石羊河流域产水服务供需时空变化及驱动因子

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00065

摘要/Abstract

摘要：

开展流域产水服务供需匹配关系的研究对促进区域水资源科学利用及生态环境可持续发展具有重要意义。选取石羊河流域为研究区，基于1990、2000、2010、2020年遥感影像、站点监测及再分析产品数据，采用InVEST模型、用水需求估算、供需指数及地理探测器等方法综合分析1990—2020年石羊河流域产水服务供需现状及演变特征。结果表明：（1）1990—2020年，石羊河流域产水服务供给量空间上呈现西南高东北低的分布特征，1990年产水量最低（16.55×10⁸ m³），2010年最高（19.37×10⁸ m³）。产水服务贡献率最高的为林地及草地。（2）流域产水服务需求量整体呈现西南高东北低的空间分布特征，1990年产水服务需求量最高（20.39×10⁸ m³），2020年最低（17.78×10⁸ m³），耕地是流域用水服务需求量最高的土地利用类型。（3）流域西南部山地产水服务供需匹配程度较高，石羊河干支流流经区次之，而流域东北及东部地区产水服务供需匹配程度较低。研究区内供需指数两极分化明显，区域内水资源供需空间分配极度不均。时间上产水服务匹配状况有逐步好转的迹象，2020年流域产水服务的供需匹配程度有明显提高。（4）地理探测器结果表明，10种因子中影响流域产水量空间分异的最大因子是年降水量，同时，各驱动因子的交互作用解释力均大于单一因子，存在双因子增强及非线性增强两种组合形式。因此，未来亟须加强流域气候变化适应性管理政策的调整，统筹流域水资源综合管理。

关键词: 产水量, 供需关系, 时空格局, InVEST模型, 石羊河流域

Abstract:

To promote the scientific utilization of regional water resources and the sustainable development of the ecological environment， it was imperative to conduct research on the matching relationship between water yield supply and demand in river basins. In this regard， the Shiyang River Basin （SYB） was chosen as the study area. Employing a range of methodologies including remote sensing imagery， site monitoring data， and reanalysis product data from 1990， 2000， 2010， and 2020， we utilize the InVEST model， water demand estimation method， and geographic detector to comprehensively analyze the status and evolution characteristics of the water yield supply and demand in the SYB during the aforementioned period. This research aims to contribute to the advancement of sustainable water resource allocation in the region and was a critical step towards achieving long-term ecological balance and sustainable development in the basin. The results showed that：（1） Over the period spanning from 1990 to 2020， the spatial distribution of water supply within the SYB has been characterized by a high concentration in the southwest and a lower level in the northeast region. The lowest water yield occurred in 1990， measuring approximately 16.56×10⁸ m³， while the highest yield was recorded in 2010， amounting to around 19.37×10⁸ m³. Woodland and grassland exhibit the highest contribution rates in terms of water production. （2）The water demand in 1990 was the highest （20.39×10⁸ m³） and the lowest in 2020 （17.78×10⁸ m³）. Cultivated land is the land use type with the highest water demand in the basin. （3） The matching degree of water supply and demand in the southwestern mountainous area of the basin is higher， followed by the Shiyang River mainstream and tributary area， while the matching degree of water supply and demand in the northeastern and eastern regions of the basin is lower. The polarization of supply and demand index in the study area is obvious， and the spatial distribution of water resources supply and demand in the region is extremely uneven. From 1990 to 2020， the matching status of water production services in Shiyang River showed signs of gradual improvement， and the matching degree of supply and demand of water production services in the basin was significantly improved in 2020. （4） The results of the geo-detector show that the largest factor affecting the spatial differentiation of water yield in the basin among the ten factors was the average annual precipitation. Additionally， the combined effect of multiple driving factors and their interactions has a greater explanatory power than that of a single factor alone. Furthermore， there were two types of enhancement observed： the synergistic effect of two-factor combinations and non-linear enhancements. Therefore， it is crucial to prioritize the strengthening of adaptive management policies for watershed climate change and to promote coordinated watershed management.

Key words: water yield, supply and demand relationship, spatio-temporal pattern, InVEST model, Shiyang River Basin

中图分类号:

X171

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图/表 10

图1 研究区位置

Fig.1 Location of the study area

表1 产水服务供需状况分级

Table 1 Classification of supply and demand of water production service

分级标准	供需指数SDI取值
高度赤字	-1~-0.9
中高度赤字	-0.9~-0.7
中度赤字	-0.7~-0.5
轻度赤字	-0.5~0.0
轻度盈余	0.0~0.5
中度盈余	0.5~0.7
中高度盈余	0.7~0.9
高度盈余	0.9~1.0

图2 自然径流量与模拟产水量的差值

Fig.2 The difference between natural runoff and simulated water yield

图3 1990—2020年流域产水服务供给量的空间分布格局

Fig.3 Spatial distribution pattern of water production service supply in the basin from 1990 to 2020

表2 1990—2020年流域不同土地利用类型产水深度及平均产水量

Table 2 Water yield depth and average water yield of different land use types in the basin from 1980 to 2020

年份	耕地/mm	林地/mm	草地/mm	水域/mm	建设用地/mm	未利用土地/mm	平均产水深度/mm	平均产水量/10⁸m³
1990	32.98	130.14	81.13	0.01	1.85	10.24	41.40	16.65
2000	36.23	136.46	86.13	0.03	1.27	10.97	43.90	17.81
2010	38.48	149.46	95.40	0.05	1.23	11.61	47.75	19.37
2020	37.70	151.06	89.20	0.03	1.75	9.82	45.19	18.32

图4 1990—2020年流域产水服务需求量的空间分布格局

Fig.4 Spatial distribution pattern of water production service demand in the basin from 1990 to 2020

表3 1990—2020年流域各土地利用类型产水服务需求及年总需求 (108 m3)

Table 3 Water production service demand and annual total demand of various land use types in the basin from 1990 to 2020

年份	耕地	林地	草地	建设用地	需求总量
1990	15.20	0.72	1.46	3.01	20.39
2000	15.88	0.47	0.83	1.89	19.07
2010	14.93	0.47	0.94	2.99	19.33
2020	13.70	0.45	0.60	3.03	17.78

图5 1990—2020年流域产水供需差的空间分布格局

Fig.5 Spatial distribution pattern of water supply and demand difference in the basin from 1990 to 2020

图6 1990—2020年供需指数面积变化及时序演变特征

Fig.6 The area change and time series evolution characteristics of supply-demand index from 1990 to 2020

图7 流域产水供给量空间格局驱动因子探测结果注：*表示q值在1%下显著，**表示q值在10%下显著，此外，研究区所筛选因子均通过显著性检验，P值满足置信度检测

Fig.7 Detection results of driving factors of spatial pattern of water supply in watershed

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