用SWAT模擬土地利用對綠水藍水的影響：以晉江西溪流域為例
榮琨 陳興偉
（1．濱州學院資源環(huán)境系，山東濱州256600;
2．福建師范大學地理科學學院，福建福州350007）
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摘要：應用SWAT模型，研究了晉江西溪流域土地利用／覆被變化(LUCC)對綠水與藍水資源時空分布的影響。結果表明，土地利用變化導致的西溪流域綠水資源從1970年代的年均625.34 mm減少到2001年的618.5 mm，年綠水總量平均減少了6.48 mm;藍水資源從1970年代的年均1 019.44 mm增加到2001年的l 026.49 mm,年藍水總量平均增加了7.05 rnm。土地利用變化造成年內12個月份的綠水都有所減少，藍水都有所增加，其中處于汛期的6-9月藍水增加量較大。由于流域上游幾個亞流域的林地耕地面移{之和大幅減少等原因，綠水的減少與藍水的增加主要集中于流域上中游的幾個亞流域。
關鍵詞：土地利用／覆被變化(LUCC);綠水；藍水；SWAT模型；晉江西溪
在影響水資源的許多因素中，土地利用／覆被變化(LUCC)對區(qū)域水資源的影響很大，LUCC主要影響流域水循環(huán)過程中的蒸散發(fā)、徑流速度、下滲及土壤水再分配等因子，進而改變流域水量水質和水循環(huán)，對流域水量平衡產(chǎn)生重大影響。目前，LUCC對水資源的影響已成為水文學研究的熱點。SWAT模型是美國農業(yè)部20世紀90年代開發(fā)的分布式水文模型，廣泛應用于環(huán)境變化的水文響應、非點源污染模擬等領域。國內外許多學者運用SWAT模型在美國、中國秦淮河流域、媯水河流域、大清河流域、密云水庫等區(qū)域成功研究了LUCC對流域水資源的影響，SWAT模型的有效性得到了廣泛證明。
隨著人口增長和經(jīng)濟的高速發(fā)展，世界水資源日益短缺。在水資源研究領域，瑞典科學家Falkenmark在1995年提出了綠水與藍水的概念。資源學上將直接來源于降水并通過蒸散發(fā)作用返回大氣的水定義為綠水，綠水的循環(huán)主要供給農作物、綠色植物等陸生生態(tài)系統(tǒng)，因而形象地稱之為綠水。綠水由綠水流和綠水儲量2部分組成，綠水流是指實際的蒸散發(fā)，綠水儲量是指土壤中的蓄水量。藍水是指在以往進行水資源評價時可利用的水資源總和，地表與地下水資源總量減去重復計算部分即藍水資源量。綠水對保持陸生生態(tài)系統(tǒng)平衡起到重大作用，而且對維護陸生生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)性和服務性功能有不可替代的作用；綠水是作物生長的重要水源，是雨養(yǎng)農業(yè)正常進行的重要條件，目前全球超過60%的糧食生產(chǎn)與綠水密切相關；綠水能夠維持森林、草原及濕地植被等生態(tài)系統(tǒng)的蒸發(fā)流，為野生動植物提供生活環(huán)境并保護其物種多樣性。綠水的這些作用，使其成為水資源管理的重要組成部分。
目前在國際上，綠水研究正處于起步階段，正受到越來越多的重視；但在國內，對綠水的研究仍比較缺乏，在水資源管理體系中還未納入綠水的概念，有關LUCC對綠水影響的研究較少。本文在前期綠水與藍水研究的基礎上，繼續(xù)以東南沿海2 451 km2的晉江西溪流域為例，以SWAT模擬為基礎，研究土地利用變化對綠水與藍水資源的影響。并分析其時空變化特征，為晉江流域水資源的可持續(xù)利用提供借鑒。
1研究區(qū)概況
晉江西溪流域（如圖1）地處福建省東南沿海的泉州市境內，是晉江各級水系的正源，從西北流向東南方向，與晉江東溪在雙溪口匯合后，經(jīng)過泉州灣人海。本文選擇西溪流域為研究區(qū)，西溪流程全長105 km，流域面積為2 451 km2，海拔范圍為50～1 500 m，地貌大部分為山地丘陵，平原較少。西溪流域的多年平均降水量為1715 mm，西溪多年平均徑流量約26.3億rn3，一年中的4-9月是汛期，徑流量約占全年徑流總量的77%。土壤類型主要為紅壤(44.8%)、水稻土(30.2%)和黃紅壤(17.1%)等3類土壤，約占92%。
2模型參數(shù)率定與驗證
