近20a济南泉域水源涵养量的时空变化特征.pdf

收稿日期：2022-02-21修回日期：2023-04-13基金项目：黄河流域生态状况评估（2015-2020 年）(鲁环函2020202号)。作者简介：刘建军，1982年生，男，高级工程师，主要从事生态环境监测研究。E-mail:通信作者：姜腾龙,1985年生,男,高级工程师,主要从事生态遥感监测研究。E-mail:近20a济南泉域水源涵养量的时空变化特征刘建军，田 勇，姜腾龙，孙 军，刘贵芬，杨晓钰（山东省济南生态环境监测中心，山东 济南 250014）摘要：为探究济南市的水源涵养量，利用Arcgis软件划定泉域范围，通过解译2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的Landsat遥感影像数据，获取范围内土地利用类型；基于InVEST模型并结合气象、土壤、地形等数据估算泉域水源涵养量，分析了近20a来泉域水源涵养量和涵养能力的时空变化及影响因素。结果表明，与2000年相比，泉域内土地利用类型变化较大，其中耕地面积变化最大，减少了470.1 km2；城乡居民点和工矿用地增长较快，增幅为9.1%；林地草地面积也呈增长态势，增幅为4.1%，面积占比达到了32.3%。泉域水源涵养量为157.9238.3 mm，均值为188.8 mm，受降水影响较大；泉域水源涵养率为23.5%25.9%，平均为24.2%，水源涵养能力较低。时间上，多年水源涵养率基本保持稳定；空间上，南部山区水源涵养能力较之前有所提升，中部受城市化影响而下降显著。各土地利用类型水源涵养量从大到小依次为：林地草地耕地未利用土地城乡居民点和工矿用地水域湿地，水源涵养率分别为49.15%、30.32%、20.09%、17.69%、8.62%和8.31%。区域内水源涵养功能区以一般重要区为主，面积占比为40%，极重要区内林地占比为94.62%。植被类型和气象因素是影响区域水源涵养的主要因素，应结合土壤类型适当调整植被配置。关键词：水源涵养；InVEST模型；土地利用；济南泉域中图分类号：X826文献标志码：A文章编号：1674-3075(2023)05-0048-10DOI：10.15928/j.1674-3075.202202210044水 生 态 学 杂 志Journal of HydroecologyVol.44,No.5第 44 卷第 5 期2023年9月Sep.2023生态系统是人类生存发展的自然环境和必然条件，根据其结构、过程与生态系统服务功能的关系，能有效评价其服务功能。水源涵养功能作为陆地生态系统调节服务的重要功能之一，通过植被及土壤将降水拦蓄、吸收、积蓄在系统内，具有抑制蒸发、调节径流、净化水质等功能（吕一河等，2015）。在不同尺度的生态区划中，水源涵养重要性评价都是必不可少的内容。济南被誉为“泉城”，降雨是泉水的主要补给来源（邢立亭等，2018）。随着经济快速发展，城市建设规模迅速扩大，地面硬化造成降水渗入补给泉水的区域减少，加之地下水超量开采，2000年前后泉群出现间歇性喷涌甚至常年停喷的现象，流域范围内的水源涵养量直接关系到区域的水资源供给。目前，国内外学者对水源涵养功能评价方法主要包括水量平衡法(张彪等，2008；崔景轩等，2019)、降水贮存法（刘泽彬等，2017）、土壤蓄水能力法（田璐，2019）、综合蓄水能力法（刘璐璐和曹巍，2016）与多因子分析法等（周佳雯等，2018；Chen et al,2020）。基于水量平衡法的生态系统服务和权衡综合评估模型（The integrate valuation of ecosystem services and tradeoffstool,InVEST）充分考虑土壤物理性质、地形起伏和地表覆盖状况等对水源涵养量的影响，更适用于区域尺度研究（刘越等，2021）。如利用InVEST模型对汉江（陈泽怡等，2022）、岷江（刘菊等，2019）等流域以及辽宁省（吕乐婷等，2022）、安徽省（李莹莹等，2022）等区域开展了水源涵养量及其时空变化特征研究，其研究大多基于较大空间尺度。本文以小范围的济南泉域为研究对象，运用InVEST模型综合评估济南泉域内2000-2020年水源涵养量，分析其时空变化特征，验证模型结果的可靠性，探究影响水源涵养能力的主要因素，以期为济南市兼顾城市发展和泉水保护以及提升区域水源涵养力提供理论依据。1 材料与方法1.1 区域概况济南市位于山东省中西部，南依泰山，北跨黄河，地势南高北低，高差超过500 m；气候属于暖温带半湿润季风型气候，四季分明，年均气温13.8，年均降水量685 mm，且主要集中在6-8月，占年降水量的65.9%。市内泉水属于岩溶泉类型，地下石灰岩发育，因其独特的地形地质构造，利于地表水和地下水向城区汇集，城内分布有趵突泉、黑虎泉、五龙潭、珍2023 年第 5 期珠泉四大泉群。