疏勒河流域水源供给服务时空变化研究.pdf

水文水资源水利规划与设计 年第 期:/疏勒河流域水源供给服务时空变化研究韦亦刚 曾建军(兰州城市学院城市环境学院 甘肃 兰州 西安理工大学西北旱区及生态水利国家重点实验室 陕西 西安 甘肃农业大学资源环境学院 甘肃 兰州)摘要:水源供给服务功能对于理解和调节生态系统服务功能至关重要 以疏勒河流域气候、土壤、水文、土地利用/覆盖变化和统计数据等为基础 运用 和 技术 结合 模型首先对疏勒河流域 年土地利用与覆被变化进行时空动态分析 其次对流域水源供给功能数量、时空分布特征进行定量评估研究 最后对产水区模拟结果进行模型校验 结果表明:疏勒河流域土地利用类型中未利用地、草地为主、建设用地、水域趋于大幅扩张 林地面积趋于缩减 疏勒河流域、年流域总产水量分别为 、近 年产水量净增 增加 倍 水源供给量在近 年内呈现先减少后增大的趋势 水源供给空间分布特点与产水量高值区均主要集中于流域中上游 研究对于定量评估疏勒河流域产水量和流域高质量发展具有重要实践意义关键词:水源供给服务 生态系统 模型 时空变化 疏勒河流域中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:甘肃省委组织部陇原青年创新创业人才(团队)项目()甘肃省自然科学基金项目()甘肃省高等学校科研项目()甘肃省高等教育教学成果培育项目()作者简介:韦亦刚(年)男 本科生:通讯作者:曾建军(年)男 副教授:生态系统服务协同与权衡反映了生态系统服务供给之间的关系 对于理解和调节区域生态系统服务功能至关重要 水源供给服务功能是区域生态系统服务的重要功能 对区域生物多样性和关键生态系统功能的维持起着重要作用 其功能关系到区域人口、社会经济的发展与布局人类的生存发展和生活离不开水资源 水资源是最重要的自然资源之一 在全球水资源变化背景下 空间量化、可视化地评价区域生态系统水源供给功能是当前水文学和生态学交叉领域的重要研究热点问题 特别是近几来 遥感 技术与水文模型的快速发展 越来越多的学者试图量化、可视化地分析和评估区域生态系统水源供给功能(产水功能)因此 借助遥感 技术 结合生态系统服务模型开展生态系统服务评估方法是解决生态系统服务的协同与权衡的有效方法之一 模型在生态系统服务价值评估中能结合空间信息技术 其独特的运行模式为生态环境模型的开发拓展了视野 在水源供给服务时空变化研究上 模型能基于水量平衡原理考虑不同土地利用类型下土壤渗透性的空间差异性和地形等因素对径流的影响 实现不同景观类型下的水源供给量的定量估算 快速而有效地实现对生态系统服务的评估疏勒河流域深居西北内陆腹地 是河西走廊三大内陆河流域之一 生态环境脆弱 受气候和人类活动变化影响 疏勒河流域水源供给服务发生了较大变化 带来了一系列生态环境问题 为此 以疏勒河流域为典型研究区域 通过使用生态系统服务与权衡综合评估模型()对疏勒河流域的水源供给功能进行科学而适用的定量评估 为政府和相关部门提供更好的依据 对研究者的学术探索提供了理论支持 为推动流域可持续发展和生态环境保护与区域协同发展具有重要实践意义 年第 期水利规划与设计水文水资源 研究区概况疏勒河流域位于中国西北干旱区腹地 面积约为 流域属于大陆性干旱荒漠气候 气候干燥 光热资源丰富 无霜期长 海拔 至之间 流域内拥有世界文化遗产敦煌莫高窟、月牙泉、阳关和玉门关遗址等 遗产享誉国际 是我国“一带一路”发展战略中一个重要节点区域 研究方法与数据处理 产水模型基于水量平衡原理 模型产水量模块利用每个栅格单元的降水量减去实际蒸散后的水量 从而计算出该栅格的产水量 模型假设每个栅格单元的产水量都会通过地下或地表径流的方式输送到流域的出水口其计算模型如下:()式中 第 种土地利用类型下的 栅格的产水量 第 种土地利用类型下的 栅格的年实际蒸散量 栅格的多年平均降水量 