基于SWAT模型的东江流域蓝水、绿水时空分布特征研究

基于SWAT(soil and water assessment tool)模型,对东江流域天然状态下的降雨径流过程进行模拟,进而评估流域蓝水、绿水的时空分布特征。结果表明:东江流域蓝水、绿水资源量都非常丰富,多年平均蓝水资源量274.67×108m3,绿水资源量178.72×108m3(主要以绿水流为主),蓝水资源是绿水资源的1.54倍。东江流域以蓝水为主的水资源构成体系主要是由流域湿热多雨的气候条件决定的。从时间变化来看,近年来东江流域蓝水资源、绿水资源、绿水流、绿水储皆无显著增加或降低趋势。从空间分布上来看,蓝水资源格局主要受降雨格局控制,而绿水资源不但受气候条件影响,还受流域下垫面的自然属性以及人类活动干扰,如土地利用方式、土壤类型等,分布格局较为复杂。     

赣江流域蓝水绿水资源时空变化分析

在当今的水资源管理中,分析评估气候变化下流域内蓝水、绿水资源的时空变化情形,能为维持生态系统稳定、保障社会经济的发展提供依据.本文利用SWAT模型模拟了赣江流域1960～2013年的水文循环过程,基于趋势分析、Mann-Kendall检验等方法,分析了流域内蓝水及绿水资源的时空变化情况.在空间上看,赣江流域内蓝水及绿水资源多呈上升趋势,只有流域西部、中部少数地区绿水流和蓝水流有下降的倾向,绿水储量在整个流域内都呈现出了显著的上升趋势(P0.05).在整个流域尺度上,蓝水与绿水资源在过去50年间都呈现出上升趋势,蓝水流、绿水流、绿水储量的变化倾向率分别为11.3mm/10a、4.87mm/10a、16.4mm/10a,其中绿水流、绿水储量自20个世纪90年代后的上升趋势非常显著(P0.05),而蓝水流则在最近20年间呈现出略微的下降趋势,在未来规划管理中应考虑人类活动取用水对水资源量的影响.     

基于SWAT模型的蓝绿水短缺指数计算与风险评价

为了降低沁河流域水资源短缺风险,以沁河流域为研究对象,基于所构建SWAT模型的输出结果,估算2010—2016年沁河流域蓝绿水资源量,利用蓝绿水足迹和可利用蓝绿水资源量计算蓝绿水短缺指数,并划分4个蓝绿水短缺风险等级,定量评估沁河流域蓝绿水短缺状况。结果显示：1)沁河流域多年平均蓝水资源量为9.1亿m³,占水资源总量的12.0%;多年平均绿水资源量为66.9亿m³,占水资源总量的88.0%,说明沁河流域水资源大部分为绿水资源;2)年尺度下沁河大部分子流域的蓝水短缺指数大于1.0,蓝水短缺风险等级为较大风险,其中下游地区的焦作市蓝水短缺问题尤为严重;3)年尺度下沁河各子流域的绿水短缺指数呈现一定差异性,大部分子流域多年平均绿水短缺指数在0.5～1.0范围内,绿水短缺面临中度风险,总体而言,绿水短缺风险低于蓝水短缺风险。基于蓝绿水短缺指数分析,提出应对沁河流域水安全风险的措施建议。     

基于SWAT的北江流域蓝绿水评估及其干旱响应

为探究北江流域的水资源状况及其在不同程度干旱下的变化特征,利用SWAT模型模拟北江流域径流过程,并在此基础上评估北江流域的蓝绿水资源时空变化及其对干旱的响应特征。研究表明:北江流域水资源以蓝水为主,多年平均蓝水量为1 149.08 mm,绿水量为981.08 mm,绿水系数为0.48; 1966—2010年间,北江流域蓝绿水无显著变化趋势,空间分布上蓝水表现为南多北少,而绿水则与之相反;蓝水对干旱的响应更敏感,重度干旱下,北江流域的蓝水量较多年平均值分别减少16.94%,流域内的水资源分配模式由以蓝水为主转变为以绿水为主,绿水系数达0.53。从蓝水和绿水的角度研究北江流域的水资源状况及其干旱响应特征,可以为流域水资源管理提供依据,增强应对干旱风险、保障流域水安全的能力。     

