2022年3月 灌溉排水学报 第41卷 第3期 Mar. 2022 Journal of Irrigation and Drainage No.3 Vol.41 105
文章编号：1672 - 3317（2022）03 - 0105 - 09
李 威1，赵祖伦1，吕思思1，赵卫权1,2*
（1.贵州科学院 贵州省山地资源研究所，贵阳 550001；
2.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵阳 550001）
摘 要：【目的】分析流域水质净化功能时空变化及其影响因素。【方法】基于InVEST 模型生态服务水质净化模块，模拟北盘江流域2000、2010年和2020年TN 、TP 输出空间分布。【结果】北盘江流域2000、2010年和2020年TN 、TP 输出总量变化不大，但在空间分布上差异明显，TN 输出总量均在8 000 t/a 以上，20 a 以来总共减少了120.76 t ；TP 输出总量均在1 200 t/a 以上，20 a 来总共减少了5.45 t ，表明流域生态系统水质净化服务功能有逐渐变好趋势。TN 、TP 高输出区域主要集中在北盘江流域上游和中游以及城镇区周边，低输出区域主要在下游地势平坦的区域。【结论】耕地施肥过程中未被吸收转化的N 、P 营养物质以及城镇区的生活生产污水是造成流域水质净化功能恶化的主要因 素，也是流域非点源污染的重要来源。 关 键 词：流域；水质净化；InVEST 模型；北盘江流域
中图分类号：X824；K90 文献标志码：A doi ：10.ps.2021471 OSID ： 李威, 赵祖伦, 吕思思, 等. 基于InVEST 模型的水质净化功能时空分异研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 105-113. LI Wei, ZHAO Zulun, LYU Sisi, et al. Attenuation of Pollutants in Beipanjiang River Basin Calculated Using the InVEST Model[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 105-113.
0 引 言
【研究意义】水资源是地球环境的重要组成部分，
在地表生态服务功能中扮演着关键角，是维持自然生态要素循环的基础和关键纽带，影响着一切生命和物质的能量流动。自20世纪70年代开始，经济快速发展导致用地结构变化，城镇建设用地迅速扩张、人口数量高速增长等导致区域水资源短缺、水污染程度加剧等生态环境问题，已成为制约社会经济可持续发展和影响人们生命健康的重要因素，制约着人类福祉的发展方向[1-3]，地表覆被变化是影响生态系统服务的直接因素之一，其对流域生态水文循环具有营养物吸收和截留净化作用，其净化能力的大小一定程度上反映流域水质的好坏[4-6]。土地利用格局时空演变破坏了区域生态系统的平衡，自然植被遭到破坏、水土流失、土壤质地变化等迫使区域植被和土壤对N 、P 等营养物截留能力（吸
收、保持）减弱，大量的生产生活污水排放、农田化肥、农药使用造成水污染加剧[7-8]。N 、P 等营养物一部分被作物吸收利用，一部分随降雨径流汇入水体，造成区域水环境质量下降，
收稿日期：2021-10-04
基金项目：贵州省自然科学基金项目（黔科合基础[2020]1Y410号，黔科合基础[2018]1418号）；贵州省科技支撑计划项目（黔科合支撑[2018]2806号） 作者简介：李威（1986-），男，贵州遵义人。助理研究员，硕士研究生，主要从事资源环境遥感与3S 技术应用。E-mail:*****************通信作者：赵卫权（1982-），甘肃庆阳人。副研究员，硕士研究生，主要从事资源环境遥感与GIS 应用。E-mail:*****************
不可避免地导致生态系统服务功能的丧失[9]。因此，流域水质净化问题备受关注，是当前生态学研究的前沿和难点问题[10-11]。
【研究进展】当前非点源氮磷污染负荷研究主要集中于以下几个方面[12]：①观察试验研究。该方法需要选取小流域建设径流场，通过定期监测小流域非点源污染物氮磷负荷，一般而言，实测数据的非点源污染损失特征更加符合现实，因此污染负荷的估算精度较高，但是该方法进行定期监测需要大量时间且费用较高，某些特殊区域很难进行应用[13-14]。②景观变化对流域水生环境的影响。许多学者认为流域内景观格局对水文特征和水质具有显著影响[15]，通过研究景观与水质的响应关系与最优结
