1961－2010年黃河源區(qū)藍(lán)綠水資源時(shí)空變化

張為彬，查小春，馬玉改

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062）

近百年來，地球氣候系統(tǒng)正經(jīng)歷著顯著的變化，加之劇烈的人類活動(dòng)影響，不同程度地改變了水文循環(huán)過程，這種改變使得人們需要重新審視傳統(tǒng)的水資源評(píng)價(jià)所帶來的各種問題。為了更好地評(píng)估半濕潤、半干旱區(qū)水資源在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的作用，F(xiàn)alkenmark［1］于1995年首次提出了藍(lán)水和綠水的概念。藍(lán)水即傳統(tǒng)水資源評(píng)價(jià)中的可利用水資源總量，等于地表水資源量和地下水資源量之和減去重復(fù)計(jì)算量，綠水包含綠水流和綠水儲(chǔ)量，綠水流即實(shí)際蒸散發(fā)流，綠水儲(chǔ)量即土壤儲(chǔ)水量。從水循環(huán)的角度分析，在全球尺度上總降水的65%通過森林、草地、濕地和雨養(yǎng)農(nóng)田的蒸散返回到大氣中，成為綠水。僅有35%的降水儲(chǔ)存于河流、湖泊以及含水層中，成為藍(lán)水［2］。目前在傳統(tǒng)的水資源側(cè)重評(píng)價(jià)藍(lán)水資源的基礎(chǔ)上將綠水也作為一種資源已經(jīng)引起國際社會(huì)的和科學(xué)家的廣泛關(guān)注［3－4］。藍(lán)水是可以被人類直接利用的水資源，而綠水是維護(hù)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)性和服務(wù)性功能的重要條件，兩者作為降水資源總量的兩個(gè)主要組成部分，全球氣候變化的背景下探究其時(shí)空變化特征，才能建立合理的水資源管理模式，為區(qū)域水資源管理體系提供科學(xué)依據(jù)。

目前對(duì)于綠水的估算有通過生態(tài)系統(tǒng)干物質(zhì)的耗水量估算、不同生態(tài)系統(tǒng)類型與單位面積實(shí)際蒸散相乘估算、利用生態(tài)系統(tǒng)模型估算，以及利用分布式水文模型估算等4類方法［5］，由于數(shù)據(jù)要求高、適用尺度較大等原因，前3種方法均不太適應(yīng)，第4種方法通過分布式水文模型如SWAT模型能同時(shí)在時(shí)空尺度上統(tǒng)籌考慮藍(lán)綠水資源，因此在國內(nèi)外不同流域得到了應(yīng)用［6－8］。研究結(jié)果表明，藍(lán)綠水資源在水資源總量所占比重、變化特征因地各異，因此在特定流域展開針對(duì)性的研究對(duì)區(qū)域水資源的合理配置具有重要意義。同時(shí)，這些研究大多從年尺度或月尺度分析藍(lán)綠水的變化，而從生長季（春、夏、秋季）角度分析藍(lán)綠水時(shí)空變化比較少。黃河源區(qū)是黃河流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和補(bǔ)給區(qū)，其水量的變化直接影響到黃河中下游地區(qū)水量的穩(wěn)定，也會(huì)影響到整個(gè)黃河流域的生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，分析該區(qū)域水資源藍(lán)綠水資源變化趨勢具有十分重要的意義。本研究利用SWAT（soil and water assessment tool，SWAT）水文模型和非參數(shù)檢驗(yàn)方法（Mann—Kendall），從生長季（春、夏、秋季）角度分析黃河源區(qū)1961—2010年不同時(shí)空尺度生長季的藍(lán)綠水資源量變化特征，其研究結(jié)果可為黃河源區(qū)以及整個(gè)黃河流域水資源的綜合管理和優(yōu)化配置提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

黃河源區(qū)是指黃河干流唐乃亥水文站以上的流域，流域面積約為1.22×104km2，河長1 552.4km，該區(qū)域僅占黃河流域總面積的16%，產(chǎn)流量卻達(dá)到總徑流量的35%以上，因此被稱為黃河“水塔”［9］。源區(qū)氣候?qū)儆谇嗖馗咴瓉喓畮О霛駶櫹到y(tǒng)，受地形等因素影響，多年平均氣溫在0℃左右。由于離孟加拉灣較近和受西南季風(fēng)影響比較明顯，多年平均降水量在250～800mm之間，且年內(nèi)分配很不均勻，75～90%的降水量主要集中在6—9月。源區(qū)內(nèi)支流較多，徑流年際變化大；輸沙量較小，是黃河清水的主要來源。流域內(nèi)土壤的水平分布呈現(xiàn)出明顯的經(jīng)度地帶性規(guī)律，植被分布由西北向東南分別是荒漠、草原、森林。黃河源區(qū)出口水文站——唐乃亥水文站，以及流域內(nèi)及其附近14個(gè)較均勻分布的氣象站，具備較完整的1961—2010年的水文氣象觀測資料，為研究黃河源區(qū)不同時(shí)空尺度藍(lán)綠水資源變化提供了數(shù)據(jù)資料。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象信息中心，包括1961—2010年的最高氣溫、最低氣溫、降水、太陽輻射、風(fēng)速和相對(duì)濕度的逐日數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)（DEM）來源于國際數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，分辨率為90m。土壤數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院南京土壤研究所提供，分辨率為1∶100萬。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，分辨率為1∶10萬。逐日徑流數(shù)據(jù)來源于黃土高原數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心。

