辽河流域蓝水绿水时空分布特征探究

杨 柏

(本溪市水库移民管理局，辽宁 本溪 117000)

Falkenmark[1]等在1995评价农业生产过程受水资源作用影响时提出了蓝水、绿水的概念，其中蓝水是指可被人类直接利用的来源于大气降水中的地下水和地表水，水资源通常存在于地下含水层、湖泊与河流等；绿水是指对陆地生态系统服务性与生产性的功能发挥保障维护作用的水，通常情况下此类水资源来源于大气降水并下渗至土壤层或非饱和土层中供植被生长。绿水储量和绿水流为绿水的两大组成部分，二者分别代表实际蒸散发和土壤中的储存水分。蓝水、绿水的概念内涵实现了水循环过程与生态过程的紧密联系，并反映了植被和水文过程之间的相互作用关系，流域生态系统中绿水资源发挥着至关重要的作用并得到了国内专家学者的重点关注。对蓝水绿水资源进行系统、全面、科学地评价对于水资源的科学管理与规划具有重要的实际意义。

目前，水文学法、生物学法以及生物水文耦合法为绿水资源评价的主要方法，其中水文学法是从流域尺度利用水量平衡原理对蓝水径流量、绿水蒸散发量进行评估的水文方法，该方法具有数据易获取、成本投入低、模拟分析情景同时评价水资源量及其时空变化等特征。常用的大尺度与小尺度水文模型主要有STREAM、HYLUC与SWAT、ACRU等模型，其中SWAT模型由于具有参数设置少、操作简便等优点被国内外学者广泛应用流域蓝水绿水评价领域。如吴洪涛[2]等对卢氏流域和碧流河流域的蓝水绿水资源时空分布特征运用SWAT模型进行了评估；徐宗学[3]等以渭河流域为例通过有效结合SUFI- 2算法与SWAT模型评估了该流域的蓝水绿水时空分布特征；Zang[4- 5]等对人类活动与气候变化条件下的黑河流域蓝水绿水资源状况运用SWAT模型进行了评估；赵安周[6]等对渭河流域典型年份的蓝水绿水时空差异运用SWAT模型进行了分析和探讨，然后对渭河流域近30a来的蓝水绿水资源受人类活动、气候变化的影响进行了探讨，并认为在人类活动作用下蓝水绿水资源发生了显著的改变。目前，国外相关领域研究的热点主要集中在蓝水绿水资源相关方面的研究，然而对于此方面的研究国内涉及相对较少。

1 区域概况及数据来源

1.1 辽河流域概况

辽河流域分布在我国东北部区域，冬冷干燥漫长夏季炎热多雨属于半干旱半湿润气候过渡区；流域全长约1345km，占地面积约21.9万km2，主要支流有老哈河、大辽河、浑河、太子河等，降雨量和流经量在时空分布上极不均衡，由东南向西北方向降雨量整体呈降低趋势，多年平均降雨量为320～860mm，其中65%以上集中在6—8月份并且多以暴雨或强降雨的形式出现；气温在平原地区较高，多年平均气温为6～9℃，由南向北方向年蒸发量依次递减并处于982～1650mm范围；地形地貌复杂主要以低山区、低山丘陵区、平原区，其中低山丘陵区植被覆盖率较高；地势整体情况由西南向从北方向呈明显的阶梯式下降趋势，不同区域地势高差介于216～840m区间[7- 9]。

1.2 数据来源

DEM数字高程数据来源于国际科学数据共享平台，分辨率为90m×90m并用于研究流域的空间离散化处理；土壤数据包括土壤类型分布和土壤化学属性值，根据全球土壤质地分类图同时考虑辽河流域的地质边界条件设定土壤类型分布图；土地利用类型数据由环境与生态科学研究中心提供，结合流域边界特征提取土地利用类型数据；气象数据主要包括降雨量、日照时长、风速、温度、湿度、蒸散发量、太阳辐射等；水文数据来源于1986—2015年铁岭站、大城子站以及朝阳站径流数据。

