南四湖流域地处山东省、河南省、江苏省和安徽省四省的交界处, 位于34° 15′ ~34° 53′ N和114° 50′ ~117° 48′ E之间, 属于淮河流域的重要组成, 行政区上完整包括山东省的菏泽、济宁、枣庄等市以及徐州、商丘、开封、宿州下辖部分县区, 总面积约3.17万km²。全流域地势自北向南降低, 南四湖湖区最低, 入湖河流共计约53条 [图1(a)]。流域地处暖温带半湿润地区, 属暖温带大陆性季风气候, 年平均气温约14 ℃, 年均降水量为700 mm左右, 年均潜在蒸散量为1 400 mm左右。依据传统的“ 土壤发生分类” 系统, 流域分布有盐碱土、人为土、淋溶土、初育土、半淋溶土、半水成土、水成土等7种土纲, 有粗骨土、风沙土等12种土类, 有棕壤性土、褐土、酸性粗骨土等20种亚类土壤, 其中半水成土面积最大, 约占66.08%。2013年全流域69.4 %为农业用地 [图1(b)], 为典型的农业流域, 是我国传统的农业耕作区。

图1

Fig. 1

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	图1 南四湖流域位置与土地利用现状Fig. 1 Location and current land use of Nansi Lake Basin

本研究所用模型为InVEST 3.2.0^[20], 研究选取“ Water Yield” 子模型模拟流域产水量及其空间分布格局。“ Water Yield” 模型基于水量平衡原理, 以某个栅格单元内的降雨量减去实际蒸散发量即为产水量。总产水量包括地表产流、土壤含水量、枯落物持水量和冠层截留等, 不区分地表径流、壤中流和地下径流。因此, 一定区域内的地表产水量越多, 水资源供给服务就越多。根据Zhang等^[21]提出的基于Budyko曲线在模型中自动计算每个栅格的实际蒸散发量。潜在蒸散发参数, 本研究采用InVEST模型提供的“ 改进的Hargreaves公式” ^[17]进行计算。土壤有效含水量, 根据土壤有效水含量经验公式^[22]进行计算。

本研究所采用的数据包括土地利用数据、气象要素数据、土壤基础数据、DEM数据等。土地利用数据包括6期数据, 其中1990、1995、2000、2005、2010年土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据中心, 2013年土地利用数据 [图1(b)] 来源于遥感影像解译。以南四湖流域Landsat TM 影像为基础, 利用ENVI 4.7 进行人机交互式目视解译获得, 解译结果的精度检验采取交叉检验的方式, 精度> 90%。数据空间分辨率均为30 m× 30 m。上述土地利用数据均根据刘纪远等^[23]提出的中国土地利用/土地覆被遥感分类系统对土地利用类型进行分类, 全流域共划分为6种一级地类22种二级地类。降水和气温数据来自中国气象数据网（http://data.cma.cn/）。辐射数据来自NASA官网（http://www.nasa.gov/）。土壤深度和有效含水量来源于联合国粮农组织（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（HWSD）中的中国土壤数据集（1∶ 100万）。DEM数据（空间分辨率30 m）由美国马里兰大学全球土地覆被数据库提供。1995、2000、2005、2010年GDP和人口数据来自中国科学院资源环境数据中心。流域水系数据通过南四湖水利管理局提供的流域水系图（1∶ 20万）矢量化获得。

流域1990— 2013年产水量空间格局分布变化运用ArcMap-Raster calculator功能将两期产水量图层相减得到。近25 a产水量空间变化影响因素采用以下方法分析, 即将各期产水量、降水量、高程、坡度等数据重采样成1 km × 1 km分辨率, 分区统计各县区的数据。在SPSS 21.0统计软件中对每个县区产水量和降水、社会经济数据进行相关性分析。

使用ArcMap空间分析工具里面的multivariate, 选择band collection statistics, 计算当前产水量与驱动因素的相关系数矩阵, 分析当前产水量空间格局影响因素。

