拓宽思路，科学评价水资源量

摘要：对蓝水和绿水的内涵进行了梳理，并对其评价方法进行了综合分析，认为水文模型法是同时评价蓝水和绿水资源量时空变化特征的有效方法。在此基础上以渭河流域为例，构建了渭河流域分布式水文模型SWAT，并采用SUFI-2算法进行参数敏感性分析、参数率定、模型验证以及不确定性分析。根据模型输出结果，分别在水文响应单元、控制流域以及城市/地区尺度上对渭河流域近50年来的蓝水资源量、绿水流和绿水储量进行了综合评价，以期为西北干旱缺水地区的水资源规划与管理以及水资源高效利用提供科学依据。

关键词：蓝水；绿水；水资源；SWAT；渭河

中图分类号：TV213文献标识码：A文章编号：1672-1683（2013）01-0012-05

可更新的淡水资源为保持陆地和水生生态系统健康的基础性自然资源[1]，也是保证粮食安全以及生态安全的战略性资源，用途十分广泛，如工业、农业以及生活用水。20世纪，由降水形成的可再生的淡水资源总量基本保持不变，而人类用水需求却激增了6倍，其主要用途为提高粮食产量与工业生产[2-3]。与此同时，生产生活用水挤占生态环境用水的现象频发，部分生态系统已严重退化，危及生态安全。目前，全球超过6亿人口生活在水资源严重短缺的地区（小于500 m3/（人·年）[4]。因此，日益严峻的水资源短缺以及水资源脆弱性问题已成为众多学者研究的热点[5-9]。

目前的水资源评价方法大多仅考虑水循环中的地表水和地下水，即“蓝水”[10-11]，却忽视了水循环中的“绿水”。综合考虑水文循环的全过程和水量平衡的全要素，通过森林、草地、农田和湿地蒸散作用消耗的绿水流占全球降水总量的65%，而传统的蓝水资源量仅占全球降水总量的35%[12]。可见，绿水资源对于发展雨养农业及维持生态系统健康来说至关重要[12-13]。因此，开阔思路，拓宽传统水资源评价范畴，科学评价蓝水绿水资源，并将绿水资源纳入水资源评价体系，对于水资源规划与管理，解决干旱半干旱地区的水资源短缺问题具有重要的现实意义。

在我国广大西北干旱地区以及华北地区，目前的蓝水资源量十分有限，但这些地区每年仍然以其独特的干旱气候生产了大量的优质农牧业产品，其中很大一部分来源于由有限降雨量所产生的绿水资源。如何拓宽思路，科学评估这一部分水资源量，从而为西北乃至整个华北、东北干旱地区的水资源利用和管理提供科技支撑迫在眉睫。正是基于这样的背景和思路，本文以位于西北典型干旱地区的渭河流域为例，在阐述蓝水绿水基本概念和内涵，并系统总结其主要应用成果的基础上，探讨了借助分布式水文模型科学估计和评价干旱地区蓝水绿水资源量的思路与方法，以期为相似流域的水资源评价和管理工作提供参考。

1蓝水绿水内涵

蓝水和绿水的概念由国际水资源研究所的瑞典水文学家Falkenmark于1995年首先提出[15]，他认为降落在陆地生态系统的水量包括蓝水（Blue Water）和绿水（Green Water）两部分，其中，蓝水指由降水形成的地表水和地下水，是可见的液态水流，包括河流、湖泊和含水层中的水；绿水指由降水下渗到非饱和土壤层中供给植物生长的水，是垂向进入大气的不可见水。Falkenmark于2006年结合绿水的物质性和资源性扩充了绿水的概念，他认为绿水可以分为绿水流（Green Water Flow）以及绿水储量（Green Water Storage）两部分。绿水流即实际蒸散发，由土壤和水体蒸发，植物散发两部分组成；绿水储量则是指储存在土壤中的水[14]。

自此以后，相关学者先后对蓝水和绿水的概念进行了发展和完善。蓝水为存储在河流、湖泊以及含水层中的水，也即传统水资源评价中对于可利用水资源量的定义，即地表水和地下水资源量之和，并扣除两者的重复计算量。绿水的定义目前国际上有两种：物质上，绿水被定义为蒸散发流，即进入大气的水汽流，包括农田灌溉、湿地、水面蒸发、天然植被等不同地表的水汽流[12，16-17]；资源上，绿水被定义为源于降水且存储在土壤中并被植被散发消耗的水资源[12，18-19]。

2蓝水绿水资源评价方法

估算一段时间内的区域/流域蓝水绿水资源量可以为水资源规划与管理，以及解决水资源短缺问题提供一种新思路。估算蓝水资源量也即传统的水资源评价，其主要方法包括统计分析法和水文模型法。其中，统计分析法对数据需求量较大，需要收集研究区的水文气象、水文地质、水利工程以及取用水等数据；水文模型法较之统计分析法来说对于数据的需求相对较少。

