基于InVEST模型的未来土地利用变化对水源涵养功能的影响

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　　摘要以杨溪河流域为例，利用未来土地利用变化情景模拟（GeoSOS-FLUS）模型对未来土地利用情况进行模拟，并通过InVEST模型对水源涵养功能进行分析。结果表明：整体上杨溪河流域内未来各类土地利用类型更趋于集中，耕地面积大量减少并趋于消失，林地面积大量增加并普遍大于其他土地类型;杨溪河流域在现状和未来各情景下均表现为上游和下游的产水量较高;人类活动会对杨溪河流域产水量产生影响，注重全球化的变化和环境保护可保持流域良好的水源涵养功能。水源涵养功能在流域的开发利用中有重要作用，需要保护林地并协调经济、环境和资源等各方面之间的关系，以维持杨溪河流域等我国南方中小流域较强的水源涵养功能。
　　关键词InVEST模型;未来土地利用变化;水源涵养;杨溪河流域
　　中图分类号X171.1文献标识码A文章编号0517-6611（2020）15-0067-04
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.020
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Effect of Future Land Use Change on Water Conservation Function Based on InVEST Model—Taking Yangxi River Basin as an Example
　　LIU Shufeng1，2，3， CHEN Jichen1，2，3， GUAN Shuai1，2，3et al
　　（1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower， Guangzhou， Guangdong 510635;2.State and Local Joint Engineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology， Guangzhou， Guangdong 510635;3.Guangdong Key Laboratory of Hydrodynamic Research， Guangzhou， Guangdong 510635）
　　AbstractTaking Yangxi River Basin as an example， this paper used GeoSOSFLUS model for simulating land use change in the future， and used InVEST model to analyse the water conservation function. The results showed that： As a whole， the land use types in Yangxi River Basin would be more concentrated in the future， and the area of farmland would be greatly reduced and tend to disappear. The area of forest land would increase greatly and would be generally larger than other types of land. Yangxi River Basin had higher water yield in the upstream and downstream areas in current and all future scenarios. Human activities would affect the water yield of Yangxi River Basin. Paying attention to the change of globalization and environmental protection could maintain a good water conservation function of the basin. Water conservation function would play an important role in the development and utilization of the basin. It is necessary to protect forest land and coordinate the relationship among economy， environment and resources to maintain the strong water conservation function of Yangxi River Basin and other small and mediumsized river basins in the south of China.
　　Key wordsInVEST model;Future land use change;Water conservation;Yangxi River Basin
　　基金項目广东省水利科技创新项目（2017-12）。
　　作者简介刘树锋（1978—），男，广东韶关人，高级工程师，博士，从事水文水资源研究。