构，为水资源管理提供决策依据[16]。③机理模型。机理模型一般用于估算非点源氮磷污染负荷、识别关键源区、评估污染风险和研究过程机理等，当前有输出系数模型、经验性模型和过程机制模型等几种类型[17]，其中输出系数模型来自一种“单位负荷测算”思路，核心是测算每个计算单元（人、畜禽或单位土地面积）的污染物产生量，进而估算研究范围内的非点源污染潜在产生量，因其结构简单数据易获取得到广泛应用[18]。例如Wang 等[19]利用动态输出系数模型模拟中国三峡库区的非点源污染，取得了较好的效果。基于经验的模型主要用于估算非点源污染负荷。如Jiang 等[20]利用遥感反演法计算中国九龙江河口面源污染的空间分布，Yang [21]
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系。基于过程机制的模型主要用于模拟非点源污染物的产生、迁移以及对于环境的影响，被认为可以有效克服输出系数模型和经验性模型的缺陷[22]，如SW A T 、SWMM 、HSPF 、AnnAGNPS 、L-THIA 、SPLM 、IMPULSE 等模型[23-26]，机理模型的模型精度一般较为理想。然而，以上的模型也有一些缺陷。输出系数模型虽简单易于操作，但是忽略了非点源污染复杂的迁移过程，并且通用性较差；经验性模型的研究基础是统计分析，适用于内部结构单一的小流域，但是其同样不考虑污染物的
迁移转化，无法从机理上进行解释，模型通常不可移植；机理模型对数据量和数据精度要求较高，经过规范率定和验证能够获得较好精度，且利于移植，模型缺陷是参数众多，需要深入理解过程机制以及获取大量数据。
生态系统水质净化方面也开展了一系列研究工作，如Eugene
等[27]以密西西比河流域景观格局和流
域水质为研究对象，研究显示流域景观格局变化引起区域水质净化发生变化，引起流域水质的动态响应。吴瑞等[28]、MEI
等[29]利用
InVEST 模型分析了官厅
水库流域的水质净化时空变化，研究显示流域水质净化服务呈增强趋势。黄斌斌等[30]对白洋淀流域的研究指出驱动水质净化能力提升的主要因素源于合理土
地利用格局。【切入点】上述研究在评估成本、数据获取和模型可移植性等方面不同程度上存在一定的局限。西南喀斯特山区地形地貌复杂，山多地少，工程性缺水严重，水资源安全问题一直是政府关
注的重点[31-32]。北盘江流域属典型的喀斯特地貌，水土流失、石漠化、地下水污染等一系列的环境问题频发[33-34]。InVEST 广泛应用于生态系统服务评估集成，其营养物传输率模型（NDR ）所需参数数据较容易获取，机理明晰，适宜用于大尺度面源污染模拟研究，且当前对于气候、地形复杂的南方山区研究案例相对较少。因此，开展这一区域的水质净化研究具有重要的科学意义。当前在流域水质方面多数从水体本身质量参数角度开展研究，流域视角下的水质研究和水质净化功能研究较少。【拟解决的关键问题】鉴于此，以北盘江流域(贵州段)为研究区，探讨复杂地形下的流域水质净化时空分异规律及影响因素，为南方喀斯特流域地区水生态修复和水资源管理决策提供科学参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
北盘江流域位于珠江流域上游，介于北纬24°51′—26°45′，东经105°50′—106°20′之间（图1），发源于云南省宣威市板桥乡，在贵州境内长352 km ，地处南盘江在黔西南州册亨县双江镇双江口相交汇入红水河。流域面积22 856.51 km 2，在贵州境内覆盖毕节、黔西南、安顺3个地州市17个区县，多年平均径流
量38.49万m 3，主要有巴朗河、清水河、麻沙河、望漠河、乌都河、大田河、红辣河等大小支流共计14条。地貌类型以内陆喀斯特山地、河谷为主，区域海拔在223~2 871 m 之间，地表崎岖破碎，自西
北部向东南部倾斜，山势陡峻，高差在400~700 m 之间。气候属亚热带湿润季风气候，年均温度13.8~19.4 ℃之间，热量充足，多年平均降水量1 352.8 mm ，主要集中在5—9月，雨量充沛，雨热同季。土壤主要以黄棕壤、黄壤为主，岩成性土壤有石灰土、紫土等地
带性土壤。流域内人类活动区域空间差异大，水土流失、石漠化等生态问题严重。
图1 研究区地理位置图 Fig.1 The location of study area
1.2 数据与方法
1.2.1 数据来源
研究数据源主要由以下部分组成：①气象数据，来源于中国气象科学数据共享网（ic/），包含研究区及周边45个气象站点2000、2010年和2020年总降水量（图2）；②DEM 数据，空间分辨率为30 m ，来源于地理空间数据云（www.gscloud/）；③
基于1∶10万TM 影像解译的2000、2010、2020年土地利用数据（图3），数据来源于地理国情监测云平台（www.dsac/），将土地利用类型划分为林地、耕地、建设用地、草地、水域5大类；④其他数据，包括研究区行政边界、政府驻地、河流等；所有数据利用研究区矢量边界对其进行裁剪，均统一转换为WGS84/Albers Equal Area Conic 投影参与空间分析。 1.2.2 研究方法
