綠水評估方法研究進展

林長清，周天逸，任立良，江善虎，劉 懿，龔露燕

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室;江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

綠水評估方法研究進展

林長清1，周天逸2，任立良1，江善虎1，劉 懿1，龔露燕1

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室;江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

在回顧綠水量計算方法的基礎(chǔ)上，闡述了水分平衡法、植物生理學(xué)法、微氣象學(xué)法、模型法、遙感法及儀器法的適用條件和特點，認為遙感信息支持下的微氣象學(xué)法和模型法實際可操作性更大;提出了綠水計算面臨的兩個關(guān)鍵問題是時間和空間尺度、生產(chǎn)性綠水與非生產(chǎn)性綠水的分離，分析了氣候變化和下墊面景觀變化對綠水評估的影響，同時展望了綠水評估對水資源一體化管理的應(yīng)用前景。

綠水;藍水;蒸散發(fā);水資源;計算模型;評估方法;綜述

綠水概念最初由 Falkenmark［1］提出，是指存在于土壤層中、用于植物生長最終進入大氣的不可見水，其概念之后被其他學(xué)者［2-5］引用和完善。Rockstr¨om［2］將綠水劃分為生產(chǎn)性綠水和非生產(chǎn)性綠水，其中生產(chǎn)性綠水直接影響植物的生物量，對其進行評估在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要價值。Falkenmark等［4］結(jié)合綠水的物質(zhì)性和資源性，將其分為綠水流和綠水貯存，使綠水含義更加明確具體。

陸地降水約1/3以徑流形式流入海洋，被稱為藍水;剩余的2/3直接消耗于陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物總量生產(chǎn)過程中的光合作用，被稱為綠水。就全球尺度而言，綠水占總降水的65%，由此可見，綠水資源的開發(fā)潛力很大;同時綠水的分布是不均勻的［6］，我國幅員遼闊，從東南地區(qū)向西北地區(qū)綠水所占比例逐漸加大，西北地區(qū)綠水占降水的比例在70%以上，而南方地區(qū)平均比例為48%，對于處于干旱、半干旱地區(qū)的西北地區(qū)而言，綠水的開發(fā)利用將有重要的價值。

綠水資源分布狀況受氣候、地形、植被類型及其覆蓋率、土壤類型及養(yǎng)分情況、土地利用等因素影響，凡是影響蒸散發(fā)的因素，都會影響綠水。國外的評估方法有水文模型法、大氣環(huán)流模型法和統(tǒng)計法等［7］。近年來，國內(nèi)綠水評估方法雖不如藍水評估方法成熟，但已有所發(fā)展。本文主要介紹綠水評估的水分平衡法、植物生理學(xué)方法、微氣象學(xué)方法、模型法和遙感法及儀器法等，前兩種方法偏重基礎(chǔ)理論，一般稱為傳統(tǒng)理論法。

1 傳統(tǒng)理論法

水分平衡法最先應(yīng)用于綠水流計算，是基于水分平衡的原理。求解的關(guān)鍵是水分平衡方程中各個參數(shù)的獲取，而實際應(yīng)用中各參數(shù)的獲取會有誤差，進而在計算綠水流中會有累計誤差，這是該方法實際應(yīng)用的瓶頸。李素麗等［8］基于生態(tài)水文學(xué)原理的綠水評估就是應(yīng)用了這種方法。

植物生理學(xué)方法主要是通過測定葉片或1株植物的綠水流，來估算群落綠水流。在由葉片推廣到植株，或由植株推廣到生物群落過程中，不僅有時間差導(dǎo)致的要素改變，還有空間上環(huán)境的改變，所以該法存在局限性，一般用于研究或作為對照組。最常用植物生理學(xué)方法有小室法和示蹤法。具體評估方法為，利用凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)和主要生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位干物質(zhì)所需蒸散發(fā)量［9］，將生態(tài)系統(tǒng)劃分為多個植被組，各組乘上相應(yīng)實際蒸散發(fā)［10-11］即可求出綠水量。

