基于SWAT模型的鄱阳湖流域典型年份蓝绿水时空变化特征研究
作者： 孟丽红 范旋 何欢 何楷南 钟科元
摘要 采用SWAT模型分析1970—2018年鄱阳湖流域典型年份蓝水绿水资源量的时空分布差异特征，并对典型年份绿水系数的变化进行评析。结果表明：典型年份蓝绿水资源量均是最涝年最多、最旱年最少、平水年适中。蓝水量的变化趋势较大，绿水量的变化比较稳定，其中绿水流是绿水量的主体部分，绿水储仅占极小部分；蓝水量呈现由东北向西南减少的趋势，与降水量的空间分布基本保持一致，绿水资源不仅与降水等气候条件有关，还与人类活动和下垫面的性质有关；流域绿水系数并不高，最旱年绿水系数最高，为45.42%，最涝年绿水系数最低，为33.91%，平水年为38.75%，表明蓝水资源在鄱阳湖流域的水资源构成中占主导地位，并且绿水系数的空间分布与降水量的空间分布趋势呈现出明显的反差。
关键词 蓝绿水；SWAT模型；时空变化特征；鄱阳湖流域
中图分类号 TV213.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）19-0059-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.19.013
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on the Spatial-temporal Variation Characteristics of Blue-green Water in Typical Years in the Poyang Lake Basin Based on SWAT Model
MENG Li-hong1， FAN Xuan1，2，HE Huan1 et al
（1.College of Geography and Environment Project， Gannan Normal University， Ganzhou，Jiangxi 341000;2.Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region， Institute of Subtropical Agriculture， Chinese Academy of Sciences， Changsha，Hunan 410125）
Abstract In this paper， SWAT model was used to analyze the spatial and temporal distribution characteristics of blue water and green water resources in typical years of Poyang Lake Basin from 1970 to 2018， and the changes of green water coefficient in typical years were analyzed. The results showed that in typical years， the blue and green water resources were the most in the wettest year， the least in the driest year， and the moderate in the normal year. The change trend of blue water was large， and the change of green water was relatively stable.Among them， green water flow was the main part of green water amount， and green water storage only accounted for a very small part.The blue water amount showed a decreasing trend from northeast to southwest， which was basically consistent with the spatial distribution of precipitation. Green water resources were not only related to climatic conditions such as precipitation， but also related to human activities and the nature of underlying surface.The green water coefficient of the basin was not high. The highest green water coefficient in the driest year was 45.42%， the lowest green water coefficient in the wettest year was 33.91%， and the normal year was 38.75%. It showed that blue water resources were the main component of water resources in the Poyang Lake Basin.At the same time， the spatial distribution of the green water coefficient and the spatial distribution pattern of precipitation showed an opposite trend.