　　收稿日期2019-12-26
　　在全球水资源需求不断增加的情况下，对不同土地利用条件下的产水量评估和水源涵养功能评价研究具有巨大意义。目前常用的产水量评估模型有MIKE模型[1]和TOPMODEL模型[2]等，但这些模型所需数据量较大，难以适用于中小流域。InVEST（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）模型[3]被引入我国后，因其具有很强的空间分析能力，在产水量评估和水源涵养功能研究等方面取得了良好的模拟效果。已有不少学者在我国黄土高原[4]、横断山区[5]和汉江上流[6]等地区运用InVEST模型对当地产水量或水源涵养的空间格局等进行了分析与评价。该研究利用InVEST模型的水源涵养模块（Water Yield），对韶关市乳源瑶族自治县杨溪河流域现状和未来不同土地利用情景进行水源涵养功能分析，以期为我国南方地区中小流域的开发利用提供参考依据。 　　1区域概况
　　杨溪河属于珠江流域北江水系武江的一级支流，总集雨面积498 km2，河长61.29 km，坡降1.19%，总落差1 637 m。该流域发源于广东省韶关市乳源瑶族自治县的老鹏顶山（海拔高程1 737 m，位于南岭国家级自然保护区），自西向东流经大桥镇、必背镇和桂头镇，在杨溪口汇入武江。杨溪河流域属于中亚热带季风气候，雨量丰富，流域多年平均降水量1 700 mm，上游降水量比中下游大;流域多年平均蒸发量1 089 mm。
　　2研究方法
　　2.1InVEST模型算法
　　InVEST模型Water Yield模块的基础是Budyko水热耦合平衡，并考虑年均降水量和实际蒸散发，运用水量平衡法结合气候、地形、根系深度和土壤深度等计算得出各栅格的水源涵养量[7-8]。模型的计算原理如公式（1）～（4）：
　　式中，Y xj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;P x为栅格x的年降雨量;ω x为自然气候-土壤性质的非物理参数;R xj为Budyko干燥指数，即潜在蒸散与降水量的比值;Z为季节系数，是与降雨季节分布有关的浮点型数据（1～30）;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;K xj为第j种土地利用类型栅格x的植被蒸散发系数;ET 0为年平均参考作物蒸散发量。
　　2.2数据来源
　　该研究对各参数和数据作了区域处理以增强模型适用性。地形数据来源于地理空间数据云（http：∥www.gscloud.cn），空间分辨率为30 m×30 m;年平均降水量（P x）和年实际蒸散量（AET xj）等气候数据根据《广东省水文图集》获得多年平均值，并进行克里金插值而得;土壤数据来源于世界土壤数据库（harmonized world soil database，HWSD）和南京土壤所1∶100万的土壤资料;2010年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：∥www.resdc.cn），空间分辨率为30 m×30 m;年平均植物可利用含水量（AWC x）等模型参数参考周文佐[9]的研究结果，使用SPAW Hydrology模型中的Open Soil Water Characteristics进行计算获得。
　　2.3未来土地利用变化情景模拟模型
　　未来土地利用数据采用未来土地利用变化情景模拟模型（GeoSOS-FLUS）进行模拟而得，该模型是中山大学LI等[10]在2017年开发的多类土地利用变化情景模拟软件。GeoSOS-FLUS模型的原理源自元胞自动机（CA），并在传统元胞自动机的基础上作了较大改进。首先，GeoSOS-FLUS模型采用神经网络算法（ANN）从一期土地利用数据与包含人类活动与自然效应的多种驱动力因子中获取各种用地类型在研究范围内的适宜性概率。其次，GeoSOS-FLUS模型采用从一期土地利用分布数据中采样的方式，能较好地避免误差传递的发生。另外，在土地变化模拟过程中，GeoSOS-FLUS模型提出一种基于轮盘赌选择的自适应惯性竞争机制，该机制能有效处理多种土地利用类型在自然作用与人类活动共同影响下发生相互转化时的不确定性与复杂性，使得该模型具有较高的模拟精度并能获得与现实土地利用分布相似的结果[11]。
　　3结果与分析
　　3.1未来土地利用变化模拟
　　LI等[10-11]选用2010年土地利用数据对未来土地利用变化进行模拟，均发现GeoSOS-FLUS模型的模拟结果具有较高的准确性。由于未来条件的不确定性，该研究选择基于联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）所发布的4个SRES情景来进行未来土地利用变化的预测。在不同的人口与经济增长及资源使用等情况下对未来土地利用变化进行模拟，分为A 1、A 2、B 1和B 2 4种不同情景，每一个情景代表不同水平的人口增长、经济发展和其他社会经济、环境变量，其中A强调经济，B注重环境发展;1更注重全球化的变化，2则更注重局部发展。