2 微氣象學(xué)方法

微氣象學(xué)方法是基于實測的氣象參數(shù)(如溫度、濕度、太陽輻射等)來計算綠水流。應(yīng)用的關(guān)鍵是盡量避免對氣象因素的干擾，多數(shù)方法適用于地表起伏不大、較平坦的地區(qū)，其適用的時間尺度可從幾分鐘到月。常見的幾種方法包括波文比法［12］、渦度相關(guān)法［13］、彭曼(Penman)公式［14］以及在彭曼公式基礎(chǔ)上改進的 Penman-Monteith［15］(PM)公式和溫度差方法。

在幾種微氣象學(xué)方法中，PM公式是應(yīng)用最廣泛的方法。相對于彭曼公式，PM公式引入了表面阻抗，當(dāng)其趨于零時，PM公式就變成了彭曼公式;對于完全覆蓋的植被而言，表面阻抗可以用葉面積指數(shù)(LAI)和氣孔阻抗計算，但對于部分覆蓋的植被和裸露的土壤來說，表面阻抗的計算就有些困難，解決的方法是將數(shù)據(jù)由“層狀性”向“凹凸性”轉(zhuǎn)化。如果計算過程中將數(shù)據(jù)統(tǒng)一作為一個“層”狀處理，便會產(chǎn)生誤差，將“層”狀數(shù)據(jù)向“凹凸性”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，計算生產(chǎn)性綠水即植株蒸騰部分以及非生產(chǎn)性綠水即土壤蒸發(fā)部分，各部分要素要分別取得。具體方法是運用遙感技術(shù)獲取“層狀”氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合地面覆被狀況(如植被種類、植被蓋度和裸露土壤區(qū)所占比例)以及在植被或裸土處按需設(shè)定的測定裝置(如放射溫度計)，獲得“凹凸性”數(shù)據(jù)。

微氣象學(xué)方法中，相對于PM公式的局限性，Qiu［16］通過引入?yún)⒖颊舭l(fā)(蒸騰)面的概念，在溫度差方法的基礎(chǔ)上消除了空氣動力學(xué)阻抗，提出了計算綠水流的“三溫模型”。通過引入?yún)⒖纪寥篮蛥⒖贾脖坏母拍睿恍枰斎肟諝鈩恿W(xué)阻抗就可以計算土壤蒸發(fā)量(無效綠水流)以及植被蒸發(fā)量(有效綠水流)?！叭郎啬Ｐ汀痹谟嬎憔G水流時，僅需要凈輻射、土壤熱通量和溫度3個參數(shù)。尤其在計算有效綠水流時，土壤熱通量可忽略不計，僅需凈輻射和溫度2個參數(shù)。對于不完全覆蓋植被區(qū)，可以用植被蓋度或植被指數(shù)(NDVI)等給出無效綠水和有效綠水的權(quán)重進行計算。臧傳富等［17］采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和降水距平指數(shù)確定典型年份，通過典型年份(干旱年、濕潤年、平水年)來確定流域藍水和綠水的時空差異特征。

3 模型法

水文模型可以模擬水文過程，揭示過程機制，反映水資源的時空特性。與傳統(tǒng)理論法、微氣象方法相比，模型法可以同時評估區(qū)域藍綠水的時空分布，評估精度相對較高。

在研究土地覆被變化對藍水、綠水的影響方面，Jewitt等［18］基 于 ArcGIS，小 尺 度 上 使 用 ACRU(agricultural catchments research unit)水文模型，大尺度上使用HYLUC(hydrological land use change)水文模型對綠水流進行評估。Liu等［19］利用基于雙源蒸散發(fā)模型的半分布式水文模型計算藍、綠水量，尤其定量分析了土地利用變化對藍綠水轉(zhuǎn)向的影響程度。Gerten等［20］在0.5°空間分辨率上使用了 LPJ(lund-potsdam-jena)模型評估綠水流，得出了植被變化對綠水流的影響，并用植物生理學(xué)理論來解釋了這種影響，對模型評估進行了驗證。

