基于SWAT技术的珠江流域洪水调节服务动态分析（2006–2018年）：从水文建模到洪水事件的机制研究

《Journal of Cleaner Production》：SWAT-based analysis of flood regulation service dynamics in the Pearl River Basin (2006–2018): Mechanisms from hydrological modelling to flood events

本研究基于SWAT模型模拟径流，结合2006-2018年珠江流域洪水记录及社会经济数据，量化洪水调节服务供需时空分布。结果表明：FRSS上游至下游梯度变化，Xijiang河“非常高”区域扩大2倍；需求热点集中于三角洲城市及河道交汇处，增长20.04%；供需比失衡区持续存在，80%的洪水发生在失衡区域，揭示结构性供需错配长期存在，需适应性流域管理策略。

　　本研究聚焦于生态系统在洪水调节服务中的作用，通过综合运用SWAT模型模拟地表径流、历史洪水记录以及社会经济数据，系统评估了珠江流域的洪水调节服务供给（FRSS）和需求（FRSD）的空间分布特征。研究发现，FRSS在流域内呈现出从上游到下游的梯度变化，多数子流域的FRSS水平在2006年至2018年间有所提升。具体而言，高供给区域的占比从20.00%增长至29.30%，中等供给区域的占比也从20.32%上升至31.98%。此外，西江流域的“极高”供给区域面积从1003.87平方公里扩大到3056.03平方公里，显示出显著的增长趋势。相比之下，FRSD的热点区域主要集中在珠江三角洲的都市群和河流交汇处，其中“极高”需求区域的面积增长了20.04%。在2006年至2018年间，中等平衡和平衡区域的占比显著上升，分别从20.13%和19.79%增长至31.45%和28.92%。然而，到2018年，不平衡区域主要分布在珠江三角洲地区，显示出结构性的供需失衡。

研究还通过将洪水事件与SDR分布图进行空间叠加，对2019年至2023年的数据进行了后验证。结果显示，80%的洪水事件发生在SDR失衡区域，进一步验证了供需失衡对洪水风险的影响。尽管自2006年以来，整个流域的不平衡区域有所减少，但在城市化区域仍然存在持续的供需错配，表明结构性的供需失衡具有长期性。这些发现表明，无论是离散的水文极端事件，还是系统性的空间供需失衡，都会对洪水风险产生重要影响，为流域的适应性管理策略提供了科学依据。

珠江流域是中国南方重要的地理区域，总面积达453,700平方公里，涵盖云南、贵州、广西、广东、湖南、江西六省以及越南北部。该流域不仅人口众多，占全国总人口的11.2%，而且经济总量巨大，贡献了全国GDP的12.1%。珠江流域由西江、北江、东江和珠江主干流交汇形成，具有复杂的水文特征和生态系统结构。由于其地理位置和经济重要性，珠江流域的洪水调节服务供需失衡问题尤为突出，亟需系统性的研究和管理对策。

在研究方法上，本研究采用了一种结合自然与社会因素的综合评估框架，以SWAT模型为基础，对地表径流进行模拟，作为洪水调节服务供给的核心指标。同时，将历史洪水记录与社会经济数据相结合，评估洪水调节服务需求。通过计算供需比（SDR），研究进一步揭示了供给与需求之间的空间匹配情况。这种综合方法弥补了以往研究在供给与需求评估上的单一性，既考虑了自然因素对洪水调节能力的影响，也纳入了人类社会对洪水风险的应对需求。

模型的校准与验证是研究的重要环节，研究者利用2006年至2018年间高要、梧州、梧宣和贵港等水文站点的观测径流数据，对SWAT模型的参数进行了优化和评估。通过SUFI-2算法进行敏感性分析、模型校准和验证，确保了模型的准确性。此外，研究还采用统计和图形方法对校准结果进行了验证，进一步提高了研究的可靠性。这一过程不仅保证了模型的有效性，也为后续的供需分析提供了坚实的基础。

