喀斯特石漠化典型区蓝水绿水转化模拟

陈珂　杨胜天　江砥　管亚兵　黄勇奇　戴国富

摘要：由渗漏导致的降水大量流失是造成喀斯特石漠化地区地表水短缺的主要原因，将渗漏的难利用蓝水转化为可供植被生长利用的生态绿水是目前技术条件下提高水资源利用量的有益探索。基于蓝水绿水理论和土壤-植物-大气连续体（SPAC）原理，通过采用EcoHAT系统水循环模型模拟贵阳市非城镇地区的蓝水绿水转化，发现：（1）研究区绿水占降水的份额不到50%，远低于全球65%的平均水平，具有很大的转化利用潜力;（2）增加植被覆盖度和增厚土层均能实现将渗漏蓝水转化为生态绿水，增厚土层的转化效果更为显著;（3）增加植被覆盖度对减少渗漏的转化作用存在一个明显的阈值，当植被覆盖度增长到56%左右时，其减少渗漏的作用急遽减弱。鉴于研究区石漠化的典型性，本研究对类似地区提高水资源利用量具有一定参考意义。

关键词：喀斯特;石漠化;蓝水;绿水;生态;EcoHAT;贵阳

中图分类号：P426文献标志码：A

Abstract：The leakage of large amount of precipitation  was the main cause of surface water shortage in karst rocky desertification areas.The conversion of the leaking hard-to-use blue water into ecological green water for vegetation growth and utilization was a useful exploration to improve water resource utilization under current technical level.Based on the Blue Water & Green Water Theory and the Soil-Plant-Atmosphere Continuum （SPAC） Principle，the conversion of blue water into green water in non-urban areas of Guiyang city was simulated with the Water Cycle Model of EcoHAT System in this study.It was found that：（1） The green water in the study area accounted for less than 50% of the precipitation，which was far below the global average of 65%，and with great potential for conversion and utilization.（2） Increasing vegetation coverage and thickening soil layer could enhance the process converting the leakage blue water into ecological green water，and the effects of thickened soil layer was more significant than those of increasing vegetation.（3） If the vegetation coverage was increased to 56% or above，which was an threshed，the effects on leakage was then limited.The research results of this paper would provide an add-value reference for improving water resources utilization in the similar rocky desertification areas.

Key words：karst;rock desertification;blue water;green water;ecology;EcoHAT;Guiyang

由歷史上植被破坏导致的土壤流失和岩石出露地表，是加剧喀斯特石漠化地区降水渗漏流失的直接原因[1-2]，致使当地水资源利用量偏低于同等降水条件的非喀斯特地区[3]。相当一部分学者认为，喀斯特石漠化地区属于工程性缺水，可通过修建大中型蓄水工程来提高当地水资源的利用量[4-5]。实践表明，在喀斯特地区修建大规模的蓄水工程，不仅成本巨大[6-7]，而且石灰岩的渗透性对于水库等蓄水工程也构成潜在隐患[8-9]。为此，有必要探索适宜于喀斯特石漠化地区提高水资源利用的新途径。

生态水文学将陆地表面的降水划分为“绿水”和“蓝水”两部分，绿水指供给植被生长代谢用的气态水或饱和土壤水，其中直接用于植物蒸散发的部分为绿水流，用于补充土壤水蓄变量的部分为绿水储存;蓝水指以液态形式供给水生生态系统或人类利用的另一部分降水[10-11]。研究发现，全球绿水约占降水总量的65%，蓝水约占降水总量的35%[12]，越是湿润的地区绿水所占降水比例越高[13]。在我国相对湿润的西南喀斯特石漠化地区，由于植被破坏，导致原本应参与植被生长代谢的大量绿水最终以蓝水的形式渗漏流失。如果能够采取适当措施将这部分渗漏蓝水转化为可供植被生长利用的生态绿水，将有利于提高当地的水资源利用量，促进生态与经济可持续发展。