2.2 研究方法

2.2.1 SWAT模型與構(gòu)建 SWAT由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的一個(gè)具有很強(qiáng)物理機(jī)制的分布式水文模型［10］。該模型可將整個(gè)流域分成若干個(gè)子流域和水文響應(yīng)單元（hydrologic response unit，HRU），每個(gè)HRU單獨(dú)計(jì)算物質(zhì)循環(huán)及其關(guān)系，然后在子流域出口將所有HRU的產(chǎn)出進(jìn)行疊加。由于模型的數(shù)據(jù)源輸入多為分布式的，所以它可以充分考慮降水、氣溫等氣象因素的空間分布，進(jìn)一步確定徑流等水文要素的空間分布。SWAT模型因其可以直接輸出藍(lán)綠水資源量，目前被認(rèn)為是估算藍(lán)水綠水資源一種比較有效的方法［11］。

基于黃河源區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行流域空間離散化，設(shè)置集水區(qū)閾值800km2，將黃河源區(qū)劃分為85個(gè)子流域，進(jìn)而細(xì)劃分為298個(gè)HRU。然后根據(jù)已經(jīng)收集的數(shù)據(jù)，對(duì)流域潛在蒸散發(fā)的計(jì)算選用Penman—Monteith公式，地表徑流選擇SCS（soil conservation service）曲線數(shù)法計(jì)算［12］。選用唐乃亥水文站1961—1985年、1986—2010年月平均徑流量作為模型的校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期。由于模型參數(shù)眾多，結(jié)合已有研究并充分考慮冰雪融水［13］，選取了13個(gè)參數(shù)并利用SWAT—CUP中的SUFI—2（sequential uncertainty fitting）算法進(jìn)行參數(shù)的率定［14］。從圖1可見，對(duì)唐乃亥水文站月平均徑流模型率定期與驗(yàn)證期的效率系數(shù)（Ens）與相關(guān)系數(shù)均大于0.80，PBIAS（偏差）系數(shù)均小于5%，模擬值與實(shí)測值擬合程度較高，結(jié)合已有的研究經(jīng)驗(yàn)［15］，模擬精度較高，完全可以用于分析藍(lán)綠水資源量變化。

2.2.2 藍(lán)綠水資源量的估算和趨勢分析 所指代的藍(lán)綠水資源特指藍(lán)水、綠水流。在SWAT模型中，藍(lán)水資源量等于產(chǎn)水量與深層地下水補(bǔ)給量之和，綠水資源量等于實(shí)際蒸散發(fā)量。藍(lán)綠水資源量的變化趨勢分析采用Mann—Kendall（M—K）方法，它不受少數(shù)異常值的干擾，且計(jì)算簡便。該方法中一個(gè)重要的指標(biāo)Kendall傾斜度β用來量化變化趨勢，當(dāng)β＞0時(shí)，則反映了上升的趨勢，反之則反映了下降的趨勢［16］。

圖1 黃河源區(qū)唐乃亥水文站月平均徑流率定驗(yàn)證期模擬值與觀測值比較

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河源區(qū)時(shí)間尺度上藍(lán)綠水資源量變化

3.1.1 藍(lán)綠水資源量多年平均變化 如表1所示，黃河源區(qū)生長季多年平均藍(lán)綠水總量為519.74mm，說明該區(qū)域水資源總量比較豐富。其中，生長季綠水資源總量（356.68mm）是藍(lán)水資源總量（163.06mm）的2倍之多，并在各生長季階段（春、夏、秋季）都明顯大于藍(lán)水資源量，而夏季藍(lán)綠水資源量相差最大，為98.4mm，這與夏季降水量大、溫度高，蒸發(fā)強(qiáng)有關(guān)。由此可見，黃河源區(qū)綠水資源量比較豐富，而且隨著全球氣候的變暖，大量的降水將會(huì)因氣溫高而被蒸散發(fā)掉，轉(zhuǎn)換為綠水，這在一定程度上將會(huì)進(jìn)一步加大綠水資源量，減少藍(lán)水資源量，而藍(lán)水資源（徑流量）的減少必然加劇水資源供需矛盾和生態(tài)環(huán)境的惡化。

