陳登帥,李 晶,張渝萌,張 城,周自翔

1 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 2 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023 3 西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 西安 710054

水供給服務(wù)對(duì)流域的水循環(huán)和水量平衡,以及人類的生存和發(fā)展起到至關(guān)重要的作用[1]。水供給服務(wù)研究已經(jīng)成為是地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等多個(gè)學(xué)科研究的重要課題。但由于生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性特征,往往會(huì)導(dǎo)致水供給服務(wù)的供給與需求在空間上的會(huì)發(fā)生錯(cuò)位,出現(xiàn)不匹配的問(wèn)題[2-3]。而水供給服務(wù)流作為連接提供各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與產(chǎn)品的自然生態(tài)系統(tǒng)與具有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消費(fèi)需求的人類社會(huì)的重要紐帶,對(duì)于水供給服務(wù)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移和消費(fèi)均具有重要的意義[4]。因此,對(duì)水供給服務(wù)的供需平衡與空間流動(dòng)進(jìn)行空間制圖與定量化研究,明確水供給服務(wù)所產(chǎn)生的效益在什么時(shí)間和地點(diǎn)被享用[5],將成為輔助決策者進(jìn)行水資源管理的重要依據(jù)。

水供給服務(wù)流研究的實(shí)質(zhì)就是對(duì)水供給服務(wù)的供給與需求進(jìn)行定量化評(píng)估,建立服務(wù)供給與需求之間的時(shí)空關(guān)系[6](即供需平衡狀況),明確服務(wù)流或水流的流動(dòng)路徑與流量大小。其中,對(duì)水資源的供給量與需求量進(jìn)行定量評(píng)估及其空間特征研究是開展水供給服務(wù)空間流動(dòng)研究的重要基礎(chǔ)性工作[7]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地表徑流[8-9]、蒸散發(fā)[10]、洪水調(diào)節(jié)[11-12]等方面開展了大量的水資源評(píng)估工作,取得了豐富的研究成果。然而,有關(guān)水供給服務(wù)需求的模擬研究卻相對(duì)不足,且大多數(shù)是基于土地利用數(shù)據(jù)[13-14]、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)[15]等,通過(guò)專家知識(shí)打分[16]、調(diào)查問(wèn)卷[17-18]等方法量化與分析水供給服務(wù)需求的時(shí)空分布特征。徐潔等通過(guò)計(jì)算東江湖流域各個(gè)區(qū)縣的農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、牲畜用水和城鄉(xiāng)居民生活用水等4類水資源消耗量,分析了流域1995—2010年的水供給服務(wù)需求量的時(shí)空變化[19]。Boithias等基于人口密度分布圖和土地利用類型分布圖來(lái)計(jì)算和分配水資源使用情況的空間位置,分析了地中海盆地水資源需求的空間分布特征[20]。此外,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)的模型研究進(jìn)展緩慢,大多處于概念模型階段[21- 22]。美國(guó)佛蒙特大學(xué)在開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人工智能(Artificial Intelligence for Ecosystem Services，ARIES)項(xiàng)目研究時(shí),提出了“服務(wù)路徑屬性網(wǎng)絡(luò)”(The Service Path Attribution Networks,SPANs)模型[23],進(jìn)行生態(tài)服務(wù)在空間上動(dòng)態(tài)流動(dòng)的模擬過(guò)程。但多集中于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū)和使用區(qū)的空間制圖分析,利用空間制圖方法直觀地顯示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)路徑和流量的研究還未有突破性進(jìn)展。Serna-Chavez等試圖構(gòu)建一個(gè)通用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流框架,并運(yùn)用該框架評(píng)估了全球尺度下水資源供給服務(wù)供給區(qū)和受益區(qū)的時(shí)空分布差異[21]。Li等利用InVEST模型評(píng)估中國(guó)華北地區(qū)2000—2010年的淡水資源的供需平衡狀況及水供給服務(wù)在行政區(qū)單元上的空間流動(dòng)特征[24]。在這些鮮有的研究中,由于缺乏對(duì)水供給服務(wù)空間流動(dòng)過(guò)程的可視化表達(dá)以及對(duì)供給區(qū)與受益區(qū)的明確界定,導(dǎo)致不能發(fā)揮水供給服務(wù)流在水資源配置過(guò)程中的重要作用。因此,對(duì)水供給服務(wù)的供需平衡與空間流動(dòng)進(jìn)行定量化制圖研究亟需進(jìn)一步加強(qiáng)。