第17卷  总第101期·南水北调与水利科技·2019年4月

陈珂，杨胜天，江砥，等·喀斯特石漠化典型区蓝水绿水转化模拟

我国西南地区是世界上喀斯特地貌分布比较集中、石漠化危害较为严重的地区[14-15]，针对喀斯特地区石漠化治理及生态恢复，众多学者展开了广泛而深入的研究，其中通过调节绿水分配份额，从生态恢复角度实现对石漠化的治理，正逐渐被重视。

Yuan与万军等[16-17]认为喀斯特生态环境相对脆弱、土壤贫瘠，植被生长过度依赖于生境条件;杜睿等[18]指出，是土壤含水量的变化导致了植被类型的演替，可见，植物生长对土壤水分依赖程度较大;王志强等[19]认为，“天然植被经过长期演替，具有自组织能力，能够适应一定的土壤水分状况”，为绿水变化与植被演替之间的相关关系研究提供了宝贵的线索;王玉娟等[20]在对贵州喀斯特典型地貌区龙里实地实验后认为，应当通过增加植被盖度和减少裸地面积，来加强对当地绿水资源消耗利用的调控;温志群等[21]采用EcoHAT系统对植被蒸散量进行估算后，认为通过把更多的降水转化为绿水，将更加有利于喀斯特石漠化地区的植被生态恢复;杨胜天[22]基于EcoHAT系统实验结果指出，贵州省喀斯特地区由于乱砍滥伐、陡坡垦殖等人类活动加剧了水土流失和石漠化，导致绿水存量逐渐减少，针对“蓝-绿水”转化与管理的研究亟待开展。

综上所述，目前学术界对绿水与喀斯特地区植被生态系统相互作用的研究已经达到一定深度，对绿水减少的机理也已有初步认识，即由于土壤贫瘠、植被破坏、岩溶易渗透性等原因，导致尽管我国西南喀斯特地区降水丰富，却大量渗漏流失。因此，当前面临的问题主要是如何将当地难以直接利用的渗漏蓝水转化为可供植被生长代谢用的生态用绿水、以及转化多少。

基于此，本文拟开展以下方面的研究。

（1）通过对蓝水绿水转化进行模拟并结合观测数据，初步明晰研究区蓝水与绿水的总量及空间分布。

（2）探索将喀斯特石漠化典型区渗漏蓝水转化为生态绿水的可行措施。

（3）基于模型计算，分析不同“蓝-绿”水转化措施的效果。

1 研究区概况

贵阳市是贵州省的省会，总面积约8 034 km2，地处贵州中部，位于云贵高原东北部长江与珠江的分水岭区域，在东经106°07′-107°17′、北纬26°11′-27°22′之间，喀斯特面积约为6 830.26 km2，超过全市总面积的80%[23-24]。由于历史上大炼钢铁及开荒种地引发的乱砍滥伐，造成当地天然林退化严重，致使约85%的地区出现不同程度的石漠化[25]。贵阳市多年平均降水量为1 100 mm，2013年森林覆蓋率约为44.2%，鉴于当地水土流失严重、地表石多土少，是典型的喀斯特石漠化地区[26-27]，本文选取贵阳市非城镇地区（面积约7 495 km2）作为研究区。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文对蓝水绿水转化过程进行模拟的数据按属性分为基础地理空间数据和气象水文数据，基础地理空间数据主要通过MODIS遥感产品获取，包括每日反照率、每日地表温度、植被覆盖度、土地利用、地表辐射、土壤质地等数据。根据模型计算需要和遥感数据获取情况，空间分辨率采用1 km精度;由于2003年之前研究区的部分MODIS产品数据缺失，而本研究于2015年启动时，2014年之后的部分遥感数据尚不能下载，并且一部分作为验证用的2014年之后的水文观测数据，官方网站也尚未发布，因此选取2003年作为研究的初始年，2013年作为现状年。考虑到作为重要计算指标的植被盖度，在区域尺度上的年度变化并不明显，为便于模型计算的比较分析，仅选取了2003年、2007年和2013年的实际数据参与计算。

