《Environmental Research》：Holistic Assessment of India’s Water Security using coupled Climate-Human Intervention Models
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水资源管理与InVEST模型在印度的应用研究。摘要显示：基于InVEST模型分析1985-2018年印度六大地貌分区的水资源动态，发现降水转水产量比例（32%-38%）波动较小，但潜在蒸散量显著上升，导致洪旱频发。研究强调城市扩张和农业用地增加对水文影响，提出优化土地利用以增强水资源可持续性。
作者：Shray Pathak、Daniel Jato-Espino、Chris Zevenbergen
印度理工学院Ropar分校土木工程系，Rupnagar，旁遮普邦140001，印度
摘要
水资源规划与质量治理在社会经济发展、公共卫生以及确保粮食和能源安全方面发挥着至关重要的作用。然而，由于气候变化和人类活动的影响，水资源管理日益面临挑战。子流域尺度的建模已成为应对这些空间和时间变化的一种实用方法。由自然资本项目（Natural Capital Project）开发的InVEST模型是一种可靠的解决方案，能够估算水质和资源量，因为它采用了一种稳健的技术来理解社会经济发展所需的水资源安全状况。本研究通过分析气候变化的动态变化，试图了解四十年来水资源的安全状况。该分析将印度划分为六个主要的地理区域，这些区域在物理特征、地质结构和地形起伏方面存在差异，这些因素共同影响了印度的景观、气候和生态系统。土地利用和土地覆盖类型被分为八类，结果显示森林、荒地和冰雪/冰川面积有所减少，而农业用地、城市地区、湿地、水体和牧场的面积则呈增长趋势。尽管发生了这些变化，但几十年间平均降雨量转化为水资源的百分比基本保持稳定，分别为1985年的38%、1995年的36%、2005年的33%和2018年的32%。此外，还观察到潜在蒸散量在四十年间显著增加。这一趋势表明，气候变化和人类活动对潜在蒸散量产生了巨大影响，但降水量变化并不明显。潜在蒸散量是导致洪水频率增加和干旱事件频发的关键因素。为了缓解这些挑战，建议对城市土地利用类型进行仔细评估，以减少环境影响并保持水文系统的稳定性。
引言
水是一种稀缺的自然资源，在实现生态安全的同时平衡社会经济发展尤为重要，尤其是在像印度这样的干旱和半干旱地区。通过降水和融雪获得的水资源极易受到多种因素的影响，包括气候变化（Birkmann等人，2022年；P?rtner等人，2022年；Wang等人，2022年）。由于水资源短缺的问题，水文生态系统服务成为生态系统管理中的一个热点话题（Brauman，2015年；Bailey等人，2022年；Gibson等人，2022年）。水资源产量是水文生态系统服务的一个关键方面，对于管理生态系统和维持水文平衡至关重要（Brauman，2015年；Bailey等人，2022年；Gibson等人，2022年）。然而，水资源产量的估算存在很大不确定性，这主要是由于气候变化可能导致的水资源产量的显著时间和区域变化（Mararakanye等人，2022年；Piao等人，2010年；Yin等人，2022年）。做出明智的生态系统管理决策需要详细和全面地了解影响水资源产量的各种因素（Deihimfard等人，2022年；Lu等人，2013年）。水资源产量可以通过从降水量中扣除地下水和蒸散量来计算（Pie等人，2022年；Terrado等人，2014年），也可以通过生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）模型来估算（Pathak等人，2019年）。许多地区正在采用基于InVEST模型的水资源管理技术（Bangash等人，2013年；Redhead等人，2016年；Zhang等人，2012年），因为该模型考虑了水分平衡（Cai等人，2022年；Long等人，2014年；Bonan等人，2015年；Shi等人，2022年）。先前的研究表明，土地利用和气候变化是水资源产量变化的重要驱动因素（Arunrat等人，2022年；Pessacg等人，2015年）。
在印度，水资源产量是一个关键问题，因为该国面临严重的水资源短缺挑战（Mondal等人，2023年）。水资源产量是指一个地区可用的水量，受气候、降水量、土壤类型、植被和土地利用模式等因素的影响。鉴于印度对农业的依赖程度很高，而农业消耗了该国大量水资源（Khare，2023年），解决水资源短缺问题至关重要，尤其是在季风季节某些地区仍会出现水资源短缺的情况（Prayag等人，2023年）。