延河流域生態(tài)環(huán)境脆弱,水資源短缺問(wèn)題非常嚴(yán)峻,供需矛盾突出,尤其在城市地區(qū)水資源缺口日益增大。隨著“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的實(shí)施,使流域面臨著如何實(shí)現(xiàn)脆弱生態(tài)環(huán)境下的水資源均衡配置、實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)合理高效發(fā)展的重大課題。鑒于此,本文利用SWAT水文模型以空間可視化的方式模擬了延河流域水供給服務(wù)從生產(chǎn)到使用的空間流動(dòng)過(guò)程,從子流域尺度上綜合自然水文過(guò)程和人類消費(fèi)需求,揭示流域水供給服務(wù)的空間流轉(zhuǎn)規(guī)律,以期為實(shí)現(xiàn)流域水資源的合理利用提供決策支持。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 區(qū)域概況

延河流域地處陜西省北部,經(jīng)度范圍為104°41′E—110°29′E,緯度范圍為36°27′N—37°58′N。延河是黃河中游的一級(jí)支流,全長(zhǎng)共計(jì)286.9 km。坪橋川、杏子河、西川、蟠龍川等是構(gòu)成延河流域的主要支流水系。延河被稱為“中國(guó)革命母親河”,流域總面積約7.68×103km2,是滋養(yǎng)黃土高坡上萬(wàn)萬(wàn)人的最主要水源。延河發(fā)源于靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)周山,順著地勢(shì)由西北向東南,流經(jīng)安塞區(qū)和志丹縣后,向南進(jìn)入寶塔區(qū),貫穿延安市城區(qū)后向東流入延長(zhǎng)縣,在延長(zhǎng)縣涼水岸附近注入黃河,詳見圖1。延河綜合治理工程,是陜西省近幾年正實(shí)施的進(jìn)行水土保持、水資源配置、水環(huán)境治理、水生態(tài)建設(shè)等項(xiàng)目建設(shè)的重要舉措。

圖1 延河流域區(qū)劃圖Fig.1 Location map of Yanhe watershed

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中使用的數(shù)據(jù)主要包括：延河流域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(水系、行政區(qū)劃等)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)、氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。其中土地利用數(shù)據(jù)(2005年、2010年、2015年)和DEM的分辨率均為30 m,來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心；1970—2015年逐日觀測(cè)氣象要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于延安市氣象局和氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),包括降水、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等；土壤數(shù)據(jù)為世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database，HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集,第二次全國(guó)土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)來(lái)源于延安市黃河水利委員會(huì),甘谷驛水文站1991—2006年的實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)。此外,參考延安市地理志等地理文本文獻(xiàn)和陜西省、延安市統(tǒng)計(jì)年鑒等,獲得社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：主要包括人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)總值以及各部門用水量等。

2 研究方法

2.1 水供給服務(wù)供給模型

對(duì)延河流域的產(chǎn)水量進(jìn)行計(jì)算是進(jìn)行水供給服務(wù)水供給研究的基礎(chǔ)。本文利用SWAT模型基于填洼的DEM數(shù)據(jù),計(jì)算水流的方向與匯流累積量,并以10000 hm2作為流域最小集水面積閾值提取流域的水系河網(wǎng),將整個(gè)流域劃分為47個(gè)子流域。然后,根據(jù)水量平衡法計(jì)算流域內(nèi)每個(gè)子流域的產(chǎn)水量,即在給定時(shí)段內(nèi)從單位流域面積上所產(chǎn)生的注入河道的總水量。本文選擇2005年、2010年和2015年共3期土地利用數(shù)據(jù)對(duì)延河流域水供給服務(wù)進(jìn)行時(shí)空變化分析,通過(guò)在SWAT中輸入不同時(shí)段的土地利用數(shù)據(jù)以模擬在不同時(shí)期不同土地利用變化下的產(chǎn)水量。

2.1.1SWAT模型算法

SWAT模型美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(Agricultural Research Service of United States Department of Agriculture，ARSUSDA)Jeff Arnold 博士開發(fā)的流域尺度模型,該模型具有很強(qiáng)的水文物理機(jī)制,在全球范圍內(nèi)被廣泛用于預(yù)測(cè)與評(píng)估在不同的土壤條件、土地利用類型和管理措施下人類活動(dòng)對(duì)流域水文過(guò)程、河道產(chǎn)輸沙變化、農(nóng)藥化學(xué)污染在流域內(nèi)的傳播、遷移等的長(zhǎng)期影響[25-26]。模型中主要由水文模塊、泥沙侵蝕模塊、農(nóng)作物生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、殺蟲劑等8個(gè)模塊組成,可模擬流域的水文過(guò)程、泥沙侵蝕、農(nóng)業(yè)管理和化學(xué)過(guò)程等[27-28]。本文利用SWAT模型的水文模塊,基于水量平衡對(duì)流域的產(chǎn)水量進(jìn)行模擬,產(chǎn)水量的計(jì)算供給如下[29]：