2 研究方法

2.1 SWAT模型

SWAT模型是目前广泛应用于水资源评估、水污染模拟、流域径流模拟等领域的半分布式水文模型，对于复杂流域的水文模型的模拟SWAT模型具有良好的适用性与准确性。水量平衡原理为SWAT模型模拟水文循环过程的基础其表达式如下：

(1)

式中，Wt、W0—土壤t天最终含水量和第i天土壤初始含水量；Rday，i、Qsurf，i—分别为第i天的降水量和地表径流量；Ea，i、wseep，i—第i天的蒸散发量和旁通水流水量与土壤剖面底部的渗透水流；Qsw，i—第i天回归流的水量。

对于估计蓝水绿水资源各个分量方面SWAT模型具有较强的适用性，根据SWAT模型输出结果以及绿水的内涵特征可认为深层含水层补给量与SWAT模型输出的各子流域产水量之和即为蓝水资源量；而实际蒸散发和土壤含水量可分别作为绿水流和绿水储量，因此土壤含水量与实际蒸散发量之和即可作为绿水资源量。

2.2 绿水系数

b、g分别为蓝水和绿水资源量，其中绿水资源量主要包括绿水储量和绿水流，绿水资源占水资源总量的比例即可作为绿水系数，其表达式如下：

(2)

式中，IGWC—绿水系数。

2.3 构建SWAT模型

本文结合辽河流域SWAT模型前期建立结果和已有数据资料，为了对水文过程在时空分布上的差异作进一步详细的分析，对原模型进行了改进和优化，如将辽河流域划分为428个水文响应单元和40个子流域，模型率定期即预热期选取流域的月径流数据受人类活动影响极小期(1986—1990年)；模型验证期为1991—1996年。本文遵循数据获取的真实性和可操作性原则对天然状态下流域的降雨产流过程进行了基本的还原。另外，考虑到土壤类型与土层有效含水量、径流曲线数等参数的密切相关性特征改进了模型参数的率定方法，即分别对不同土壤类型与土地利用的参数进行率定；为便于计算并提高运算效率，选取了占土地利用和土壤比例最大的林地、果园、红壤土、水稻土等参数，并分开率定了土层的有效含水量和径流曲线数[10- 11]。

在分析比较的基础上为计算模型模拟效果的可靠性，分别采用纳什效率系数(ENS)与确定性系数(R2)对其进行了评价，相应的计算公式如下：

(3)

式中，ENS—流域径流模拟效率系数；Oi、Pi、O—分别为i时刻的观测值、模拟值以及观测平均值。

(4)

运用改进后的SWAT模型对辽河流域径流过程进行模拟，结果显示实测值与模拟值表现出较好的拟合效果。率定期和验证期确定性系数R2分别为0.88和0.86，纳什效率系数均为0.86。由此表明在辽河流域改进后的SWAT模型具有较高的精度，可准确地评估模拟该流域水文过程以及绿水资源。

3 结果与分析

3.1 蓝水绿水资源量分配及变化

结合辽宁省统计年鉴和水资源规划可知，辽河流域多年平均绿水系数为45%，蓝水资源为该流域水资源配置的主要类型并占总水资源量60.5%。绿水流为流域绿水资源主要组成部分占总量的95.28%，其他部分为绿水储量。绿水资源量在大多数年份均低于蓝水资源量，然而在特别枯水年份的1992、2002和2011年的绿水资源量高于蓝水，见表1。

现有许多流域的研究成果与辽河流域以蓝水为主的水资源配置模式存在一定的差异，在其他大多数流域水资源的构成以绿水资源为主，如喀斯特区域水资源总量的87.4%为绿水资源，而蓝水资源占比处于较低水平；湟水流域绿水资源占水资源总量的80%左右并为蓝水资源的3.8倍；东北碧流河流域绿水资源占水资源总量的56.5%并为蓝水的1.3倍。相对于辽河流域上述流域降雨量相对较低，且气候干旱其干燥度通常大于1。降雨量经过入渗和截留作用大部分转化为生态系统用水而难以形成地表径流。而辽河流域降雨量相对较为丰富并以蓄满产流为主要产流形式，因此在该条件下降水量可更多的转化为地表径流并最终使得蓝水高于绿水资源量。