基于 的水热耦合平衡假设计算水量平衡的蒸散部分 计算公式如下:()式中 第 种土地利用类型下的栅格 的 干旱指数 植被有效含水量与年平均降水量之比()()()()式中 栅格 的植被有效含水量 用于表征降水季节性特征的季节参数 即 系数 第 土地利用类型下的栅格 的植被蒸散系数 栅格 的参考蒸散量 土 壤 深 度根 系 深 度栅格单元 的植被可利用水分 模型参数 产水模块的输入参数包括气象数据、土壤深度、土地利用类型、植被可利用水分、生物物理参数表和 系数 其参数都对产水量的计算产生影响 使用的坐标系为 降水量和参考蒸散发从中国气象科学数据中心(:/)获取、年周边气象站的降水量数据 用于模型中流域降水输入用 软件进行空间插值 得到降水量的空间栅格数据 疏勒河流域、年的降水量和蒸散发分布如图 所示 土地利用类型利用/遥感影像进行图像解译 结合研究区的景观类型将区域划分为 个大类和 个小类 包括耕地、林地、草地、河流水域、建设用地和未利用地 疏勒河流域、年土地利用类型如图 所示 土壤深度和土壤有效含水量结合甘肃省土壤调查数据、甘肃土种志、土壤图和野外实地土壤样点剖面数据计算出土壤厚度然后利用 软件获得土壤厚度栅格图 为计算土壤有效含水量分析不同土壤质地(砂土、壤图 疏勒河流域、年的降水量分布图水文水资源水利规划与设计 年第 期图 疏勒河流域、年的蒸散发分布图图 疏勒河流域、年土地利用类型图土和粘土)的百分比含量 然后根据景观类型采用土壤有效含水量经验公式进行计算 疏勒河流域土壤深度和植被可利用水空间分布如图 所示 生物物理参数表生物物理参数表描述了研究区的土地利用和土地覆盖类型 包括土地利用编码、植被最大根深和蒸散系数等属性 植被最大根深数据和蒸散系数主要参考前人研究成果、联合国粮农组织的蒸散系数(作物系数)参考值以及 模型数据库资料 根据土地利用类型(景观类型)创建 数据得到 系数 系数是用来衡量当地气候季节因子对降水分配的影响 其值范围通常为 到 为了验证 系数的可靠性 更准确地预测当地的水资源供需情况 根据水文站的多年径流观测数据 采用水量平衡方法对 系数进行校验 当 系数为 时 产水模块的模拟效果最好 结果分析 土地利用/覆被变化分析疏勒河流域未利用地、草地所占面积和比例最图 疏勒河流域土壤深度和植被可利用水空间分布图 年第 期水利规划与设计水文水资源大 其次是耕地和水域 林地、建设用地面积较少 年疏勒河流域土地利用类型及变化特征见表 和如图 所示 分析可知 年研究区内的耕地面积持续增长 增加面积为 反映出近 年该地区农业规模扩大且农业发展迅速 年河流、水域和建设用地面积均呈现不同程度的上升趋势 河流面积增加了 水域面积增加了 建设用地面积也有所增加 其增加幅度较大近 年以来 疏勒河流域的城镇用地面积呈现出快速增长的趋势 表明城镇化进程不断加速 城市规模扩大 人口数量增加 城市化对土地资源的需求也在不断增加 变化趋势可能会对周边生态环境和农业发展产生影响 需要采取相应的管理措施以保护环境和维护生态平衡 然而 城市化进程不断加快且面积扩张 加剧了森林面积的缩减 其中 年研究区内的林地面积增加了 而 年林地面积下降迅速 下降面积 说明城镇用地快速发展的阶段主要是处于 年的 年间 流域在城市化的进程中占用了大量林地 另外 年草地面积上升幅度较小 面积由 年的增加到 年的 近 年增加了 面积变化相对较小利用 空 间 分 析 获 得 疏 勒 河 流 域 年土地利用转移的信息 并通过对不同年份之间各地类转移方向和转移面积的分析 得出 年土地利用类型的转换情况和土地利用转移的空间分布 从表 中可以看出 表 疏勒河流域土地利用面积变化特征土地利用类型 年 年 年 年变化值面积/比例/面积/比例/面积/比例/面积/耕地 林地 草地 河流、水域 建设用地 未利用地 总计表 