WYLD=SURQ+LATQ+GWQ-TLOSS-PA

(1)

式中,WYLD為總產(chǎn)水量,是指主河道的總水量(mm)；SURQ為主河道中的地表徑流量(mm)；LATQ為河道中的側(cè)向流量(mm)；GWQ為主河道中的地下徑流量(mm)；TLOSS為河床傳輸損失量(mm)：PA為池塘截留量(mm)。

2.1.2模型的率定與驗(yàn)證

本文采用SWAT-CUP工具中的SUFI- 2算法[30]執(zhí)行延河流域SWAT模型的校準(zhǔn)、驗(yàn)證、敏感性分析和不確定性分析。并參考前人在延河流域的相關(guān)研究結(jié)果[31-32],最終選擇徑流曲線系數(shù)(CN2),土壤蒸發(fā)補(bǔ)償因子(ESCO),土壤濕容重(SOL_BD),河道水力傳導(dǎo)率(CH-K2)等12個(gè)對(duì)流域徑流較為敏感的參數(shù)。關(guān)于模型參數(shù)的敏感性分析結(jié)果、調(diào)參方法和最佳取值等詳見表1。

表1 徑流參數(shù)的敏感性分析

調(diào)參方式V和R分別表示賦值和乘以(1+設(shè)定值)；CN2：徑流曲線系數(shù)(soil conservation service runoff curve number)；ESCO：土壤蒸發(fā)補(bǔ)償因子(Soil evaporation compensation factor)；SOL_BD：土壤濕容重(Moist bulk density)；CH_K2：河道水力傳導(dǎo)率(Effective hydraulic conductivity in main channel alluvium)；SFTMP：降雪溫度(Snowfall temperature)；CH_N2：主河道曼寧系數(shù)(Manning′s roughness coefficient for main channel flow)；GW_REVAP：地下水再蒸發(fā)系數(shù)(Groundwater “revap” coefficient)；ALPHA_BF：基流回歸系數(shù)(Base flow alpha constant)；SOL_K：土壤飽和導(dǎo)水率(Saturated hydraulic conductivity)；EPCO：植物蒸發(fā)補(bǔ)償因子(Plant uptake compensation factor)；SOL_AWC：土壤有效含水量(Available soil water capacity)；GW_DELAY：地下水延遲天數(shù)(Groundwater delay time)

在SWAT-CUP工具中,我們分別選擇甘谷驛水文站1991—1998年和1999—2006年的月徑流實(shí)測(cè)值以月為時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行率定與驗(yàn)證(圖2)。圖中模擬的徑流曲線與觀測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致,吻合程度較高；通過(guò)計(jì)算模型適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)得出：率定期模擬值與觀測(cè)值之間的R2和Ens分別為0.76和0.75；模型的不確定性程度指標(biāo)P-factor=0.6和R-factor=1.03。驗(yàn)證期模擬值與觀測(cè)值之間的R2和Ens分別達(dá)到了0.68和0.64；模型的不確定性程度指標(biāo)P-factor和R-factor分別為0.68和0.64。這表明本研究所構(gòu)建的SWAT模型在延河流域具有良好的適用性,可以準(zhǔn)確模擬流域的水文過(guò)程。

圖2 率定期(1991—1998)和驗(yàn)證期(1999—2006)逐月徑流量模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖Fig.2 Simulated and observed monthly runoff yield in calibrate period (1991—1998) and validation period (1999—2006)

2.2 水需求服務(wù)模型

與自然過(guò)程不同的是,流域的水需求服務(wù)強(qiáng)調(diào)是人類從事于生活、生產(chǎn)等活動(dòng)對(duì)水資源的需求與消耗,并探究需求服務(wù)的空間分布特征,不包括由于植被吸收利用、河流截留、下滲等自然過(guò)程因素所導(dǎo)致的地表水分的損失。根據(jù)ARIES模型中對(duì)水資源消耗的定義與分類[33],本研究中水需求服務(wù)模型主要包括4大類：農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活用水(又分為農(nóng)村居民與城鎮(zhèn)居民)、畜牧用水。我們根據(jù)延安市水資源公報(bào)獲取流域內(nèi)每個(gè)區(qū)縣的各個(gè)部門的用水量數(shù)據(jù),基于土地利用類型對(duì)流域的水需求進(jìn)行空間分配[23]。延河流域用水量的計(jì)算公式如下：

