CN112214924A - 一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法 - Google Patents

一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，包括：采用流域水文模型将整个流域进行划分，得到水文响应单元空间分布图层并对其进行处理；统计各水文响应单元相应位置内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务，并采用R软件和WinBUG软件通过蒙特卡罗采样建立各水文生态系统服务间的线性关系；对各水文响应单元内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务进行处理，并根据处理结果建立各水文生态系统服务间的贝叶斯线性拟合模型和绘制帕累托效益曲线。本发明通过分别建立的各水文生态系统服务间的线性拟合模型和绘制的帕累托效率曲线，可以为流域土地规划、生物多样性保护和生态补偿提供科学依据。

Description

一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算 方法
技术领域
本发明涉及流域水文生态领域，尤其涉及一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法。
背景技术
生态系统服务是指生态系统所形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用，为人类直接或间接从生态系统得到的所有效益。其中，流域生态系统提供的总产水量、水土保持和水质净化(营养物质保持量)水文生态系统服务对人类福祉产生重要影响，且这些水文生态系统服务与流域水文循环过程与营养物质循环过程密切相关。生态系统对人类社会福祉提供的服务是多重的，并且各种服务之间相互作用相互联系。所谓生态系统服务权衡是指某些类型生态系统服务的供给由于其他类型的生态系统服务使用的增加而减少的状况。协同是指两种或多种生态系统服务同时增强的情形。生态系统服务权衡与协同是进行区域生态系统服务管理与决策的基础。因此，近来如何构建量化生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法成为流域生态学和水环境管理研究的热点。
传统的量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法多以土地利用与覆被变化为媒介定性或定量地分析生态系统服务，具体的方法有地图对比法、情景分析法和生态-经济综合模型法。以上方法未能从生态水文角度和地理化角度考虑生态系统服务之间的相互作用关系。另外，已有的方法未能以“格局-过程-功能-服务”为主线考虑生态水文计算单元和空间地理单元内各水文生态系统服务间的相互作用关系，且未能将水质净化服务进行细分，忽略了有机营养物质保持量和无机营养物质保持量的空间分布的异质性和权衡性。
目前，我国量化流域水文生态系统服务间的权衡与协同关系的计算主要以流域和行政管理单元为计算单元计算各生态系统服务间的相关系数，该方法虽在理论上比较完备，但由于其计算单元的选择未考虑生态系统服务模拟过程的生态水文过程和生态系统服务的地理化，会在很大程度上制约研究结果的实际应用效果；因此，采用何种模型可以模拟基于“格局-过程-功能-服务”的流域水文生态系统服务；如何从生态水文过程角度量化各水文生态系统服务间的相互作用关系；如何从生态系统服务的空间地理化量化各水文生态系统服务间的相互作用关系，是现阶段需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，解决了现有计算管理方法存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，所述计算方法包括：
采用流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个流域划分为多个子流域，并将每一个子流域划分为水文响应单元，得到全流域水文响应单元的空间分布矢量图；在每个水文响应单元内模拟水文循环过程和营养物质循环过程，进而模拟得到河道的流量、泥沙含量和营养物质含量，并将其与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析、率定和校正水文模型；
在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将它两次得到的结果相减得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持和水质净化作为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；
统计各水文响应单元相应位置内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务，并采用R软件和WinBUG软件通过蒙特卡罗采样建立各水文生态系统服务间的贝叶斯线性拟合关系；
对各水文响应单元内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务进行处理，并根据处理结果绘制帕累托效益曲线。
进一步地，所述在不同条件下计算模拟水文响应单元饿的模拟水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量包括：
根据率定和校正的水文模型模拟各个水文响应单元的水文循环过程和营养物质循环过程，得到各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将土壤截留和植被吸收参数配置为0、植被管理和植被覆盖参数配置为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量。
进一步地，所述得到总产水量水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据率定和校正的模型得到各个水文响应单元内的总产水量数据，并将该数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布图层进行连接，得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层。
进一步地，所述得到水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据不同条件下得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量的差值，并将该差值数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布矢量图层进行连接，得到水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布图层。
进一步地，所述对各水文响应单元内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务进行处理，并根据处理结果建立各水文生态系统服务间的贝叶斯线性拟合模型包括：
统计各水文响应单元相应位置内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务，并采用R软件和WinBUG软件通过蒙特卡罗采样建立各水文生态系统服务间的贝叶斯线性拟合关系；