太行山区蓝水绿水沿垂直带演变规律及其归因分析

以太行山区(华北平原水源地,分属黄河流域和海河流域)为研究对象,建立了分布式水文模型WEP-L(Water and Energy transfer Processes in Large river basins),模拟了1980-2000年间山区的水循环过程,总结了蓝水(径流性水资源)和绿水的年际及随高程的变化规律。在此基础上,定量区分了研究区气候波动和土地利用/覆盖变化对蓝水与绿水变化的贡献。研究结果表明:(1)太行山两侧的蓝绿水变化具有明显的差异;海河片区蓝水呈增长趋势,绿水呈下降趋势;黄河片区蓝水呈减少趋势,绿水呈增长趋势。(2)太行山区蓝水资源量变化的主导因素是气候波动。(3)土地利用/覆盖的改变是太行山区绿水变化的决定性因素。植被增多可增加绿水资源的利用,但同时将明显减少对经济社会发展非常重要的蓝水资源量。因此,山区国土资源开发与空间优化须重点考虑蓝水和绿水的合理调控。     

基于GLDAS-NOAH的长江流域蓝绿水资源时空变化特征

基于GLDAS-Noah水文模型,模拟长江流域蓝绿水资源量,并揭示其时空变化特征。结果表明:2000—2019年长江流域多年平均蓝水资源和绿水资源分别为420.24 mm和686.95 mm,绿水资源约是蓝水资源的1.62倍。近20 a来长江流域蓝水资源、绿水资源和绿水系数呈不显著增加趋势,2000—2019年蓝水资源与绿水资源变化速率分别为3.26 mm/a 和2.27 mm/a。从年内分配上看,蓝绿水资源在7—8月份较多,占全年的29%~32%;在1 —2月份较少,占全年的5%~6%。从空间分布来看,蓝水资源呈现东南高西北低的分布格局,绿水资源呈现东高西低的分布格局,而绿水系数呈现西北高东南低的分布格局。科学全面评价蓝绿水资源可以为优化水资源利用模式、提高水资源利用效率提供科学依据。     

基于SWAT模型分析嘉陵江流域蓝、绿水资源量的时空变化特征

嘉陵江流域是成渝双城经济圈发展的重要水源区,其水资源状况的变化对实现我国新发展格局有重要影响。基于SWAT模型对嘉陵江流域水文过程进行模拟,探究了1981-2020年及典型年嘉陵江流域的蓝、绿水时空分布特征,采用Mann-Kendall(M-K)分析年际间蓝、绿水资源量的变化趋势。结果表明：流域多年平均降水量为931 mm,为蓝、绿水资源量之和,蓝水资源量多年均值为386 mm,占降水量的41.5%;绿水资源量多年均值为545 mm,占降水量的58.5%,1981-2020年流域降水量和绿水资源量总体呈增加趋势,蓝水资源量呈减少趋势。特枯水年、平水年、特丰水年的蓝水资源量分别为165.61、456.71和643.70 mm,绿水系数在典型年变化差异较大。空间上,流域内蓝水资源量、绿水资源量与降水量的分布特征相似,呈现从上游到下游先减小后增大、西少东多的空间格局。     

拓宽思路,科学评价水资源量——以渭河流域蓝水绿水资源量评价为例

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。     

金沙江流域蓝水绿水时空变化特征分析

在水资源评价与管理中,综合考虑蓝水绿水资源量有助于解决水资源短缺问题。利用SWAT模型、Mann-Kendall检验和Hurst指数,从时空尺度上分析了金沙江流域1961~2012年蓝水绿水资源量的变化特征。研究结果表明:近52 a来,金沙江流域多年平均绿水资源量是蓝水的1.4倍,全流域绿水资源量显著增加,增加幅度为4.9 mm/10 a,蓝水资源量增加趋势并不显著,增加幅度为0.8 mm/10 a;在空间上,绿水资源量呈现出显著增加的区域占全流域面积的36.6%,蓝水资源量呈现出显著增加的区域面积占比不到10%,金沙江中游和雅砻江流域秋季蓝水资源量的变化趋势与历史变化趋势一致,其他地区则是与历史变化趋势相反。     