WUx=Wagrx+Windx+Wdomx+WLivx

=Ax×Agrx+Gx×Indx+Px×Domx+Mx×Livx

(2)

式中,Wagrx,Windx,Wdomx,WLivx分別指代x區(qū)縣上的農(nóng)業(yè)灌溉用水,工業(yè)用水,居民生活(城、鄉(xiāng))用水和牲畜用水；Ax是x區(qū)縣上的耕地面積(hm2),Agrx是指x區(qū)縣的每公頃耕地的年平均灌溉用水量(m3/hm2)；Gx是x區(qū)縣上的工業(yè)GDP生產(chǎn)總值(億元),Indx是指x區(qū)縣的生產(chǎn)每萬(wàn)元GDP所消耗的年平均用水量(m3/萬(wàn)元)；Px是x區(qū)縣上的人口總數(shù)(分城、鄉(xiāng)人口),Domx是指x區(qū)縣的城鄉(xiāng)居民的年平均生活用水量(m3/人)；Mx是x區(qū)縣上的牲畜總數(shù),Livx是指x區(qū)縣牲畜的年平均飲用水量(m3/頭)。

為了匹配前文水供給量的研究尺度,我們利用ArcGIS 10.1軟件根據(jù)SWAT模型劃分的子流域矢量圖層對(duì)區(qū)縣尺度的流域用水量進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析,得到子流域尺度的水需求量。

2.3 供需平衡與空間流動(dòng)模型

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡格局進(jìn)行分析時(shí),一個(gè)地區(qū)的水資源供給量與需求量的比值(即供需比S∶D)是用來(lái)評(píng)估區(qū)域用水供需平衡狀況的重要指標(biāo)[20, 34]。在本研究中,由于水資源服務(wù)流在不同河段的巨大差異性,我們采用水資源安全指數(shù)(Freshwater Security Index,FSI),即對(duì)供需比(S:D)求常用對(duì)數(shù),以增加供需矛盾差異在空間可視性與比較性[24]。

(3)

式中,i為子流域號(hào),本研究中一共劃分了47個(gè)子流域；Si為i子流域的水資源供給量；Di為i子流域的水資源需求量。當(dāng)FSI值大于0,表示流域的水資源供給服務(wù)盈余,供給量大于需求量；當(dāng)FSI值小0,表示流域的水資源供給服務(wù)短缺,供給量小于需求量。

圖3 水供給服務(wù)流的空間單元示意圖Fig.3 The space units of water in water supply service flow

水供給服務(wù)是通過(guò)河道水流作為傳遞媒介,地勢(shì)高低造成的重力差異而引起的“水往低處流”是形成的空間流動(dòng)的直接動(dòng)力；同時(shí),人類需求也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)特定空間流動(dòng)的動(dòng)力條件,并會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間流動(dòng)特征產(chǎn)生顯著作用。本研究根據(jù)水文學(xué)的河流的水文連通性,將水供給服務(wù)流定義為徑流及其作為載體攜帶的物質(zhì)或能量從供給區(qū)經(jīng)水系網(wǎng)絡(luò)到流域出口注入受益區(qū)的空間位移,是一種有向性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流(圖3)。我們利用SWAT模型將延河流域劃分為47個(gè)子流域,以子流域?yàn)檫B通尺度,以延河水系網(wǎng)絡(luò)為連通對(duì)象,進(jìn)而探究延河流域的水供給服務(wù)的空間流動(dòng)特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 水供給服務(wù)供給與需求的時(shí)空變化分析