SWAT模型由美國農業(yè)部研發(fā)，它是一種分布式的流域尺度模型。SWAT模型可以模擬預測不同土地管理措施對流域的水循環(huán)、泥沙及非點源污染的影響。搜集SWAT模型所需的地形資料、氣象資料、土地利用和土壤資料、農業(yè)管理資料等；對西溪流域1972 -1979年的徑流進行模擬，接著選取相對誤差RE、效率系數(shù)Ens和決定系數(shù)R2 3個指標用于評價模型的適用性。結果表明，在參數(shù)率定期（1972-1975年）中徑流模擬的月模擬效率系數(shù)（Ens）為0.91，相關系數(shù)（R2）為0.92；在參數(shù)驗證期（1976-1979年）中徑流模擬的月模擬Ens為0.85，R2為0.90。模型參數(shù)的率定結果較好，模擬精度符合Ens>0.5和R2 >0.6的模擬評價標準，滿足流域水文模型的模擬精度要求。在此基礎上，對研究區(qū)1973-1979年的綠水與藍水資源進行了研究。
總體上看，經(jīng)參數(shù)率定和驗證后，SWAT模型在晉江西溪流域的適應性較好，徑流模擬精度較高，是量化研究綠水與藍水資源的有效辦法，可以應用建立的模型進一步研究2001年土地利用方式下綠水與藍水資源的時空分布特征。
3兩期土地利用狀況對比
由于研究區(qū)1972-1979年間的土地利用圖較難搜集，且1979-1985年是我國改革開放的初期，這6年間西溪流域的土地利用變化不大，例如1979-1985年流域所在安溪縣耕地面積平均每年僅減少0.23%，因此借鑒前人處理沒有研究期內土地利用圖的方法，將西溪流域1985年的土地利用圖用于1972-1979年的綠水藍水模擬。研究所需的西溪流域1985與2001年的土地利用資料來源于中科院南京土壤所提供的1:10萬福建省土地利用／覆被遙感解譯數(shù)據(jù)。本次研究中使用研究區(qū)2001年的土地利用數(shù)據(jù)代替1972-1979年綠水藍水模擬時所用的1985年土地利用數(shù)據(jù)；其余的資料如地形、氣象、土壤、降雨、率定的參數(shù)等都保持不變；即在相同氣候背景下（1972-1979年），以1985年土地利用結構（前一個方案）的模擬結果為對照，研究2001年土地利用方式下（后一個方案）引起的綠水藍水變化。西溪流域1985與2001年的土地利用方式如圖2所示。由圖2可知從1985至2001年西溪流域土地利用方式有明顯變化，其中林地、耕地、草地都有所減少，同時園地和建設用地卻都有增加，尤其是園地所占比例從1985年的2.1%大幅增長到2001年的24.6%，水域的面積變化較小。
4結果與分析
由于SWAT模型需要較長時間的預熱期估算土壤水，同時受模擬時段的限制，本文參考前人研究方法，選取第一年(1972)與第二年(1973)作為模型預熱期；結果分析時只分析1974至1979年的模擬結果。模型中綠水與藍水的計算方法詳見參考文獻[9]。
4.1綠水藍水的年變化分析
在1985與2001年2期土地利用方式下西溪流域各年的綠水深度變化如表1所示。
表中綠水量為相應年份的綠水流與綠水儲量變量之和。結果表明，從1970年代到2001年，由于土地利用變化的因素所引起的綠水資源呈減小趨勢，研究期中6年的綠水變化量從1977年的減小10.48 mm到1978年的減小1.34 mm不等，綠水變化率從1977年的-1.67%到1978年的-0.22%不等，6年平均綠水深度從625.34 mm減小到618.5 mm，減小了6.84 mm，6年綠水平均變化率為-1.09%。究其原因，林地與草地的植被覆蓋率、土壤濕度都遠大于建設用地，因此林地與草地的蒸散發(fā)量（即綠水流）大于建設用地；同時西溪流域的耕地以水田為主，水田的土壤濕度與蒸散發(fā)量（即綠水流）也比建設用地大；而從1985至2001年西溪流域的林地、草地、耕地都大幅減少，建設用地大幅增加；同時綠水流是綠水的主體部分，因此研究期內的綠水有所減少。由表1還可知，研究區(qū)2期用地方式下綠水的變化主要是由綠水流的變化引起的。
研究區(qū)1985與2001年2期土地利用方式下各年藍水深度變化如表2中所示。結果表明，從1970年代到2001年，由于土地利用變化的因素所引起的藍水資源變化呈增加趨勢，研究期中6年的藍水變化量在1977年最大，增加了10.4 mm，在1978年最小，增加了1.73 mm，6年平均藍水增加了7.05 mm，6年平均增長率為0.69%。其中藍水的主體部分產(chǎn)水量( WYLD)有所增加，增長率從1977年的1.25%到1978年的0.2%不等，6年平均產(chǎn)水量增長0.72%。究其原因，從1985至2001年西溪流域林地與草地的面積都大幅減少，或引起降雨截留減弱，會有更多的降雨轉化為藍水；同時由于林草地減少（林草地往往有利于降雨人滲），建設用地增加（人滲能力往往弱于林草地），使得徑流增加，藍水量增加。同期以水田為主的耕地面積大幅減少，導致水田所消耗的水量與蓄積的水量都減少，會增加藍水量。由于以上原因，土地利用變化因素導致的藍水量變化為增加。
