任檬, 毛德華

漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)供需分析與服務(wù)流研究

任檬, 毛德華*

湖南師范大學(xué), 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 長沙 410081

水產(chǎn)出服務(wù)的供需的定量評估與空間制圖是當(dāng)前研究的核心與前沿議題, 但是需要進(jìn)一步加強(qiáng)人類需求與自然過程的時空關(guān)聯(lián)分析和服務(wù)流模擬之間的耦合。以漣水流域為研究區(qū), 基于ArcGIS和In VEST模型, 利用多源數(shù)據(jù)構(gòu)建了水產(chǎn)出服務(wù)供需平衡與空間流動模型, 從子流域尺度探究了漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)的供需空間匹配特征與流動規(guī)律, 對流域供給區(qū)與受益區(qū)的之間的流動進(jìn)行了明確。研究結(jié)果表明: (1)2000—2015年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)的供給量總體上呈現(xiàn)增加的趨勢, 水需求量則逐年增多, 供需差額不斷擴(kuò)大, 四個年份的水資源安全指數(shù)平均值僅為-0.52。(2)漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)的供給與需求在空間分布上呈現(xiàn)顯著的不匹配特征, 尤其是湘鄉(xiāng)市、婁星區(qū)、雙峰縣等區(qū)域水資源供需矛盾突出。(3)明確了流域內(nèi)四個主要受益區(qū)域的空間范圍及其相應(yīng)的流動量。提出的評估模型和獲得的研究成果, 為實現(xiàn)漣水流域水資源的合理配置, 確保流域用水安全, 進(jìn)行流域水生態(tài)補(bǔ)償和綜合管理提供科學(xué)依據(jù), 實現(xiàn)社會—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

水產(chǎn)出服務(wù); 供需平衡; 水產(chǎn)出服務(wù)流; InVEST模型; 漣水流域

0 前言

水產(chǎn)出服務(wù)在流域的水循環(huán)和水量平衡以及人類的生存與發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。水產(chǎn)出服務(wù)流是提供各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和產(chǎn)品的自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求之間的重要紐帶, 在水產(chǎn)出服務(wù)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移和消費過程中具有重要意義[2]。目前, 國內(nèi)外對水產(chǎn)出服務(wù)的研究多從產(chǎn)水量及其空間格局進(jìn)行分析。吳瑞等[3]基于InVEST模型從整體上定量分析了官廳水庫流域生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水和水質(zhì)凈化服務(wù)。孫小銀等[4]以山東省南四湖流域為研究對象, 利用氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)及土地利用類型數(shù)據(jù), 以InVEST模型評估和模擬了南四湖流域近25 a的產(chǎn)水量及分析其空間分布格局。潘韜等[5]基于InVEST模型定量估算了1980—2005年三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水源供給量及時空變化特征。吳健等[6]利用InVEST模型, 描繪了東北地區(qū)產(chǎn)水量時空變化規(guī)律, 并利用Pearson相關(guān)分析法探究了氣候和土地利用變化與產(chǎn)水量間的相關(guān)關(guān)系。Leh等[7]使用InVEST模型模擬了生物多樣性、產(chǎn)水量和碳儲量等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量, 分析土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的影響。對于不同空間角度和時空維度的產(chǎn)水服務(wù)都有較多分析研究。

水產(chǎn)出服務(wù)流研究的實質(zhì)就是定量評估水產(chǎn)出服務(wù)的供需關(guān)系, 建立一種供需之間的時空關(guān)系[8], 對服務(wù)流或水流的流動路徑與流量大小進(jìn)行確定。美國佛蒙特大學(xué)在開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人工智能(ARIES)項目研究時, 提出了“服務(wù)路徑屬性網(wǎng)絡(luò)”(The Service Path Attribution Networks,SPANs)模型[9], 模擬空間中的生態(tài)服務(wù)的動態(tài)流動, 多對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與受益區(qū)的空間制圖進(jìn)行分析, 但對于利用空間制圖的方法, 對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間傳輸路徑及流量特征的分析則較少。Serna-Chavez等[10]試圖構(gòu)建一個通用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流框架, 以此來對全球范圍內(nèi)的水資源供給服務(wù)的供給與受益區(qū)的時空分布特征進(jìn)行評估。Li等[11]利用InVEST模型評估中國華北地區(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)單元上的空間流動特征。在這些已有的研究中, 由于缺乏對水產(chǎn)出服務(wù)空間流動過程的直觀表示以及對供需區(qū)的明確劃分, 從而影響水產(chǎn)出服務(wù)流在水資源配置過程中的重要作用, 因此, 需要進(jìn)一步加強(qiáng)水產(chǎn)出服務(wù)的供需分析及空間傳輸路徑及流量變化研究。

