5个级别，统计各等级土地面积及其所占百分比(表3)。阿克苏河流域产水量一半以上处于较低水平，集中分布在柯坪县和乌什县中南部地区。2010—2015年，较低、中和较高等级产水量面积增加，三者之和的占比从32.77%增加到45.47%，而低和高等级生境面积减少，尤其高等级面积大幅度减少，占比从16.13%减少到4.2%。2010—2015年，阿克苏河流域产水量具有显著的空间异质性，呈现西高东低、北高南低的特征(图3a、3b)。阿克苏河流域2010年产水区间为0～613.37 mm，平均产水量为95.67 mm，产水总量为46.60×108m3，2015年产水区间为0～518.63 mm，平均产水量为71.57 mm，产水总量为34.86×108m3。与2010年相比，2015年的产水量空间格局整体变化不大，部分区域存在小幅度的变化。图3c、3 d为阿克苏河流域子流域平均产水量空间分布图，研究区南北产水量分布差异明显，2010—2015年间编号为4、5的子流域产水量降低，所属地区为阿图什市、阿合奇县南部及柯坪县北部；编号为9、10的子流域产水量降低升高，所属区域为阿克苏是中部及阿瓦提县东北部。

表3 不同年份各等级产水量面积及其比例

图3 研究区产水量空间分布

3.2 阿克苏河流域土地利用变化及对产水量的影响

2010—2015年，阿克苏河流域各地类面积均在不同程度上发生变化。旱地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、戈壁和裸岩石质地是阿克苏河流域主要的土地利用类型，总和约占土地总面积的86%。主要分布在西部、北部以及东南部局部地区(图2a、2b)。如图4b，2010—2015年间，旱地面积大幅度增加，增量为599.15 km2，占土地面积比例由10.99%增加到12.22%；城镇用地面积略有增长，增量为14.99 km2，所占比例由0.08%增加到0.11%；低覆盖度草地面积大幅度减少，期间减少262.16 km2，所占比例由21.23%减少到20.69%；盐碱地面积略有减少，期间减少103.58 km2，所占比例由3.93%减少到3.72%；灌木林、中覆盖度草地、沙地和戈壁面积都有所减少，期间分别减少76.56、54.90、54.35、30.73 km2。其余地类面积变化量较小。为了解这一时期阿克苏河流域土地利用变化方向以及结构特征，本文构建土地利用转移矩阵，省略了转移面积小于5 km2的转移类型，得出2010—2015年主要的地类转移类型及各转移面积(图4c)。阿克苏河流域土地利用变化方向主要以旱地的变化为主。水田、灌木林、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、河渠、沙地、戈壁、盐碱地和裸土地都不同程度的转变为旱地，其中有268 km2的低覆盖度草地转变为旱地，占旱地增长面积比例的44.74%。同时旱地主要转变为中覆盖度草地、低覆盖度草地和城镇用地，可能是受到生态环境保护政策的影响以及城镇化和工业化对土地的需求增加。戈壁还转变为其他建设用地。阿克苏河流域土地利用转移空间分布如图4a所示，地类变化主要集中于东南部的阿克苏市、温宿县和阿瓦提县。