进一步地，所述对各水文响应单元内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务进行处理，并根据处理结果绘制帕累托效益曲线包括：
将基于水文响应单元的各水文生态系统服务空间分布图层转化为栅格格式，并将栅格作为基本地理计算单元；
将各水文生态系统服务相除得到相应的比值栅格图层，图层中每个单元格为对应地理位置的两种水文生态系统服务的比值；
根据两种水文生态系统服务的比值大学对比值图层每个单元格进行升序排列；
根据升序排列的顺序依次分别对单元格对应地理位置的两种水文生态系统服务进行累计求和，并按照结果绘制帕累托效率曲线，根据该曲线的凹凸增减变化趋势判断各生态系统服务之间的相互作用关系。如果该曲线向下凹，且一种生态系统服务呈增加或递减趋势，而另一种生态系统服务呈递减或递增趋势，则该关系为权衡关系；如果该曲线向上凸，且一种生态系统服务呈增加或递减趋势，而另一种生态系统服务也呈增加或递减趋势，则该关系为协同关系。
本发明具有以下优点：。
(1)本发明在流域水文模型的基本计算单元(水文响应单元)尺度上分析水文生态系统服务间的关系，使其具有水文意义和生态学意义，能够有效地提高水文生态系统服务的关系效能，使得管理措施更易于实施。
(2)本发明通过分别建立的各水文生态系统服务间的线性拟合模型和绘制的帕累托效率曲线，可以为流域土地规划、生物多样性保护和生态补偿提供科学依据。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明各流域水文生态系统服务的空间分布图层；
图3为本发明各流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的帕累托效益曲线示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合日本天盐川流域实例对本发明进行进一步详细说明，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明涉及一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，该方法是基于流域水文模型、贝叶斯线性拟合模型和空间分析技术相结合的流域水环境和生态系统管理，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，采用流域水文模型将整个流域进行划分，得到水文响应单元(Hydrologic Response Unit,HRU)空间分布图层，再在各HRU计算单元内模拟水文循环过程和营养物质循环过程，得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
具体为，步骤S1中流域各HRU内总产水量、泥沙产生量和营养物质产生量的模拟，基于流域地形、气象、土地利用和土壤等基础信息，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，也是流域水文模型的基本计算单元，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和营养物质循环过程，将模拟得到的流量、泥沙含量和营养物质含量与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析，率定和验证模型。基于率定和验证的模型，得到各HRU内的总产水量(包括：地表径流、壤中流和地下径流)和泥沙产生量和营养物质产生量，将各HRU内的总产水量在Excel中整理好后，通过空间分析软件，将Excel形式的数据转化成.dbf格式表，再通过ArcGIS软件将该表与HRU空间图层进行连接，进而得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层(如图2a所示)；
S2、设定土壤截留和植被吸收参数为0、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；将两次模型运转得到的泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量相减，得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持(泥沙含量之差)和水质净化(有机和无机营养物质含量之差)视为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；
具体为，步骤S2中水文生态系统服务的模拟，设定土壤截留和植被吸收参数为零、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，得到土壤、植被等相关参数改变后的各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量；将改变土壤、植被等相关参数后模拟得到的各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量减去未改变土壤、植被等相关参数模拟得到的各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量，得到各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量的差值，即该差值就是水土保持和水质净化水文生态系统服务。采用空间分析软件，将各HRU内的水土保持和水质净化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，进而得到该水文生态系统服务空间分布图层(图2b-2f所示)。
S3、将HRU作为基本计算单元，统计各HRU相应位置内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务，采用R和WinBUG软件，利用蒙特卡罗采样，建立各水文生态系统服务间的线性关系(如表1所示)。
表1、基于水文响应单元的个水文生态系统服务间权衡与系统关系的贝叶斯线性拟合
生态系统服务名称 贝叶斯线性拟合
A 无机氮保持量(kg N ha<sup>-1</sup>)
无机磷保持量(kg P ha<sup>-1</sup>) y＝0.03459+0.9308x
有机氮保持量(kg N ha<sup>-1</sup>) y＝0.7547-0.5094x
有机磷保持量(kg P ha<sup>-1</sup>) y＝0.8039-0.6077x
水土保持(Mg ha<sup>-1</sup>) y＝0.6025-0.2051x
总产水量(mmH<sub>2</sub>O ha<sup>-1</sup>) y＝0.7356-0.4711x
B 无机磷保持量(kg P ha<sup>-1</sup>)
有机氮保持量(kg N ha<sup>-1</sup>) y＝0.7151-0.4302x
有机磷保持量(kg P ha<sup>-1</sup>) y＝0.7566-0.5132x
水土保持(Mg ha<sup>-1</sup>) y＝0.5933-0.1866x
总产水量(mmH<sub>2</sub>O ha<sup>-1</sup>) y＝0.731-0.4619x
C 有机氮保持量(kg N ha<sup>-1</sup>)
有机磷保持量(kg P ha<sup>-1</sup>) y＝0.03104+0.9379x
水土保持(Mg ha<sup>-1</sup>) y＝0.1781+0.6438x