1）流域划分
研究区流域范围和子流域的划分主要采用ArcGIS 水文分析工具，对流域数字高程DEM 进行填洼，计算流程、流量，描绘分水岭、计算河网，确定出水口等方式划分流域和子流域边界，经计算研究区
册亨
贞丰
钟山
紫云
盘州
六枝
兴仁
镇宁
西秀
水城
望谟
遵义市
毕节市
黔南州
黔东南州
铜仁市
黔西南州
安顺市贵阳市
六盘水市普安
晴隆
关岭乌
60
km 30
0km
160
800
江
流
域
南
盘
江
多感官教学流
域
!.±
(m)
地州界研究区政府驻地高程223
2 871. All Rights Reserved.
李威 等：基于InVEST 模型的水质净化功能时空分异研究
107
共划分为43个子流域，子流域是作为InVEST 模型在流域尺度N 、P 营养物输出量的统计单元。
2）Aunsplin 气象插值
北盘江流域地形复杂，海拔高差大，长期强烈的流水切割作用使得中下流峡谷分布广泛，区域气候空间差异性大，降水时空分布不均（图2）。流域降水空间分布对流域水文模拟具有重要意义，传统的气象插值方法误差较大[35-36]。Anusplin 气象插值方法在复杂地表的插值精度优于Cokriging 、IDW 、Kriging 等传统气象插值方法[37-38]，因此，本研究采用Aunsplin 基于
普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论，引入研究区地形因子作为协变量进行降水空间化插值。其原理是通过建立气象观测站点的气象要素与站点经度、纬度及协变量（高程）之间的相关统计关系，并通过相应模块模拟计算研究区所有网格点的气象要素值，其公式为：
Z i =f (x i )+b n y i +e i (i=1……N )， （1）
式中：Z i 为栅格单元i 的因变量；f (x i )为要估算的关于x i 的位置光滑函数；x i 为独立变量；y i 为p 纬独立的协变量；b 为y i 的p 纬系数；e i 为函数的随机误差。
(a) 2000年 (b) 2010年 (c) 2020年
杨忠万图2 2000、2010、2020年北盘江流域降水空间分布
Fig.2 The spatial distribution map of precipitation in the study area in 2000, 2010, and 2020
(a) 2000年 (b) 2010年 (c) 2020年
图3 2000、2010、2020年北盘江流域土地利用类型分布 Fig.3 The landuse of the study area in 2000, 2010, and 2020
3）InVEST 模型
InVEST 模型由美国斯坦福大学（Stanford University ）环境森林研究所、世界自然基金（World Wide Fund For Nature ）和大自然保护协会（The Nature Conservancy ）在2007年共同研发，是一种基于不同地表状况下的生态服务系统评估模型。模型中水质净化模块的主要原理是分析流域范围内的N 、P 营养物质从外界进入地表后再到河流湖库的空间运输过程，表征地表不同覆盖状况对N 、P 营养物质的截留服务
能力大小以及迁移过程和规律。模型水质净化营养物输出量的表达式为：
X exptot =∑X exp ,i i ，
（2）
X exp ,i =load surf ,i ⋅NDR surf ,i +load subs ,i ⋅NDR subs ,i ，（3） 式中：X exp,i 为流域范围中每个栅格单元i 的营养物输出量；load surf ,i 为地表营养物的负荷量；NDR surf ,i 为地表营养物的传输率；load subs ,i 为地下营养物的负荷量；NDR subs ,i 为地下营养物的传输率；X exptot 为区域划分
子
流域的营养物总输出量。
R
R R
R R
R
R
R
R R
R
R
R
R
盘县册亨县
贞丰县
钟山区
紫云县兴仁县kidd血型
镇宁县
西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县±
普安县关岭县0
60km
688.09降水量/mm
R
R R
R R
R
R
R
R R
R
R
R
R
盘县册亨县
贞丰县
钟山区
紫云县兴仁县
镇宁县
西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县±
普安县关岭县0
60km
465.37降水量/mm R
R R
R R
R
R
R
R R
R
R
R
R
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县
西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县±
