基于InVEST模型的延安市水源涵养功能评价

摘要 基于InVEST模型中“Annual Water Yield”板块，计算2002、2012和2022年延安市产水量，并结合地形指数等关键参数对特定区域的产水量进行修正，从而确定水源涵养量，划分水源涵养功能重要性等级，进而对延安市水源涵养量的时空变化特性进行量化分析。结果表明：2002—2022年延安市除耕地面积减少外，其他各类用地面积均有不同程度的增加。土地利用类型的变化主要反映在草地与林地之间、耕地与草地之间的转入与转出。延安市水源涵养量高值主要分布在延安市中部和南部地区，水源涵养量低值区域主要集中在延安市西北地区和洛河东岸部分地区。2002—2022年水源涵养量呈上升趋势。土地利用方式主要借助调整地表覆盖特性来调控水源涵养量的高低，延安市林地的年均水源涵养能力最高。延安市2002—2022年水源涵养功能较低重要区与低度重要区的面积呈现出缩减的趋势，而中度重要区、较高重要区、高度重要区的面积则呈现出增加的趋势。

关键词 InVEST模型；水源涵养量；时空变化特征；土地利用变化；延安市

中图分类号 X 824  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2025）04-0057-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.04.012

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Evaluation of Water Conservation Function in Yan’an City Based on InVEST Model

ZHAO Si rui

（School of Land Engineering， Chang’an University， Xi’an， Shaanxi 710061）

Abstract The study was based on the “Annual Water Yield” section of the InVEST model， calculating the water production in Yan’an City in 2002， 2012 and 2022， and correcting the water production in specific areas by combining key parameters such as terrain index， in order to determine the water conservation capacity， classify the importance level of water conservation function， and quantitatively analyze the spatiotemporal variation characteristics of water conservation capacity in Yan’an City. The results showed that from 2002 to 2022， except for a decrease in cultivated land area， all other types of land use areas in Yan’an City had increased to varying degrees. The changes of land use types mainly reflected the transfer in and out between grasslands and forests， as well as between cultivated land and grasslands.The high value of water conservation capacity in Yan’an City was mainly distributed in the central and southern regions， while the low value areas of water conservation capacity were mainly concentrated in the northwest of Yan’an City and some areas on the east bank of the Luo River. The water conservation capacity showed an upward trend from 2002 to 2022. The land use type mainly relied on adjusting the surface cover characteristics to regulate the level of water conservation capacity， and the annual average water conservation capacity of forest in Yan’an City was the highest.From 2002 to 2022， the areas of areas with lower and low water conservation functions in Yan’an City showed a decreasing trend， while the areas of areas with moderate， higher and high importance showed an increasing trend.

Key words InVEST model;Water conservation capacity;Spatio temporal variation characteristics;Land use change;Yan’an City

作者简介 赵思锐（2000—），女，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向：土地利用。

收稿日期 2024-04-18

生态系统凭借其独特结构，在与水相互作用的过程中展现出水源涵养功能。这一过程涵盖了对降水的截留、渗透和储存，进而通过蒸散发过程来调节水流和水循环。这一功能主要体现在降低地表径流速度、增强地下水补给、减少河流水量季节性波动、维护水质等方面^［1］。自水源涵养概念提出以来，学者们提出多种定量估算方法，主要包括综合蓄水量法^［2］、土壤蓄水能力法^［3］、水量平衡法^［4-5］等。其中，综合蓄水量法考虑降水拦蓄、土壤蓄水等，是理想方法^［6］。土壤蓄水能力法在忽视林冠及枯枝落叶作用后，会导致评价结果偏低^［7］，其土壤蓄水量是影响森林生态系统水源涵养能力的关键因素。水量平衡法适用于各种时空维度，其核心在于降水、蒸发与径流之间的差值关系，但此方法常忽视地表水与地下水之间的相互作用与影响^［8］。

基于土地利用方式能够对水源涵养功能产生显著影响，根据地类分布特征，我国的水源保持能力在空间分布上呈现出东南部较强、西北部较弱^［9-10］。延安市位于黄土高原的丘陵沟壑区域，超过90%的土地被黄土覆盖，地形复杂，植被稀疏，水资源稀缺，因此，水土流失问题十分严重。水资源直接影响着西北干旱、半干旱地区的社会经济发展，为此，定量评估水源涵养重要性对延安市生态系统服务功能的提升具有重要意义。笔者基于InVEST模型，对延安市在2002—2022年水源涵养功能进行评价，揭示水源涵养功能在时空维度上的演变趋势及其重要性等级，旨在为西北地区生态和经济系统的协同发展与长期繁荣提供科学依据，以实现可持续的发展策略。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

延安市位于陕西省北部，地处黄河中游南岸，黄土高原中南地区，地理坐标为35°20′37″～37°30′59″N、107°40′57″～110°32′44″E（图1），总面积为37 070.87 km2。延安市境内河流均属于黄河水系，受黄土地形和生态条件影响，河流水体含沙量较高。

1.2 数据来源

中国30 m精度土地利用数据和流域与子流域数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）。中国1 km逐月潜在蒸散发数据和中国1 km分辨率降水数据均来源于国家地球系统科学数据中心共享服务平台（http：//www.geodata.cn/）。土壤属性数据来自联合国粮农组织（FAO）和维也纳国际应用系统研究所（IIASA）构建的世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database）。1 km 中国土壤深度图参考相关文献中现有数据库（https：//doi.org/10.1038/s41597-019-0345-6）。各数据均提取30 m分辨率的2002、2012和2022年延安市域。

1.3 研究方法

1.3.1

产水量。该研究采用InVEST模型^［11］中“Annual Water Yield”板块计算2002、2012、2022年延安市产水量。该模型基于水量平衡原理，通过计算研究区降水量、土壤深度、潜在蒸散发量和植物可用水分含量等参数，从而计算出研究区内流域产水量。

利用Budyko曲线与研究区年均降水数据，计算出每个栅格单元上年产水量，计算公式如下：

Y i=1-AET iP i×P i（1）

式中：Y i为栅格单元i的年产水量（mm）；AET i为栅格单元i的年实际蒸散发量（mm）；P i为栅格单元i的年降水量（mm）。

基于Fu^［12］和Zhang等^［13］提出的Budyko水热耦合平衡假设，Budyko干燥指数为潜在蒸发量与降水量的比值，不同土地利用类型所对应的AET i/P i计算公式如下：

AET iP i=1+wPET iP i

1+wPET iP i+P iPET i

（2）

PET i=K i×ET i（3）

ET i=0.001 3×0.408×RA×T rag×（TD-0.012 3P）^0.76（4）

w=AWC×ZP i（5）

AWC=min（Soil.Depth，Root.Depth）×PAWC（6）

PAWC=54.509-0.013 Sand-0.003Sand2-0.055Silt-0.006Silt2-0.738Clay+0.007Clay2-2.668OM+0.501OM2

（7）

式中：PET i为栅格单元i的潜在蒸散发量（mm/d）；P i为栅格单元i的年降水量（mm）；w为植物可用水分含量与降水量的比值；ET i为栅格单元i的蒸散发量（mm/d）；K i为植被系数；T rag为研究区日均最高温度与最低温度的平均值（℃）；TD为研究区日均最高温度与最低温度的差值（℃）；RA为太阳大气层辐射［MJ/（m2·d）］；AWC为植物可用水分含量；Z为季节因子系数；Sand、Silt、Clay、OM分别为土壤中砂粒、粉粒、黏粒、有机碳的含量（%）。