为研究土地利用类型对产水量的影响，在ArcGIS中工具统计获取阿克苏河流域2010、2015年不同土地利用类型下的平均产水量(图5a)。2010年各地类下平均产水量较高的从大到小依次为高覆盖度草地、有林地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、疏林地、旱地、裸岩石质地和灌木林。2010年各地类下平均产水量较高的从大到小依次为高覆盖度草地、有林地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、旱地、灌木林、疏林地、湖泊和裸岩石质地。总体来看一级分类为草地和林地下的平均产水量较高。它们有着较强的产水功能[33]。河渠、水库坑塘、滩地、城镇用地、其它建设用地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地及农村居民点下产水量为零，占总面积的23.19%。为研究土地利用变化对产水量变化的影响，将土地利用转移空间分布图与产水量变化栅格图叠加，统计各地类变化下产水量的变化面积(图5b)，灌木林、中覆盖度草地、沙地、盐碱地的变化后大面积区域的产水量增加;旱地的变化下产水量减少。这与土地利用类型的转移方向有关。灌木林的转移方向主要是向旱地和中覆盖度草地转移；中覆盖度草地的转移方向主要是向旱地和高覆盖度草地转移；沙地和盐碱地的转移方向主要是向旱地转移。旱地的转移方向主要是向中覆盖度草地、高覆盖度草地、城镇用地和农村居民点转移。低覆盖度草地、戈壁变化下部分区域产水量增加，部分减少。说明低覆盖度草地和戈壁变化对产水量变化的影响不稳定，主要取决于低覆盖度草地和戈壁的转换方向。低覆盖度草地的转移方向主要是向旱地、高覆盖度草地和水库坑塘转移；戈壁的转移方向主要是向旱地、其它建设用地和裸土地转移。可以得出转移方向向旱地、中覆盖度草地和高覆盖度草地转移的区域产水量增大；向城镇用地、农村居民点、水库坑塘、建设用地和裸土地转移的区域产水量减小。

图5 土地利用变化对产水量的影响

3.3 阿克苏河流域气候要素变化及对产水量的影响

产水量模型的气候要素主要包括降水量和潜在蒸散量(图2c、2 d、2e、2f)。气候要素变化主要通过影响降水和潜在蒸散发(太阳辐射、温度和降水)，进而影响产水量。阿克苏河流域降水量具有显著的空间异质性，呈现西高东低、北高南低的特征，与产水量空间分布一致。阿克苏河流域整体降雨量较小，2010年接近60%的区域，降雨量在77～294 mm。降雨量在560～1 033 mm的区域分布在流域的北部地区。2010年年平均潜在蒸散量空间分布特征为自西向东逐渐降低；2015年年平均潜在蒸散量空间分布特征为自南向北逐渐降低，但整体蒸散量差异不大。2010年潜在蒸散量在1 074～1 082 mm的区域占研究区的面积最大，为42%，分布在研究区的西部地区。2010、2015年阿克苏河流域年平均降水量分别为284.29、245.64 mm。与2010年相比，2015年的降水量减少了38.65 mm。2010、2015年阿克苏河流域年平均潜在蒸散量分别为1 090.68、1 153.02 mm。与2010年相比，2015年的潜在蒸散量增加了62.34 mm。

为研究阿克苏河流域气候要素变化对产水量变化的影响，在ArcGIS中对2010、2015年两期的降水量、潜在蒸散量和产水量进行处理，得到2010—2015年降水量、潜在蒸散量和产水量变化空间分布图(图6a、6b、6c)。可以看出产水量变化与降水量变化基本一致，东南部地区降水量、产水量增加，其它地区减少。阿克苏河流域潜在蒸散量整体都在增加，自西向东增加量逐渐增大。产水量随着气候要素变化而增加或减少，降水量增加，产水量也会随之增加，降水量减少，产水量也会随之减少。一般情况下，产水量会随着潜在蒸散量的增加而减少。

本文统计了2010、2015年各产水量等级下的平均降水量和平均潜在蒸散量(图6 d)。在产水量等级下2015年平均降水量普遍小于2010年平均降水量，2015年平均潜在蒸散量全部大于2010年平均潜在蒸散量。可以看出产水量等级越高，平均降水量越大。2010产水量等级越高，平均潜在蒸散量越大。2015产水量等级越高，平均潜在蒸散量越小。在ArcGIS中计算降水量、潜在蒸散量和产水量的相关关系，2010年产水量与降水量相关系数为0.74，与降水量相关系数为0.40。年平均潜在蒸散量数值没有较大的差异性，不能很好的体现年平均潜在蒸散量对产水量的相关性。