SWAT(soil and water assessment tool)模型不僅可以評估藍水［21］，同時也是常用的綠水流評估方法。對不同的研究區(qū)域，可用模型分析藍綠水時空分布、氣候變化［22-23］，以及土地利用/覆蓋變化［23-24］時的綠水流分布情況及其對農(nóng)作物的影響。ArcSWAT模型是對 SWAT模型的改進［25］，也被應(yīng)用于綠水流的評估。徐宗學(xué)等［26］在SWAT模型基礎(chǔ)上，結(jié)合 SUFI-2算法對綠水流進行了評估。Seyam等［3］在大尺度下，利用STREAM水文模型評估結(jié)果，解決了國際河流在沿河國家的水分配問題。

表1列出了不同模型的特點和適用尺度。由表1可知，已有的LPJ模型、HYLUC水文模型等估計綠水流大多集中在大尺度上，難以保證其結(jié)果的精度，STREAM水文模型和ACRU水文模型雖可應(yīng)用到小尺度的研究，但都有其地區(qū)局限性。而SWAT模型可應(yīng)用于不同空間尺度，故應(yīng)用比較廣泛。

表1 綠水資源評估模型特點與適用尺度

隨著計算技術(shù)的發(fā)展，計算模型中開始耦合物理公式，如SPAC(soil-plant-atmosphere continuum)模型，同時估算綠水流的模型法也出現(xiàn)了分層處理，PM是典型的單層模型，Shuttleworth等［27］提出了一個雙層模型，即土壤和冠層的總通量。如果是模擬大尺度，雙層模型精度比單層更高;如果研究對象是小氣候、小區(qū)域，就需對模型進行多層處理，分別計算參數(shù)、系數(shù)的空間分布來提高精度。

事實上還有融合較為復(fù)雜機理的模型，如SVAT(soil vegetation atmosphere transfer)模型，它比SPAC的雙層模型更詳盡，同時中間變量的輸出可有很好的“反饋”作用，以進行實時修正。雖然“凹凸性”尚且不夠，但應(yīng)用比SPAC模型更廣泛。但有時機理越復(fù)雜的模型，涉及的環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征變量越多，所需輸入數(shù)據(jù)越多，在實際應(yīng)用中不確定性可能越大，效果未必比簡單模型好［28］。

4 遙感法與儀器法

20世紀(jì)70年代以來，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，用遙感技術(shù)估算綠水流成為可能，實質(zhì)上是判斷估算方法(如水分平衡法、PM公式和模型法等)的參數(shù)(如凈輻射量、土壤熱通量、空氣動力學(xué)阻抗和表面阻抗等)能否通過遙感技術(shù)獲得，如果區(qū)域參數(shù)可以通過遙感技術(shù)獲得，那么該方法就可以利用遙感信息或數(shù)據(jù)。應(yīng)用遙感技術(shù)有兩方面優(yōu)勢，一是它可以拓展應(yīng)用區(qū)域，尤其是對相關(guān)資料缺少的地區(qū);二是遙感技術(shù)可記錄整個動態(tài)過程，連續(xù)性較強，可有選擇性地進行研究。無論是否應(yīng)用遙感技術(shù)，阻抗的獲得都有一定難度，主要是早期遙感不能得到此參數(shù)值。但最近幾年來，隨著高光譜、熱成像技術(shù)和高分辨率影像的發(fā)展，各類參數(shù)的獲得成為可能，遙感技術(shù)應(yīng)用將會普及。

儀器法也是通過對參數(shù)的測定來評估綠水流。Jewitt［29］用大孔徑閃爍儀(LAS)和陸面能量平衡法(SEBAL)很好地估算南非流域尺度綠水量。LAS的工作距離為0.5～5km，可以觀測近地面數(shù)千米尺度上的感熱通量，進而可推算潛熱通量，最終推算出流域綠水流。