2005—2015年流域的供水量呈現(xiàn)出先增多后減少的趨勢(shì)。2010年流域的水供給總量最多,約為2.76×108m3,所有子流域的供水量平均值約為59×105m3；其中,平均供水量大于100×105m3的子流域的總面積達(dá)到整個(gè)延河流域的1/3。2005年次之,整個(gè)流域的供水量總值約為2.25×108m3,所有子流域的平均供水量約為48×105m3；2015年的流域的總供水量最小,約為1.98×108m3,所有子流域的平均供水量約為42×105m3。氣候變化是影響流域供水量的重要因素,同期降水量也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。2010年各子流域的平均降水量為463 mm。2005和2015的年平均降水量分別只有446 mm和415 mm。從空間上分析,延河中上游的7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、17號(hào)子流域和下游的43號(hào)子流域供水量較高,處于它們之間的中下游地區(qū)的眾多子流域是供水低值區(qū)。2010年相較于其他兩個(gè)年份,各子流域供水量的分級(jí)明顯偏高。每個(gè)子流域內(nèi)的降水量、土地利用類型分布、土壤屬性等均不相同,劃分的子流域的集水面積也不一樣,都會(huì)導(dǎo)致個(gè)子流域進(jìn)入主河道的總水量也不相同,比如47號(hào)子流域的供水量較高除了降水、土地利用類型等因素外,與它擁有的最大積水面積也具有重要關(guān)系。除了積水面積較小外,子流域的產(chǎn)水量與其下墊面的結(jié)構(gòu)組成、理化性質(zhì)也具有顯著的關(guān)系。比如,14號(hào)子流域的水供給量明顯少于積水面積、降水量大致相同的17號(hào)子流域和29號(hào)子流域。14號(hào)子流域大部分是灌木從、草地,約占子流域面積的50%,城鎮(zhèn)建設(shè)用地非常少,僅有0.1%左右。而29號(hào)子流域內(nèi)的灌木草從面積略微小于14號(hào)子流域,但城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積的0.6%遠(yuǎn)高于14號(hào)子流域。這充分證明了灌木、草地等植被覆蓋類型的產(chǎn)流能力要弱于城鎮(zhèn)建設(shè)用地[8]。雖然城鎮(zhèn)建設(shè)用地的產(chǎn)水量較高,但因其大量的不透水面阻止了水流的下滲,大部分的降水落到地面后就流入地下排水管道,水資源難以被利用。

延河流域2005—2015年的用水量呈現(xiàn)出逐年增多的趨勢(shì)。到2015年,所有子流域的平均用水量值超過(guò)了300×104m3。這意味著流域的用水缺口會(huì)進(jìn)一步在擴(kuò)大,流域的水資源承載能力將難以滿足現(xiàn)實(shí)的用水需求,成為嚴(yán)重制約流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。從空間格局上分析,延河中游地區(qū)城鎮(zhèn)和工業(yè)分布密集,水需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上游和下游地區(qū)。其中安塞縣城區(qū)所在的18號(hào)子流域,延安市區(qū)及其周邊地區(qū)所在的33號(hào)、34號(hào)、39號(hào)子流域,和延長(zhǎng)縣城區(qū)所在41號(hào)子流域均屬于高用水區(qū)域。而用水量較低的子流域主要分布在延河上游地區(qū)的3號(hào)、4號(hào)、10號(hào)、13號(hào)子流域,中游地區(qū)的22號(hào)、23號(hào)子流域,主要是因?yàn)檫@些區(qū)域主要土地利用類型是稀疏林地、草地,人口分布稀少,用于從事人類生產(chǎn)活動(dòng)(人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等)的用水量較少。

圖4 2005—2015年延河流域水供給服務(wù)供給、需求、供需平衡與空間流動(dòng)的空間分布圖Fig.4 The supply, demand, supply-demand balance and spatial flow of the water provision service in Yanhe watershed from 2005 to 2015圖中所示數(shù)字1—47代表延河流域每個(gè)子流域的編號(hào)

3.2 水供給服務(wù)供需平衡的時(shí)空變化分析

為了更加清晰地表達(dá)出延河流域用水供需矛盾現(xiàn)狀與空間變化特征,我們把水資源安全指數(shù)劃分為4類,分別是<-1、-1—0、0—1、>1。如圖4所示,2005—2015年的大部分子流域的FSI取值范圍在0—1,并隨著時(shí)間的推進(jìn)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),2005年延河流域的用水安全指數(shù)約為0.269；2010年水資源安全指數(shù)略有上升,約為0.304；而到了2015年,延河流域的水資源安全指數(shù)得分只有0.095。這表明延河流域水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重,人們的生活、生產(chǎn)用水安全受到嚴(yán)重威脅。從供需平衡的空間格局分析,延安市城區(qū)所在的33號(hào)、34號(hào)、39號(hào)子流域是用水資源最短缺地區(qū),水資源安全指數(shù)得分均低于-1。此外,除了這3個(gè)用水安全指數(shù)低于-1的子流域,安塞縣城區(qū)和延長(zhǎng)縣城區(qū)所在的子流域也均屬于用水安全指數(shù)低于0的缺水地區(qū)。2005年水資源安全指數(shù)相對(duì)較高的地區(qū)主要分布在延河流域下游的37號(hào)、43號(hào)、44號(hào)、46號(hào)子流域,這些子流域具有較高的水資源安全指數(shù)和它們較低的水資源消耗有緊密的關(guān)系。而2010年水資源嚴(yán)重短缺、用水安全指數(shù)低于0的區(qū)域,在空間分布上與2005年基本一致,主要集中在區(qū)縣城區(qū)及其附近的子流域地區(qū),這些子流域一般都有高耗水工業(yè)和水需求量巨大的城鎮(zhèn)建設(shè)活動(dòng),并且多河漫灘和臺(tái)地,具有大量的農(nóng)田引水灌溉。但2010年用水安全指數(shù)大于0的子流域遠(yuǎn)多于2005年,主要分布于延河流域的上游地區(qū)的3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、14號(hào)、17號(hào)、29號(hào)等子流域的水資源安全指數(shù)均大于1。這是由于2010年具有相對(duì)充足的水資源供給量,與2005年相比降水量約增加了70 mm。到了2015年,由于用水量的大大增加,延河流域各子流域的水資源指數(shù)又出現(xiàn)了嚴(yán)重的銳減,處于缺水狀態(tài)、水資源安全指數(shù)低于0的子流域的數(shù)目明顯增多。安全指數(shù)大于1的子流域只剩下3號(hào)、6號(hào)和22號(hào)3個(gè)子流域,流域用水短缺問(wèn)題非常嚴(yán)重。