海河流域农业水足迹分布及对气候变化的响应

基于CROPWAT软件核算海河流域1990—2014年冬小麦、夏玉米生产水足迹,采用偏最小二乘法拟合冬小麦、夏玉米单位面积产量,在此基础上预测2020—2050年气候变化背景下冬小麦、夏玉米生产水足迹及各气象因子对水足迹的贡献。结果表明:夏玉米单位质量蓝水足迹、绿水足迹分别占其单位质量总水足迹的36.2%、63.8%,冬小麦单位质量蓝水足迹、绿水足迹分别占其单位质量总水足迹的76.5%、23.5%。流域西部及东部地区冬小麦、夏玉米单位质量蓝水足迹、绿水足迹较大;年水足迹呈现流域四周小、中部大的特征。2020—2050年RCP4.5情景下夏玉米单位质量水足迹在2037年左右经历由大到小的突变,RCP8.5情景下表现为由小到大的突变;冬小麦单位质量水足迹RCP2.6情景下在2042年左右经历由大到小的突变,RCP4.5情景下在2036年左右经历由小到大的突变,RCP8.5情景未存在显著性突变。     

气候变化下黄河流域未来水资源趋势分析

开展流域水资源变化趋势研究是水资源规划和开发利用的基础工作。基于RCPs(Representative Concentration Pathways)排放情景下7个全球气候模式的气候情景资料,分析了黄河流域未来气温及降水的变化趋势;采用RCCC-WBM模型动态模拟了黄河流域未来水资源情势。结果表明:黄河流域在未来30年(2021—2050年)气温将持续显著升高(线性升率为0.24～0.35℃/(10 a));与基准期(1961—1990年)相比,流域降水总体可能增多,但对降水变化预估的不确定性较大;受气候变化影响,黄河流域未来水资源量较基准期的可能会略微偏少,流域水资源供需矛盾可能进一步加剧;不确定性及其带来的评估风险是目前及未来气候变化影响及水资源评估中需要加强研究的重要内容。     

气候变化下黄河流域未来水资源趋势分析

开展流域水资源变化趋势研究是水资源规划和开发利用的基础工作。基于RCPs（Representative Concentration Pathways）排放情景下7个全球气候模式的气候情景资料,分析了黄河流域未来气温及降水的变化趋势;采用RCCC-WBM模型动态模拟了黄河流域未来水资源情势。结果表明:黄河流域在未来30年（2021—2050年）气温将持续显著升高（线性升率为0.24～0.35 ℃/（10 a））;与基准期（1961—1990年）相比,流域降水总体可能增多,但对降水变化预估的不确定性较大;受气候变化影响,黄河流域未来水资源量较基准期的可能会略微偏少,流域水资源供需矛盾可能进一步加剧;不确定性及其带来的评估风险是目前及未来气候变化影响及水资源评估中需要加强研究的重要内容。     

基于蓝绿水核算的稻田水资源利用效用评价

为了科学区分和评价稻田蓝、绿水资源利用效用,开展了每日蓝、绿水交互迁移过程的试验观测,基于作物全生育期蓝、绿水资源迁移机制,建立了蓝、绿水分解方法和用水效率评价指标体系,揭示了不同降水条件下的稻田蓝、绿水利用表现。结果显示：试验期2015-2018年稻田水资源收入为1 322.9 mm（蓝水占30.7%）,其中572.3、246.0和375.2 mm分别以蒸散发、地表排水和田间渗漏的形式流出。全生育期绿水利用效率（GE）、蓝水利用效率（BE）分别为0.425、0.490,干旱年的利用效率明显高于湿润年。净蓝水生产率（BP）和绿水生产率（GP）分别为4.334与2.301 kg/m³,后者受降水影响不大。相较于本文的结果,不考虑蓝、绿水迁移过程的传统方法得到的BE、GP分别高46.2%和29.7%。忽略蓝、绿水交互迁移过程会高估稻田的灌溉效率,同时也会低估降水在作物生长中的贡献。本研究的方法为作物生产水足迹和农田蓝、绿水资源效用评价提供了新路径。     