济南境内河流主要有黄河、小清河两大水系；其中，小清河发源于济南境内，上游水源补给主要来自市内各泉。小清河作为济南市泉域内的主要出境河流，流域内的水源涵养量直接关系到泉域地下水的补给量。1.2 研究方法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，主要是针对淡水、海洋和陆地三大生态系统的评估模块，每个模块由于生态系统功能不同又包含不同的评估项目（Tallis&Ricketts,2011）。本文利用的InVEST产水模块是基于水量平衡原理，通过降水、地表蒸发、植物蒸腾、土壤深度和根系深度等参数计算产水量；在此基础上，利用土壤饱和导水率、地形指数和流速系数等因子对产水量结果进行修正，进而得出水源涵养量。1.3 泉域提取济南泉域地下水分布受地质构造、地层岩性等自然因素控制，南部山区丘陵石灰岩裸露，溶蚀裂隙普遍发育，为地下水直接补给区；北部平原区地下裂隙岩溶发育，受煤系地层或岩溶岩体阻隔，上涌成泉喷泄。因此，根据济南水文地质实际，结合DEM数据，运用Arcgis软件水文学模块（Hydrology），选取济南市小清河流域出境断面作为泉域流域的出口，建立济南市泉域范围（图1）。20 km图1 济南市泉域分布Fig.1 Distribution map of the spring basinin Jinan City1.4 InVEST产水模型InVEST产水模型是基于Budyko水热耦合平衡原理提出的一种水量平衡估算方法（王亚慧等，2020），即以各栅格单元降水量与实际蒸散量之差作为该栅格单元产水量，计算公式如下：Yxj=()1-AETxjPx Px式中：Yxj为地物类型j在栅格单元x的年产水量，AETxj为地物类型j在栅格单元x的年实际蒸散量，Px为栅格单元x的年降水量。AETxj采用Budyko的水热耦合平衡假设公式计算（Zhang et al,2004）：AETxjPx=1+xRxj1+xRxj+1/Rxj式中：Rxj为地物类型j在栅格单元x的Budyko干燥指数，x为土壤性质的一个无量纲非物理参数，也称植被可用水系数，计算公式（Jafarzadeh et al,2019）如下：Rxj=kxj ET0(x)Pxx=Z AWCxPx式中：kxj为地物类型j在栅格单元x的植被蒸散系数；ET0(x)为栅格单元x的参考蒸散量，使用修正的Hargreaves 方程求得（Droogers&Allen,2002）；Z 为zhang系数（Zhang et al,2004），是表征多年平均降水特征的常数，也是模型关键参数，默认值是9.433（傅斌等，2013）；AWCx为植被有效可利用水（mm），其由土壤质地、土壤深度与根系深度决定。ET0=0.00130.408Ra(Ta+17)(TD-0.0123P)0.76式中：Ra为太阳大气顶层辐射MJ/(m2d)，Ta为月度日最高温均值和最低温均值的平均值（），TD为月均每日最高温度和最低温度的差值，P为月降水量（mm）。Ra=24(60)Gsc dr ssin()sin()+cos()cos()sin(s)dr=1+0.033cos(2365D)=0.409sin(2365D-1.39)s=arccos-tan()tan()刘建军等，近20a济南泉域水源涵养量的时空变化特征492023 年 9 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 5 期式中：Gsc为太阳常数0.082 MJ/(m2min)，dr为日地距离，S为日落时角（弧度），为地理纬度，为赤纬，D为日历天数。AWCx=min(SoilDepthx,RootDepthx)PAWCx式中：SoilDepthx为栅格单元x的最大土壤深度（mm），RootDepthx为栅格单元 x 的植被根系深度（mm）；PAWCx为植被可利用水率，指植物生长利用水量占土壤层中总水量的比值，为01，土壤质地由下式计算：PAWC=54.509-0.132Sand-0.003(Sand)2-0.055Silt-0.006(Silt)2-0.738Clay+0.007(Clay)2-2.688OM+0.501(OM)2式中：Sand为土壤砂粒含量(%)，Silt为土壤粉粒含量(%)，Clay为土壤黏粒含量(%)，OM为土壤有机质含量(%)。1.5 水源涵养量估算1.5.1基于产水量估算在Water Yield产水模型计算得到栅格单元产水量的基础上，结合研究区域的地形、土壤厚度、地表径流速度和土壤饱和导水率等影响因素，计算区域水源涵养量（傅斌等，2013）：WR=min(1,249V)min(1,0.9 TI3)min(1,K300)Y式中：WR为区域的水源涵养量（mm），V为不同地物类型的流速系数，TI为地形指数，K为土壤饱和导水率（mm/d），受土壤黏粒、粉粒和砂粒等因子影响，由SPAW软件中的Water Soil Characteristics工具计算获得；Y为产水量。