基于水足迹的流域水资源压力对植被恢复的响应机理及调控研究

Vegetation restoration had been implemented in large scale since 1999 which has made area of cultivated, forestry and meadow land changed. The land cover change alters blue water, green water storage and virtual water flow. Thus it is important for regional water resources management to clarify the impact of vegetation restoration on water resources system. Taking Yanhe River Basin as an example, the objectives of this study are (1) to explore spatial and temporal characteristic of blue and green water by use of SWAT model, to study the conversation mechanism between blue and green water based on meteorology, hydrology, topography and land cover data; (2) To identify influencing mechanism of vegetation restoration on water stress using ratio between water footprint and water resources on the basis of coupling water quantity and water quality, considering internal and external water footprint, calculating green, blue, grey water footprint and virtual water flow; (3) to put forward countermeasures to alleviate water resource stress by building water resource system dynamics model and simulating different preliminary scenario. The results can not only analyze the positive and negative effects of vegetation restoration on water resources, but also provide references for water resource management.

本世纪初黄土高原大规模实施的以植被恢复为核心的生态建设工程使耕地、林地、草地等地表覆被类型发生变化，引起蓝水流、绿水流和绿水存储、虚拟水流动等水资源要素发生改变，厘清这些改变对流域水资源影响是制定水资源管理政策的基础。本项目以陕北黄土高原延河流域为研究对象，基于气象、水文、地形、土地覆被数据建立SWAT模型，模拟蓝绿水资源量时间分布特征及空间分布格局，探索蓝绿水资源转换机理；耦合水量、水质，综合内外部水足迹，明确植被恢复前后农业、林业、草地蓝水、绿水、灰水足迹及虚拟水流动，辨识不同地表覆盖率、不同覆被类型对水资源压力变化的贡献，揭示水资源压力对植被恢复的响应机理；构建流域水资源系统动力学模型，通过施肥、虚拟水流动、耕地、林地、草地种植情景模拟，提出缓解水资源压力的调控对策。研究成果对于全面剖析植被恢复对水资源的正、负效应具有科学意义，并为生态建设过程中的水资源管理政策制定提供参考依据。

退耕还林（草）工程是目前我国乃至世界上政策性最强、投资量最大、涉及面最广的生态建设工程，把不适宜种植农作物的山地陡坡退还成自然或人工的森林或草地。1999年中国率先开始在黄土高原实施退耕还林（草）工程，并在2002年全面启动。在植被恢复建设取得阶段性成果的同时，2000年来，海河、辽河、松花江、汉江、黄河流域年径流量下降，尤其是植被恢复效果明显的黄河中游来水量锐减，与以往多年平均来水量相比，大约减少了100亿m3，已有研究表明植被覆盖改善使大量蓝水转化为绿水是径流减少的重要原因之一。. 本项目选择植被恢复效果显著的黄土高原延河流域为研究对象，以流域土地利用、土壤数据、气象数据、DEM数据、粮食作物生产和消费数据、统计、规划等为数据来源，基于SWAT模型、系统动力学方法，分析模拟流域蓝绿水资源的时间序列变化特征及转换机理，考虑绿水资源的土地利用变化对流域水资源压力的影响，缓解流域水资源压力的调控措施等。主要研究成果如下：.（1）基于遥感影像数据，解译、分析延河流域植被恢复措施前后不同年份（1980、1990、2000、2005、2010、2017）不同土地利用类型面积及时空变化特征，探讨“退耕还林还草”工程效果；.（2）基于土壤、土地利用、DEM、气象数据，构建流域SWAT模型并进行率定和验证，模拟并逐项分析了植被恢复措施前后流域蓝、绿水的时间变化特征及空间分布格局，辨识蓝绿水转化机理，并进一步分析植被恢复措施前后水量平衡各要素（蒸散量、产水量、地表径流量、土壤含水量）的时空特征，探讨植被恢复对流域水资源供需平衡的影响；.（3）核算流域生产足迹及消费水足迹，进而核算虚拟水输入、输出时间序列变化状况，采用水足迹与广义水资源量比值解析植被恢复区水资源压力变化，探讨流域水资源系统对植被恢复的响应机理；.（4）基于系统动力学方法，模拟流域不同地表覆被类型情景下流域水资源压力变化，进而提出合理、可行的缓解水资源压力调控措施，进而提出植被恢复可持续发展的政策建议。