1.2 生态水文学视角下的水资源
1.2.1 生态水文学
随着与水有关的生态环境问题的日益突出，生态环境保护备受当今社会的广泛关注，人们越来越认识到与自然生态系统协调共处对人类可持续发展的重要性。水资源开发利用所导致的区域水文过程变化将不可避免地对区域生态环境体系产生影响，而区域生态环境变化，尤其是植被生态系统的变化，势必将对区域水文过程产生作用。面对全球水资源日益短缺的现实，科学界正在寻找新的解决办法［1］。现有的水文学理论已不能满足解决水资源短缺和持续管理水资源的要求，这是因为：①在过去的两个世纪里。人类活动已经严重引起水循环中最关键、最活跃的因子（植被）的退化；②传统的水资源管理是以工程水文技术为主，但实际上，在某特定尺度水资源的循环是长期生物地球化学循环进化的结果［2］。任何生态系统格局和生态过程的变化都与水文过程相关联，因此，正确管理水资源的方法应该建立在对生态系统格局和过程的水文学机制深入了解的基础之上，这正是生态水文学的核心之所在。生态水文学正是在全球水资源短缺的背景下，寻求解决合理持续利用水资源的实践中形成的一门交叉应用学科。
生态水文学是20世纪90年代兴起的一门边缘学科，在全球水资源短缺的背景下，1992年在都柏林国际水与环境大会上作为一门独立的学科被提出来。随着水文循环的生物圈部分和联合国教科文组织主持的国际水文计划等国际项目的实施，生态水文过程研究得到迅速的发展和广泛的重视，成为当前研究的热点［3-4］。生态水文学的概念首先由Zalewski等人提出，是指对地表环境中水文学和生态学相互关系的研究。在他后来的文章中认为生态水文学是在流域的尺度上，研究水文和生物相互功能关系的科学，是实现水资源可持续管理的一种新方法［5］。同时指出气候、地形、植物群落和动态、人类活动的影响这四个因素决定了环境中水的动态变化，表明其在不同的环境中生态过程和水文过程之间的相互关系各不相同。Rodriguez［6］认为生态水文学作为一门学科，是指在生态模式和生态过程的基础上，寻求水文机制的一门科学。在这些过程中，土壤水是时空尺度内连接气候变化和植被动态的关键因子。在他后来的研究中认为植物是生态水文学的核心内容。Nuttle［7］认为生态水文学是生态学和水文学的亚学科，它所关心的是水文过程对生态系统配置、结构和动态的影响，以及生物过程对水循环要素的影响。这一定义聚焦于水文过程在生态系统中所起的作用上，这与Rodriguez所提到的在生态模式和生态过程上研究水文机制的概念相一致。Hatton［8］认为生态水文学需要在质量守恒和能量守恒定律的基础上，在周围环境不同的情况下，研究环境过程的机制。
2004年，瑞典水文学家Malin Falkenmark与Johan Rochstrom出版了一部关于生态水文学的专著——《Balancing Water for Humans and Nature：The New Approach in Ecohydrology》（《人与自然间的用水平衡：生态水文学新方法》）。该书围绕水循环、生态系统和降水等主要概念，分析全球尺度的淡水资源，重点是将淡水资源的功能及角色与生态系统服务有机地组合在一起，全面系统地介绍了管理水资源的新的生态学方法，并通过该生态水文学新方法试图在人类用水与自然用水之间找到一个平衡点。