辽河流域各类型水资源量一元回归分析结果显示，降雨量与蓝水资源存在现出的正相关性，由此表明降雨是蓝水资源的主要来源。降水量与蓝水流、绿水量呈一般的相关显著关系而与绿水系数呈显著负相关性，其原因为水资源总量随降雨量的增大而增加，而植被冠层截留、土壤储存以及植被根系吸收为绿水的主要来源，绿水资源量随降雨量的增大不会无限制地增多，因此在绿水资源达到饱和后绿水系数可随降雨量的增大而减小。绿水储量与降雨未表现出显著的相关性而受土壤类型的影响较为明显。

3.2 蓝水绿水资源空间分布格局

分析和探讨了自然状态下辽河流域的蓝水、绿水资源时空分布特征，结果显示辽河流域西部区域由于蒸散发较强、水面面积较大等因素其绿水流资源量处于较高的水平。辽河流域下游在20世纪90年代呈显著增加趋势，并在21世纪初期开始降低，其原因可能与中下游区域气温波动、降水量差异等因素相关。辽河流域南北区域的绿水储资源量存在显著的差异，整体表现出由南到北依次增加的趋势。南部和中部绿水储资源量在20世纪80—90年代均呈现出增大趋势，而在进入21世纪南部绿水资源逐渐开始降低。流域土壤类型与绿水储量的分布特征存在一定的关系，上游区域土壤以红壤为主，而下游区域主要是水稻土。水稻土具有失水速度快且保水供水性能低于红壤土的特征，而且南部区域绿水储量存在较大差异与土壤类型相关。

从辽河流域上游至下游蓝水资源量整体呈现出先增加后降低的变化特征，蓝水资源在中部区域储存较为丰富，而在南部相对较低并在北部区域最低，引起该变化特征的主要原因与降水量由东南向西北方向依次降低的规律特征相关。辽河流域蓝水资源在空间分布上主要受降水量的影响较为显著，并且从上游到下游表现出先增加后降低的空间变化规律。蓝水资源不仅与土地利用方式、水库修建以及农业灌溉等各种管理条件相关，而且还受到土壤类型、气候环境等自然条件的影响，因此蓝水空间分布规律相对绿水更为复杂。绿水储量的空间分布格局主要受土壤类型影响相对较为稳定。

表1 辽河流域蓝水、绿水资源在1986—2015年的分配状况 单位：mm

4 结论

(1)辽河流域多年平均绿水系数为45%，蓝水资源为该流域水资源配置的主要类型并占水资源总量60.5%。绿水流为流域绿水资源主要组成部分占水资源总量的95.28%，其他部分为绿水储量。绿水资源量在大多数年份均低于蓝水资源量，然而在特枯水年份的1992、2002和2011年的绿水资源量高于蓝水。

(2)降雨量与蓝水资源存在现出的正相关性，降雨是蓝水资源的主要来源。降水量与蓝水流、绿水量呈一般的相关显著关系而与绿水系数呈显著负相关性，其原因为水资源总量随降雨量的增大而增加，而植被冠层截留、土壤储存以及植被根系吸收为绿水的主要来源，绿水资源量随降雨量的增大不会无限制地增多，因此在绿水资源达到饱和后绿水系数可随降雨量的增大而减小。

(3)蓝水资源在中部区域储存较为丰富，而在南部相对较低并在北部区域最低；蓝水资源不仅与土地利用方式、水库修建以及农业灌溉等各种管理条件相关，而且还受到土壤类型、气候环境等自然条件的影响；绿水储量的空间分布格局主要受土壤类型影响相对较为稳定。