CN112199456B - 一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，包括采用机理性流域水文模型模拟采集的基础信息进行分析的得到总产水量，并将其作为供给型水文生态系统服务，得到供给型水文生态系统服务空间分布图层；采用市场价值法量化供给型水文生态系统服务的经济价值得到其经济价值空间分布图层；采用空间生态规划模型根据两个空间分布图层模拟流域水资源保护与潜在开发区域的划分。本发明利用机理性流域水文模型分析土地利用变化、土壤性质以及气候、地形等对产水量时空分布的影响及相对重要性，并结合空间生态规划模型鉴别出需要重点保护的水资源区域和潜在开发的水资源区域，提升了水资源保护的全面性与有效性。
Description
技术领域
本发明涉及水资源管理和规划技术领域，尤其涉及一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法。
背景技术
水是人类生存和生产活动必不可少的珍贵自然资源。近年来，随着人口增加和经济快速发展，水资源供需矛盾日益严重。我国人均水资源量少，时空分布不均，属于典型的结构性缺水国家，将流域水资源作为自然生态资源(供给型水文生态系统服务)保护规划的关键要素已成为我国相关政府机构和学术界的普遍共识。因此，提出基于供给水文生态系统服务的流域水资源管理方法是最终解决流域水资源供需矛盾的关键，是实现水资源保护与开发的根本途径之一。
气象、地形、土地利用类型和土壤类型的分布特征影响流域水文循环，进而影响流域产水量时空分布特征，即水资源具有自然属性；流域内水资源提供了人类生活和生产所需水量，创造了经济价值，即水资源具有社会属性；从生态学角度看，产水量是供给型生态系统服务中的一种，即水资源具有生态属性。传统的流域水资源管理方法多从简单的降水与蒸散资料或简单的水文模型估算流域产水量的变化和利用多元统计方法对水资源保护区进行聚类分析，前者未能考虑水文循环过程，后者未能构建水资源保护优先区的分类。此外，先前水文模型模拟采用的计算单元与水资源管理与规划所采用的计算单元未能保持一致，未能做到两者模型的有效耦合。
目前，我国流域水资源管理主要以量化土地利用变化和气候变化对流域水量的影响为主，现有的水资源管理方法在实际应用过程中，无法考虑水资源的社会经济价值和水资源管理保护区空间布局的优化性。
因此采用何种方法从时间和空间上确定流域总产水量的时空分布特征；采用何种方法从时间和空间上确定流域总产水量的时空分布特征；如何将水资源的社会经济价值集成到水资源的保护区选址研究；以及如何明确供给型水文生态系统服务空间保护优先区的分类等问题是现阶段需要解决的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，解决了现有的技术研究分析中存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，所述管理方法包括：
采用机理性流域水文模型模拟水文循环过程，对收集流域地形、气象、土地利用率和土壤的基础信息进行分析的得到总产水量，并将其作为供给型水文生态系统服务，进而得到供给型水文生态系统服务空间分布图层；
采用市场价值法量化供给型水文生态系统服务的经济价值得到其经济价值空间分布图层；
采用空间生态规划模型根据所述供给型水文生态系统服务空间分布图层和所述经济价值空间分布图层模拟流域水资源保护与潜在开发区域的划分。
进一步地，所述得到供给型水文生态系统服务空间分布图层包括：
通过机理性流域水文模型将整个研究流域划分为多个子流域，并将每一个子流域划分为单个或多个水文响应单元(Hydrologic Response Units，HRUs)，得到水文响应单元的空间分布矢量图；其中，HRU是子流域的最基本单元，它表征同一子流域内有着相同的地表覆盖、土壤类型和管理方式；
模拟全流域范围内每个水文响应单元内的水文循环过程，得到各个水文响应单元内的总产水量，并将该总产水量作为供给型水文生态系统服务；
采用空间分析软件将各个水文响应单元内的供给型水文生态系统服务制成属性表并连接到水文响应单元的空间分布矢量图层，进而得到不同特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务空间分布图层。
进一步地，所述得到其经济价值空间分布图层包括：根据所述供给型水文生态系统服务空间分布图层和各个水资源不同用途的市场价格，计算每个所述水文响应单元内供给型水文生态系统服务的经济价值，进而得到供给型水文生态系统服务的经济价值空间分布图层。
进一步地，所述水文响应单元内供给型水文生态系统服务的经济价值计算公式为：
i代表第i个水文响应单元，n为水文响应单元的总个数，EVi为第i个水文响应单元中供给型水文生态系统服务的经济价值，p为利用流域水资源即水量生产产品的单价，q为利用流域水资源生产产品的总量，wi为第i个水文响应单元内的供给型水文生态系统服务。