TI=lg(DrainageareaSoilDepth Slope)式 中：Drainage area 为 集 水 区 栅 格 数 量，SoilDepth为土壤深度（mm）；Slope为百分比坡度，由DEM在Arcgis软件中求得。1.5.2基于资料统计估算区域降水量与蒸散量以及其他水资源消耗的差值即为本区域的水源涵养量，计算公式如下：水源涵养量=(降水量-水资源量-用水量耗水率)/区域面积-蒸散量1.6 数据来源1.6.1土地利用类型采用美国地质勘探局网站下载2000年、2005年、2010年、2015年、2020年30 m分辨率的 Landsat 5、Landsat 8 遥感数据，运用 ENVI、Arcgis软件对原始数据进行预处理，通过目视解译的方法，获取泉域土地利用类型。经野外现场核查，解译准确率达到90%以上。1.6.2DEM数据济南市30 m分辨率的DEM数据来自地理空间数据云，运用Arcgis软件叠加泉域边界裁剪获得泉域的DEM数据。1.6.3气象数据气象数据来自美国国家气候数据中心（NCDC），包含气温、气压、露点、风向风速、云量、降水量等日值数据，本研究利用其温度和降水量数据。1.6.4土壤数据数据来源于联合国粮农组织（FAO）和维也纳国际应用系统研究所（IIASA）所构建的世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database version 1.1,HWSD）。中国境内数据源为第二次全国土地调查南京土壤所提供的1：100万土壤数据。经查询计算，泉域内土壤参数见表1。1.6.5生物物理系数模型需要的生物物理系数主要包含土地利用类型、根系深度、作物蒸散系数以及流速系数等。具体指标参考文献（刘越等，2021；傅斌等，2013；杜佳衡和王锦，2021）及模型用户手册确定（表2）。2 结果与分析2.1 土地利用变化经统计，济南泉域面积约为3 100 km2，将其划分为耕地、林地、草地、水域湿地、城乡居民点和工矿用土壤类型壤土砂壤土砂质粘壤土壤质砂轻粘土粉砂壤土砾石含量/%425510541041010砂粒含量/%34477677537980192329粉粒含量/%34481218241115252950黏粒含量/%17226122369485621有机质含量/%0.422.130.360.700.510.410.631.051.171.12饱和导水率/mmd-1191.28345.84924.721924.08223.921241.281598.1620.8823.04181.44表1 土壤参数Tab.1 Soil parameters502023 年第 5 期地以及未利用土地共计6类土地利用类型（图2）。其中利用类型以耕地、城镇居民点和工矿用地、林地为主。2020年耕地占比为33.9%，城镇居民点和工矿用地占比为29.1%，林地占比为27.6%，未利用土地面积最小，仅0.13%。表2 InVEST模型参数Tab.2 InVEST model parameters土地利用类型耕地林地草地水域湿地城乡居民点和工矿用地未利用土地根系深度/mm3003000468-1-1-1植被蒸散系数0.750.900.600.700.010.50流速系数90030050020122012150010 km(a)2000年10 km(b)2005年10 km(c)2010年10 km(d)2015年10 km(e)2020年图22000-2020年泉域土地利用类型分布Fig.2 Spatial distribution of land use types in thespring region of Jinan City(2000-2020)刘建军等，近20a济南泉域水源涵养量的时空变化特征512023 年 9 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 5 期空间分布上，泉域地势南高北低，土地利用类型主要受地形变化影响，南部山区以林地、草地为主；北部地形平坦，以耕地为主；中西部为济南市主城区，主要为城乡居民点和工矿用地。时间变化上，泉域耕地面积变化最大，2020年较 2000 年减少 14.8%，面积减少了 470.1 km2；而相对的城乡居民点和工矿用地面积逐年增加，2020年较2000年增加9.1%，面积增加了290.8 km2；林地和草地面积较 2000 年增加 4.1%，面积占比达到了32.3%。