以2010年的南四湖流域土地利用、降水、蒸散发数据为基础, 调整z值（表征多年平均降水和其他水文地质特征的常数）, 多次进行产水量的模拟, 并利用ArcGIS分区统计功能提取枣庄、济宁、菏泽三市的产水量, 计算其平均产水模数, 建立产水模数（y）与z值（x）之间的相关关系, 即y=-0.472x+35.21, 并与《山东省水资源公报（2010）》^[24]中相同地区的水资源量进行比较。当z值等于29.4时, 模拟产水模数与实际产水模数吻合, R²高达0.996, 产水量相对误差-0.004 6%。因此, 可以认为当z=29.4时, InVEST模型产水子模块在南四湖流域的模拟效果最好。

模拟结果显示, 当前（2013年）南四湖流域平均产水深度138.67 mm, 产水总量40.82× 10⁸ m³。1990— 2013年南四湖流域年平均产水量变化趋势比较明显, 呈现出先降后升再降低、总体趋势下降的波动变化趋势, 1990— 1995年呈现出下降趋势, 减少幅度较大。1995— 2005年产水量逐步上升。2005年以后产水量持续下降, 下降幅度在34.97%~42.46%之间。总体看来, 流域产水功能出现衰退趋势（图2）。当前流域平均降水深度为597.03 mm, 是近25 a流域降雨量最低值。从总体趋势来看, 1990— 2013年流域平均降雨量波动明显, 1990年降雨量最大, 达到1 026.09 mm, 除了2005年降雨量急剧上升, 流域近25 a降雨量呈现下降趋势。流域产水量与降雨量变化趋势一致, 降雨量为流域生态系统产水功能空间分布的重要驱动因素。

图2

Fig. 2

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	图2 1990— 2013年南四湖流域产水量与降雨量Fig. 2 Water yield and precipitation histograms in Nansi Lake Basin during 1990-2013

流域生态系统产水量空间分布格局与自然地理和社会经济要素的相关性并不密切（表1、图3）, 其中, 产水量空间分布与人口、降水和GDP空间部分格局的相关性相对较高, 但是仅在0.208~0.275之间, 表明除上述因素之外, 还有其他影响因素起着重要作用, 如土地利用类型。总体来看, 当前南四湖流域产水空间格局具有东高西低的特点, 湖东山地、丘陵地区的新泰市、泗水县、山亭区、薛城区、邹城市、滕州市等县区产水量较大, 湖区西部平原的东明县、兰考县、定陶县、曹县、菏泽市、牡丹区等县区水量较低, 流域中部嘉祥县、金乡县、丰县、鱼台县等产水量处于中等水平（图4）。考虑到土地利用类型对流域产水格局的影响, 可以看出, 建设用地或者城区分布集中的地区产水量较高, 林地、草地等土地利用类型产水量较低。城市化的发展增加了不透水地面的面积, 改变了水量平衡, 使得降水入渗减少、洪峰流量增加^[25], 因此建设用地产水量高, 而林地、草地则对地表径流具有拦蓄作用, 同时土壤入渗量增加, 延迟了流域降水量汇流时间, 削减了洪峰流量^[26], 故其产水量较低。

图3

Fig. 3

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	图3 南四湖流域当前产水与各因素分布Fig. 3 The spatial patterns of current water yield and driving factors in Nansi Lake Basin

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 当前产水量与各影响因素相关性分析 Table 1 Correlation analysis of current water yield and various influencing factors DEM 坡度 降水 GDP 人口 相关系数 0.178 0.106 0.236 0.208 0.275

表1 当前产水量与各影响因素相关性分析 Table 1 Correlation analysis of current water yield and various influencing factors