2.2 蓝水绿水转化模拟

根据“土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）”即SPAC原理[28-29]，绿水可以通过对区域蒸散发量的估算求得，而蓝水亦可通过将降水量减去绿水量获得。鉴于北京师范大学生态水文研究团队开发的EcoHAT系统，此前已多次应用于贵州喀斯特石漠化地区的蒸散发量计算[21，30-31]，本文采用EcoHAT系统水循环模型，对研究区蓝水与绿水转化进行模拟。该模型主要涉及蒸散发和土壤水运移的运算，分别介绍如下。

2.2.1 潜在蒸散发计算

EcoHAT系统水循环模型对潜在蒸散发量的计算采用Priestley-Taylor公式：

模型计算结果显示，尽管初始年和现状年降水量相差达40 mm，相差幅度为4.8%，但两个年份绿水总量构成之间基本没有太大的差异，变化幅度为0.6%，体现了研究区蓝绿水构成的相对稳定性。在植被盖度增加22.5%的情况下，植被蒸腾量和截留量分别增长了11.69%和14.2%（参见表1），这与植被对降水截留与蒸腾等的作用特点相符;由于蒸腾和截留的增加导致土壤蒸发量、蓄变量、径流量和渗漏量的相应减少，也与水量平衡原理基本相符，这在一定程度反映了EcoHAT系统模型计算结果的合理性。初始年与现状年蓝绿水各分量值变化情况参见图1。

从蓝水与绿水的构成来看，2003年蓝水总量为506.87 mm，绿水总量为461.36 mm，蓝水与绿水占当年降水量的比例分别为52.35%和47.65%;2013年蓝水总量为463.38 mm，绿水总量为458.68 mm，蓝水与绿水占当年降水量的比例分别为50.25%和49.75%。可见，初始年和现状年的绿水模拟值占降水量的比例均不到50%，远低于全球65%的平均水平;2003年和2013年的渗漏量占降水量的比例分别8.60%和7.61%，表明在将难利用的渗漏蓝水转化为对植被生长有用的生态绿水（蒸散发和土壤水蓄变量）方面，有较大可调控空间。

为便于直观分析研究区蓝水与绿水分布，基于模型计算结果，分别生成研究区初始年与现状年渗漏量分布图，以及相应的植被盖度图和土壤质地图。如图2所示，初始年与现状年的渗漏地带空间分布基本一致;渗漏地带分布与植被覆盖在空间上的分布并无明显相关性，从侧面反映出植被退化并不是导致渗漏的根本原因;严重渗漏区域（渗漏量大于180 mm）均位于土壤水传导率相对高的壤土区内，但壤土区并不都是渗漏严重的区域，表明渗漏是否严重应与土壤质地有一定关系，但也受到其他因素的影响。

3.2 模型計算结果验证

对于模型各项计算结果数值的验证，除蓝水渗漏量的验证，由于缺少观测资料难于直接验证外，其余各值均可通过查阅相关文献资料获取验证值。因此，对渗漏量可采取间接验证方式，通过验证参与计算的各水文分量的值，再根据水量平衡原理，达到验证渗漏量计算精度的目的。

径流量验证数据可通过贵阳市水务局发布的《水资源公报》获得，植被降水截留量的验证值来源于张喜等[45]在贵阳市开阳县的实地观测数据;蒸腾量、土壤蒸发量和饱和水含量的验证值根据张志才等[46]在同为喀斯特地区且与贵阳相邻的普定县陈旗小流域利用Perman-Monteith方法计算的结果，土壤水蓄变量验证值根据温志群等[21]在贵阳及周边地区计算的土壤水蓄变率获得。模型模拟值与验证值参见表3。