本文以子流域為基礎(chǔ)進(jìn)行水產(chǎn)出服務(wù)研究, 對漣水流域的水產(chǎn)出服務(wù)的供給及需求區(qū)進(jìn)行空間分析, 并進(jìn)行水產(chǎn)出服務(wù)的空間流動路徑及流量特征分析, 并與相應(yīng)的行政區(qū)域進(jìn)行匹配, 有利于流域水資源管理及生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的建立, 為實現(xiàn)漣水流域水資源的合理配置, 確保流域用水安全, 進(jìn)行流域水生態(tài)補(bǔ)償和綜合管理提供科學(xué)依據(jù), 實現(xiàn)社會—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漣水屬于湘江下游左岸的一級支流, 位于湖南省中部, 111o30'—112o.53' E, 27o.17'—28o.04' N之間, 流域面積范圍為7 173 km2[12]。地勢西高東低, 發(fā)源于新邵縣坪上鎮(zhèn)梅寨村, 自西向東, 于湘潭市雨湖區(qū)犁頭村匯入湘江[13]。漣水流域農(nóng)業(yè)用地面積的擴(kuò)張與灌溉用水量的增加, 改變了漣水流域的水量平衡和上下游水資源的空間分布格局, 在一定程度上削減了下游社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境所需的水資源量。在研究區(qū)域人口不斷增長、社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時, 流域也出現(xiàn)了社會經(jīng)濟(jì)、生活、生態(tài)用水與水資源短缺的矛盾, 供需失衡狀態(tài)日益明顯[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 水產(chǎn)出服務(wù)供給模型

選取InVEST模型的產(chǎn)水量模塊來計算流域的產(chǎn)水量作為水資源的供給量, 依據(jù)水量平衡公式, 不考慮地表和地下水之間的交互流動, 通過降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、根系深度和土壤深度等參數(shù)計算產(chǎn)水量。主要算法如下[15]:

圖1 漣水流域的地理位置

Figure 1 Geographical location of Lianshui River Basin

式中:Y為柵格單元中第類土地利用類型的年產(chǎn)水量(mm); AET為柵格單元中第類土地利用類型的年實際蒸散量(mm);P為柵格單元的年平均降水量(mm); R為柵格單元中第類土地利用類型的干燥度指數(shù), 定義為潛在蒸發(fā)量與降水量的比值;w是一個非現(xiàn)實參數(shù), 描述自然氣候條件下土壤屬性;AWC為柵格單元的植被可利用水含量(mm), 用來確定土壤為植物生長所提供的水量;為系數(shù);ET為潛在蒸散發(fā)量; k為柵格單元中土地覆被類型的植物蒸散系數(shù)。

1.2.2 水需求服務(wù)模型

與自然過程不同的是, 流域的水需求服務(wù)強(qiáng)調(diào)是人類從事于生活、生產(chǎn)等活動對水資源的需求與消耗, 并探究需求服務(wù)的空間分布特征[16], 基于漣水流域范圍內(nèi)的土地利用類型數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃單元中各部門的用水量, 對流域水資源的需水量進(jìn)行評估, 不包括由于植被吸收利用、河流截留、下滲等自然過程因素所導(dǎo)致的地表水分的損失。

根據(jù)ARIES模型中對水資源消耗的定義與分類[17],本研究將漣水流域范圍內(nèi)的需水類型主要分為四大類: 農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活用水(包括農(nóng)村居民和城鎮(zhèn)居民)、牲畜用水, 以估計各地區(qū)水資源消耗量。