流域生态系统产水量空间分布格局与经济发展水平、人口密度分布并不一致, 分布格局与二者的相关性分别为0.208、0.275。湖区西部产水量高的地方多是经济发达、人口密集的地区, 如砀山县, 生态系统产水量符合经济发展需求, 在该区域经济发展与产水分布相一致。然而, 新泰市、泗水县、山亭区等县区虽然产水量很高, 但是经济发展水平却不高, 人口也比较稀疏, 原因在于这几个县区在山地丘陵地区, 海拔较高。巨野县、曹县、金乡县地处平原, 产水量较低, 但是人口密度却很高。铜山县、丰县等县区降水量高, 因而产水量较高, 但是经济发展水平较低。总体来看, 南四湖流域生态系统产水功能空间分布不均匀。

图4

Fig. 4

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	图4 2013年南四湖流域各县区产水量Fig. 4 Water yield of every district in Nansi Lake Basin in 2013

由图5可知, 1990— 1995年南四湖流域大部分地区产水量呈现下降的趋势, 中部、东部地区产水减少量在200~400 mm 之间, 西部地区产水减少量相对较小, 在0~200 mm之间, 全流域仅有部分地区产水量增加。1995— 2000年流域产水量略有增加, 基本与1995年产水量持平, 南部地区产水量增加, 增加量在0~200 mm之间, 西南部部分地区产水增加量达到200 mm以上; 但是, 北部地区产水量呈降低趋势, 减少量在0~100 mm之间。2000— 2005年流域整体产水量同样呈增加趋势, 仅有西南部部分地区产水量减少。2005— 2010年流域产水量有较大幅度降低, 东部部分地区减少量达到200 mm以上。2010— 2013年流域产水量仍然呈现下降趋势, 大部分地区产水量减少量在100 mm 左右, 仅有东南部部分地区产水量在增加。此外, 产水量峰值区域由东北部的新泰市、泗水县向偏南地区山亭区、薛城区转移, 最低值区由西部定陶县、曹县向中部地区成武县、巨野县转移。总体来看南四湖流域产水量空间格局处于动态变化之中, 并且与降水量空间分布格局一致, 可以看出, 产水量空间分布格局变化主要受降水因素的影响（图5、图6）。

图5

Fig. 5

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	图5 1990— 2013南四湖流域产水变化量 (mm)Fig. 5 Variation of the water yield during 1990-2013 in Nansi Lake Basin

图6

Fig. 6

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	图6 1990— 2013年南四湖流域降水量 (mm) 空间分布格局Fig. 6 Spatial distribution pattern of precipation in Nansi Lake Basin during 1990-2013

如表2所示, 1990— 2013年南四湖流域产水量空间变化趋势与气候、社会经济和土地利用变化因素显著相关。产水量与降雨量变化趋势相同, 显著正相关。因1990年流域发生洪水灾害, 受高强度降雨影响, 产水量为近20多年来最高。而2000年山东省平均降水量比多年平均偏少10.2%, 故流域产水量下降, 属偏枯水年。2005年山东省平均降雨量超出多年平均降水量19.3%, 产水量升高, 属丰水年。2010年山东省比多年平均降水量（679.5 mm）高出2.5%, 产水量变化不大, 属于持平年份。2013年菏泽、济宁、枣庄等地降雨量比多年平均降水量偏少13.6%~23.4%, 流域属枯水年。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 1990— 2013年产水量与各影响因素的相关性分析 Table 2 Correlation analysis of water yield and various influencing factors during 1990-2013 气候因素 社会经济因素 土地利用变化 降雨量 GDP 人口 林地 草地 建设用地 Pearson 相关性 0.875* * 0.371* * 0.281* * -0.983* * -0.896* 0.872* 显著性（双侧） 0.000 0.000 0.000 0.000 0.016 0.024 注：* 、* * 分别表示在 0.05、0.01 水平（双侧）上显著相关。

表2 1990— 2013年产水量与各影响因素的相关性分析 Table 2 Correlation analysis of water yield and various influencing factors during 1990-2013