年疏勒河流域土地利用类型转换表单位:土地利用类型草地耕地建设森林水域未利用地总计草地耕地建设森林水域未利用地总计表 年疏勒河流域土地利用类型转换表单位:土地利用类型草地耕地建设森林水域未利用地总计草地耕地建设森林水域未利用地总计水文水资源水利规划与设计 年第 期 年间疏勒河流域的土地利用转移类型相对复杂 共有 种类型 且转移类型主要集中在流域的中东部和东南部地区 其中 水域转移至未利用地的转移类型面积最大 达到了 其次是未利用地向草地的转换 面积也有 未利用地转移至耕地、林地和水域等类型的转移面积也相对较 多 值 得 注 意 的 是 尽 管 疏 勒 河 流 域 在 年期间的土地利用转移类型复杂 但是 年间建设用地并未发生转移 城镇化发展的速度相对缓慢 年间疏勒河流域的土地利用转移类型数量显著增加 达到了 种 其中 未利用地的转移面积最大 且转换类型最多 转移为耕地、草地、林地、建设用地和水域等多种类型 表明疏勒河流域在近 年间土地利用发生了较为明显的变化 未利用地资源得到了有效开发利用 如未利用地到草地面积转换最大 达到了 变化速度加快 反映了当地的牧场等有很大的发展 其次未利用地到水域、未利用地到耕地 分别转换了、同时 也存在未利用地和耕地转换成了建设用地 转换面积分别达到、表明在 年期间城镇化发展进程加快 在转换类型中 还包括部分未利用地转为了耕地和林地 研究结果表明 疏勒河流域的土地利用类型转移与人类活动密切相关 在近年来 随着人们环保意识的提高 疏勒河流域的土地利用类型转移呈现出一些新特点 例如 建设用地和水域的转移主要向林地和农田转移 反映了人们对保护生态环境的重视 此外 城镇化进程的放缓以及生态文明建设的加快也在推动土地利用类型转移的变化 水源供给服务功能评估利用 和 模型分析疏勒河流域 年的产水量空间分布如图 所示 同时通过栅格计算器将不同时段的产水量图层相减 得到了产水量变化量的空间分布 如图 所示 分析揭示了疏勒河流域的水源供应在时间和空间上的变化规律 并可进一步分析其空间差异和变化特征在产水量数量上、年疏勒河流域总产生量分别为 、这 个年份基于栅格单元的平均产生量分别为 、整体处于上升趋势 年平均产水量上升了 在空间分布上 年疏勒河流域基于栅格像元上的产水量范围为 疏勒河流域的产水量空间分布具有明显的空间差异性 其高值区主要集中在流域中上游地区 而低值区则主要分布在地势起伏较大的山脊处 分布差异与地形的影响密切相关 地形较大起伏导致土壤深度较浅 同时也容易出现水土流失的现象 因此产水量低值区域的土地利用和生态保护需更加注重以有效保障图 年疏勒河流域产水量空间分布图 年疏勒河流域不同时段的产水量变化量空间分布 年第 期水利规划与设计水文水资源疏勒河流域水资源的可持续利用 年 疏勒河流域产水量最大值减小到 随着流域城镇化和建设用地扩张的加速 产水量高值区的范围逐渐向外扩张 流域建设用地扩展导致不透水面面积增加 限制了降水的下渗 同时增加了建设用地上的产水量 使得原有的产水量高值区面积不断扩大 此外 建设用地的扩展还会导致生态系统的破坏和生态环境的恶化 影响流域的水资源供给和水环境质量 因此 应该在流域规划中合理控制建设用地的扩张 保护流域生态环境 维护流域的水资源供给和生态安全 年 疏勒河流域基于栅格像元上的产水量范围为 产水量上升 高值区范围快速扩大 呈现西部快速扩大总体来看 疏勒河流域在 年至 年间的产水量总体呈现上升趋势 而在各个年份上 产水量的变化呈现出不同的特点 具体来说 年 疏勒河流域的产水量呈下降趋势 且下降幅度主要集中在 而从 年开始 产水量的变化趋势发生了转变 呈现出逐渐上升的趋势 需要指出的是 虽然总体上疏勒河流域的产水量呈现出上升趋势 但在流域的不同地区产水量的变化还存在较大的差异 在 年间 疏勒河流域的产水量呈现出上升趋势 具体而言 产水量变化主要集中在 的范围内 其中增加幅度大于 的范围继续扩张 而产水量变化小于 