式中,W,W,W,W, 分別指代區(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, 牲畜用水;A是區(qū)縣上的耕地面積(hm2),Agr是指區(qū)縣的每公頃耕地的年平均灌溉用水量(m3·hm-) ;G是區(qū)縣上的工業(yè)GDP生產(chǎn)總值(億元),Ind是指區(qū)縣的生產(chǎn)每萬元GDP所消耗的年平均用水量(m3·萬元);P是區(qū)縣上的人口總數(shù)(城、鄉(xiāng)人口),Dom是指區(qū)縣的城鄉(xiāng)居民的年平均生活用水量(m3·人);M是區(qū)縣上的牲畜總數(shù),Liv是指區(qū)縣牲畜的年平均飲用水量(m3·頭)。

1.2.3 供需分析與空間流動模型

在進(jìn)行水產(chǎn)出服務(wù)的供需平衡的格局分析時, 通常采用供需比作為一個重要指標(biāo)[18], 以評估該區(qū)域用水供需平衡狀況。在本研究中, 采用水資源安全指數(shù)(FSI)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡格局進(jìn)行分析, FSI能夠較好地反應(yīng)水資源供給量和需求量之間的差異, 是識別水產(chǎn)出服務(wù)的空間流動路徑的基礎(chǔ), 以增加供需矛盾差異在空間的可視性與比較性。

式中,表示各子流域,S表示第號子流域的供水量,D表示第號子流域的需水量。當(dāng)FSI>0時, 則代表供給大于需求, 水產(chǎn)出服務(wù)有盈余; 當(dāng)FSI<0時, 則代表供不應(yīng)求, 水資源較為短缺。

SPANs模型是集成生態(tài)學(xué)和地理學(xué)常用的模擬模型, 旨在模擬生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)到需求區(qū)的流動過程并繪制空間圖[19]。流域以水為紐帶連接上中下游, 水作為主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主體和傳遞媒介是開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流研究的最佳對象, 地勢高低造成的重力差異而引起的“水往低處流”是形成水空間流動的直接動力。同時, 人類的生產(chǎn)生活活動也會對水生態(tài)系統(tǒng)的空間流動造成影響[20]。本文水產(chǎn)出服務(wù)流路徑確定為以河流作為載體將物質(zhì)和能量通過水系網(wǎng)絡(luò)從供給區(qū)向受益區(qū)的空間流動[16], 是一種有向性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流(圖2)。Villamagna等[21]認(rèn)為實際被使用的服務(wù)構(gòu)成了服務(wù)流。在本文中當(dāng)供給量大于需求量, 服務(wù)流以需求量為基礎(chǔ)來計算, 等于單位時間單位面積上水產(chǎn)出服務(wù)實際被使用或消費量。當(dāng)一個子流域供給量大于需求量, 即FSI>0時, 水資源供應(yīng)較為充足有盈余, 則向其他區(qū)域提供服務(wù), 定義為服務(wù)供給區(qū), 當(dāng)一個子流域供給量小于需求量, 當(dāng)FSI<0時, 代表供不應(yīng)求, 水資源較為短缺, 則需其他區(qū)域為其提供服務(wù), 定義為服務(wù)受益區(qū)。

圖2 水產(chǎn)出服務(wù)流空間單元示意圖

Figure 2 Schematic diagram of spatial unit of water produ-ction service flow

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1 供給數(shù)據(jù)

主要用于InVEST模型產(chǎn)水量模塊的數(shù)據(jù)輸入及運行所需要的屬性參數(shù)。模型輸入變量包括: 降水(P)、土壤有效含水量(AWC)、潛在蒸散發(fā)量(ET)、土壤深度。需要確定的參數(shù)包括:系數(shù)、植被蒸散系數(shù)(k)等。

(1)流域與子流域: 基于DEM數(shù)據(jù), 利用ArcGIS中土壤水文評估工具(ArcSWAT)提取研究區(qū)流域和子流域。DEM數(shù)據(jù)來自中國地理空間數(shù)據(jù)云, 空間分辨率30 m。

(2)土地利用數(shù)據(jù)(2000、2005、2010和2015年): 來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心, 空間分辨率均為30 m。