基于SWAT模型的湟水流域蓝绿水与不同土地利用类型的绿水差异研究

蓝绿水的时空分布直接关系到一个地区的水资源与粮食安全。本文利用SWAT分析了1981-2000年间蓝绿水随时间的变化规律以及不同土地利用类型绿水分异规律。研究表明:1981-2000年间湟水流域蓝绿水均来源于降水,绿水资源约为蓝水的3.8倍;年均绿水流在不同的土地利用类型中差异明显,农业用地最大,居民用地最小;绿水贮存量较为丰富的是湿地和中低覆盖度的草甸;选取1981-1985年和1996-2000年分别为研究的前期和后期,得到农业用地的绿水流、绿水贮存变化量与作物生长周期和管理条件密切相关。     

赣江流域气候和土地利用变化对蓝绿水的影响

采用标准化降水指数(SPI)确定赣江流域的典型年,基于SWAT模型,对典型年份赣江流域蓝绿水的时空分布进行了分析;设置多种气候与土地利用情景,定量分析了气候和土地利用变化对流域内蓝绿水的影响。结果表明:1972年、1998年和2014年分别为赣江流域的干旱年、湿润年和正常年;湿润年的蓝水量最为丰富,是干旱年的2.01倍,绿水量的变化相对稳定,干旱年绿水系数最高,是湿润年的1.44倍;土地利用变化对蓝绿水的时空分布影响较小;气候变化情景下蓝水量、绿水量分别增加了75.52mm和30.65mm,绿水系数减小了2.33%,共同变化情景下蓝绿水变化趋势与气候变化情景大致相同,表明气候变化对流域蓝绿水的影响较大。     

CMIP5模式对淮河流域气候要素的模拟评估及未来情景预估

为明确变化环境下淮河中上游流域未来气候要素的变化趋势和特征,基于地面实测降水、气温资料,检验CMIP5中6个全球气候模式对流域降水和气温的模拟能力并选择较优的3种模式用于分析未来RCP4.5和RCP8.5排放情景下流域气候要素的变化趋势。结果表明:①历史时段拟合效果相对较优的为CNRM-CM5、HadGEM2-ES和MIROC5,气温的模拟能力优于降水;②3个模式2种排放情景未来年、春、冬季降水均大于基准期,夏、秋季降水除MIROC5大于基准期,其他2个模式均小于基准期;③RCP8.5下CNRM-CM5年、春、夏、HadGEM2-ES年、春、夏、冬、MIROC5年、秋、冬季降水增加趋势显著,RCP4.5下HadGEM2-ES年、春季、MIROC5秋季降水增加趋势显著;其他不显著甚至个别出现减少趋势;④年和季节平均气温除极个别模式和排放情景略低外,其他均高于基准期;年和四季平均气温全部呈现升温趋势。研究表明,流域降水有所增加和减少,气温升温迅速,流域未来气候演变中洪旱灾害风险较大,需要加强水资源管理和洪旱灾害防御能力。     