表3中数值显示，径流量的模拟值和验证值之间相差较大，原因是验证值417.9 mm来自2013年水资源公报数据，而同年贵阳市统计年鉴显示，径流量数值为50.21亿m3，换算为径流量应为624.9 mm，两者相差高达200 mm。由于统计年鉴数值与水资源公报数值同样来源于水行政主管部门，这种差异应该产生于统计上报过程中，可归类为观测误差，不影响对模型计算结果的可信度评价。其次，土壤水蓄变量的验证值比模拟值稍偏大，根据温志群等的解释，主要原因为其观测时段从9月至次年3月，该时段的平均次降雨雨强较小，降雨历时相对长、气温低，植被蒸散发较弱，处于植被生长缓慢期，因此降水大多用于补给绿水储存部分，导致土壤含水量增长较快，土壤水蓄变量也较其他时段要高;而模拟值计算的是全年的平均数，自然偏低于验证值[20]。另外，饱和含水量的验证值也偏高于模拟值，原因应与验证值来自对小流域的观测，而模拟值由较大区域数值平均后得到有关。其他变量的模拟值和验证值之间的差异不是很明显，显示由EcoHAT模型计算的各水文分量值与验证值之间具有良好的相似度。模型模拟值与验证值的相似度参见图3。

图3中模拟值的分布均接近于45°线，显示由EcoHAT系统计算而得的蒸散发量及土壤水运移量与验证值之间具有良好相似度，根据水量平衡原理，渗漏量模拟值也应该具有良好的可信度。

3.3 蓝水绿水转化模拟

根据SPAC原理，在水循环的三大环节中，以现有技术而言，人类难以改变大气运动或降水过程，却可以通过改变植被覆盖度和土壤厚度等地表因素来影响降水的分配，从而实现将喀斯特石漠化地区渗漏的难利用蓝水转化为可供植被代谢利用的生态绿水。

3.3.1 增加植被对“蓝-绿”水转化的模拟分析

鉴于在土壤条件不变的情况下，能够对陆面水循环产生影响的另外两大因素分别为大气降水和植被变化。可假定降水量不变，模拟植被变化下的渗漏量变化。利用MODIS数据反演植被盖度发现，2003年至2013年间，研究区植被盖度增长幅度接近10%;为便于比较，在进行模拟时，按植被盖度每增长5%作为一个时间间隔，由于2007年研究区植被盖度刚好在2003年的基础上增长约5%，将2007年数据纳入模型计算。同时，为分析植被盖度小幅变化对渗漏量的影响，在2013年基础上，增加模拟植被盖度增长1%和2%的影响，模拟结果参见表4。

通过对表4的分析发现：

（1）在保持降水量不变的条件下，随着植被盖度的增加，径流量不断减少，绿水总量保持相同数值的增长，表明在植被增长模式下，绿水的增长来源于蓝水径流量的转化;

（2）随着植被盖度的增加，研究区渗漏量呈不断减少的趋势，尽管减少的绝对值与绿水总量的增长相差悬殊，但仍表明植被增长能够在一定程度上将渗漏蓝水转化为生态绿水;

（3）当植被盖度由50%增长到56%左右时，渗漏量减少的幅度最大（1.19%），约为1 mm/km2;

（4）根据表3中数据，按植被盖度每增长5%计算所对应渗漏减少的幅度，汇总如表5所示。发现当植被盖度由50%增长至56%时，渗漏量减幅较大，此后渗漏量减幅显著下降，且下降幅度越来越小。

通过对植被盖度增加与渗漏量减少幅度变化的相关性分析发现，植被盖度增长与渗漏量变化之间呈明显负相关的幂指数关系，且植被盖度接近56%时，渗漏量减少的拐点作用表现明显（参见图4）。表明降水不变时，植被盖度增加对减少渗漏的作用可能存在一个阈值，植被盖度增加越接近这一阈值，渗漏量减少幅度变得越小，因此需要借助其他更有效的途径来减少渗漏量。

3.3.2 增加土壤厚度对蓝-绿水转化的模拟分析

根据SPAC原理，假定降水和植被盖度不变，选取便于模型进行计算与分析的土壤层厚度数值，在原有40 cm平均土层厚度基础上，分别增加10 cm和20 cm，对蓝水绿水变化情况进行模拟，经计算得到各主要指标值见表6。