3.3 水供給服務(wù)空間流動(dòng)模擬與范圍界定

根據(jù)水供給服務(wù)供需平衡特征,對(duì)其在不同子流域間的空間流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行制圖表達(dá)(圖4)。我們將自身水供給量不能滿足現(xiàn)實(shí)用水需求,需要接受上游子流域生產(chǎn)的水供給服務(wù)進(jìn)行補(bǔ)給的子流域成為受益區(qū)；將能夠受益區(qū)提供水供給服務(wù)的子流域稱為供給區(qū)。水供給服務(wù)通過(guò)服務(wù)流從供給區(qū)流向受益區(qū),服務(wù)流的箭頭指示水供給服務(wù)在不同子流域之間的流動(dòng)方向,而符號(hào)的等級(jí)與顏色象征水供給服務(wù)的流量大小。2005—2015年延河流域內(nèi)需要接受水供給服務(wù)補(bǔ)給的子流域面積在逐年增多,水資源短缺問(wèn)題加劇,尤其2010—2015年。結(jié)合現(xiàn)實(shí)中的自然水系與行政區(qū)劃的空間分布,我們對(duì)延河流域水供給服務(wù)的空間流動(dòng)格局劃分為4個(gè)主要的供需流動(dòng)關(guān)系,分別為安塞城區(qū)及其周邊地區(qū)(18號(hào)子流域)與上游供給區(qū)的空間流動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系、延安市區(qū)及周邊地區(qū)(33、34、39和42號(hào)子流域)與上游供給區(qū)的空間流動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系、蟠龍鎮(zhèn)或青化砭鎮(zhèn)(16、24號(hào)子流域)與上游供給區(qū)的空間流動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系、延長(zhǎng)縣城區(qū)及周邊地區(qū)(41號(hào)子流域)與上游供給區(qū)的空間流動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖5)。

圖5 2005—2015年延河流域主要受益區(qū)及其對(duì)應(yīng)供給區(qū)的服務(wù)流量Fig.5 The main benefiting areas and service flow produced from the corresponding provisioning areas from 2005 to 2015