Key words Blue-green water;SWAT model;Spatial-temporal variation characteristic;Poyang Lake Basin
基金项目 江西省社会科学基金项目（22GL26）；江西省自然科学基金项目（20202BABL203031）；大学生创新创业训练计划项目（CX230082，CX230083，CX230087 ）。
作者简介 孟丽红（1981—），女，云南曲靖人，教授，博士，硕士生导师，从事水资源评价研究。
收稿日期 2023-11-29；修回日期 2023-12-22
水资源是人类生存和发展不可或缺的重要资源要素，如何在特定流域范围内确保水资源的稳定供应是目前国际上备受关注的研究焦点［1］。当前，众多水资源的研究往往侧重于探讨对人类社会和经济发展具有直接影响的地表水和地下水，即“蓝水”，但往往忽略了在整体水循环中占据超过60%的且至关重要的“绿水”部分［2-3］。1995年，Falkenmark［4］在研究半干旱地区农业生产过程中水资源在流域生态环境中的作用时，首次提出蓝水和绿水的概念。蓝水为存储于河流、湖泊和含水层中的水，是扣除地表水和地下水重复计算后的总和；绿水则是指直接来自大气降水并经过蒸发作用后再度返回大气中的水［5］。2006年，Falkenmark等［6］将绿水资源分解为绿水流和绿水储两大部分。绿水流代表了实际蒸散发量（ET），是大气中的水汽含量；绿水储则与土壤质地密切相关，是指非饱和状态下土壤所蕴含的水分［7］。将绿水资源应用于农业及其相关领域中具有重大意义，创造性地拓展了水资源研究领域，开阔了水资源研究新思路［8-9］。
在国外，对蓝水绿水的研究起步较早，现已趋向成熟。有关学者利用全球尺度水文植被耦合动力模型对蓝绿水进行研究，定量评估了全球农业用地作物生长期的蓝水绿水资源量。根据模拟结果得出，全球尺度农业用地绿水资源比例在80%左右，说明绿水资源的生产潜力巨大［10］。此外，也有学者将SWAT、MPI-HM等流域尺度分布式水文模型与CRUTS3.1、NCDC、ECAD等历史气象数据相结合，模拟评估了气候变化/土地覆被变化对非洲大陆［11］、欧洲大陆［12］等地区蓝水绿水资源的影响作用及时空变化特征。在国内，程国栋等［13］率先提出绿水的概念并极力倡导开展我国绿水研究，刘昌明等［14］相继阐明了绿水与生态系统用水、绿水与节水农业的关系。后续学者们在蓝绿水评价方面进行了一系列实证研究［15-17］，如赵安周等［15］、吕乐婷等［16］分别研究了渭河流域、细河流域等蓝绿水资源的时空变化特征，为流域生态水资源规划等方面提供了一定理论依据。鄱阳湖流域位于我国南方湿润地区，年降水量丰富，但时空分布极为不均，同时还面临旱涝灾害频繁、水资源开发利用率较低、水资源供需矛盾突出以及水环境日渐恶化等问题［18-20］。鄱阳湖流域蓝绿水资源问题的研究尚处于探索阶段。鉴于此，笔者通过构建鄱阳湖流域SWAT分布式水文模型，采用降水距平百分率确定极端典型年份，定量评估典型年份鄱阳湖流域蓝绿水资源及其时空分布格局，以期为社会经济发展过程中水和土资源开发利用、生态环境管理与保护等提供一定理论参考。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
鄱阳湖是中国面积最大的淡水湖，我国第二大湖泊，位于我国长江中下游以南，地理位置为113°34′36″～118°28′58″E、24°29′14″～30 04′41″N（图1）。从地形上看，鄱阳湖区域的东部、南部和西部被山脉所包围，中部则是丘陵地带，而其北部地势更为平缓，整个湖区的布局展现出一个向北开口的构造盆地。鄱阳湖流域总面积约为16.22万km2，其中约96.5%在江西省内，该流域水系年径流量达到1 525亿m3，相当于长江流域年径流量的16%。该流域河网密布、水系发达，拥有完整的鄱阳湖水系。流域共包括五大河流，分别是赣江、抚河、信江、饶河、修河。受地形影响，各大水系分别从东、南、西三面向北汇流注入鄱阳湖，并于九江湖口县石钟山附近与长江相接［18］。流域内气候温暖湿润，雨量丰沛，雨热同期，为典型的亚热带湿润性季风气候，多年平均降水量和气温分别为1 640 mm和18 ℃。温暖湿润的气候非常适合农业的发展，鄱阳湖流域是中国重要的商品粮基地［19］。
1.2 数据来源
构建SWAT模型需要空间数据和属性数据。空间数据包括数字高程模型DEM、土地利用和土壤类型图，属性数据包括流域土壤属性数据和气象数据。该研究采用的DEM为250 m，来源于地理空间数据云。土地利用包括6种土地利用类型：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地，来源于中国科学院资源环境科学数据中心。土壤数据包括25种土壤类型，来源于世界和谐土壤数据库（HWSD），该数据库能够直接应用于SWAT模型中，并且无需对土壤粒径进行相关转换工作［20］。空间数据坐标系统转换为WGS_1984_UTM_Zone_49N。流域气象站数据通过国家气象科学数据中心获取。水文数据采用外洲水文站日径流实测数据，用于模型率定与验证，来源于江西省水文局（表1）。