的范围也略微扩大 结论与讨论以疏勒河流域为研究区 对流域近 年土地利用与覆被变化进行动态时空分析 并对水源供给功能数量、时空分布特征进行定量评估和评价研究()年疏勒河流域土地利用类型的变化以草地和未利用地为主导 近 年林地、未利用地面积减少 耕地、水域、建设用地面积快速增长()、年 年疏勒河流域总产水量分别为 、近 年产水量增加 增加 倍 个年份基于栅格单元的平均产生量分别为 、整体上处于上升趋势 年平均产水量上升了 ()近 年疏勒河流域水源供给量的变化呈现先减少、后增大的趋势 与产水量高值区相似 水源供给量的空间分布也主要集中在流域中上游 由于流域中上游区域有较高的降水量和蓄水能力 对整个流域的水资源供给具有重要作用 疏勒河流域以农田、林地对水源供给贡献量最大 疏勒河流域内耕地多为山地地区 尤其是在流域中上游 受季风气候影响 而降水丰富 从而使得水源供给量充足通过 模型对疏勒河流域水源评估 可知 模型也适于大尺度流域的生态系统服务功能评估 特别是西北干旱区生态脆弱区域的水源供给功能评估 但由于疏勒河流域的地形起伏、水文特征和气候条件与国外的差异较大 为确定模型的可靠性 减小模型的精度偏差 需要对模型进行反复校验 此外 发现疏勒河流域近 年水源供给虽然有所好转 但整体功能依旧不够强大 需要进一步加强生态保护 提高水资源的利用效率 以满足不断增长的社会经济发展需求和人民日益增长的水资源需求参考文献 吴树荣 潘换换 姬倩倩 等.基于生态系统服务的山西黄河流域保护优先区识别.生态学报():.:().().杨昀则 田鹏 张海涛 等.基于 模型的甬江流域水源供给功能时空变化特征.水资源与水工程学报 ():./.().丁林 王文娟 梁仲锷 等.不同水肥处理对膜下滴灌玉米农田养分及产量品质的影响.水利规划与设计():.吴哲 陈歆 刘贝贝 等.不同土地利用/覆盖类型下海南岛产水量空间分布模拟.水资源保护 ():.张发荣 惠磊.疏勒河灌区盐渍土分布及影响研究.水利规划与设计():.丁岳 王柳柱 桂峰 等.基于 模型和 模型的环杭州湾生态系统碳储量.环境科学():.岳东霞 陈冠光 朱敏翔 等.近 年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究.生态学报 ():.周妍妍 郭晓娟 郭建军 等.基于 模型的疏勒河流域蒸散量时空动态.水土保持研究 ():.邹明亮 周妍妍 曾建军 等.基于 算法的疏勒河流域荒漠化时空动态监测.西北师范大学学报(自然科学版)水文水资源水利规划与设计 年第 期():.曾建军.景观格局变化背景下疏勒河流域生态承载力和生态需水研究.兰州大学.勾蒙蒙 刘常富 李乐 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结合水文化景观工程建设 提升沿河两岸生态环境和河湟水文化品位 建设水美乡村 结语青海省河湟地区人文历史悠久 是流域精华地带 随着气候变化和人类活动的干扰 流域人口和自然资源矛盾突出 水资源、林草资源、湿地资源都出现了不同程度的衰减 青海省近年来在湟水水污染治理、水源地保护、生态流量保障及河流生态修复等方面取得了显著成绩 仍需再总结以往成绩及经验的基础上 加大重点河段如西宁城区河段的污染治理和修复 通过水资源调配和活化水系 积极推进河湖水系连通、生态修复治理及湿地建设等工程 恢复提升河流渠系的连通性和生态服务功能 为实现青海省湟水流域生态保护与高质量发展提供重要支撑参考文献 李万寿 李晓东.人类活动对湟水流域生态环境的影响.干旱区研究():.李云成 王瑞玲 娄广艳.湟水流域水生态保护与修复研究.水生态学杂志():.青海省水利厅.青海省湟水流域生态流量保障实施方案.青海省生态环境厅.青海省重要饮用水水源地保护“十三五”规划.青海省水电水利勘测设计总院.青海省湟水干支流水电开发环境影响回顾性评价.