安塞城區(qū)及其周邊地區(qū),其所對(duì)應(yīng)的供水區(qū)是延河上游干流經(jīng)過(guò)的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、7號(hào)和坪橋川流經(jīng)的8號(hào)子流域。這些子流域提供的水資源服務(wù)量比較多,超過(guò)了自身的需求,從而產(chǎn)生盈余,并且每個(gè)子流域產(chǎn)生的盈余量不盡相同,存在一定的空間差異性。其中7號(hào)和8號(hào)子流域的供給量在3個(gè)年份中均是最多的,2005年分別為643.25×104m3和681.15×104m3, 2010年分別為986.18×104m3和1194.09×104m3,2015年分別為823.78×104m3和826.6×104m3。延安市區(qū)及其周邊地區(qū),其所對(duì)應(yīng)的水供給服務(wù)的供給區(qū)范圍主要是延河支流杏子河流經(jīng)的5號(hào)、6號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、14號(hào)、17號(hào)等子流域,還有支流西川流經(jīng)的22號(hào)、23號(hào)、29號(hào)、35號(hào)等子流域。每個(gè)年份受益區(qū)所對(duì)應(yīng)供給區(qū)范圍及流量均有所差異。比如,40號(hào)子流域在2010年屬于供給區(qū)。在2005年,延河流域供給區(qū)內(nèi)水供給量較大的子流域分別為杏子河流域的9號(hào)子流域?yàn)?50.33×104m3、17號(hào)子流域?yàn)?06.5×104m3和14號(hào)子流域?yàn)?22.48×104m3和西川流域的29號(hào)子流域?yàn)?90.56×104m3；與2005年相比,2010年流域供給區(qū)的子流域生產(chǎn)的水供給量明顯增多,主要包括杏子河流域的9號(hào)子流域?yàn)?390.45×104m3、17號(hào)子流域?yàn)?198.72×104m3、14號(hào)子流域?yàn)?71.13×104m3、6號(hào)子流域?yàn)?77.64×104m3和西川流域的29號(hào)子流域?yàn)?194.42×104m3和35號(hào)子流域?yàn)?26.03×104m3；而到2015年,流域供給區(qū)的子流域生產(chǎn)的水供給量大幅減少,其中生產(chǎn)水供給量較多的幾個(gè)子流域分別是杏子河流域的9號(hào)子流域?yàn)?99.95×104m3、17號(hào)子流域?yàn)?19.36×104m3、14號(hào)子流域?yàn)?43.03×104m3和西川流域的29號(hào)子流域?yàn)?65.64×104m3。蟠龍鎮(zhèn)和青化砭鎮(zhèn)地區(qū),在2010年和2015年主要包括16號(hào)、24號(hào)子流域,其所對(duì)應(yīng)的水供給服務(wù)供給區(qū)域主要為蟠龍川流域的11號(hào)、12號(hào)、15號(hào)和26號(hào)子流域。而2005年的供給區(qū)與受益區(qū)范圍與空間位置略有不同,16號(hào)子流域在2005年為供給區(qū),生產(chǎn)的供給量為111.54×104m3。 延長(zhǎng)縣城區(qū)及其周邊地區(qū),其所對(duì)應(yīng)的供水區(qū)是延河下游干流經(jīng)過(guò)的36號(hào)、37號(hào)、43號(hào)子流域。2005年3個(gè)子流域生產(chǎn)的水供給量分別為507.63×104m3、420.96×104m3和830.85×104m3；2010年3個(gè)子流域生產(chǎn)的水供給量分別為243.38×104m3、311.85×104m3和816.04×104m3；2015年3個(gè)子流域生產(chǎn)的水供給量分別為73.8×104m3、318.64×104m3和701.02×104m3。除了上述的4個(gè)水供給服務(wù)的供給區(qū)與受益區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系外,2015年延河流域水供給服務(wù)的空間流動(dòng)格局中還存在一個(gè)小范圍的空間流動(dòng),即甘谷驛鎮(zhèn)和元龍寺鄉(xiāng)所處的21號(hào)子流域?yàn)樗┙o服務(wù)的受益區(qū),五陽(yáng)川流域的20號(hào)子流域?yàn)楣┙o區(qū),兩者通過(guò)河道作為流動(dòng)路徑進(jìn)行水供給服務(wù)的空間流動(dòng),并具有明確的水供給服務(wù)流量。

4 討論

本文創(chuàng)造性地在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡與服務(wù)流的研究框架下,結(jié)合SWAT水文模型對(duì)流域水供給服務(wù)的供需平衡進(jìn)行定量評(píng)估與空間制圖,并對(duì)其空間流動(dòng)過(guò)程與空間范圍進(jìn)行詳細(xì)繪制,而不是僅僅停留在概念化的定性分析。SWAT水文模型被廣泛用于處理流域尺度的與水文過(guò)程相關(guān)的泥沙侵蝕、水量水質(zhì)、殺蟲劑的轉(zhuǎn)移等一系列問(wèn)題,并得到國(guó)際上一致認(rèn)可。本文將SWAT水文模型的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展,并將其應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估與流動(dòng)模擬研究。通過(guò)在延河流域建模SWAT水文模型,基于生態(tài)水文過(guò)程對(duì)流域水供給服務(wù)的物質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估量化,做到了將水供給服務(wù)與流域的生態(tài)水文系統(tǒng)過(guò)程結(jié)合起來(lái),客觀揭示了水供給服務(wù)產(chǎn)生的機(jī)理與動(dòng)態(tài)變化,并能夠?qū)α饔虻乃┙o服務(wù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間段的可持續(xù)分析研究。但在研究區(qū)實(shí)際應(yīng)用建模過(guò)程中,為了盡可能完美地模擬流域的現(xiàn)實(shí),需要輸入大量高精度的地形地貌、氣候、土壤等自然環(huán)境數(shù)據(jù)與精準(zhǔn)的本地化參數(shù)。一些研究表明,DEM數(shù)據(jù)的精度或重采樣方法會(huì)對(duì)徑流、泥沙侵蝕、總氮等的模擬精度產(chǎn)生影響[35-36]。今后的研究中需要加強(qiáng)模型的適用性研究及不確定性的定量化評(píng)估。