印度面临的一个主要挑战是水资源管理效率低下（Das等人，2022年）。需要付出更多努力，印度必须继续投资于水资源保护和管理，以确保满足不断增长的需求（Hoque等人，2022年；Vema等人，2022年）。导致印度水资源短缺的原因有很多，包括人口快速增长、森林砍伐导致的地下水枯竭、向水体排放污染物、储存设施不足以及在水资源匮乏地区的过度开采地下水。尽管印度的降水量位居世界第二，但由于水资源管理不善，该国仍然面临水资源短缺和干旱问题（Agarwal等人，2025年；Tripathi等人，2025年）。因此，全面了解印度的水资源状况对于实施可持续的水资源管理政策至关重要。先前的研究缺乏对印度全国范围内水资源产量的分析。然而，最近的技术进步现在使得能够进行针对特定用户规模的分析，提供更精确和详细的见解。地理信息系统（GIS）和遥感的最新发展使得可以使用更复杂的空间模型来模拟水文过程，例如土壤和水资源评估工具（SWAT）（Chordia等人，2022年；Jayakrishnan等人，2005年；Lee等人，2022年）、自然资源保护服务-曲线数（NRCS-CN）（Mishra等人，2018年；Pathak等人，2017年）、降水径流模型（PRMS）（Markstrom等人，2008年）和InVEST模型（Zhang等人，2012年）。InVEST模型被广泛认可并常用于评估生态系统服务，如水资源产量、养分保持、作物授粉和沉积物保持，尤其是在数据有限的地区（Hamel等人，2015年；Outeiro等人，2015年；Posner等人，2016年；Pathak等人，2021年；Groff等人，2016年；Redhead等人，2018年）。
一个关键焦点是研究不同降水量和土地利用类型对水资源产量的影响。许多研究通过将降水量强度的变化和温度变化作为模型输入来识别气候变化的敏感性（Ezaz等人，2022年；Lu等人，2013年；Zhang等人，2019年；Redhead等人，2016年），但忽略了土地利用类型（如农业）与气候之间的相互作用及其变异性（Li等人，2018年）。Budyko框架是一种广泛使用的水文模型，它将水分平衡组成部分（如降水量和蒸散量）联系起来，以估算某一地区的长期水资源可用性（Budyko，1974年；Panday等人，2024年）。少数研究应用了Budyko框架来考虑这些驱动因素引起的空间变化（Choudhury等人，1999年；Yang等人，2008年；Pathak等人，2019年）。早期的方法主要考虑了干旱参数（Teng等人，2012年；Feng和Fu，2013年）；然而，最近的模型扩展到了包括土地利用变化在内的水资源产量估算（Yang等人，2018年；Berghuijs等人，2017年；Zhang等人，2016年）。虽然这些技术标志着重要的进步，但它们的应用范围仍然有限。应用统计模型可以通过整合历史和当前的动态变化，并更有效地解决相关不确定性来改进这些方法。此外，统计模型包括敏感性评估，为利益相关者提供了补充视角。最后，将统计方法与理论模型相结合可以提供水资源丰富或短缺的直观表示。整合这些模型可以进行全面评估和区域异质性分析，从而支持更有效的管理策略的发展。
在本研究中，InVEST模型被应用于印度，这是一个生态系统和景观多样化的国家，尤其容易受到气候变化的影响。为了有效捕捉空间变化，印度被划分为六个行政区域。本研究有四个主要目标：（1）评估1985年至2018年间InVEST模型在印度干旱和半干旱地区的广泛应用性；（2）分析六个指定区域内平均水资源产量（MWY）的地理分布；（3）研究不同土地利用类型对气候变量的响应；（4）评估自1985年以来潜在蒸散量（PET）的时空变化。
研究区域
研究区域
选择印度作为研究区域是因为其地形起伏多变且水资源管理面临持续挑战。印度选择作为研究区域是基于其多样的地形，包括山脉、丘陵、高原和平原。这种多样的地形对全国水资源的分布和可用性产生了重大影响。不同地区的河流、湖泊和地下水储层的存在促进了复杂的水文循环。
方法论
关于生态系统变化导致的水流变化的信息由InVEST水资源产量模型提供（Tallis等人，2010年）。Budyko理论是一个实用函数，用于计算潜在蒸散量与实际蒸散量的比例，这是该模型的基础（Budyko，1974年）。许多研究使用单参数函数复制了Budyko曲线，该函数还报告了长期水分平衡与理论值的偏差。
土地利用变化
土地利用和土地覆盖图被分为八类，如图3所示：湿地、水域、冰雪/冰川、牧场、林地、建筑用地、荒地和农业用地。从1985年到2018年，林地面积从23.14%下降到18.78%。相比之下，农业用地面积从57.63%增加到60.49%。城市用地面积从1.04%增加到1.98%，这意味着城市面积增加了约30,933平方公里。荒地和冰雪/冰川面积也有所变化。
讨论
如图1所示，对印度及其六个划定区域的水资源产量进行了估算。1985年、1995年、2005年和2018年，降雨量转化为水资源的百分比分别估计为38%、36%、33%和32%。自1985年以来，印度降雨量转化为水资源的百分比没有显著变化，数值大致相同。对于印度的六个划定区域，北部...
结论
研究表明，InVEST模型在1985年以来的四十年间适用于印度干旱和半干旱地区的大规模应用。模型表现表明，InVEST是一种在多样化的气候和土地利用条件下进行区域尺度水文评估的稳健且适应性强的工具。地理模式分析显示，六个指定区域内的平均水资源产量存在显著的空间异质性，高产量集中在...
作者贡献声明
Shray Pathak：撰写初稿、验证、方法论、正式分析、数据整理、概念化。Chris Zevenbergen：撰写与编辑、可视化、方法论。Daniel Jato-Espino：撰写与编辑、方法论、正式分析
未引用参考文献
Canqiang等人，2012年；CGIAR CSI；Pei等人，2022年；Taylor等人，2019年；Zhang等人，2018年。
利益冲突声明
作者声明本文的发表不存在任何利益冲突。本文不包含任何涉及人类参与者或动物的研究。
竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢Anusandhan国家研究基金会（ANRF，前身为科学与工程研究委员会SRG/2022/001266）和印度政府科技部提供的启动研究资助和支持，以完成这项研究。