进一步地，所述模拟流域水资源保护与潜在开发区域的划分包括：
根据所述供给型水文生态系统服务和所述水资源经济价值空间分布图层结合构建水资源优先保护区的空间紧凑性(边界效应)；
采用空间生态规划模型进行基于所述供给型水文生态系统服务的空间优先保护区域的选址研究分析，识别高景观序列值的区域或者景观，即对保持高水平(保护供给型水文生态系统服务数量较大的区域)的所述供给型水文生态系统服务与连通性重要(保护供给型水文生态系统服务的总边界长度较小)的区域或者景观，并明确研究分析区域或者景观的优先保护区域。
进一步地，所述模拟流域水资源保护与潜在开发区域的划分具体为：
将水文响应单元作为空间生态规划模型的优化规划基本计算单元，采用空间分析软件将基于机理性流域水文模型模拟的供给型水文生态系统服务空间分布图层转化为栅格格式，并将其作为空间生态规划模型的生态特征数据进行输入；
如果输入的生态特征数据包括多个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务空间分布图层，且每个空间分布图层的保护重要性不相同，则根据每个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务的保护价值对所有特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务进行区别设置；
采用空间分析软件将流域水资源经济价值空间分布图层转化为栅格格式，并将所述栅格形式的水资源经济价值空间分布图层作为空间生态规划模型的经济成本数据进行输入；
根据保护区域选址连通性的需求和供给型水文生态系统的数量分布特征(总产水量的大小)的优先性逐步从研究分析景观中移除最没有价值的栅格，同时使保护价值的边际损失最小化，得到一个高连通性景观结构的嵌套序列；
在空间分析软件中对确定的供给型水文生态系统服务保护优先区进行分类。
进一步地，所述空间生态规划模型中的栅格移除公式为：
qij为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j在栅格i中的值，qj为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j在除去栅格i后的值，ci为将栅格i纳入保护战略的成本，wj为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j的权重，δi为栅格i的景观序列。
本发明具有以下优点：通过基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，利用机理性流域水文模型分析土地利用变化、土壤性质以及气候、地形等对产水量时空分布的影响及相对重要性，并结合空间生态规划模型鉴别出需要重点保护的水资源区域和潜在开发的水资源区域，提升了水资源保护的全面性与有效性，为流域水资源管理提供了理论支撑。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明流域水文响应单元的空间分布图层示意图；
图3为本发明不同特征时间尺度下供给型水文生态系统服务空间分布图层示意图；
图4为本发明水资源不同用途的经济价值空间分布图层示意图；
图5为本发明未考虑水资源经济价值情况下的供给型水文生态系统服务的空间优先保护区空间分布图层示意图；
图6为本发明考虑水资源经济价值情况下的供给型水文生态系统服务的空间优先保护区空间分布图层示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明涉及一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，该方法是基于流域水文模型-市场价值法-空间生态规划模型耦合作用的流域水资源管理与规划，其具体包括以下内容：
S1、通过收集流域地形、气象、土地利用和土壤等基础信息，采用机理性流域水文模型模拟水文循环过程，得到总产水量，并将其视为供给型水文生态系统服务，进而得到供给型水文生态系统服务空间分布图层；
S2、基于流域内水资源的不同用途，采用市场价值法量化供给型水文生态系统服务的经济价值，得到其经济价值空间分布图层；
S3、基于供给型水文生态系统服务空间分布图层以及其经济价值空间分布图层，采用空间生态规划模型模拟水资源保护与潜在开发区域。