通过分析表6的模拟结果发现：

（1）随着土层的增厚，土壤蒸发量不断升高，土层增厚20 cm所增加的土壤蒸发量几乎相当于土层增厚10 cm导致增加的蒸发量的2倍，表明土壤增加的厚度与所增加的蒸发量的增量之间呈较好的正相关关系;

（2）当土壤增厚10 cm时，土壤水蓄变量所增加的45.81 mm水量刚好与渗漏减少的量相等，从水量平衡的角度来看，表明增厚土层所减少的渗漏蓝水已全部转化为绿水储存量，此时径流量所减少的53.22 mm水量中，45.81 mm来自于渗漏量的减少，而另外7.41 mm用于土壤水蒸发，所减少的蓝水总量全部转化为绿水;

（3）当土壤增厚20 cm后，导致减少的114.82 mm径流总量中，有100.11 mm转化[HJ2.1mm]为土壤水蓄变量，另外14.71 mm转化为土壤水蒸发，土壤水蓄变量所增加的水量除一部分来自于减少的64.47 mm渗漏量外，剩余部分应来自于地表径流量的减少;

（4）当土壤在原有基础上增厚20 cm后，导致除渗漏蓝水外，高达114.82 mm的径流量减少。尽管根据Tennant的研究，径流量减少在40%以内，不会对水生生态系统产生明显不利影響[47]，但考虑到土壤增厚20 cm后，绿水占降水的份额已达61.57%，接近全球65%的平均水平，并且总径流量减少幅度已高达23.58%，可能会对生态环境产生一定负面作用，在对进行生态评估之前，不建议再增厚土层。

蓝水绿水变化对增厚土层的响应关系参见图5。

图5显示，渗漏量与土壤厚度变化呈较显著的负指数相关关系，同时两者之间变化也呈稍弱的线性负相关关系，原因应与作为渗漏蓝水转化对象的土壤水蓄变量同时受到蓄变能力增强和径流量减少双重影响有关。

3.4 蓝水绿水转化效果对比分析

此前的模型计算结果显示，增加植被盖度和增厚土层均能实现将喀斯特石漠化地区渗漏的难利用蓝水转化为生态绿水，但哪一种方法转化效果更明显，尚需进一步比较分析。为此，假定降水量不变，将两种方法对转化绿水的贡献数值列表见表7，为便于比较，对增厚土层的模拟，增加了45 cm和55 cm两种土壤厚度。

通过表7的数值对比发现，随着植被盖度和土壤厚度的不断增加，绿水总量均呈快速增长的趋势，增厚土层所转化的绿水量明显多于增加植被盖度的转化量。

4 结论

本文基于蓝水绿水理论，采用EcoHAT系统水循环模型对喀斯特石漠化典型地区—贵阳市非城镇区的蓝水和绿水变化进行了模拟，分析了增加植被和增厚土层两种方案对将研究区渗漏的难利用蓝水转化为可供植被生长利用的生态绿水的不同效果，研究结论如下。

（1）研究区在初始年和现状年绿水占降水的份额分别为47.65%和49.75%，均远低于全球65%的平均水平，且2003年和2013年的渗漏量占降水量的比例分别8.60%和7.61%，具有将渗漏蓝水转化为生态绿水的巨大潜力。

（2）增加植被覆盖度和增厚土层是实现将渗漏蓝水转化为生态绿水的有益途径，增厚土层的转化效果较增加植被更为显著。

（3）增加植被覆盖度对减少渗漏的转化作用存在一个明显的阈值，即在植被覆盖度增长到56%左右后，增加植被对减少渗漏的作用急遽减弱。

探索将喀斯特石漠化地区渗漏的难利用蓝水转化为可供植被生长利用的生态绿水，对类似地区提高水资源利用量的研究，将具有一定的参考意义。

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