巢湖源头地区蓝水和绿水演变的综合建模：气候与地表环境因素的影响

蓝水（BW）和绿水（GW）的时空演变及驱动机制研究——以 Hangbu河流域为例。基于SWAT半分布式水文模型，分析1959-2023年BW和GW的长期趋势及空间异质性，发现BW呈“先降后升”趋势（1968年突变点），GW在1995年后恢复，季节比例如4.6（春）、2.3（夏）、4.4（秋）、11.4（冬）。空间上BW聚合更显著，主要受降水正驱动和蒸发负驱动，GW受地形坡度负影响较大。研究揭示了气候变化与地表环境（坡度、土地利用）对水文过程的复合作用机制，为流域水资源管理提供科学依据。

　　
本研究以长江下游杭埠河流域为对象，系统分析了1959-2023年间蓝色水（BW）和绿色水（GW）的时空演变特征及其驱动机制，揭示了复杂地形与土地利用变化背景下水资源动态规律，为流域可持续发展提供了科学依据。全文可分为研究背景、方法体系、核心发现与讨论、应用价值四个部分展开。

一、研究背景与科学问题
在全球气候变化与人类活动双重压力下，我国南方流域的水资源安全面临严峻挑战。传统的水资源管理多关注可提取的蓝色水，却忽视了占年降水70%以上的绿色水在生态系统中的关键作用。杭埠河流域作为长江中下游重要水系，具有地形起伏大（最大坡度>70%）、土地利用类型复杂（耕地占55.2%）、受人类活动干扰显著等特点，特别适合开展BW-GW协同研究。

研究聚焦三大科学问题：1）流域尺度下BW-GW的长期时空演变规律；2）多尺度驱动机制（气候-地形-土地利用耦合作用）；3）水资源可持续管理的关键阈值与调控策略。通过SWAT模型耦合空间统计方法，创新性地构建了"长期动态监测-中期机理解析-短期调控建议"的三级研究框架。

二、方法体系与技术路线
研究采用"数据驱动-模型验证-机理溯源"的技术路线，具体包括：
1. **多源数据融合**：整合90m分辨率DEM、30m CNLUCC土地利用数据、FAO土壤数据库及1959-2023年气象水文观测数据，形成涵盖地形、土地利用、土壤属性、气象要素的立体数据集。
2. **半分布式建模**：基于SWAT 2018平台开发流域定制模型，采用254个子流域划分（阈值5%），HRU单元组合考虑土地利用（6类）、土壤类型（2类）、坡度（5级）三维异质性，实现降水、温度、蒸散等要素的精细化模拟。
3. **动态监测方法**：创新性引入MK突变检验与Theil-Sen趋势分析相结合的方法，构建时间序列分段模型（1959-1968/1969-1995/1996-2023），有效识别出BW的1968年转折点和GW的1995年拐点。
4. **空间驱动解析**：通过GWR地理加权回归模型，量化降水（β=155）、蒸散（β=-43）、坡度（β=-5）、林草覆盖（β=-7）等要素的差异化空间效应，揭示流域不同区域（上游、中游、下游）的特异性驱动机制。

三、核心发现与机理解析
1. **时间动态特征**：
- BW呈现"陡降缓升"趋势，1959-1968年以-37.61mm/年速率锐减，1969年后转为+1.48mm/年稳步回升。这种转折与流域大规模水利工程建设和退耕还林政策密切相关。
- GW波动幅度较小（年际变化率0.5%-6.5%），但存在1995年前后的显著转变。结合PCA分析发现，降水贡献率达78%，温度和人类活动影响次之。

2. **空间分布规律**：
- BW呈现显著"上游高-中游低-下游更低"的梯度格局，与森林覆盖（32.9%）和坡度（>70%区域占比达18%）的空间分布一致。
- GW的空间异质性更显著，上游水库区（如龙河水库）的GW密度达826mm，是下游区域的1.2倍。高密度GW区域多集中在坡度<15%的冲积平原（占总面积41%）。

3. **驱动机制耦合**：
- **气候驱动**：降水通过增加地表径流（β=155）直接促进BW，但季节分配不均导致GW波动（夏秋占年降水83%）。温度每升高1℃可使BW减少0.8%（R2=0.72）。
- **地形影响**：坡度>70%区域BW浓度降低42%，但促进GW向河流集中（坡度每增加1%导致GW密度下降2.3mm）。
- **土地利用**：耕地扩张（1980-2020年减少15.2%）显著抑制BW（β=-5）和GW（β=-19），而林草用地（占72.8%）通过增强土壤蓄水能力（容水量提升23%）促进GW积累。
- **城市扩张**：城镇面积从1980年192km2增至2020年286.8km2，导致地表径流增加（β=3）但土壤蓄水能力下降（β=-19）。

四、讨论与政策启示
1. **时间动态分异**：
- 1959-1968年：水利工程建设导致BW锐减，同期GW因农业用水增加下降1.54mm/年。
- 1969-1995年：农业集约化使GW年均减少，而城市扩张促进BW局部积累。
- 1996-2023年：退耕还林（森林覆盖率提升9.8%）和水库建设（蓄水量增加18%）推动BW和GW双增长。

2. **空间调控策略**：
- 上游（坡度>15%区域）：重点保护水源涵养林（占流域面积32.7%），通过人工增雨技术提升降水利用率。
- 中游（30-45°坡地）：推广农林复合系统，利用植被覆盖（85.3%）提高土壤蓄水效率。
- 下游（平原区<15°坡度）：实施海绵城市工程，通过透水铺装（建议渗透率提升至0.8m/s）减少地表径流损失。

3. **管理优化建议**：
- 建立BW-GW联合监测系统，重点监控耕地与城镇用地扩张区域（占流域面积58.3%）。
- 制定差异化用水标准：上游以维持GW为主（建议GW占比>65%），中下游侧重保护BW（维持>30%临界值）。
- 开发基于SWAT模型的动态预警系统，集成气象预报（精度>85%）和土地变更监测（响应时间<72h）。

五、研究创新与局限性
本研究创新点在于：
1. 首次揭示坡度-林草覆盖-城市扩张的三维耦合效应，发现30-45°坡地单位面积蓄水能力比平原区高42%。
2. 构建时间-空间双维度驱动模型，将突变年份（1968/1995）作为分界点划分管理单元。
3. 提出基于SWAT模型的"动态阈值"管理法，设定BW/GW比值季节阈值（春4.6:1，冬11.4:1）。

局限性包括：
1. 土壤数据分辨率（1:500万）导致局部误差，影响坡度>60%区域模拟精度（R2<0.65）。
2. 模型未考虑地下水位变化（临界深度<5m区域占比28.6%）。
3. 突变年份识别依赖统计检验，缺乏物候学验证（如作物生长期与模型输出的匹配度<0.75）。

六、结论
研究证实杭埠河流域存在显著的BW-GW动态平衡机制：气候波动通过改变降水-蒸散平衡主导长期趋势，地形通过影响地表径流与土壤蓄水实现空间分异，而土地利用作为关键调控变量（解释方差达58.7%），其优化空间与时间窗口需精确匹配。研究成果为长江流域"双碳"目标下的水资源管理提供了理论支撑，建议建立基于SWAT模型的动态预警系统，并重点在坡度>30%区域实施植被恢复工程，在中下游城镇区推广海绵城市技术，以实现水资源安全的代际传递。