(3)氣象數(shù)據(jù): 從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)和湖南省水文水資源勘測局獲取漣水流域范圍內(nèi)各氣象站2000、2005、2010和2015年逐日降水量、逐日最高/低氣溫等氣象監(jiān)測數(shù)據(jù), 以及雨量站的相關(guān)數(shù)據(jù), 利用克里金插值法空間化獲得降水量數(shù)據(jù)。采用Modified-Hargreaves公式[22]計算年平均潛在蒸散量, 公式如下:

式中為潛在蒸散量(mm);為太陽輻射值[MJ·(m2·d)-1] ;T為日最高氣溫與日最低氣溫的均值(℃),為日最高氣溫與日最低氣溫的差值, (℃)。

(4)土壤空間及屬性數(shù)據(jù)出自世界土壤信息數(shù)據(jù)庫HWSD V1.2(空間分辨率為1 km), HWSD土壤數(shù)據(jù)庫采用世界諸多土壤數(shù)據(jù)集綜合而成。土壤有效含水量根據(jù)周文佐等[23]的計算結(jié)果。

(5)其他數(shù)據(jù): 依據(jù)InVEST用戶指南, 根系限制層深度可用土壤深度來代替。植物蒸散系數(shù)(k)受到地表覆被的影響, 本文應(yīng)用FAO提出的適合于自然植被非完全覆蓋條件下植物系數(shù)的計算方法[24]估算不同植被覆蓋的k。

1.3.2 需求數(shù)據(jù)

主要用于分析流域用水量狀況和水產(chǎn)出服務(wù)空間流動路徑。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù): 人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以及各部門的用水量。來源于湖南省統(tǒng)計年鑒及各地市州水資源公報數(shù)據(jù)[25]。

2.3.4 及時反饋患者意見 護(hù)士長可以在每天早上的查房時拿個小筆記本，每到一個病房耐心地詢問患者有什么意見，安排一個意見收集人每天及時反饋給她，對患者做好親切問候關(guān)心，使患者心理上得到被重視的感覺，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)患者的建議被聆聽時，患者對該病房的滿意度會大大的增加[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水產(chǎn)出服務(wù)供給量化與時空變化分析

2.1.1 結(jié)果分析

基于ArcSWAT劃分的25個子流域的基礎(chǔ)上, 利用各種數(shù)據(jù)及其屬性參數(shù), 運用InVEST產(chǎn)水量模塊計算2000、2005、2010和2015年子流域尺度上的水資源供給量, 經(jīng)過ArcGIS的運轉(zhuǎn), 得到研究區(qū)域的水資源供給量空間分布圖(圖3)。

時間尺度上, 漣水流域2000、2005、2010和2015年的平均水產(chǎn)出供給量分別為918.96 mm、917.87 mm、1246.81 mm、1189.27 mm, 總體上呈現(xiàn)增加的趨勢, 但受降水量的影響(2000、2005、2010和2015年流域平均降水量分別為1403.6 mm、1401.74 mm、1737.11 mm、1578.03 mm)呈現(xiàn)略微波動, 2000年和2005年大于3×108m3的子流域僅有6個, 分別為2、3、9、12、17和18號子流域, 2010年和2015年大于3×108m3的子流域分別為13個和11個, 增多的是4、19、20、22、23、24和25子流域。

空間尺度上, 上游的12號、18號和下游的2號、9號子流域供水量較高, 而大部分低值區(qū)域主要分布在漣水流域的中下游地區(qū), 從2000年到2015年, 整個區(qū)域子流域的供水量有所增加。供水量除了受降水量、土地利用類型及下墊面的性質(zhì)影響外, 還與子流域的面積大小有關(guān), 如18號子流域在2000一2015年供水量均較高不僅與其降水量較多, 土地利用類型等影響因素有關(guān)外, 還與其集水面積最大有關(guān)。

