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user: 2. 方法和数据 2.1. 方法和模型 InVEST模型(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool， InVEST)，是斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)和世界野生生物基金会(WWF)联合资助的自然资本项目(Natural Capital)，开发用于生态系统服务价值评估和权衡(trade-off)的工具。该模型基于GIS平台，对生态系统服务及其价值进行量化并以地图的形式表现出来 [ 17 ] ，使自然资本价值更为容易地纳入到人类开发和保护的决策之中 [ 3 ] 。InVEST模型中包括用于评估不同生态系统服务及其价值的很多子模型 [ 3 ] [ 17 ] 。其中水库水电生产模型(Reservoir hydropower production)用于评估流域水电生产数量、价值及其空间分布。 水电生产模型中的水平衡概念性框架如图2所示。在某一土地利用/覆被类型的网格上，降水和径流扣除蒸发、蒸腾和补充地下水后，形成产水量(Water yield)；产水量扣除消耗性用水(consumptive water use)后，到达水库水电站用于发电。基于此，水电生产模型包括产水量、水消耗(水稀缺)和水电产量和价值评估3个子模块。为了刻画影响产水量的关键影响因子(如土壤类型、降水、植被类型)的差异性，产水量模型在网格的尺度(pixel-scale)上进行计算。通过加和计算，该模型不仅可以评估全流域年均发电量和价值，而且可以识别出流域每一部分的景观类型或者子流域对发电量及其价值的贡献。必须指出的是，为了计算方便，该模型做了很多的简化，如没有考虑地表水和地下水的相互作用，也没有考虑水供给的时间维度，并且假设水电的价格是静态的等。 2.1.1. 产水量模型(Water yield) 流域的产水量受到多因素的影响，包括流域的降水，蒸发，土地利用/覆盖类型、土壤渗透和植被蒸腾等。产水量模型在栅格尺度上计算各个栅格的产水量，各栅格的产水量是降水量与实际蒸散量之差。计算公式为 [ 3 ] ： (1) 式中：Y(x)为栅格x中的产水量；AET(x)为栅格x的年实际蒸散量；P(x)是栅格x的年均降雨量； 是蒸散量占降水量的比例。 对于有植被覆盖的栅格，根据Budyko表达式 [ 18 ] [ 19 ] 来计算 ： (2) 图1. 研究区域地理位置和子流域 图2. 水平衡概念性框架(图中实线箭头为模型考虑的因素，虚线箭头为模型没有考虑的因素) 式中：PET(x)表示栅格x中的潜在蒸散量，可以用公式(3)计算得到； 是反映气候与土壤特性的无量纲参数，由公式(4)计算得到。 (3) (4) 式中：ET 0 (x)是栅格x中的反映当地气候条件、基于参照植物的参考蒸散量； 为土地利用/覆被类型l x 中的植被蒸散系数，由土地利用/覆被中的植物特征决定。公式(4)中Z是用以表征季节性降雨特征的经验常数；AWC(x)是植被可利用含水量，其值由土壤质地和有效土壤深度决定。 对于其他的土地利用/覆被类型(如水域，建设用地，湿地等)，栅格x中的实际蒸散量AET(x)直接通过参考蒸散量ET 0 (x)计算得到，但是以该栅格的降水量为上限。计算公式为： (5) 2.1.2. 水稀缺模型(Water scarcity model) 该模型用于计算实际达到大坝水电站d的水量。大坝上游集水区的每个网格既是水量的贡献者，也是水量的消耗者。通过表格的形式输入每一种土地利用/覆被类型的消耗性用水量，模型计算出各集水区的消耗性用水总量；加总产水量模型的每个网格的产水量，得到集水区总产水量。两者之差即为实际到达大坝d可用于发电的供水量。计算公式为： (6) 式中：V d 表示实际到达大坝d的水量，Y d 表示大坝d的上游集水区总的产水量，u d 表示大坝d处的上游集水区所消耗的总的水量。 2.1.3. 水电产量和价值评估模型(Hydropower Production and Valuation Model) 该模型用于估算各水电站水电生产的数量及其价值。水电站d年发电量( ，单位为千瓦时)由发电机效率(β，单位为%)、到达大坝水量(V d ，单位为m 3 /yr)、V d 中用于水力发电的水量的比例(γ d ，单位为%)以及水电站水头高度(h d )决定。计算公式为： (7) 水电的价值以水电站生命周期利润的净现值表示，计算公式为： (8) 式中：TC d 表示大坝d处水电站年均总成本，p e 表示发电站提供的电能的市场价格，T表示当前条件下发电站预期的剩余使用时间，r表示市场折现率。模型假定公式中的水电站年成本、水电价格以及年发电量不随时间而改变。 得到水电站生命周期利润的净现值后，可以通过年金计算公式，计算得到水电站的年均利润。各子流域(汇水区)的发电量及其价值通过加总该子流域的所有发电站的发电量和价值得到。 2.2. 数据来源 论文收集了模型运行需要的各种数据，包括流域DEM、土地利用/覆被、降水、蒸发、土壤、植被特点以及流域水电站相关数据，并制作成模型要求的数据格式。数据及其来源见表1。 Table 1 Data and source 数据 数据描述 数据来源 DEM数据 栅格数据，空间分辨率为30 m 地理系统科学数据共享平台(www.geodata.cn) 土地利用/覆被图层 栅格数据，空间分辨率为1000 m 中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn) 降水量图层 栅格数据，空间分辨率为100 m 欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF) (http://www.ecmwf.int/) 植物可利用含水率图层 栅格数据，空间分辨率为1000 m。根据经验公式计算(Gupta and Larson， 1979) [ 20 ] 世界土壤数据库(HWSD) (http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/HTML) 年均参考蒸散量(ET 0 ) 栅格数据，空间分辨率为1000 m 全球干旱和潜在蒸散数据(http://www.cgiar-csi.org/data/global-aridity-and-pet-database) 土壤属性 栅格数据，空间分辨率为1000 m 世界土壤数据库(HWSD) (http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/HTML)，文献 [ 21 ] 土壤深度 栅格数据，空间分辨率为1000 m 世界土壤数据库(HWSD) (http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/HTML) 季节性因子(Z) 描述当地降雨分布格局和水文地理特征的经验常数，在九龙江研究区域中Z值取4。 文献 [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] 植被蒸散系数Kc Excel数据 文献 [ 25 ] 最大根系深度 Excel数据(单位：mm) 文献 [ 26 ] LULC_veg Excel数据 InVEST指南 [ 3 ] 耗水量图层 Excel数据 文献 [ 27 ] 水电站名称和位置 Excel数据 文献 [ 16 ] 现场调查 发电机效率(β)、V d 中用于水力发电的水量的比例(γ d )、水电站水头高度(h d ) \水电站的年均成本(TC d )、水电站使用年限 Excel数据 文献 [ 16 ] 现场调查 发电的价格 p e (元/kw.h) 福建省物价局 折现率r 4.5% 20年期长期国债利率 表1. 数据来源