荣琨 陈兴伟
（1．滨州学院资源环境系，山东滨州256600;
2．福建师范大学地理科学学院，福建福州350007）
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摘要：应用SWAT模型，研究了晋江西溪流域土地利用／覆被变化(LUCC)对绿水与蓝水资源时空分布的影响。结果表明，土地利用变化导致的西溪流域绿水资源从1970年代的年均625.34 mm减少到2001年的618.5 mm，年绿水总量平均减少了6.48 mm;蓝水资源从1970年代的年均1 019.44 mm增加到2001年的l 026.49 mm,年蓝水总量平均增加了7.05 rnm。土地利用变化造成年内12个月份的绿水都有所减少，蓝水都有所增加，其中处于汛期的6-9月蓝水增加量较大。由于流域上游几个亚流域的林地耕地面移{之和大幅减少等原因，绿水的减少与蓝水的增加主要集中于流域上中游的几个亚流域。
关键词：土地利用／覆被变化(LUCC);绿水；蓝水；SWAT模型；晋江西溪
在影响水资源的许多因素中，土地利用／覆被变化(LUCC)对区域水资源的影响很大，LUCC主要影响流域水循环过程中的蒸散发、径流速度、下渗及土壤水再分配等因子，进而改变流域水量水质和水循环，对流域水量平衡产生重大影响。目前，LUCC对水资源的影响已成为水文学研究的热点。SWAT模型是美国农业部20世纪90年代开发的分布式水文模型，广泛应用于环境变化的水文响应、非点源污染模拟等领域。国内外许多学者运用SWAT模型在美国、中国秦淮河流域、妫水河流域、大清河流域、密云水库等区域成功研究了LUCC对流域水资源的影响，SWAT模型的有效性得到了广泛证明。
随着人口增长和经济的高速发展，世界水资源日益短缺。在水资源研究领域，瑞典科学家Falkenmark在1995年提出了绿水与蓝水的概念。资源学上将直接来源于降水并通过蒸散发作用返回大气的水定义为绿水，绿水的循环主要供给农作物、绿色植物等陆生生态系统，因而形象地称之为绿水。绿水由绿水流和绿水储量2部分组成，绿水流是指实际的蒸散发，绿水储量是指土壤中的蓄水量。蓝水是指在以往进行水资源评价时可利用的水资源总和，地表与地下水资源总量减去重复计算部分即蓝水资源量。绿水对保持陆生生态系统平衡起到重大作用，而且对维护陆生生态系统的生产性和服务性功能有不可替代的作用；绿水是作物生长的重要水源，是雨养农业正常进行的重要条件，目前全球超过60%的粮食生产与绿水密切相关；绿水能够维持森林、草原及湿地植被等生态系统的蒸发流，为野生动植物提供生活环境并保护其物种多样性。绿水的这些作用，使其成为水资源管理的重要组成部分。
目前在国际上，绿水研究正处于起步阶段，正受到越来越多的重视；但在国内，对绿水的研究仍比较缺乏，在水资源管理体系中还未纳入绿水的概念，有关LUCC对绿水影响的研究较少。本文在前期绿水与蓝水研究的基础上，继续以东南沿海2 451 km2的晋江西溪流域为例，以SWAT模拟为基础，研究土地利用变化对绿水与蓝水资源的影响。并分析其时空变化特征，为晋江流域水资源的可持续利用提供借鉴。
1研究区概况
晋江西溪流域（如图1）地处福建省东南沿海的泉州市境内，是晋江各级水系的正源，从西北流向东南方向，与晋江东溪在双溪口汇合后，经过泉州湾人海。本文选择西溪流域为研究区，西溪流程全长105 km，流域面积为2 451 km2，海拔范围为50～1 500 m，地貌大部分为山地丘陵，平原较少。西溪流域的多年平均降水量为1715 mm，西溪多年平均径流量约26.3亿rn3，一年中的4-9月是汛期，径流量约占全年径流总量的77%。土壤类型主要为红壤(44.8%)、水稻土(30.2%)和黄红壤(17.1%)等3类土壤，约占92%。
2模型参数率定与验证
SWAT模型由美国农业部研发，它是一种分布式的流域尺度模型。SWAT模型可以模拟预测不同土地管理措施对流域的水循环、泥沙及非点源污染的影响。搜集SWAT模型所需的地形资料、气象资料、土地利用和土壤资料、农业管理资料等；对西溪流域1972 -1979年的径流进行模拟，接着选取相对误差RE、效率系数Ens和决定系数R2 3个指标用于评价模型的适用性。结果表明，在参数率定期（1972-1975年）中径流模拟的月模拟效率系数（Ens）为0.91，相关系数（R2）为0.92；在参数验证期（1976-1979年）中径流模拟的月模拟Ens为0.85，R2为0.90。模型参数的率定结果较好，模拟精度符合Ens>0.5和R2 >0.6的模拟评价标准，满足流域水文模型的模拟精度要求。在此基础上，对研究区1973-1979年的绿水与蓝水资源进行了研究。