社会经济活动与土地利用变化紧密联系, 1990— 2013年土地利用类型变化趋势中城市建设用地、草地、林地的面积变化与产水量变化趋势显著相关。城市建设用地与社会经济发展水平是一致的, 因此, GDP高值区域一般位于城市建设用地密集的地区, 人口密度较大, 不透水层面积较大, 容易形成地表径流, 因此, 流域产水量变化与GDP、人口呈现显著的正相关（表2）。

海拔低的低洼地区对地表径流有一定的蓄积作用, 形成径流潜力大, 因此产水量变化与海拔高度呈显著正相关（r=0.321, P< 0.01）。坡度与产水量变化的相关性与海拔相同（r=0.321, P< 0.01）。受坡度和海拔的影响, 流域东部山地、丘陵地区产水量较大, 西部平原地区产水量较低。

南四湖流域水资源区属全国水资源三级分区, 属于淮河区（一级分区）、沂沭泗河区（二级分区）。为了筛选出三级分区水源供给的重要功能区, 本研究依据流域单位面积产水量的数据分布情况, 提出了南四湖流域水源供给功能重要功能区的划分标准（表3）, 将流域170个子汇流单元划分为4个级别, 分别为极重要（Ⅳ ）、中等重要（Ⅲ ）和比较重要（Ⅱ ）以及不重要（Ⅰ ）（表4、图7）。流域产水分区各县区的分布情如表4。I区以耕地和建设用地为主, 虽然建设用地面积分布较大, 但由于降雨量偏低, 加上大面积农田水分耗散, 因此为不重要产水区, 面积占36.1%, 但是水资源供给量仅占22.1%。II区虽然耕地面积分布较大, 但是由于受到丰沛的降水影响, 其产水深度要比Ⅰ 区高, 其面积占流域面积的24.4%, 产水量占流域的25.8%, 是水资源的比较重要功能区域。Ⅲ 型产水区降雨量较大, 且分布有大面积的城镇建设用地, 不透水层的增加使其产水量急剧增加, 在暴雨期间易形成城市内涝以及洪峰风险, 虽然仅占流域总面积的21.2%, 但Ⅲ 型产水区产水总量在所有分区中最大, 占流域总产水量的27.9%, 既是流域洪涝灾害预防的关键区域, 也是水资源供给的中等重要功能区域。林地、草地等大部分位于Ⅳ 区, 处于山东丘陵的边缘地带。山地、丘陵产水区受到地形影响, 降雨量高, 占流域总面积的14.4%, 占流域产水总量的23.7%, 因此单位面积产水量最大, 但是由于受到地形的阻拦以及林地、草地对径流的拦截作用, 洪峰风险相对较低, 对于流域水资源的涵养具有重要作用, 是水资源的极重要功能区域。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 流域水源供给重要功能区划分标准 Table 3 Division criterion of water resources function zoning in the basin 单位面积水源供给量/mm > 220 180~220 140~180 < 140 重要性级别 极重要 中等重要 比较重要 不重要

表3 流域水源供给重要功能区划分标准 Table 3 Division criterion of water resources function zoning in the basin

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 水资源分区中的县区分布情况 Table 4 The distribution of the county districts in water resources 分区 类型 县区 Ⅰ 不重要 鄄城县、郓城县、嘉祥县、牡丹区、巨野县、定陶县、成武县、单县西部、曹县、民权县、兰考县、东明县 II 比较重要 金乡县、鱼台县、单县东部、丰县、沛县、砀山县、铜山县 III 中等重要 汶上县、宁阳县、曲阜市、兖州区、济宁市中区、任城区、邹城市西部、滕州市、薛城区 IV 极重要 新泰市、泗水县、邹城市东部、山亭区、台儿庄区、峄城区

表4 水资源分区中的县区分布情况 Table 4 The distribution of the county districts in water resources

图7

Fig. 7

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	图7 南四湖流域水资源功能区Fig. 7 Water resources zoning in Nansi Lake Basin