另外, 1號子流域的供水量無論是2010年還是2015年都明顯少于降水量大致相同的2號子流域, 1號子流域大部分是林地及草地, 所占子流域面積比例達(dá)到54.43%, 城鎮(zhèn)用地建設(shè)面積比重僅為5.12%。2號子流域內(nèi)的林地及草地面積比重較小為40.29%, 但城鎮(zhèn)用地面積比重較大為23.59%, 遠(yuǎn)高于1號子流域。這在一定程度上反映了城鎮(zhèn)建設(shè)用地的產(chǎn)水能力要高于林地及草地等植被覆蓋區(qū)域, 但是由于城鎮(zhèn)化建設(shè)使得地表硬化率大大增加, 不透水面積增加, 產(chǎn)、匯流特性發(fā)生改變。在地區(qū)降雨后, 由于土壤下滲量減少, 使得大量雨水滯留于地表, 導(dǎo)致降水產(chǎn)生的地表徑流增大, 從而使降雨下滲補(bǔ)給地下水的資源量大為減少, 造成地下水補(bǔ)給不足, 水資源難以被利用。此外, 降在不透水地面上的雨水產(chǎn)流快, 匯流時間短, 一遇強(qiáng)降水天氣, 極易形成洪峰, 造成嚴(yán)重的城市內(nèi)澇, 給城市的防洪和防澇排水系統(tǒng)帶來極大的考驗。

2.1.2 模型校驗

模型校驗是指將模型運行結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 通過調(diào)整季節(jié)性因子來確定最適合于研究區(qū)域的評估模型[3]。系數(shù)是表征降水特征的常數(shù), 對于總量相等的區(qū)域, 降水次數(shù)越多,系數(shù)越大。根據(jù)水量平衡原理, 降水量與實際蒸散量的差值等于土壤貯水量變化與地表徑流量之和[26], 土壤含水量的計量復(fù)雜, 精度較低, 因此多年平均尺度上土壤貯水量的變化可忽略不計。采用年平均徑流量與模型相應(yīng)評估值進(jìn)行校驗, 經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)季節(jié)性因子取值, 確定當(dāng)季節(jié)性因子取值為9.5時, 模擬評估的結(jié)果與實測值最為接近, InVEST產(chǎn)水模塊多年的模擬效果均達(dá)86%以上, 表明InVEST模型在漣水流域具有良好的適用性。

2.2 水產(chǎn)出服務(wù)需求量化與時空變化分析

對漣水流域范圍內(nèi)的10個市縣區(qū)域(婁星區(qū)、漣源市、雙峰縣、冷水江市、湘潭市區(qū)、湘鄉(xiāng)市、韶山市, 湘潭縣、新邵縣、邵東縣)2000、2005、2010和2015年的用水情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)的收集與分析。利用水需求模型與各個子流域進(jìn)行疊加分析得到2000、2005、2010和2015年的漣水流域子流域尺度上水資源需求量的時空分布圖(圖4)。

漣水流域2000—2015年的用水量呈現(xiàn)顯著增多的趨勢, 到2015年子流域用水量大于1×109m3的子流域多達(dá)11個, 占整個流域面積的29.59%, 這些數(shù)據(jù)說明整個流域的需水量不斷增加, 用水缺口不斷擴(kuò)大。2000年和2005年, 從空間格局上分析, 相較于流域的其他地區(qū)來說, 漣水中游地區(qū)的湘鄉(xiāng)市水資源需求量較高, 工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水量大, 湘鄉(xiāng)市所在的5號、8號、10號、13號、14號和15號子流域?qū)儆诟哂盟畢^(qū)域。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增多, 用水量增大, 2010年和2015年, 整個流域的用水量顯著增多, 而用水量較低的子流域主要分布在漣水上游地區(qū)的3號、12號、23號和25號子流域, 這些子流域所對應(yīng)的區(qū)域大多是林地、農(nóng)田等用地, 相對來說, 人口較少, 因此在生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面用水量也相對較少。

圖3 2000—2015年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)供給量空間分布圖

Figure 3 Spatial distribution of water production service supply in Lianshui River basin from 2000 to 2015

圖4 2000—2015年漣水流域水資源需求量空間分布圖

Figure 4 Spatial distribution of water demand in Lianshui River basin from 2000 to 2015