　　根据我国土地资源分类系统，土地利用类型共分为两级，该研究参照一级分类标准，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域和居民用地5类。该研究利用区域2010年的土地利用类型，考虑不同的影响因素，模拟得出不同情景下2050年和2100年的土地利用变化（图1）。杨溪河流域现状（2010年）与未来（2050和2100年）不同情景下的土地利用类型统计情况见表1。模拟结果显示，整体上流域内各类土地利用类型更趋于集中，耕地面积大量减少并趋于消失，林地面积大量增加并远大于其他土地利用类型。其中，从2050年到2100年，A 1和B 1情景下草地面积均大幅减少，林地面积均大幅增加，到2100年该2种情景下林地面积占比均在96%以上，因此全球化的变化将使该流域内的草地面积大幅减少、林地面积大幅增加。但B 1更追求绿色发展，其林地面积最大，为482.81 km2，占流域总面积的96.95%。到2100年，A 2情景下的水域面積增加最多，说明在注重经济和局部发展的情景下，该流域内小水电等水利工程的建设将增多并导致其水域面积增加。B 2情景表示在注重环境发展的同时，亦保持人口增长处于中间水平[11]，因此该情景最显著的一个特点是从2050到2100年其居民用地显著增多。
　　3.2产水量和水源涵养量分析
　　基于InVEST模型对杨溪河流域的水源涵养功能进行评价，并利用ArcGIS平台对杨溪河流域水源涵养的空间分布和产水量情况进行处理。该研究根据现状条件中杨溪河干流上横溪、钓鱼台和银溪3宗水电站的坝址位置，将杨溪河流域划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个区域，这4个区域的面积分别为281.78、183.49、14.00和18.74 km2。图2为根据杨溪河流域在2010年以及模拟得到的2050和2100年不同情景的土地利用下的产水量。杨溪河流域不同情景下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个区域的产水量和水源涵养量情况见表2。根据图2和表2可知，杨溪河流域2010年的产水量平均值为707.24 mm，水源涵养量为35 220.55万m3;该流域2050年A 1、A 2、B 1和B 2情景下的产水量平均值分别为741.43、692.17、747.95和708.42 mm，水源涵养量分别为36 923.00万、34 470.02万、37 247.96万和35 279.56万m3;该流域2100年A 1、A 2、B 1和B 2情景下的产水量平均值分别为734.25、628.35、738.63和629.08 mm，水源涵养量分别为36 565.68万、31 292.05万、36 783.62万和31 328.31万m3。从各区的产水量来看，2010年、2050年B 1以及2100年A 2和B 2情景下各区的产水量大小情况为：Ⅳ区>Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区;2050年A 1、A 2和B 2以及2100年A 1和B 1情景下各区的产水量大小情况为：Ⅰ区>Ⅳ区>Ⅱ区>Ⅲ区。因此，在现状和未来4种情景下，该流域均表现为上游和下游的产水量较高。 　　4讨论
　　土地利用类型的变化通过改变下垫面状况进而影响杨溪河流域的水源供给。下垫面是水文循环的重要场所，下垫面状况的改变会影响陆面的下渗量、实际蒸散发量以及土壤理化性质等。
　　杨溪河流域内土地利用变化主要是人为因素造成的，人类的社会经济活动和对大自然的改造会改变流域的土地利用类型，进而对其产水量和水源涵养量造成影响。该研究发现，杨溪河流域2010年的产水量和水源涵养量与2050年B 2情景较接近，高于2050年A 2情景，低于2050年A 1和B 1情景。同时，该流域各情景下2050年的产水量和水源涵养量均比各情景下2100年的大，说明人类活动会对流域产水量产生影响。该流域2050年和2100年各情景下的产水量和水源涵养量均表现为：B 1>A 1>B 2>A 2。因此注重全球化的变化，杨溪河流域能够更好地保持其水源涵养功能;同时，注重环境保护，亦可保持流域良好的水源涵养功能。龚文明等[12-13]研究表明，林地覆盖地区的水源涵养基础条件优越，能够对降雨进行有效蓄渗，其水源涵养功能较好;而居民用地因为使下垫面硬质化，导致降雨消耗率偏高，其水源涵养功能较弱。
　　因此，未来人类活动将对杨溪河流域的土地利用情况造成改变，为了维持杨溪河流域较强的水源涵养功能，一方面，流域相关部门需加强对林地的保护，严禁乱砍滥伐森林和乱占滥用林地等行为，另一方面则需要科学调控居民用地的扩张速度和规模，协调好经济、环境和资源等各方面的关系。
　　5结语
　　该研究先利用GeoSOS-FLUS模型对杨溪河流域未来的土地利用变化进行模拟，再利用InVEST模型的Water Yield模块对杨溪河流域2010年、不同情景下2050年和2100年的土地利用情况进行水源涵养功能评价。主要结论如下：
　　（1）GeoSOS-FLUS模型模拟结果显示，整体上杨溪河流域内未来各类土地利用类型更趋于集中，耕地面积大量减少并趋于消失，林地面积大量增加并普遍大于其他类型土地。
　　（2）杨溪河流域2010年各区的产水量情况为：Ⅳ区>Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区;2050年和2100年各区的产水量情况均为：Ⅰ区、Ⅳ区>Ⅱ区>Ⅲ区。在现状和未来4种情景下，该流域均表现为上游和下游的产水量较高。
　　（3）杨溪河流域各情景下2050年的产水量和水源涵养量均比各情景下2100年的大，说明人类活动会对流域产水量产生影响。2050年和2100年各情景下的产水量和水源涵养量情况均为：B 1>A 1>B 2>A 2。注重全球化的变化和环境保护，可保持流域良好的水源涵养功能。
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