Falkenmark提出的生态水文学新方法的核心内容是将降水视为由人类与自然共同分享的淡水资源，认为最根本的水资源是降水，而不仅仅是河川径流。提出将降水分为绿水和蓝水的概念，并在随后提出的生态水文学新方法中将此概念作为研究的切入点和理论基础［9］。绿水是指陆地水文循环中的气态水流或总的蒸腾蒸发量，它包括来自植物截留、地表、水面和土壤的非生产性蒸发和源自植物蒸腾、促进植物生长的生产性蒸腾，显然源自降水的绿水支撑着陆地生态系统。蓝水是指陆地水循环中的液态水流，它包括降水形成的地表径流和地下水补给，即径流性水资源，它是支撑水域生态系统的基本水源［10］。
1.2.2 广义的水资源
我国曾于20世纪70年代末、80年代初组织开展过全国第一次水资源调查评价工作，但因为这次评价总体上还比较粗，广度、深度不够，资料系列短，所以为了满足经济社会发展的需要，全国又相继开展了第二次水资源评价工作，针对第一次水资源评价中存在的问题进行了改进［11］。但是水资源评价的对象仍主要集中于包括可见的地表水和地下水在内的径流性水资源。
随着生态水文学这一交叉学科的兴起与发展，人们提出了新的理念来客观地对水资源进行评价。随着视野的不断开阔，人们把眼光扩展到不同赋存形式的水资源上来。水资源的评价对象逐渐从径流性水资源向以降水为整体的水资源方向发展。对水资源的概念及其内涵有众多的认识与理解，从狭义上讲，水资源是指人类在一定的经济技术条件下能够直接使用的淡水，以江河、湖海为代表的地表水和地下水为主；从广义上讲，水资源是指在一定的经济技术条件下能够直接或间接使用的各种水和水中的物质，在社会生活和生产中具有使用价值和经济价值的地球上各种水体都可以称为水资源，包括天上的雨雪、河湖中的水体、浅层和深层的地下水、土壤水、冰川、海水等。从水循环的全过程和水量平衡的全要素来看，应把降水看作水资源的总量，把绿水引入水资源的范畴中，作为广义水资源的一部分，应该从细微雨滴着手研究，而不仅仅是从江河、湖泊或含水层的蓝水开始，对涵盖了蓝水和绿水的广义水资源进行分别评价，进而达到对水资源的客观合理的评价目的。
流域内水资源量构成如图1.1所示。
图1.1 流域内水资源量构成
1.2.3 绿水
我国的绿水资源总量约为3.4万亿m3，占水资源总量的54%。绿水是维持陆地生态系统景观协调和平衡的重要水源；支撑着雨养农业；维护地球陆地生态系统生产功能和服务功能，绿水作为水资源的一部分具有重要的作用，不容忽视［12］。传统的水资源评估与管理只考虑了对社会和经济有用的地表水和地下水，即蓝水，却忽略了雨养农业与生态系统的重要绿水水源。在水资源日益稀缺、水环境持续恶化的今天，这种界定是不合理的，现今利用蓝水进行粮食生产的灌溉农业，只用了降水资源的2%，影响到粮食安全和生态安全的水资源危机，只有在广义水资源的更大的框架内才有希望得到解决。把绿水引入水资源的范畴才是对水资源全面而更真实的理解。绿水概念的提出和评价方法的出现不仅为水资源评价管理提供了新的思路，还为现实意义上的可持续发展、人与自然和谐相处打下了基础［13］。
在国外，绿水研究从科学家Falkenmark于1995年提出“绿水”概念以来，相对发展较快。在国内，人们对绿水的概念比较陌生，绿水的研究也较匮乏。从2006年刘昌明和李云成［14］对绿水的内涵进行阐述，以及程国栋和赵文智［15］对绿水及其研究进展进行总结介绍以来，国内与绿水有关的研究工作才逐渐发展起来。尽管在概念体系和评价方法上仍处于发展阶段，但绿水资源已在水资源评价和水文学研究中逐渐得到重视。