优选地，如图2和图3所示，步骤S1中供给型水文生态系统服务的模拟，基于流域地形、气象、土地利用和土壤等基础信息，机理性流域水文模型将整个研究流域划分成多个次流域，然后将每一个子流域再划为水文响应单元(Hydrologic Response Units，HRUs)，得到HRUs的空间分布矢量图层。HRU是子流域的最基本单元，它表征同一子流域内有着相同的地表覆盖、土壤类型和管理方式，在此基础上，模型在每个HRU上模拟流域水文循环过程，得到各HRU内的总产水量(包括：地表水、壤中流和地下水)，并将该总产水量看作供给型水文生态系统服务。采用空间分析软件，将各HRU内的供给型水文生态系统服务制成属性表，连接到HRUs空间分布矢量图层，进而得到不同特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务空间分布图层。
优选地，如图4所示，步骤S2中流域不同水资源用途的经济价值量化，通过调研和社会经济年鉴资料的收集，根据供给型水文生态系统服务空间分布图层和各水资源不同用途的市场价格，计算每个HRU内供给型水文生态系统服务的经济价值，进而得到供给型水文生态系统服务的经济价值空间分布图层。各HRU内供给型水文生态系统服务的经济价值的计算公式为：
其中，i代表第i个HRU，n为HRU的总个数，EVi为第i个HRU中供给型水文生态系统服务的经济价值，p为利用流域水资源即水量生产产品的单价，q为利用流域水资源生产产品的总量，wi为第i个HRU内的供给型水文生态系统服务。
优选地，如图5和6所示，步骤S3中流域水资源保护与潜在开发区域的划分，基于供给型水文生态系统服务和水资源经济价值空间分布图层，并考虑构建水资源优先保护区的空间紧凑性(边界效应)，采用空间生态规划模型进行基于供给型水文生态系统服务的空间优先保护区选址研究，识别对保持高水平的供给型水文生态系统服务与连通性重要的区域或景观，明确一个研究景观的优先保护区域。包括以下步骤：
A1.将HRUs作为空间生态规划模型的优化规划基本计算单元，采用空间分析软件将基于机理性流域水文模型模拟的供给型水文生态系统服务空间分布图层转化为栅格格式，并将其作为空间生态规划模型的生态特征输入数据；
A2.如果输入的生态特征数据包括多个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务空间分布图层，且每个空间分布图层的保护重要性不一样，这就需要设计保护战略时根据每个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务的保护价值对所有特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务进行有区别性的考虑。在空间生态规划模型中，可以通过赋予各特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务权重来解决上述问题，权重的获取可以通过咨询专家或者决策者得到；
A3.采用空间分析软件将流域水资源经济价值空间分布图层转化为栅格格式，并作为空间生态规划模型的经济成本输入数据；
A4.根据保护区选址连通性的需要和供给型水文生态系统的数量分布特征(总产水量的大小)的优先性逐步从研究景观中移除最没有价值的栅格，同时使保护价值的边际损失最小化，最后得到一个高连通性景观结构的嵌套序列。空间生态规划模型中的栅格移除公式如下：
其中，qij为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j在栅格i中的值，qj为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j在除去栅格i后的值，ci为将栅格i纳入保护战略的成本，wj为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j的权重，δi为栅格i的景观序列。
A5.最后，在空间分析软件中，对确定的供给型水文生态系统服务保护优先区进行分类。将保护价值最高的2％的研究景观分为一级优先区，2％—5％的分为二级优先区，5％—10％的分为三级优先区，10％—25％的分为四级优先区，25％—50％的分为五级优先区，50％—80％的分为六级优先区，80％—100％的分为七级优先区，最终产生一个分级的保护优先区划分图，优先级别越高的区域所提供的水文生态系统服务应该得到保护，优先级别越低的区域所提供的水文生态系统服务可以作为潜在水资源开发区，促进流域水资源的可持续发展。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，其特征在于：所述管理方法包括：
采用机理性流域水文模型模拟水文循环过程，对收集流域地形、气象、土地利用率和土壤的基础信息进行分析的得到总产水量，并将其作为供给型水文生态系统服务，进而得到供给型水文生态系统服务空间分布图层；
采用市场价值法量化供给型水文生态系统服务的经济价值得到其经济价值空间分布图层；
采用空间生态规划模型根据所述供给型水文生态系统服务空间分布图层和所述经济价值空间分布图层模拟流域水资源保护与潜在开发区域的划分。