由表2可知，深層地下水補給量（DA_RCHG）占藍水的比例較小，與1970年代的計算結果相比，2001年土地利用方式下深層地下水補給量有所減少，變化率從1976年的-2.32%到1975年的-0.11%不等，6年平均變化率為-1.33%。究其原因，由于林地或草地或耕地減少均會導致地下水減少，建設用地增加也會導致地下水減少；同時1985至2001年研究區(qū)的林地、耕地、草地均大幅減少，建設用地大幅增加，因此深層地下水補給量減少。表l還表明，綠水占水資源總量的6年平均比例，由1970年代的38.02%降至2001年土地利用方式下的37.6%；藍水所占比例由61.98%增加到62.4%。
4.2綠水藍水的月變化分析
與1974-1979年的年內各月平均模擬結果相比較，2001年土地利用方式下研究區(qū)綠水藍水的各月變化情況如圖3所示。結果表明，12個月份的綠水都有所減少，其中6月份的綠水變化量與變化率均為最大，2期相比減少了3.56 mm，減幅為4.36%，此外3月、8月、9月的綠水變化量與變化率也均較大，其余各月份的綠水變化量較小。2期相比12個月份的藍水都有所增長，但增長的分布不均勻，其中處于汛期的6月、7月、8月、9月其藍水增加量均較大，而處于非汛期的10月-2月其藍水增加量均較小。各月藍水增加量與1974-1979年的年內各月平均藍水量的相關系數(shù)(R2)為0.61，兩者的正相關性較高，這與李紹飛、趙芳芳等的模擬結果相一致。而2期相比藍水的增長率在非汛期的1月、2月、3月、12月均較高，且分別居第1至第4位，這可能與非汛期的藍水量較小有關。
4.3綠水藍水的空間變化分析
SWAT模型按照水系將研究區(qū)劃分為21個亞流域。與1974-1979年的各年平均模擬結果相比較，2001年土地利用方式下研究區(qū)21個亞流域的平均綠水、藍水變化量如圖4、圖5所示，結果表明，2期土地利用方式下綠水、藍水變化量的空間分布都不均勻，各亞流域平均綠水變化量從-29.1 mm至20.72 mm不等，平均藍水變化量從-17.47 mm至30.72 mm不等。由圖4可知，2001年土地利用方式下流域上游的綠水減少量更大，如2001年土地利用方式下流域上游的4號、5號、6號、9號亞流域其綠水減少量均超過15 mm。究其原因，上文的分析表明，由于林地與耕地的土壤濕度與蒸散發(fā)量（即綠水流）較大等原因，林地或耕地減少會造成綠水減少；同時從1985至2001年流域上游這4個亞流域各自的林地耕地面積之和都大幅減少，因此上游4個亞流域的綠水減少。
由圖5可知，與1985年土地利用方式下的計算結果相比，2001年土地利用方式下流域上中游的4號、5號、6號、8號、9號亞流域其藍水增加量最大。究其原因，上文的分析表明，林地或草地或耕地減少都會導致藍水資源增加；同時從1985至2001年流域上中游這5個亞流域各自的林地、耕地、草地面積之和都大幅減少，因此上中游5個亞流域的藍水增加。由以上分析可知，與1985年土地利用方式下的計算結果相比，研究區(qū)2001年土地利用方式下綠水資源的減少量主要集中于流域上游的4號、5號、6號、9號亞流域；而藍水資源的增加量主要集中于流域上中游的4號、5號、6號、8號、9號亞流域。
5結論與討論
(1)土地利用／覆被(LUCC)變化是影響綠水與藍水資源時空分布的重要因素，運用SWAT模型可以定量解析西溪流域土地利用／覆被變化對綠水與藍水資源時空分布規(guī)律的影響。
(2)由于土地利用變化的因素所引起的研究區(qū)綠水資源變化呈減小趨勢，研究期（1974-1979）的6年中2個土地利用方案的平均綠水深度相差6.48 mm，后一個方案綠水減少率為1.09%，其中1977年的綠水資源減小量最大，減小了10.48 mm，變化率為-1.67%；由于土地利用變化的因素所引起的藍水資源變化呈增加趨勢，研究期(1974-1979)的6年中平均藍水深度增加了7.05 mm，6年藍水平均變化率為0.69%，其中1977年的藍水資源增加量最大，增加了10.4 mm，變化率為1.23%；綠水占水資源總量的6年平均比例略減，藍水所占比例略增。
(3)當土地利用結構中建設用地增加、林草地等減少時，流域綠水減少、藍水增加。2個方案比較，2001年土地利用結構較1985年結構年內12個月份的綠水都有所減少，其中3月、6月、8月、9月的減幅較大；年內12個月份的藍水都有所增長，其中汛期的6月、7月、8月、9月其藍水增加量較大。
(4)由于西溪流域上游的4個亞流域各自的林地耕地面積之和都大幅減少等原因，從1970年代到2001年研究區(qū)綠水資源的減少量主要集中于流域上游的4號、5號、6號、9號亞流域；由于西溪流域上中游的5個亞流域各自的林地、耕地、草地面積之和都大幅減少等原因，從1970年代到2001年研究區(qū)藍水資源的增加量主要集中與流域上中游的4號、5號、6號、8號、9號亞流域。
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