表1 黃河源區(qū)生長季1961－2010年多年平均藍(lán)水和綠水資源量 mm

3.1.2 藍(lán)綠水資源量各生長季階段的變化 M—K趨勢檢驗(yàn)法被世界氣象組織推薦并已廣泛使用在水文趨勢檢驗(yàn)中［16］。由圖2可見，1961—2010年黃河源區(qū)，春季藍(lán)水呈現(xiàn)出下降趨勢，平均每年減少0.05 mm，但20世紀(jì)80—90年代末卻呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢。夏季藍(lán)水略微增加，年均增加0.043mm，50a來表現(xiàn)為下降、上升再下降的趨勢。秋季藍(lán)水顯著性減少，減少幅度最大，年均減少0.355mm，且90年代以來持續(xù)減少，并通過了顯著性檢驗(yàn)。而黃河源區(qū)1961—2010年綠水春季呈現(xiàn)出減少趨勢，年均減少0.101mm，50a來波動(dòng)起伏。夏季綠水呈現(xiàn)出上升趨勢，年均增加0.126mm，尤其是80年代末期以來，基本一直呈現(xiàn)上升趨勢。秋季綠水也表現(xiàn)為明顯增加趨勢，但比夏季幅度明顯增強(qiáng)，年均增加0.286 mm，2000年之后持續(xù)增加，而且近5a來，表現(xiàn)為顯著增加。從總體上來看，近50a黃河源區(qū)生長季藍(lán)水資源量呈現(xiàn)出減少的趨勢，而綠水資源量增加，這與和前人的結(jié)論基本一致［17－18］，但和以往側(cè)重潛在蒸散發(fā)量的研究不同，本研究更加準(zhǔn)確地評(píng)估了該地區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)量，這對(duì)于定量評(píng)價(jià)過去50a黃河源區(qū)藍(lán)綠水資源狀況，從而為實(shí)現(xiàn)水資源持續(xù)利用提供較高的參考價(jià)值。同時(shí)，從各時(shí)間段來看，藍(lán)綠水資源各生長季階段的變化趨勢表現(xiàn)不同，這主要是由于降水和氣溫的變化所引起。而且，常國剛等［17］指出黃河源區(qū)氣溫的顯著升高對(duì)于加大流域蒸發(fā)量導(dǎo)致流量補(bǔ)給的減少作用要大于其升高致使冰雪融水的補(bǔ)給作用，必然會(huì)影響各生長季藍(lán)綠水資源量的變化。

圖2 黃河源區(qū)藍(lán)綠水資源量春、夏、秋季M－K檢驗(yàn)

3.2 黃河源區(qū)空間尺度上藍(lán)綠水資源量變化

3.2.1 藍(lán)綠水資源量在空間尺度上多年平均變化圖3可見，1961—2010年，黃河源區(qū)西北部地區(qū)生長季藍(lán)、綠水資源量分別為5.2和260mm，東南部地區(qū)生長季藍(lán)、綠水資源量分別為313.6和656mm，呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的趨勢，這與黃河源區(qū)降水量的空間分布特征基本相一致［19］。而且由于全球變暖使得植被生長時(shí)間延長，黃河源區(qū)由東南向西北生長季的長度逐漸縮短［20］，也是導(dǎo)致綠水資源出現(xiàn)東南多西北少的原因之一。

此外，綠水資源除受氣候控制外，還與下墊面特征等因素有關(guān)，使綠水資源的變化相對(duì)于藍(lán)水資源變化更加復(fù)雜。如郭瑞萍［21］等研究表明農(nóng)田的蒸散量大于草地小于森林。黃河源區(qū)東南部因分布少量的森林面積，強(qiáng)烈的蒸散發(fā)量使東南部綠水資源要大于西北草原地區(qū)的綠水資源量。在不同生長季上，春季藍(lán)水資源量最小地區(qū)主要位于唐乃亥出口站附近，多年平均僅2.25mm，最大地區(qū)主要位于源區(qū)中部的果洛站和東南部的紅原站一帶。夏季，源區(qū)大部分地區(qū)的藍(lán)水資源大于33mm，東南部主要產(chǎn)流區(qū)可達(dá)160mm以上，這與該地區(qū)降水量充沛有關(guān)。秋季，由于降水量的逐漸減少，藍(lán)水資源明顯小于夏季但高于春季，其原因主要是春季冰川融雪水補(bǔ)給小于降水補(bǔ)給之故。綠水資源春季最小值（38.09mm）高于同一季節(jié)藍(lán)水資源的最大值（36.39mm），可見春季大部分的降水主要用于蒸散發(fā)耗散。東南部久治若爾蓋一帶地區(qū)最大（198.60mm），北部興海地區(qū)最?。?8.1mm）。夏季綠水資源大于春季，一方面因?yàn)橄募舅抗┙o充足，另一方面，夏季植被生長旺盛，覆蓋率高，蒸騰作用顯著。最大地區(qū)位于源區(qū)東南部，為303.2mm最小地區(qū)位于西北部瑪多附近，為148.37 mm。綠水資源秋季最大值出現(xiàn)在東南部紅原站附近，為153.82mm，最小值出現(xiàn)在源區(qū)西北部的瑪多站附近，為59.25mm。