总体上看，经参数率定和验证后，SWAT模型在晋江西溪流域的适应性较好，径流模拟精度较高，是量化研究绿水与蓝水资源的有效办法，可以应用建立的模型进一步研究2001年土地利用方式下绿水与蓝水资源的时空分布特征。
3两期土地利用状况对比
由于研究区1972-1979年间的土地利用图较难搜集，且1979-1985年是我国改革开放的初期，这6年间西溪流域的土地利用变化不大，例如1979-1985年流域所在安溪县耕地面积平均每年仅减少0.23%，因此借鉴前人处理没有研究期内土地利用图的方法，将西溪流域1985年的土地利用图用于1972-1979年的绿水蓝水模拟。研究所需的西溪流域1985与2001年的土地利用资料来源于中科院南京土壤所提供的1:10万福建省土地利用／覆被遥感解译数据。本次研究中使用研究区2001年的土地利用数据代替1972-1979年绿水蓝水模拟时所用的1985年土地利用数据；其余的资料如地形、气象、土壤、降雨、率定的参数等都保持不变；即在相同气候背景下（1972-1979年），以1985年土地利用结构（前一个方案）的模拟结果为对照，研究2001年土地利用方式下（后一个方案）引起的绿水蓝水变化。西溪流域1985与2001年的土地利用方式如图2所示。由图2可知从1985至2001年西溪流域土地利用方式有明显变化，其中林地、耕地、草地都有所减少，同时园地和建设用地却都有增加，尤其是园地所占比例从1985年的2.1%大幅增长到2001年的24.6%，水域的面积变化较小。
4结果与分析
由于SWAT模型需要较长时间的预热期估算土壤水，同时受模拟时段的限制，本文参考前人研究方法，选取第一年(1972)与第二年(1973)作为模型预热期；结果分析时只分析1974至1979年的模拟结果。模型中绿水与蓝水的计算方法详见参考文献[9]。
4.1绿水蓝水的年变化分析
在1985与2001年2期土地利用方式下西溪流域各年的绿水深度变化如表1所示。
表中绿水量为相应年份的绿水流与绿水储量变量之和。结果表明，从1970年代到2001年，由于土地利用变化的因素所引起的绿水资源呈减小趋势，研究期中6年的绿水变化量从1977年的减小10.48 mm到1978年的减小1.34 mm不等，绿水变化率从1977年的-1.67%到1978年的-0.22%不等，6年平均绿水深度从625.34 mm减小到618.5 mm，减小了6.84 mm，6年绿水平均变化率为-1.09%。究其原因，林地与草地的植被覆盖率、土壤湿度都远大于建设用地，因此林地与草地的蒸散发量（即绿水流）大于建设用地；同时西溪流域的耕地以水田为主，水田的土壤湿度与蒸散发量（即绿水流）也比建设用地大；而从1985至2001年西溪流域的林地、草地、耕地都大幅减少，建设用地大幅增加；同时绿水流是绿水的主体部分，因此研究期内的绿水有所减少。由表1还可知，研究区2期用地方式下绿水的变化主要是由绿水流的变化引起的。
研究区1985与2001年2期土地利用方式下各年蓝水深度变化如表2中所示。结果表明，从1970年代到2001年，由于土地利用变化的因素所引起的蓝水资源变化呈增加趋势，研究期中6年的蓝水变化量在1977年最大，增加了10.4 mm，在1978年最小，增加了1.73 mm，6年平均蓝水增加了7.05 mm，6年平均增长率为0.69%。其中蓝水的主体部分产水量( WYLD)有所增加，增长率从1977年的1.25%到1978年的0.2%不等，6年平均产水量增长0.72%。究其原因，从1985至2001年西溪流域林地与草地的面积都大幅减少，或引起降雨截留减弱，会有更多的降雨转化为蓝水；同时由于林草地减少（林草地往往有利于降雨人渗），建设用地增加（人渗能力往往弱于林草地），使得径流增加，蓝水量增加。同期以水田为主的耕地面积大幅减少，导致水田所消耗的水量与蓄积的水量都减少，会增加蓝水量。由于以上原因，土地利用变化因素导致的蓝水量变化为增加。
由表2可知，深层地下水补给量（DA_RCHG）占蓝水的比例较小，与1970年代的计算结果相比，2001年土地利用方式下深层地下水补给量有所减少，变化率从1976年的-2.32%到1975年的-0.11%不等，6年平均变化率为-1.33%。究其原因，由于林地或草地或耕地减少均会导致地下水减少，建设用地增加也会导致地下水减少；同时1985至2001年研究区的林地、耕地、草地均大幅减少，建设用地大幅增加，因此深层地下水补给量减少。表l还表明，绿水占水资源总量的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%；蓝水所占比例由61.98%增加到62.4%。