2.根据权利要求1所述的一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，其特征在于：所述得到供给型水文生态系统服务空间分布图层包括：
基于流域地形、气象、土地利用和土壤的空间分布图层基础信息，采用流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个流域进行划分，得到子流域分布图，再通过设定土地利用、土壤类型和地形坡度的分布面积阈值，进行空间叠加将每个子流域划分为单个或多个水文响应单元，进而得到全流域水文响应单元空间分布图层；
模拟全流域范围内每个水文响应单元内的水文循环过程，得到各个水文响应单元内的总产水量，并将该总产水量作为供给型水文生态系统服务；
采用空间分析软件将各个水文响应单元内的供给型水文生态系统服务制成属性表并连接到水文响应单元的空间分布矢量图层，进而得到不同特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务空间分布图层。
3.根据权利要求2所述的一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，其特征在于：所述得到其经济价值空间分布图层包括：根据所述供给型水文生态系统服务空间分布图层和各个水资源不同用途的市场价格，计算每个所述水文响应单元内供给型水文生态系统服务的经济价值，进而得到供给型水文生态系统服务的经济价值空间分布图层。
4.根据权利要求3所述的一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，其特征在于：所述水文响应单元内供给型水文生态系统服务的经济价值计算公式为：
i代表第i个水文响应单元，n为水文响应单元的总个数，EVi为第i个水文响应单元中供给型水文生态系统服务的经济价值，p为利用流域水资源即水量生产产品的单价，q为利用流域水资源生产产品的总量，wi为第i个水文响应单元内的供给型水文生态系统服务。
5.根据权利要求3所述的一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，其特征在于：所述模拟流域水资源保护与潜在开发区域的划分包括：
根据所述供给型水文生态系统服务和所述水资源经济价值空间分布图层结合构建水资源优先保护区的空间紧凑性；
采用空间生态规划模型进行基于所述供给型水文生态系统服务的空间优先保护区域的选址研究分析，识别对超出阈值水平的所述供给型水文生态系统服务与连通性超出阈值的区域或者景观，并明确研究分析区域或者景观的优先保护区域。
6.根据权利要求5所述的一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，其特征在于：所述模拟流域水资源保护与潜在开发区域的划分具体为：
将水文响应单元作为空间生态规划模型的优化规划基本计算单元，采用空间分析软件将基于机理性流域水文模型模拟的供给型水文生态系统服务空间分布图层转化为栅格格式，并将其作为空间生态规划模型的生态特征数据进行输入；
如果输入的生态特征数据包括多个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务空间分布图层，且每个空间分布图层的保护重要性不相同，则根据每个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务的保护价值对所有特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务进行区别设置；
采用空间分析软件将流域水资源经济价值空间分布图层转化为栅格格式，并将所述栅格形式的水资源经济价值空间分布图层作为空间生态规划模型的经济成本数据进行输入；
根据保护区域选址连通性的需求和供给型水文生态系统的数量分布特征的优先性，采用空间生态规划模型逐步从研究分析景观中移除最没有价值的栅格，同时使保护价值的边际损失最小化，得到一个高连通性景观结构的嵌套序列；
在空间分析软件中对确定的供给型水文生态系统服务保护优先区进行分类。
7.根据权利要求6所述的一种基于供给型水文生态系统服务的流域水资源管理方法，其特征在于：所述空间生态规划模型中的栅格移除公式为：
qij为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j在栅格i中的值，qj为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j在除去栅格i后的值，ci为将栅格i纳入保护战略的成本，wj为某个特征时间尺度下的供给型水文生态系统服务j的权重，δi为栅格i的景观序列。
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