圖3 黃河源區(qū)多年平均藍(lán)綠水資源量季節(jié)分布

3.2.2 藍(lán)綠水資源量在空間尺度上趨勢變化 從圖4可以看出，1961—2010年藍(lán)水資源量主要減少在源區(qū)東南部的主要產(chǎn)流區(qū)（3.65mm／a）和中部地區(qū)（3.04mm／a），而相對(duì)干旱區(qū)（西北部）則略微增加（0.20mm／a），這和周德剛［22］等人的研究一致。源區(qū)產(chǎn)流區(qū)藍(lán)水資源的顯著減少，將直接會(huì)導(dǎo)致源區(qū)流徑流量的減少，影響了黃河中下游地區(qū)水量的供給。綠水資源量除中部和東北部地區(qū)外，整個(gè)流域呈增加趨勢，最大增加幅度可達(dá)1.61mm／a。這主要是由于近年來黃河源區(qū)氣候變化如溫度的變化、降雨格局的改變，以及人類活動(dòng)導(dǎo)致下墊面的變化綜合效應(yīng)所引起的。

從生長季的各個(gè)階段來看，藍(lán)水資源量春季變化較小，南部和中部地區(qū)下降幅度最大，為0.75mm／a，西北部上升幅度最大，為0.25mm／a，相比而言，夏季變化相對(duì)較大，源區(qū)東南部（主要產(chǎn)流區(qū)）久治、紅原、若爾蓋一帶與中部果洛站附近下降幅度較大，最大可達(dá)1.98mm／a，北部地區(qū)上升明顯，增幅最大為1.38 mm／a。秋季的變化趨勢基本與夏季相似，在源區(qū)的東南部下降幅度最為劇烈，下降幅度為1.84mm／a，北部地區(qū)上升明顯，為1.38mm／a，西北地區(qū)略有上升，為0.05mm／a。春季，綠水資源量僅在西北部地區(qū)表現(xiàn)為上升趨勢，且越靠近瑪多站增加越明顯，最大為0.25mm／a，其他地區(qū)呈下降趨勢。夏、秋兩季，東南部紅原站附近上升最大，為1.62mm／a，中部果洛站和東北部同德站附近地區(qū)下降，這主要是由于日照時(shí)數(shù)在該地區(qū)的下降所引起的，其余地區(qū)均表現(xiàn)為上升趨勢。而由水量平衡原理可知，紅原站附近地區(qū)綠水資源量的顯著上升無疑會(huì)加劇該地區(qū)藍(lán)水資源量的緊張。

4 結(jié)論

（1）1961—2010年黃河源區(qū)生長季多年平均藍(lán)綠水總量為519.74mm，水資源總量比較豐富，綠水資源量為藍(lán)水資源量的2倍以上，并在不同生長季差異明顯。而且近50a來，因氣候變化導(dǎo)致降雨格局的變化，在生長季藍(lán)水資源量呈現(xiàn)出減少的趨勢，而綠水資源量增加。

圖4 黃河源區(qū)1961－2010年藍(lán)綠水資源季節(jié)變化趨勢

（2）近50a來藍(lán)綠水資源量在空間上均呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的趨勢，受氣候變化以及東南和西北部下墊面的影響，西北部綠水資源量增大。并且在不同生長季，藍(lán)水資源量在源區(qū)東南部地區(qū)的秋季減少明顯。綠水資源春季西北部地區(qū)增加，夏、秋兩季紅原站附近上升。

（3）近50a黃河源區(qū)藍(lán)綠水資源量時(shí)空變化表明，在氣候變化的背景下源區(qū)降水通過陸表生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為綠水的比例在空間和時(shí)間上均發(fā)生了變化，使得綠水資源量增加，藍(lán)水資源量減少，源區(qū)產(chǎn)流能力下降，這種變化未來發(fā)展趨勢如何，是否將進(jìn)一步加劇黃河流域水資源的緊缺程度，必須引起足夠的重視。

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