4.2绿水蓝水的月变化分析
与1974-1979年的年内各月平均模拟结果相比较，2001年土地利用方式下研究区绿水蓝水的各月变化情况如图3所示。结果表明，12个月份的绿水都有所减少，其中6月份的绿水变化量与变化率均为最大，2期相比减少了3.56 mm，减幅为4.36%，此外3月、8月、9月的绿水变化量与变化率也均较大，其余各月份的绿水变化量较小。2期相比12个月份的蓝水都有所增长，但增长的分布不均匀，其中处于汛期的6月、7月、8月、9月其蓝水增加量均较大，而处于非汛期的10月-2月其蓝水增加量均较小。各月蓝水增加量与1974-1979年的年内各月平均蓝水量的相关系数(R2)为0.61，两者的正相关性较高，这与李绍飞、赵芳芳等的模拟结果相一致。而2期相比蓝水的增长率在非汛期的1月、2月、3月、12月均较高，且分别居第1至第4位，这可能与非汛期的蓝水量较小有关。
4.3绿水蓝水的空间变化分析
SWAT模型按照水系将研究区划分为21个亚流域。与1974-1979年的各年平均模拟结果相比较，2001年土地利用方式下研究区21个亚流域的平均绿水、蓝水变化量如图4、图5所示，结果表明，2期土地利用方式下绿水、蓝水变化量的空间分布都不均匀，各亚流域平均绿水变化量从-29.1 mm至20.72 mm不等，平均蓝水变化量从-17.47 mm至30.72 mm不等。由图4可知，2001年土地利用方式下流域上游的绿水减少量更大，如2001年土地利用方式下流域上游的4号、5号、6号、9号亚流域其绿水减少量均超过15 mm。究其原因，上文的分析表明，由于林地与耕地的土壤湿度与蒸散发量（即绿水流）较大等原因，林地或耕地减少会造成绿水减少；同时从1985至2001年流域上游这4个亚流域各自的林地耕地面积之和都大幅减少，因此上游4个亚流域的绿水减少。
由图5可知，与1985年土地利用方式下的计算结果相比，2001年土地利用方式下流域上中游的4号、5号、6号、8号、9号亚流域其蓝水增加量最大。究其原因，上文的分析表明，林地或草地或耕地减少都会导致蓝水资源增加；同时从1985至2001年流域上中游这5个亚流域各自的林地、耕地、草地面积之和都大幅减少，因此上中游5个亚流域的蓝水增加。由以上分析可知，与1985年土地利用方式下的计算结果相比，研究区2001年土地利用方式下绿水资源的减少量主要集中于流域上游的4号、5号、6号、9号亚流域；而蓝水资源的增加量主要集中于流域上中游的4号、5号、6号、8号、9号亚流域。
5结论与讨论
(1)土地利用／覆被(LUCC)变化是影响绿水与蓝水资源时空分布的重要因素，运用SWAT模型可以定量解析西溪流域土地利用／覆被变化对绿水与蓝水资源时空分布规律的影响。
(2)由于土地利用变化的因素所引起的研究区绿水资源变化呈减小趋势，研究期（1974-1979）的6年中2个土地利用方案的平均绿水深度相差6.48 mm，后一个方案绿水减少率为1.09%，其中1977年的绿水资源减小量最大，减小了10.48 mm，变化率为-1.67%；由于土地利用变化的因素所引起的蓝水资源变化呈增加趋势，研究期(1974-1979)的6年中平均蓝水深度增加了7.05 mm，6年蓝水平均变化率为0.69%，其中1977年的蓝水资源增加量最大，增加了10.4 mm，变化率为1.23%；绿水占水资源总量的6年平均比例略减，蓝水所占比例略增。
(3)当土地利用结构中建设用地增加、林草地等减少时，流域绿水减少、蓝水增加。2个方案比较，2001年土地利用结构较1985年结构年内12个月份的绿水都有所减少，其中3月、6月、8月、9月的减幅较大；年内12个月份的蓝水都有所增长，其中汛期的6月、7月、8月、9月其蓝水增加量较大。
(4)由于西溪流域上游的4个亚流域各自的林地耕地面积之和都大幅减少等原因，从1970年代到2001年研究区绿水资源的减少量主要集中于流域上游的4号、5号、6号、9号亚流域；由于西溪流域上中游的5个亚流域各自的林地、耕地、草地面积之和都大幅减少等原因，从1970年代到2001年研究区蓝水资源的增加量主要集中与流域上中游的4号、5号、6号、8号、9号亚流域。
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