2.3 水產(chǎn)出服務(wù)供需平衡變化分析

基于水資源安全指數(shù)(FSI)和ArcGIS軟件, 得到漣水流域的水資源供需平衡狀況(圖5)。為了較為直觀的體現(xiàn)出區(qū)域用水供需矛盾現(xiàn)狀與空間變化特征, 將水資源安全指數(shù)劃分為<-1、-1—0、>0三類。

空間尺度上, 漣水流域2000—2015年上游的12、18、23號和下游的1、2、9號子流域水資源略有盈余, 其他大部分子流域水資源較為短缺, 尤其為11、13號子流域較為嚴(yán)重。上游地區(qū)的幾個子流域較其他子流域FSI值高主要是因為該區(qū)域以林地和農(nóng)田為主, 在工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水方面較少, 水資源消耗較低。而下游地區(qū)的子流域較高主要是因為降水量的影響, 水資源供給量較多。

時間尺度上, 2000—2015年漣水流域的平均用水安全指數(shù)分別為–0.50、–0.57、–0.44、–0.58, 總體上呈現(xiàn)降低的趨勢, 中間略有波動, 2005—2010年降水量顯著增多, 水資源供應(yīng)量較為豐富, 水供給量與水需求量相平衡后呈現(xiàn)一個較高值。顯著降低的原因是隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 人們的需求不斷在增加, 對于各個生活生產(chǎn)方面的用水量也不斷增加, 導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉、牲畜產(chǎn)品、居民生活和工業(yè)用水量不斷增加。在市縣區(qū)域上主要表現(xiàn)在湘鄉(xiāng)市, 2000—2015年湘鄉(xiāng)市水產(chǎn)出服務(wù)為供不應(yīng)求的狀態(tài), 水資源較為短缺, 該市區(qū)有高耗水工業(yè)、城鎮(zhèn)建設(shè)項目和較大面積的農(nóng)田引水灌溉。

2.4 水產(chǎn)出服務(wù)空間流動模擬與范圍界定

根據(jù)水產(chǎn)出服務(wù)的供需分析結(jié)果及空間流動模型, 確定以漣水水系網(wǎng)絡(luò)為連通對象, 將水供給量不能滿足自身用水需求的, 需要接受上游子流域生產(chǎn)的水產(chǎn)出服務(wù)進(jìn)行補(bǔ)給的子流域確定為受益區(qū), 將提供水產(chǎn)出服務(wù)給受益區(qū)的子流域確定為供給區(qū)。根據(jù)FSI結(jié)果以確定具體的流量大小, 同時, 匹配地勢高程及各行政區(qū)的位置, 基于供需相對不匹配區(qū)域, 確定水產(chǎn)出服務(wù)流動路徑, 為水資源有效管理奠定基礎(chǔ)。漣水流域2000—2015年水產(chǎn)出服務(wù)供給區(qū)與受益區(qū)的空間位置、范圍, 服務(wù)流量及其對應(yīng)關(guān)系見表1—4。

經(jīng)分析可知, 1號受益區(qū)為婁星區(qū)市區(qū)及其周邊區(qū)域(4號子流域), 所對應(yīng)的社會行政區(qū)劃為婁星區(qū)。2號受益區(qū)為棋梓鎮(zhèn)或毛田鄉(xiāng)及其周邊區(qū)域(17號子流域), 所對應(yīng)的社會行政區(qū)劃為湘鄉(xiāng)市。3號受益區(qū)為永豐鎮(zhèn)及其周邊區(qū)域(24號子流域), 所對應(yīng)的社會行政區(qū)劃為雙峰縣。4號受益區(qū)為雨湖區(qū)及其周邊區(qū)域(2號子流域), 所對應(yīng)的社會行政區(qū)劃為湘潭市區(qū)。圖6詳細(xì)刻畫了2000—2015年漣水流域主要受益區(qū)、供給區(qū)及流動方向。

Figure 5 Spatial distribution of supply and demand balance of water production service in Lianshui River basin from 2000 to 2015

圖6 2000年—2015年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)流格局分布圖

Figure 6 Distribution pattern of water production service flow in Lianshui River basin from 2000 to 2015