气候变化对清江未来径流及隔河岩电站发电的影响

以历史径流为依据的清江梯级调度规则难以适应气候变化需求，必然对梯级水库的安全稳定运行和兴利效益发挥带来影响。基于清江流域空间数据和观测数据，采用SWAT模型，运用统计降尺度方法模拟3种情景下流域内各站点的未来气象数据，进而对径流进行模拟，并对隔河岩水电站发电量变化进行分析。结果表明：未来时期RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5共3种气候情景下，清江流域出口长阳站多年平均径流呈上升趋势，年均径流增幅分别为6.0%、8.7%和13.2%；隔河岩水电站在上述3种情景下近期（2020—2045年）、中期（2046—2070年）和远期（2071—2100年）多年平均发电量增幅分别为3.4%～5.1%、7.7%～10.3%和13.4%～16.0%。该研究可为气候变化条件下清江流域水资源管理与隔河岩水电站发电调度运行提供参考。     

基于SDSM的赣江流域未来降水与气温的时空变化分析

利用赣江流域6个气象站数据(1961年～2005年)和NCEP再分析资料,建立了气候要素的SDSM降尺度模型,并将模型应用于Can ESM2模式的RCP4. 5情景,得到了流域未来气温与降水的变化趋势。即SDSM降尺度模型对赣江流域气温的模拟效果较好,降水略差;赣江流域未来降水均呈增加的趋势,降水空间分布基本呈南低北高趋势;未来气温均呈增加的趋势,各时期最高气温稍大于基准期;各时期最低气温稍大于基准期;赣江流域未来不同季节的平均气温均大于基准期;赣江流域未来气温空间分布呈现南高北低,西高东低的趋势。     

基于 CORDEX 数据集的碧流河流域径流预估

为了研究气候变化对碧流河流域径流的影响,基于CORDEX联合区域降尺度试验,采用区域气候模式对GCM所涉及的两个全球气候模式进行降尺度,获得三种情景下的气象数据集,并利用气象数据集驱动率定好的SWAT水文模型,预测未来气候变化条件下碧流河流域的径流过程,分别分析年、月平均径流相对于基准期的变化特征,以及各情景模式下设计丰水年(P=10%)、设计平水年(P=50%)、设计枯水年(P=90%)的设计年径流年内分配过程相对于基准期的变化。结果表明:气候变化对碧流河流域径流的影响主要体现在汛期;C1、C3情景在RCP4.5排放路径下汛期平均径流量相对于基准期增加17.65%、0.14%,多年平均径流量增加18.17%、5.58%;其余各情景下径流量皆呈减小趋势,其中汛期减幅(-7.22%～-0.75%);多年平均减幅(-10.25%～-10.58%)。设计年径流分配过程显示,未来时期设计丰水年,平水年的年径流最大值主要出现(5—10月),较基准期汛期(6—9月)而言范围较大,设计枯水年年内分配不均匀,碧流河水库在未来时期兴利防洪调度将面临一定的挑战。     

水稻免耕对流域蓝绿水的影响

研究水稻免耕的水文效应对免耕技术的推广和农业可持续发展具有重要意义。然而,以往研究主要在站点尺度上,尚未阐明免耕对流域蓝绿水的影响。以湘江流域为试验区,利用2000年的土地利用、数字高程、土壤数据、农业管理数据和2000—2018年的气象数据驱动SWAT水文模型,模拟了水稻免耕对流域年蓝水(产水量+深层地下水补给量)和绿水(实际蒸散发+土壤含水量)的影响。研究结果表明:和传统耕作相比,水稻免耕引起深层地下补给量下降了5.62%,比产水量的高5.35%。但是蓝水的变化主要归因于产水量的变化,产水量对蓝水变化的贡献为72.46%。水稻免耕引起流域绿水流(实际蒸散发)减少了8.460×10~7 m~3,但绿水库(土壤含水量)的增加(14.543×10~7 m~3)抵消绿水流的减少,最终导致绿水总量增加。因此,水稻免耕影响蓝绿水的分配主要通过改变产水量和土壤含水量来实现。产水量主要影响蓝水变化,而土壤含水量主要影响绿水的变化。由于水文要素之间的相互抵消,水稻免耕对整个流域蓝绿水的最终影响并不大,但流域范围内的空间差异较大。水稻免耕提高了绿水在水资源总量中的比例,增加了农田生态系统的生态可用水量,因此具有积极作用。