水域湿地面积占比较小，但增幅最大，较2000年增加了76.6%。2.2 产水量时空变化运用InVEST年产水模型计算得到的2000-2020年济南泉域产水量时空分布见图3。10 km产水量/mm(a)2000年10 km产水量/mm(b)2005年10 km产水量/mm(c)2010年产水量/mm10 km(d)2015年10 km产水量/mm(e)2020年图3 2000-2020年泉域产水量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of spring water yield forJinan City(2000-2020)721693995970680655671647835814522023 年第 5 期济南泉域年产水量变化在 656980 mm，产水量的空间分布格局与土地利用类型空间分布格局一致，城区产水量明显高于周边其他土地利用类型；而南部植被覆盖度较高的山区产水量低，结合产水模型的计算原理，分析原因为植被蒸散作用的影响，城区植被覆盖较少，区域植被蒸散系数低，水分蒸散损耗少。2.3 水源涵养量2.3.1 时空变化 产水量的变化与分布直接影响区域的水源含养量（刘娇等，2021），受流速系数、地形指数、土壤饱和导水率等因素的影响，水源涵养量与产水量的空间分布呈显著的空间异质性，中西部城区低，南部山区高；各年度的水源涵养量在空间分布上存在一致性（图4）。10 km水源涵养量/mm(a)2000年(b)2005年10 km水源涵养量/mm10 km水源涵养量/mm(c)2010年10 km水源涵养量/mm(d)2015年10 km水源涵养量/mm(e)2020年图4 2000-2020年泉域水源涵养量的空间分布Fig.4 Spatial distribution of water conservationcapacity in spring basin of Jinan City(2000-2020)59908260563055706930刘建军等，近20a济南泉域水源涵养量的时空变化特征532023 年 9 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 5 期济南泉域多年水源涵养量均值为188.8 mm。以2005年最大，为238.3 mm；2015年最低，为157.9 mm；2000年和2020年分别为173.6 mm和176.3 mm，水源涵养量趋势与降水量变化趋势一致（图5）；这与秦岭（宁亚洲等，2020）和三江源国家公园（吕乐婷等，2020）等区域的研究结果一致。2020年降水量较2000年减少了41.9 mm，但水源涵养量却增加了2.72 mm，说明济南泉域水源涵养能力较2000年有很大提升。水源涵养率为水源涵养量与降水量的比值，能有效评价区域的水源涵养能力，泉域多年水源涵养率在23.5%25.9%，平均值为24.2%；与国内其他地区如贵州卡斯特地区10.1%（夏林等，2019）、金沙江干热河谷区10.8%（刘娇等，2021）、都江堰21.7%（傅斌等，2013）、岷江上游25.8%43.9%（刘菊等，2019）、福建森林26.5%37.8%（刘业轩等，2021）以及甘肃黑河流域45%（张福平等，2018）相比，泉域的水源涵养能力较低。对比济南泉域2020年与2000年水源涵养率的变化情况（图6），在区域分布上，可见南部山区的水源涵养能力提升明显，中部及北部区域水源涵养能力有所下降，尤其中部受城市化影响下降显著。年均降水量/mmAnnual precipitation年份Year水源涵养量/mmWater conservation capacity05010015020025002004006008001000120020002005201020152020涵养量降水量图5 2000-2020年泉域水源涵养量与降水量变化Fig.5 Variation of water conservation capacity andprecipitation in Jinan City spring basin(2000-2020)2.3.2 基于土地利用的水源涵养量 各年度不同土地类型水源涵养量见图7。各类型土地利用的水源涵养量差别较大，从大到小依次为：林地草地耕地未利用土地城乡居民点和工矿用地水域湿地，分别为384.4 mm、234.8 mm、156.9 mm、138.4 mm、67.2 mm和 64.7 mm，其水源涵养率分别为 49.15%、30.32%、20.09%、17.69%、8.62%和8.31%。2020年草地水源涵养率较之前有较大提升，对比草地分布的空间变化发现，部分山区草地随着不断加大的生态保护修复力度土地利用类型转出为林地，而山区草地受土壤类型及地形指数（TI）影响，水源涵养量低于其他草地，其他土地利用类型水源涵养率年度变化不大（表3）。