普安县关岭县0
60km
1 765.48降水量/mm 盘县册亨县
贞丰县
钟山区
紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县
普安县关岭县±
政府驻地R
建设用地耕地林地
草地水域0
60km
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县
普安县关岭县±
政府驻地R
建设用地耕地林地
草地水域0
60km
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县
普安县关岭县±
政府驻地R
建设用地耕地林地
草地水域0
60km
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NDR i =NDR 0,i (1+exp (
IC t -IC 0
k
))-1，
（4）NDR 0,i =1-eff i '，
（5）
eff i '={eff LULC i
(1-s i )
if down i is a stream piexl
eff down i 's i +eff LULC i (1-s i ) if eff LULC i >eff down i
'
，eff down i '
otherwise
（6）
s i =exp (
-5l i down l LULC i
)， （7） IC =log 10(
D up D dn
)，
（8） D up =S
̄√A ，（9） D dn =∑d
i S i i ，
（10）
式中：NDR 0,i 为下游栅格单元未保留的营养物传输率，与栅格单元在地表上的空间位置无关；IC t 为域地形指数；IC 0和k 为矫正系数；eff ′
i 为营养物在地表栅格单元i 传输到河流之间的最大截留效率；eff LULC i 为土地利用类型i 到达流的最大截留效率；eff ′down i 为下游栅格单元i 上的有效截留效率；s i 为步长因子；l i down 为栅格单元i 到流域下游地区相邻栅格的路径距离；l LULC i 为土地利用类型栅格单元i 的有效截留距离；
D up 为上坡区域的平均斜率梯度（m/m ）；A 为上坡贡献面积（m 2）；d i 为区域坡度最大的栅格下坡方向
沿第i 个单元的流动路径距离；S i 为第i 个单元的斜率梯度。
2）地下营养物传输率计算如式（11）所示
NDR subs,i =1- eff subs (1-e -5l i
l subs )，
（11）
邹祥凤式中：i 为栅格单元，NDR subs ,i 为栅格单元i 的地下营养物的传输率，eff subs 为从地表栅格单元能够下渗到地下的营养物最大截留效率，l subs 为地下河流的截留长度，即土壤能够保持营养物最大容量所需的距离，l i 为栅格单元到地下河流的距离。
模型输入参数包括研究区域DEM 数据（填洼后）、土地利用数据、子流域范围、流域流量累积阈值、营养物径流代理、氮磷营养物输出负荷和最大滞留距离、植被滞留效率以及Boreselli k 参数。其中营养物径流代理采用研究区年总降水量代替，流域流量累积阈值与Boreselli k 参数经过多次试验调试，最终确定流域
据自然环境的相似性，氮磷营养物输出负荷系数、植被滞留效率参考InVEST 模型手册和相关学者的研究成果[39-41]，取值见表1。
表1 N 、P 营养物负荷系数和截留效率
Table 1 N and P output coefficients and retention efficiency
土地类型 TN 负荷/(kg·hm -2·a -1) TP 负荷/(kg·hm -2·a -1) T N 、TP 截留效率
耕地 24.2 5.75 0.25 林地 3.68 0.28 0.7 草地 8.5 0.55 0.4 水域 0.01 0.01 0.05 建设用地
14.5
3.85
0.05
2 结果与分析
桐城派散文2.1 TN 、TP 输出空间分异
InVEST 模型水质净化模块通过模拟流域地表TN 、TP 输出量来表征区域水质净化功能大小和差异，北盘江流域单位面积TN 、TP 输出量（子流域、栅格单元）空间分布如图4和图5所示，子流域TN 、TP 单位面积输出量越大，子流域总输出量也越大，表明流域水质净化功能越差，水质越差。从空间上看，TN 、TP 单位面积输出量在各个子流域中时间和空间上的差异较为明显，单位面积TN 输出量最小值和最大值均分布在2010年，分别为1.51 kg/hm ²和5.21 kg/hm ²，二者相差3倍以上；而TP 输出量在各个年份之间最大最小值变化不大，单位面积TP 输出量最小值为0.11 kg/hm ²，最大值为0.87 kg/hm ²，二者差距近8倍，同样也分布在2010年，表明2010年在子流域尺度上N 、P 等营养物质输出空间分布差异性明显，从2000年到2020年TN 、TP 子流域输出量动态年变化程度大的区域主要分布在普安县、晴隆县和关岭县等流域中游地区，TN 输出量上，高值区域主要出现在北盘江流域上游的钟山区、水城县南部，西北盘州市区域、中部晴隆县、六枝特区以及关岭县和镇宁县周