图6 2010—2015年降水量、潜在蒸散量和产水量变化空间分布图

3.4 阿克苏河流域土壤质地分布及对产水量的影响

使用ArcGIS中区域分析工具获取2010年阿克苏河流域不同土壤质地面积占比及产水量指标。由图7a可以看出流域内包含薄层土、石膏土、盐土、栗钙土、钙积土、冲积土、冰川、人为土、黑土、雏形土、砂性土、水体、变性土和黑钙土14种土壤类型，流域以薄层土、石膏土、盐土为主，分别占流域面积的28.6%、26.0%、12.7%。薄层土分布在阿克苏河流域的的北部。可以看出离散值最大的土壤类型是冰川，表明不同位置的冰川的产水量的值变化较大，这是因为冰川受温度影响较大，最大产水量达到613.37 mm，为研究区产水量最大值。平均产水量较多的是雏形土(256.14 mm)、黑钙土(245.68 mm)和薄层土(211.01 mm)。雏形土和黑钙土面积较小，分布在研究区的北部。产水量较少的是石膏土(9.30 mm)、砂性土(10.90 mm)。这些土壤类型保水性能差，石膏土占地26%，分布在研究区的中部，是盐碱地和戈壁的主要所在地；砂性土面积较小，为1.7%。

图7 土壤质地、高程在产水量上的响应

3.5 阿克苏河流域高程对产水量的影响

阿克苏河流域高程具有西高东低、北高南低的特征，与产水量和降水量空间分布一致。高程在1 012～3 049 m的区域面积约占总面积的80%。产水量与高程之间的相关系数为0.74，具有较强的相关性。为研究高程对产水量的影响，利用ArcGIS中区域分析工具统计2015年阿克苏河流域不同高程下的产水量各等级面积。为便于对比，根据自然间断点分级法，将高程划分为5个区间1 012～1 542、1 542～2 283、2 283～3 049、3 049～3 867、3 867～6 103 m。由图7b可知，低高程区域中以低产水量和较低产水量为主，面积总占比96%。并且随着高程的逐渐增加，面积逐渐减小；中产水量主要出现在高程为2 283～3 049 m的区域内。较高产水量出现在高程为2 283～3 867 m的区域内，并随着高程的逐渐增加，面积逐渐增大。高产水量主要出现在高程为3 049～6 103 m的区域内。

4 结论

阿克苏河流域具有强蒸发、弱降水、低覆被和高耗水的干旱区特征，阿克苏河流域水产量的评估对研究区的可持续发展、生态建设以及水资源合理规划具有重要意义。该研究利用InVEST模型中的Water Yield模块对阿克苏河流域的产水量进行了评估并且分析了影响因素与产水量的关系，结果如下：

(1)阿克苏河流域2010年平均产水量为95.67 mm，2015年平均产水量为71.57 mm。与2010年相比，2015年的产水量空间格局整体变化不大，部分区域存在小幅度的变化。阿克苏河流域产水量具有显著的空间异质性，呈现西高东低、北高南低的特征，与降水量、高程空间分布特征一致。空间分布上降水量越大，产水量越大；高程越大，产水量越大；时间变化上，降水量增加，产水量增加。

(2)阿克苏河流域深居内陆水汽难以到达，蒸发量远大于降水量，导致较小的产水量。气候变化和土地利用是导致阿克苏河流域产水量变化的2个主要因素。2010—2015年，气候变化(降水量减少，潜在蒸散量增加)对阿克苏河流域产水量变化呈负面作用。降水量的减少降低了产水量的源头水量；潜在蒸散表征区域生态系统的水分消耗能力，潜在蒸散越大，可能消耗的水分越多。

(3)土地利用的变化对阿克苏河流域产水量变化呈正面作用。不同的土地利用类型下的产水量不同，2010年高覆盖度草地、有林地、中覆盖度草地、低覆盖度草地和旱地平均产水量较高。植被有较好的截留作用，因此要提高该地区的植物覆盖率，促进产水量的增加。产水量的变化与土地利用类型转移方向有关。转移方向向旱地、中覆盖度草地和高覆盖度草地转移的区域产水量增大。这可能与旱地、中覆盖度草地和高覆盖度草地具有显著的降温增湿的功能有关。不同的土壤质地下的产水量不同，平均产水量较多的是雏形土，较少的是石膏土、砂性土。