10 km水源涵养率变化0.80-0.78图6 2020年与2000年泉域水源涵养率差值变化Fig.6 Difference between the distribution of waterconservation rate in spring basin in 2000 and 2020年份Year水源涵养量/mmWater conservation capacity010020002005201020152020200300400500600耕地林地草地水域和湿地城乡居民点和工矿用地未利用地图7 各年度不同土地类型的水源涵养量Fig.7 Water conservation capacity of differentland types in different years类型耕地林地草地水域湿地城乡居民点和工矿用地未利用土地合计2000年涵养水量41.7441.189.580.46.960.15100涵养率19.9149.1428.27.958.4517.6724.062005年涵养水量39.6342.129.330.398.390.15100涵养率20.1149.8328.428.248.5617.9723.932010年涵养水量37.9642.949.120.419.420.14100涵养率20.0749.8228.418.018.6517.8923.682015年涵养水量36.5944.288.630.559.830.12100涵养率19.9449.0927.988.418.6717.4223.522020年涵养水量27.351.959.591.0410.040.09100涵养率20.4447.8938.598.948.7517.525.94表3 各年份不同土地利用类型水源涵养统计Tab.3 Statistics of water resource conservation of different land use types in different years%542023 年第 5 期从各土地利用类型的水源涵养水量来看，耕地涵养水源量占比呈明显逐年下降趋势，林地呈明显的上升趋势，城乡居民点和工矿用地呈缓慢的上升趋势，其他类型变化不明显。这种变化趋势与土地利用类型变化趋势一致，但两者之间的变化速率与各土地利用类型的产水能力和水源涵养能力有关。大量减少的耕地和快速增加的城乡居民点和工矿用地使泉域的水源涵养能力持续降低，由于林地、草地水源涵养量的提升，泉域近20年水源涵养率也基本保持稳定（表3）。2.3.3 水源涵养功能重要性 根据 资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）评价标准，将累积水源涵养量最高的前50%区域确定为水源涵养极重要区域，同时参照 国家生态保护红线生态功能红线划定技术指南 的分位数分级方法，本文将水源涵养重要性评价标准划分为：(1)分位数50%的区域为极重要区；(2)分位数40%且50%的区域为高度重要区；(3)分位数30%且40%的区域为中等重要区；(4)分位数20%且grasslandcultivated landunused landresidential and industrial landwater bodies and wetlands,with respective water conservation rates of 49.15%,30.32%,20.09%,17.69%,8.62%and 8.31%.The functional water source conservation area within the region was primarily in a few importantareas,accounting for 40%of the conservation and forest land was extremely important,accountingfor 94.62%.The vegetation type and meteorological conditions were the primary factors affectingwater conservation,and the vegetation type should therefore be adjusted according to soil type.Key words：water conservation;InVEST model;land use type;Jinan spring basin刘建军等，近20a济南泉域水源涵养量的时空变化特征57