边区域，低值区域出现在普安县北部、册亨县以及望谟县周边区域，TP 输出量上，高值区域主要分布在钟山区、水城县以南，盘州市以东、六枝特区、镇宁县、关岭县等区域，低值区域主要分布在流域下游的册亨县、望谟县等区域。
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李威 等：基于InVEST 模型的水质净化功能时空分异研究
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（a ）2000年 （b ）2010年（c ）2020年
（d ）2000年 （e ）2010年 （f ）2020年
图4 2000、2010、2020年北盘江流域TN 输出量（栅格尺度、流域尺度）空间分布
Fig.4 The spatial distribution of TN(raster scale, watershed scale) outputs of study area in 1995,2000 and 2010
（a ）2000年 （b ）2010年 （c ）2020年
（d ）2000年 （e ）2010年 （f ）2020年
图5 2000、2010、2020年北盘江流域TP 输出量（栅格尺度、流域尺度）空间分布
Fig.5 The spatial distribution of TP (raster scale, watershed scale) outputs of study area in 1995, 2000 and 2010
盘县册亨县贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县六枝特区晴隆县普安县关岭县0
60km
±
单面面积TN 输
出量/(kg·hm )
1.92-2盘县册亨县贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县六枝特区晴隆县普安县关岭县0
60km
±
单面面积TN 输
出量/(kg·hm )
1.92-2盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县六枝特区晴隆县普安县关岭县0
60km
±
单面面积TN 输
出量/(kg·hm )
1.90-2盘县册亨县
贞丰县
钟山区
紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县六枝特区晴隆县
普安县关岭县
60km
单面面积TN 输
出量/(kg·hm )
-2±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县六枝特区晴隆县
普安县关岭县
60km
单面面积TN 输
出量/(kg·hm )
-2±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县
普安县关岭县
60km
单面面积TN 输
出量/(kg·hm )
-2±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县
西秀区
水城县
望谟县六枝特区晴隆县普安县关岭县0
60km
单面面积TP 输
出量/(kg·hm )
-2±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县
西秀区
水城县
望谟县六枝特区晴隆县普安县关岭县0
60km
单面面积TP 输
出量/(kg·hm )
-2±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县
西秀区
水城县
望谟县
六枝特区晴隆县普安县关岭县0
60km
单面面积TP 输
出量/(kg·hm )
-2±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县
六枝特区0
60km
单面面积TP 输
出量/(kg·hm )
-2晴隆县普安县关岭县
±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县
六枝特区0
60km
单面面积TP 输
出量/(kg·hm )
-2晴隆县普安县关岭县
±
盘县册亨县
贞丰县
钟山区紫云县兴仁县
镇宁县西秀区
水城县
望谟县
六枝特区0
60km
单面面积TP 输
出量/(kg·hm )
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