從圖5中可以看出, 2000—2015年水產(chǎn)出服務(wù)供需平衡存在很大差異, 大多數(shù)子流域水資源安全指數(shù)都小于0, 需要有水供給區(qū)提供水產(chǎn)出服務(wù), 因此水產(chǎn)出服務(wù)的時空流動格局基本一致, 水產(chǎn)出服務(wù)由地勢較高的上游子流域沿著河流水系流向地勢較低的下游子流域。2000年FSI大于0的子流域, 即供給大于需求的子流域, 只有4個, 這意味著在2000年絕大多數(shù)的子流域處于水資源短缺的狀態(tài), 供不應(yīng)求。2005年FSI大于0的子流域有1個, 反映出2005年水資源緊缺狀態(tài)進(jìn)一步緊張。2010年FSI大于0的子流域有6個, 2015年FSI大于0的子流域有5個, 這是降水量對供水量的影響起作用, 但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 用水量增多, 因此供需平衡差異進(jìn)一步擴(kuò)大。

表1 2000年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)供給與受益區(qū)對應(yīng)表

表2 2005年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)供給與受益區(qū)對應(yīng)表

表3 2010年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)供給與受益區(qū)對應(yīng)表

表4 2015年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)供給與受益區(qū)對應(yīng)表

3 討論

本文將自然生態(tài)與人類社會需求相結(jié)合, 從水資源的供需平衡角度, 對流域水產(chǎn)出服務(wù)的供給與需求進(jìn)行定量評估與空間制圖, 并對其流動路徑進(jìn)行空間定量化, 而不是僅僅停留在概念化的定性分析。水產(chǎn)出服務(wù)的空間流動分析是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)過程, 因此本研究還存在一些不足, 在以后的研究中可進(jìn)一步開展。

運用InVEST模型的產(chǎn)水模塊進(jìn)行流域的水資源供給量的確定, 相關(guān)的數(shù)據(jù)受到限制, 蒸散系數(shù)和根系深度圖層數(shù)據(jù)依據(jù)文獻(xiàn)經(jīng)驗公式甚至經(jīng)驗值獲得, 精準(zhǔn)度有待考量, 最為保險和可靠地確定相關(guān)參數(shù)的做法就是進(jìn)行實測。在評估漣水流域水資源的需求量時, 由于受限于數(shù)據(jù)的可獲取性, 本文僅考慮了居民生活、農(nóng)田灌溉、牲畜及工業(yè)生產(chǎn)四個方面的用水量, 并沒有涉及到其他生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水。同時, 有的地區(qū)所獲取的數(shù)據(jù)不完整, 這有可能會低估某些地區(qū)的用水量。在已有的研究成果中并沒有具體給出服務(wù)流流動路徑、流量大小和流動過程等。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)到受益區(qū)流動具有復(fù)雜性和動態(tài)性, 量化流速和流量以及繪制明確具體的服務(wù)流傳輸路徑圖是未來研究的難點和重點。本文的研究很大程度上是一種探索與嘗試。在水產(chǎn)出服務(wù)的供需平衡分析與空間流動研究過程中, 往往涉及著復(fù)雜又重要的時空尺度問題[27]。從空間尺度上來說, 大多數(shù)關(guān)于水產(chǎn)出服務(wù)供需的研究都是在相對較大的流域尺度上進(jìn)行的, 本文基于子流域這樣一個角度, 試圖分析漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)的供需關(guān)系的時空格局及空間傳輸路徑和流量特征, 以有利于建立漣水流域水資源管理和生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。