总产水量(mmH<sub>2</sub>O ha<sup>-1</sup>) y＝0.3293+0.3413x
D 有机磷保持量(kg P ha<sup>-1</sup>)
水土保持(Mg ha<sup>-1</sup>) y＝0.2659+0.4682x
总产水量(mmH<sub>2</sub>O ha<sup>-1</sup>) y＝0.3292+0.3415x
E 水土保持(Mg ha<sup>-1</sup>)
总产水量(mmH<sub>2</sub>O ha<sup>-1</sup>) y＝0.3408+0.3184x
S4、将各栅格内的总产水量、水土保持、有机和无机营养物质保持水文生态系统服务相除，并对其值进行升序排序，分别对单元格对应地理位置的水文生态系统服务进行累计求和，并按照结果绘制曲线，即得到各水文生态系统服务之间的帕累托效率曲线。
具体为，步骤S4中流域水文生态系统服务间的帕累托效率曲线的绘制，采用空间分析软件，将基于HRU的各水文生态系统服务空间分析图层转化为栅格格式，将栅格作为基本地理计算单元，将各水文生态系统服务相除得比值，得到一个比值栅格图层，图层中每个单元格为对应地理位置的两种水文生态系统服务的比值；然后按照两种水文生态系统服务比值大小对比值图层每个单元格进行升序排列；最后，按照排列的升序顺序，依次分别对单元格对应地理位置的两种水文生态系统服务进行累计求和，并按照结果绘制曲线，即得到两种生态系统服务之间的帕累托效率曲线(如图3所示)。
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 (6)

1.一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，其特征在于：所述计算方法包括：
基于流域地形、气象、土地利用和土壤等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；
在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将它两次得到的结果相减得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持和水质净化作为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；
统计各水文响应单元相应位置内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务，并采用R软件和WinBUG软件通过蒙特卡罗采样建立各水文生态系统服务间的贝叶斯线性拟合关系；
对各水文响应单元内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务进行处理，并根据处理结果绘制帕累托效益曲线。
2.根据权利要求1所述的一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，其特征在于：所述在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量包括：
通过机理性流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个研究流域划分为多个子流域，再通过设定土地利用类型、土壤类型和地形坡度的空间分布面积阈值，并通过空间叠加分析将每一个子流域划分为水文响应单元，进而得到全流域水文响应单元的空间分布矢量图；
模拟在每个水文响应单元上的流域水文循环过程和营养物质循环过程，进而模拟得到河道的流量、泥沙含量和营养物质含量，并将其与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析、率定和校正水文模型；
基于率定和校正的水文模型，模拟各个水文响应单元的水文循环过程和营养物质循环过程，得到各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将土壤截留和植被吸收参数配置为0、植被管理和植被覆盖参数配置为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量。
3.根据权利要求1所述的一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，其特征在于：所述得到总产水量水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据率定和校正的模型得到各个水文响应单元内的总产水量数据，并将该数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布图层进行连接，得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层。
4.根据权利要求1所述的一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，其特征在于：所述得到水土保持和营养物质保持水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据不同条件下得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量的差值，并将该差值数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布矢量图层进行连接，得到水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布图层。
5.根据权利要求1所述的一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，其特征在于：所述对各水文响应单元内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务进行处理，并根据处理结果建立各水文生态系统服务间的贝叶斯线性拟合模型包括：
统计各水文响应单元相应位置内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务，并采用R软件和WinBUG软件通过蒙特卡罗采样建立各水文生态系统服务间的贝叶斯线性拟合关系。
6.根据权利要求1所述的一种量化流域水文生态系统服务间权衡与协同关系的计算方法，其特征在于：所述对各水文响应单元内的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务进行处理，并根据处理结果绘制帕累托效益曲线包括：
将基于水文响应单元的各水文生态系统服务空间分布图层转化为栅格格式，并将栅格作为基本地理计算单元；
将各水文生态系统服务相除得到相应的比值栅格图层，图层中每个单元格为对应地理位置的两种水文生态系统服务的比值；
根据两种水文生态系统服务的比值大学对比值图层每个单元格进行升序排列；
根据升序排列的顺序依次分别对单元格对应地理位置的两种水文生态系统服务进行累计求和，并按照结果绘制帕累托效率曲线，根据该曲线的凹凸增减变化趋势判断各生态系统服务之间的相互作用关系。如果该曲线向下凹，且一种生态系统服务呈增加或递减趋势，而另一种生态系统服务呈递减或递增趋势，则该关系为权衡关系；如果该曲线向上凸，且一种生态系统服务呈增加或递减趋势，而另一种生态系统服务也呈增加或递减趋势，则该关系为协同关系。
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