水供給服務(wù)需求是指人類從事生活、生產(chǎn)活動(dòng)而消耗的各類水資源,強(qiáng)調(diào)的是發(fā)生在特定土地利用空間上的用水量。因此,本文通過(guò)將用水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與土地利用類型之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了流域用水量的空間化表達(dá)。但由于可以獲取的數(shù)據(jù)有限,本文中只考慮了農(nóng)田灌溉的用水量、工業(yè)生產(chǎn)用水量、居民生活用水量(分城鄉(xiāng))、部分牲畜的飼養(yǎng)用水、生態(tài)環(huán)境用水,并沒有涵蓋流域內(nèi)所有的社會(huì)生產(chǎn)、生活用水和維持自然生態(tài)過(guò)程需要的水資源使用量,并且有的地區(qū)的數(shù)據(jù)不是很齊全,可能會(huì)造成部分區(qū)域的用水量被低估的情況。

在水供給服務(wù)的供需平衡關(guān)系及空間流動(dòng)研究的過(guò)程中,往往伴隨著非常重要而又復(fù)雜的時(shí)空尺度問(wèn)題。由于水供給服務(wù)依賴于不同時(shí)空尺度上的自然生態(tài)和人類社會(huì)過(guò)程,因而不論是水供給服務(wù)的生產(chǎn)還是消費(fèi)使用,均要受到尺度的制約與影響[37]。在不同的時(shí)空尺度下,水供給服務(wù)的供需雙方會(huì)呈現(xiàn)不同的空間關(guān)系特征和與空間流動(dòng)格局。過(guò)往關(guān)于水供給服務(wù)的供需研究大多是在比較大的流域尺度開展的,本文嘗試在子流域尺度對(duì)延河流域的水供給服務(wù)供需關(guān)系的時(shí)空格局展開分析,更詳細(xì)地揭示了水供給服務(wù)的形成機(jī)理與空間流動(dòng)規(guī)律,并將子流域尺度上研究結(jié)果與行政區(qū)劃結(jié)合起來(lái),確定了水供給服務(wù)的受益范圍和流動(dòng)路徑與流量,以更好地輔助決策者進(jìn)行水資源管理。

5 結(jié)論

本文利用SWAT水文模型在子流域尺度以空間可視化的方式探究了延河流域水供給服務(wù)的供給與需求的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征,并模擬了水供給服務(wù)從生產(chǎn)到使用的空間流動(dòng)過(guò)程,明確了流域供給區(qū)和受益區(qū)的空間范圍及服務(wù)流量。研究表明：(1)2005年、2010年和2015年延河流域水供給服務(wù)的供給量呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢(shì),分別約為2.25×108m3、2.76×108m3、1.98×108m3。延河上游和下游地區(qū)屬于高水供給地區(qū),中游地區(qū)水供給量不足。此外,灌木、草地等植被覆蓋類型的產(chǎn)流能力較弱,而城鎮(zhèn)建設(shè)用地的產(chǎn)水量較高；(2)2005—2015年延河流域內(nèi)的水需求量呈現(xiàn)逐年增多的趨勢(shì),在空間分布上整體一致。安塞區(qū)、延安市區(qū)、延長(zhǎng)縣城等城鎮(zhèn)分布區(qū)域水需求量大；稀疏林地、草地廣布人口分布稀少的流域上游和下游地區(qū)用水量較少；(3)2005—2015年延河流域水供給服務(wù)的供需平衡逐年惡化,供需矛盾最為突出的區(qū)域是延安市區(qū)。還明確了流域內(nèi)4個(gè)主要受益區(qū)的空間范圍及流動(dòng)流量,分別是安塞城區(qū)、延安市區(qū)、青化砭鎮(zhèn)、延長(zhǎng)縣城區(qū)及其周邊地區(qū)。這些有關(guān)流域水供給服務(wù)供需平衡及其空間流動(dòng)規(guī)律的研究結(jié)果,為延河流域水資源管理提供了必要的科學(xué)依據(jù)。