目前，国内外估算绿水的方法大致有四种［15］：①利用生态系统生产干物质的需水量反求绿水资源，即用净初级生产力数据乘以主要生态系统生产单位干物质所需的蒸散量［16-17］；②根据典型生态系统蒸散发观测研究资料及空间信息估算绿水流［18］；③利用水文模型估算流域尺度的绿水流；④耦合植被动态、生态地理、生物地球化学和水文模型估算绿水流。上述方法的基本思想是：利用各种手段在所要研究的区域上确定植被覆盖面积与植被蒸腾数据，计算出总蒸腾量。尽管已有的估算绿水量的方法种类很多，但大多所选研究范围（如全球区域大尺度）过大，使得估算精度不高，不便于绿水的规划与管理，或是虽然选取小尺度（流域尺度）进行研究，但缺乏精度较高的评估方法［19］；或是缺乏气候变化条件下的绿水评估［20］，再或者是虽然模拟效果比较好，但往往只针对流域内某一类植被进行研究，未考虑植被的多样性与空间分布的差异性，无法达到客观反映流域尺度绿水量及其时空变异特征对绿水流影响的目的。
针对上述问题，一些新的方法得到很大的发展与应用。运用SWAT分布式水文模型估算绿水资源是一种新兴的方法，SWAT模型可以进行蓝水、绿水的分别估算并且能够反映出绿水的时空分布特征，已在国内外得到了成功的应用［21］。SWAT模型被认为是小尺度下进行绿水估算研究的有效办法，值得在中国推广使用［22］。吴洪涛等［19］以碧流河上游地区为研究区，利用SWAT水文模型在小尺度上建立了多角度评估绿水的方法。张杰等［23］以青海省东北部的湟水流域为研究区，分析了该区蓝水、绿水随时间的变化规律及不同土地利用类型绿水的分布规律。甄婷婷等［24］以伊洛河上游卢氏流域为研究区，构建SWAT模型研究了时段内各年蓝水、绿水资源量，并按照月尺度分析了时间分布规律，以及蓝水、绿水的空间分布规律。荣琨等［22］运用SWAT模型对东南沿海晋江西溪流域的蓝水、绿水资源量进行了估算，分析了蓝水、绿水的组成和时间分布规律。
遥感由于其自身的优势与特点，近年来发展迅速，遥感技术与其他方法的结合应用为诸多科学和应用问题带来了全新的思路。目前遥感技术在水文学中的应用大致可以分为两种：①利用遥感资料推求下垫面的特征与变化，属于直接应用；②利用遥感资料进行有关参数与变量的推求，为其他技术手段提供数据支持，属于间接应用［25-26］。遥感技术被认为是可以定量估算区域尺度蒸散发的唯一可能途径［27-28］。陆面蒸发因气候的多变与陆地表层地形的多样性，很难做到准确的估算。遥感技术可以在较大区域上获得气象数据和水文数据，使得从植被多样性与空间分布的角度计算绿水量成为可能。目前，在较大区域上应用遥感技术估算地表的蒸散发主要有两种方法［29］：①余项法，用遥感表面温度结合气温以及一系列阻抗公式计算显热通量，将潜热通量作为剩余项，从能量平衡公式中求出，这种方法有坚实的理论基础，精度较高，但是计算难度较大；②用温度-植被指数（Tucker等，1981）或微波土壤湿度观测（Njoku和Patel，1986）来推算P-M公式中的表面阻抗，直接进行蒸散计算，此方法操作简便，比较实用，而且空气动力学阻抗的估算误差不太敏感。遥感研究区域ET中，地表能量平衡方程和Penman-Monteith阻力模型是物理基础比较坚实且应用最广泛的两种方法［30］。简言之，遥感估算蒸散发就是利用遥感技术反演研究区的地表参数将其输入模型中，计算得到实际的蒸散发。