为了更好地评估洪水调节服务的时空动态，本研究提出了一种基于“自然-社会”互动的评估方法。这种方法通过整合社会经济数据与SWAT模型，能够更全面地反映洪水调节服务的供给与需求。与以往研究相比，这种方法在模拟地表径流时更加注重自然因素的物理机制，同时在评估需求时也考虑了社会经济条件对洪水风险的影响。通过这种方式，研究能够更准确地识别供需失衡的区域，并分析其背后的原因。

研究结果表明，珠江流域的洪水调节服务供给和需求呈现出明显的空间分布特征。供给方面，上游地区普遍具有较高的洪水调节能力，而下游地区则相对较低。这种差异主要源于上游地区的植被覆盖率较高，能够有效吸收和调节雨水，减少洪水的发生。相比之下，下游地区由于城市化程度较高，土地利用结构复杂，导致洪水调节服务供给不足，从而加剧了洪水风险。需求方面，珠江三角洲的都市群和河流交汇处对洪水调节服务的需求最为迫切，这些区域由于人口密集、经济活动频繁，对防洪设施和生态服务的依赖性较强。

在分析供需失衡的区域时，研究发现，尽管整个流域的不平衡区域有所减少，但在城市化程度较高的区域，供需失配问题依然存在。这种结构性的失衡不仅影响了洪水调节服务的效率，也对流域的生态安全和可持续发展构成了挑战。因此，研究建议应采取综合性的管理措施，既加强自然生态系统的保护，提升洪水调节服务的供给能力，又优化社会经济结构，降低洪水调节服务的需求压力。

本研究的意义在于，通过系统评估珠江流域的洪水调节服务供需，揭示了自然与社会因素之间的相互作用。研究结果为流域的适应性管理提供了科学依据，有助于制定更加精准的防洪策略。同时，研究还强调了供需失衡的长期性，表明在城市化进程中，如何平衡自然生态系统的保护与社会经济发展的需求，是未来需要重点关注的问题。通过这些分析，研究者希望能够为其他流域的洪水风险管理提供参考，推动更加可持续的水资源管理实践。

此外，研究还探讨了不同评估方法对洪水调节服务供需的影响。目前，对于FRSS的评估主要依赖于水文模型，如SCS-CN和SWAT，以模拟地表径流。而对于FRSD的评估，一些研究侧重于洪水事件的建模，而另一些则更倾向于使用社会经济指标来描述需求。为了弥补供需评估中的维度不一致，一些研究者采用了归一化方法，对FRSS和FRSD进行分类。然而，也有学者认为归一化方法可能掩盖了实际的调节需求，因此更倾向于使用统一的评估单位。这种方法上的争议表明，在评估洪水调节服务时，需要在自然因素与社会经济因素之间找到平衡，以确保评估结果的准确性和实用性。

研究还发现，供给与需求之间的失衡可能受到多种因素的影响，包括自然地理条件、土地利用模式、社会经济发展水平以及人类活动的干预。例如，一些研究指出，土地利用结构的变化可能会显著影响洪水调节服务的供给能力，而社会经济的发展则会增加洪水调节服务的需求。因此，在制定洪水管理策略时，需要综合考虑这些因素，以实现供需的动态平衡。

本研究的成果不仅有助于提升珠江流域的洪水调节服务能力，也为其他流域的水资源管理提供了借鉴。通过系统分析供给与需求的空间分布特征，研究者能够更清晰地识别洪水风险的来源，并提出针对性的管理措施。同时，研究还强调了在城市化进程中，如何通过生态修复和管理来缓解供需失衡问题，这为未来的生态治理提供了新的思路。

总之，本研究通过综合运用SWAT模型、历史洪水数据和社会经济数据，系统评估了珠江流域的洪水调节服务供需情况。研究发现，供给和需求在空间分布上存在显著差异，这种差异不仅影响了洪水调节服务的效率，也对流域的生态安全和可持续发展构成了挑战。通过后验证，研究进一步确认了供需失衡区域的洪水发生频率，表明这种失衡具有长期性和结构性。这些发现为流域的适应性管理提供了科学依据，有助于制定更加精准和有效的防洪策略。同时，研究还强调了在城市化进程中，如何通过生态修复和管理来缓解供需失衡问题，这为未来的生态治理提供了新的思路。