4 結(jié)論

隨著人類活動對流域生態(tài)環(huán)境的影響不斷加大, 流域的水環(huán)境問題也日益嚴(yán)重, 水產(chǎn)出服務(wù)的供需平衡及空間流動已成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱點與難點, 本文以漣水流域為研究區(qū), 利用氣象、水文、土地利用/覆被類型、社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù), 運用InVEST模型、水需求模型、水資源安全指數(shù)及SPANs模型等方法, 在子流域尺度以空間可視化的方式探究了流域水產(chǎn)出服務(wù)的供給與需求的時空關(guān)聯(lián)特征, 模擬了水產(chǎn)出服務(wù)從生產(chǎn)到使用的空間流動過程, 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。研究結(jié)果表明: (1)漣水流域水資源供給量總體上呈現(xiàn)增加的趨勢, 與降水量的變化趨勢較為一致, 受降水量影響有略微波動, 漣水上游和下游地區(qū)屬于高水供給地區(qū), 中游地區(qū)水供給量不足。城鎮(zhèn)建設(shè)用地的水供給能力較大, 林地、草地等植被覆蓋用地的產(chǎn)水能力則較弱。(2)2000—2015年漣水流域的水產(chǎn)出服務(wù)的需水量呈現(xiàn)逐年增多的趨勢, 在空間上較為一致, 湘鄉(xiāng)市和雙峰縣等城鎮(zhèn)分布區(qū)域用水量較大, 林地及農(nóng)田面積較大的流域上游用水量較少。(3)2000—2015年漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)的供需平衡差額呈現(xiàn)增大的趨勢, 水資源安全指數(shù)較低, 水資源較為短缺, 從空間上來說, 大部分子流域供需矛盾較為突出, 在市縣區(qū)域上體現(xiàn)在湘鄉(xiāng)市、婁星區(qū)、雙峰縣。同時也確定了4個主要的受益區(qū)的空間范圍及流動流量, 分別是婁星區(qū)市區(qū)、棋梓鎮(zhèn)或毛田鄉(xiāng)、永豐鎮(zhèn)、雨湖區(qū)及其周邊區(qū)域。通過建立水源供給與水需求之間的時空聯(lián)系來劃定水資源供給區(qū)與受益區(qū), 利用SPANs模型確定其空間流動的路徑, 為漣水流域水資源管理提供了必要的科學(xué)依據(jù)。

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Supply and demand analysis and service flow research of water production service in Lianshui River Basin

REN Meng, MAO Dehua*

College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China

Quantitative assessment and spatial mapping of the demand and supply of water production services are the core and frontier issues of current research, but the coupling between spatio-temporal correlation analysis of human needs and natural processes and service flow simulation needs to be further strengthened. Taking the Lianshui River basin as the research area, based on the ArcGIS and InVEST models, the multi-source data was used to construct a water production services supply and demand balance and spatial flow model. From the sub-basin scale, the spatial matching characteristics and flow laws of water production services in Lianshui River Basin are explored, and the flow between the supply area and the benefit area of the basin is clarified.The research results showed that:(1) The supply of water production services in Lianshui River basin showed an increasing trend from 2000 to 2015, and the water demand increased year by year. The average value of the water resources safety for the four years was only -0.52.(2) The supply and demand of water production services in the Lianshui River basin presented a significant mismatch in spatial distribution, especially the conflicts between water supply and demand in Xiangxiang City, Louxing District, Shuangfeng County and other regions.(3) the spatial extent of the four main benefit areas and their corresponding flows were clarified. The evaluation model and the obtained research results provided a scientific basis for realizing the rational allocation of water resources in the Lianshui River Basin, ensuring the safety of water use in the basin, carrying out ecological compensation and comprehensive management of the basin’s water, and realizing the sustainable development of society-economy-ecology.

water production service; supply and demand balance; water production service flow; InVEST model;Lianshui River basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.023

X171

A

1008-8873(2021)02-186-10

2020-04-23;

2020-05-11

國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目(U19A2051); 湖南省水利科技項目(XSKJ 2018179-09); 湖南省重點研發(fā)計劃項目(2017SK2301); 湖南省水利重大科技項目(湘水科計[2016]194-13); 國家一流學(xué)科培育項目“地理學(xué)”(5010002)

任檬(1996—), 女, 湖南岳陽人, 碩士研究生, 主要從事流域水資源與水環(huán)境方面研究, E-mail: 1016462328@qq.com

毛德華(1963—), 男, 湖南益陽人, 博士, 教授, 博士研究生導(dǎo)師, 研究方向為土地利用規(guī)劃與管理、流域水資源與水環(huán)境, E-mail: 850276407@qq.com

任檬, 毛德華. 漣水流域水產(chǎn)出服務(wù)供需分析與服務(wù)流研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(2): 186–195.

REN Meng, MAO Dehua. Supply and demand analysis and service flow research of water production service in Lianshui River basin[J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 186–195.