估算绿水资源量的方法基本可以分成以下三类：生物学方法、水文模型法以及生物水文耦合法[17]。

（1）生物学方法主要采用生态系统生产干物质消耗的水量，即需水量，来估算绿水资源量。该类方法根据净初级生产力数据与主要生态系统单位干物质生产所需蒸散量的乘积来估算绿水流。Postel等[5]采用净初级生产力数据，估算了全球非灌溉植被（天然森林、草地、人工林地和雨养作物）蒸散量，并得到其它主要土地利用类型的蒸散量，称其为绿水资源量。另一种生物学方法则是结合遥感影像和蒸散量观测值估算绿水资源量。Rockstrm等[20]采用森林、草地、林地以及湿地中各生物群系的覆盖面积乘以蒸散量，并根据影响蒸散量的生态系统属性将各生物群系统进而划分为若干个植被组，最终采用水分利用效率与作物产量之积来估算绿水流。

（2）水文模型法即采用水文模型来估算流域尺度的绿水流，将水资源划分为蓝水和绿水两部分，绿水表示土壤蒸发和植被散发所耗用的水资源，蓝水表示径流，从而建立研究区水文模型来估算绿水。Jewitt等[21-22]分别在小尺度和大尺度流域上采用农业集水区研究单元（Agricultural Catchments Research Unit，ACRU）模型以及水文土地利用变化（Hydrological Land Use Change，HYLUC）模型，估算了非洲南部Mutale流域九种土地利用情景下的蓝水绿水资源量。Schuol等[23-24]采用ArcSWAT模型并结合SUFI-2不确定性分析算法估算了西非以及整个非洲大陆的月尺度蓝水绿水资源量。Faramarzi等[25]在伊朗构建了ArcSWAT模型模拟了月尺度蓝水绿水资源量，并考虑了水库运行以及不同灌溉措施对小麦产量的影响。Menzel等[26]在欧洲、非洲及中亚的七个代表性流域搭建了水文模型，并分析了这些流域现状年以及未来情景下的蓝水资源量。Liu等[27]采用具有二源潜在蒸散发模式的半分布式水文模型，研究了我国北方老哈河流域土地覆被变化对蓝水绿水资源量的影响。吴洪涛等[28]使用AVSWAT模型在碧流河流域估算了绿水资源量，研究了绿水的时空分布规律以及气候变化情景下绿水的响应。

（3）生物水文耦合法根据地表植被动态变化过程，考虑关键生态过程如初级生产力、植被生长、植被水分生产力、碳分配、死亡率以及植物对资源竞争的动态变化，借助陆-气、碳-水交换关系，将水文模型与生物地理学以及生物地球化学相耦合，从而估算绿水流。代表性模型为近些年得到快速发展的全球植被动态模型Lund Potsdam Jena（LPJ）模型[13]。王玉娟等[29]在黄河流域三门峡地区构建适用于估算流域尺度植被生态用水的生态水文模型，对三门峡地区20世纪50年代以来的植被生态用水量进行了定量模拟，计算得出不同植被类型的绿水消耗量。Siebert等[30]采用全球作物需水模型（Global Crop Water Model，GCWM）对1998年-2002年全球作物所需蓝水和绿水资源量进行了估算。

由于水文模型可以深入揭示地表过程和水文过程的机理，因此，被认为是模拟水文过程以及评价水资源时空变化特征的有效工具。综合分析蓝水绿水的估算方法可知，水文模型法是同时评价蓝水和绿水资源量时空变化特征的唯一方法。SWAT （Soil and Water Assessment Tool） 模型[31]是时间上连续的分布式流域水文模型，且在全世界得到了广泛应用[23，32-37]。SWAT模型因其能够直接输出蓝水和绿水资源量的各个分量，被认为是一种估算蓝水绿水资源量比较有效的方法。

3流域蓝水绿水资源综合评价——以渭河

流域为例 作为我国西北经济较发达地区，渭河流域在区域经济发展以及西部大开发中占据重要地位，并具有十分重要的战略意义[38]。因此，综合评估渭河流域蓝水绿水资源量对于高效开发利用水资源，保护我国西部地区河流生态系统健康来说具有重要的现实意义。

本文以渭河流域为例，构建渭河流域分布式水文模型SWAT，并借助SUFI-2算法进行参数敏感性分析、参数率定、模型验证以及不确定性分析，对渭河流域近50年来（1964年-2008年间）的可用水资源量进行了评价。首先在水文响应单元（HRU）尺度上估算水资源分量中的蓝水资源量、绿水流和绿水储量，然后在控制流域以及城市/地区尺度上对其进行时空变化特征分析，从而为西部缺水地区的水资源规划与管理，解决水资源短缺等问题提供新的思路。

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