未來綠水流評估模型可把有關(guān)表面能量、物質(zhì)交換的物理學(xué)認知，植物生理機能對蒸騰作用的控制的認知和更復(fù)雜的機理過程以及遙感技術(shù)結(jié)合起來，通過氣象、下墊面等資料，模型可有望預(yù)測區(qū)域綠水流量。

5 結(jié)論與展望

各類方法的適用時空尺度、特點及其關(guān)聯(lián)見表2所示。在實際評估中，可針對應(yīng)用研究區(qū)域的尺度大小，選擇合適的計算方法。由于先進的遙感技術(shù)不僅能提供無實測資料地區(qū)的信息，而且可提供動態(tài)的、連續(xù)的地面參數(shù)信息，所以實際應(yīng)用時遙感信息或數(shù)據(jù)支持下的微氣象學(xué)方法和模型法具有更強的可操作性。

表2 綠水流評估方法的比較

目前，氣候變化導(dǎo)致水資源短缺、分配不均等問題日趨嚴重。全球有超過6億人口生活在水資源嚴重短缺地區(qū)［30］，無論是充分利用現(xiàn)有的水資源還是開發(fā)新的水源，都將是水資源研究的熱點。而占全球降水65%的綠水，數(shù)量上不可小覷，其研究已被提上日程。相對于藍水來說，綠水的評估方法還不夠成熟，這是由綠水的特點決定的。同時，現(xiàn)有的綠水評估仍存在以下兩個問題:一是尺度問題，多集中于大尺度，精度不高，不便于綠水管理;二是區(qū)域生產(chǎn)性綠水和非生產(chǎn)性綠水的分離計算問題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更注重生產(chǎn)性綠水流。

隨著對綠水的組成、機理以及綠水資源生態(tài)效應(yīng)研究的深入，針對綠水評估問題，可以進行小尺度綠水評估以及區(qū)域有效綠水和無效綠水的分離。近年來，多源遙感技術(shù)和高分辨率影像的發(fā)展，為區(qū)域綠水流的研究提供了資料可行性，用遙感方法結(jié)合氣象資料、下墊面情況，使綠水研究進入中小尺度，是未來研究的一個重點。

隨著人口的增長、人類未來的需求、變化的景觀和氣候變化的影響等，綠水評估的影響因素日趨復(fù)雜，不確定性加大，應(yīng)考慮影響因素的權(quán)重區(qū)域化。盡管綠水在評估方法上仍處于發(fā)展階段，但其已經(jīng)在水文水資源、氣候變化和農(nóng)業(yè)以及生態(tài)等研究領(lǐng)域受到越來越多的重視。目前相關(guān)國際學(xué)術(shù)研究機構(gòu)已經(jīng)開始致力于綠水研究。不久的將來，其評估方法會更加成熟。在評估出流域綠水流后，綠水可以作為一種資源，服務(wù)于糧食生產(chǎn)與維系生態(tài)系統(tǒng)。

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Advances in methods for green water assessment

LIN Changqing1，ZHOU Tianyi2，REN Liliang1，JIANG Shanhu1，LIU Yi1，GONG Luyan1
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China;2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China)

This paper describes the characteristics and applicable conditions of the water balance，plant physiology，micro-meteorology，vegetation dynamics or hydrologic models，remote sensing，and apparatus methods，based on an overview of the methods for green water flow calculation.The results show that the methods derived from micro-meteorology and vegetation dynamics or hydrologic models are more workable in the real world with the help of remotely sensed information.There are two key problems during the green water flow assessment.One is spatial and temporal scales，and the other is separation of productive and non-productive green water flows.The impacts of climatic change and human-induced landscape change on the green water assessment are also analyzed.Finally，the paper describes the future application of green water flow assessment to integrated water resources management.

green water;blue water;evapotranspiration;water resources;calculation model;assessment method;review

P333

A

1004-6933(2014)03-0085-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.017

林長清(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為水文物理規(guī)律模擬分析及水文預(yù)報。E-mail:junyilchq@sina.com

任立良，教授。E-mail:njrll9999@126.com

(收稿日期:2013-09-13 編輯:高渭文)