基于地表能量平衡方程的SEBAL模型是与遥感技术相结合的一个物理概念较为清楚的模型，是当前利用遥感数据反演蒸散发较好的一种方法［31］。SEBAL模型从建立到发展的10多年的时间内，在蒸散发估算研究中得到了广泛的应用，该模型在应用时要求的参数少而反演精度较高。SEBAL模型的应用可分为三类：①直接应用，李红军等［32］利用SEBAL模型对河北省栾城县的蒸散发进行了计算模拟，并取得了较好的效果；②在应用的基础上，分析计算研究区不同土地利用或植被类型的蒸散发，李宝富等［33］利用基于遥感的SEBAL模型对新疆塔里木河干流区的蒸散发进行了估算研究，分析了该区不同土地利用类型蒸散发的特点以及蒸散发的年际变化规律；杜嘉等［34］在SEBAL模型的基础上，集成气象数据与MODIS遥感数据对三江平原的日蒸散量进行了估算，并对不同土地覆盖类型的日蒸散量进行了统计分析；邓志民等［35］利用MODIS遥感数据，采用SEBAL模型对汉江上游地区的日蒸散发进行了估算，并分析了该区不同土地利用类型的蒸散发特点；王强等［36］利用SEBAL模型对冀蒙接壤区的日蒸散发进行了估算，精度较高，证明SEBAL模型能够用于农牧交错带蒸散发的估算；③在利用模型研究蒸散发时空分布特征的基础上，进一步分析蒸散发与其影响因素之间的关系；杨肖丽等［37］利用SEBAL模型估算了半干旱地区老哈河流域的蒸散发，并分析了其时空分布特征及其与地表温度（LST）、植被指数（NDVI）和地形指数的相关关系；曾丽红等［38］利用基于MODIS遥感数据的SEBAL模型估算了半湿润半干旱的松嫩平原不同时段不同下垫面的地表蒸散发，并分析了其与气候条件、土地利用类型和植被长势等因素的关系。随着技术的不断进步，人们又提出了SEBAL模型的改进版，面向高分辨率遥感数据的METRIC模型［39］和面向低分辨率遥感数据的SEBS模型［40］。
在蒸散发分析计算模型中，Penman-Monteith阻力模型（以下简称P-M模型）具有理论基础坚实、计算精度高、适用性强的特点，是联合国粮农组织推荐的计算蒸散量的标准方法，得到了广泛的认可和应用。但传统的方法只能获得单站点的基础数据，模型常用来估算均一下垫面的潜在蒸发蒸腾量［41］，很少考虑地表的植被多样性以及绿水流的空间变化规律。如刘胜等［42］利用修正之后的P-M模型只对青海省东部大通县地区的林木日蒸腾量进行了模拟研究。A.A.Alazba［43］利用P-M模型计算了沙特阿拉伯七个不同地区的椰枣树的年蒸散量。王书功等［44］利用P-M模型和Priestly-Taylor方程估算了黑河山区草地的蒸散发。王力飞等［45］利用基于P-M模型的双作物系数法估算了内蒙古自治区浑善达克沙地东南缘南沙梁草甸草原区的羊草日蒸散量。贺康宁等［46］利用修正之后的P-M模型并使用常规气象数据进行了刺槐林全年连续日蒸腾量的模拟估算。针对传统方法的弊端，新的发展方向是将P-M模型与遥感技术结合起来，利用遥感技术推求出连续的时空尺度的数据，带入理论模型进行绿水流的计算，两者的结合很好地实现了推求流域绿水流空间变化的目的。如李红霞等［47］引入基于MODIS遥感叶面积指数的P-M模型，实现了对区域尺度上日蒸散发的有效估算，并同时实现了植被蒸腾和土壤蒸发的分别估算。
ETwatch是一套能够用于区域或流域蒸散发量遥感反演的完整业务系统，该模型基于表面能量平衡原理，将陆面能量平衡方程余项法（SEBAL、SEBS）和FAO56（P-M公式）蒸散发模型相结合进行模型集成而形成模型［48］。中国科学院遥感应用研究所的吴炳方等［49-51］经过一系列的实际应用证明了其估算的效率与精度。如吴炳方等利用基于遥感数据的ETwatch方法对海河流域与河北省馆陶县的蒸散发分别进行了估算，并利用地面观测资料进行对比验证，结果表明模型估算效果较好。