中國西北地區內陸河流域面向生態環境的水資源開發模式研究
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/11 源自:中華職工學習網 【字體：
】
】
1 西北地區內陸河流域生態環境現狀
西北地區內陸河流域下游的生態環境長期以來呈總體的退化趨勢，特別是近50年來，其退化速度進一步加快，主要表現為：地表水、地下水、土壤水鹽化現象加速，使水質惡化、土地鹽堿化問題日趨突出；下游地表水量劇減，地下水潛水面下降，造成了土地全面退化，沙漠化現象嚴重；下游綠洲大面積退化，植被體系衰退：植物種群向極端的方向（耐旱、耐鹽）發展，植物群落總體上呈負向演替，向低級化、簡單化趨勢發展，群落景觀呈現出碎片化、島嶼化。在此基礎上形成的生態系統更加脆弱，抗干擾性更小，極易失衡向鹽堿化、沙漠化方向發展。
這些問題在新疆、青海、甘肅、內蒙等地均有不同程度的存在。僅以黑河下游弱水三角洲地區為例。50年代以前，該地區曾分布連片茂密的沙棗、胡楊、紅柳、梭梭、蘆葦、芨芨草等灌叢草甸，到70年代末，沙棗、胡楊林減少了5.76萬hm[2]，植被覆蓋率大于30%的灌叢草場減少了327.18萬hm[2]。三角洲內的以紅柳、梭梭、蘆葦及芨芨草為主的灌叢草甸也大面積退化并逐漸被枸杞、駱駝刺及紅砂等旱生或超旱生荒漠草甸所取代。與此同時，土壤鹽堿化和沙漠化在黑河流域也迅速發展，下游地區有35.09萬hm[2]的水域、森林草場變成鹽堿地和沙漠，土地年退化面積1.1～1.3萬hm[2]。
2 西北地區內陸河流域生態環境惡化的原因
2.1 西北地區的長期干旱化趨勢是其生態環境惡化的根本原因
有關研究表明，中國西北地區正處于干旱快速發展的時期，并且將來還會向持續干旱化方向發展。而造成這種長期持續干旱化的原因則是晚新生代以來青藏高原的持續隆升。它使中國宏觀氣候由緯向分帶變為經向分帶為主，從而使現代四大水文循環系統，即太平洋水文循環系統、印度洋水文循環系統、北冰洋水文循環系統與鄂霍次克海水文循環系統，成為控制中國水資源時空分布的基本因素，中國西北地區正好處于四大水文循環的空缺帶，其地理位置決定了西北內陸河流域內近地表大氣層水分含量少，降水稀缺，水分收支失衡，地下水位下降，氣候長期向干旱化方向發展，且主要靠封閉性流域水文循環系統和水分垂直循環系統維護其生態系統的水分均衡。流域內蒸發力大的氣候條件和相對封閉的地形條件則決定了流域水文循環系統中水分的最終去向只能以蒸發輸出方式為主，由于基本沒有鹽分排泄去路，流域將始終處于鹽分積累過程中，尤其是在局部流動系統和區域流動系統的匯區，地表水、地下水、土壤水中的含鹽量不斷增高。
由于西北地區土壤的水、鹽背景值及其分布是決定植物生態種群自然選擇的關鍵因子，因此總體上的水資源極端匱乏造成了西北內陸河流域生態環境的脆弱性。
2.2 水資源的不合理開發利用導致脆弱的生態環境進一步惡化
2.2.1 水資源系統性的認識不足導致過度開采
西北地區內陸河流域水資源系統一般都與其他表流域系統的范圍相一致，跨越不同的行政區劃，且在系統內水資源量的分布極不均勻；地表水系統與地下水系統間轉化頻繁，水力聯系密切，相互影響與制約作用強烈，牽動系統中的一個環節，都可能對其它環節產生不同程度的影響，甚至導致其空缺。而在以往的水資源開發中，缺少對水資源的系統特點的認識，對其采取上、中、下游分段評價與開采，導致了水資源量的重復計算，中上游地表水和地下水過量開采和下游河道斷流，下游地下水位下降，使原本就極不均衡的水資源在人為作用下分布更趨于極端化，最終導致了流域水資源系統的失穩，使下游自然生態環境進一步惡化。
2.2.2 水資源分配中沒有考慮自然生態用水
在部分地區，雖然認識到了水資源的系統性，對其使用進行了統籌規劃，但只考慮到人工生態用水、工業用水與生活用水，沒有考慮自然生態用水，所以現有的流域水資源分配一般是在中游大量引用地表水或提取地下水進行農業灌溉，而對下游則只考慮分配其生活用水，沒有為其自然生態用水預留配額，導致下游地區地下水位下降至生態水位以下，地表植被迅速惡化。
2.2.3 對自然生態用水機理不清而導致配水有效性低
一些地區雖然定期為流域下游分送一定水量，但由于對流域水資源與生態環境耦合關系不清，尤其是對下游植被年內需水量的動態規律不清，導致配水多集中在下半年，對下游地表生態的保護和恢復作用不大，并易加劇鹽堿化。另外，年度配水量也不足以使下游地下水達到生態水位，難以為地表植被利用，因此大部分為無效水。
3 西北地區內陸河流域面向生態環境的水資源開發模式
3.1 流域水資源的開發與分配必須要面向生態環境
生態環境必須要求有足夠的水量來維系。鑒于西北地區內陸河流域水資源系統特點及生態環境特點，在進行水資源開發時，必須考慮其引起的生態環境效應，確定面向生態環境的流域水資源的開發和分配方案，即將水資源作為一個動態系統，考慮其時空分布及內部各種水資源間的相互轉化，在維護現有流域水資源系統的宏觀穩定態及流域生態環境平衡的基礎上確定水資源的開發方案，對開發出的水資源也要進行統籌安排、系統分配，以獲得最大效益。
3.2 面向生態環境的流域水資源開發與分配的基本模式
為了對流域水資源進行科學分配以保護生態環境，必須分析水資源與生態環境的耦合關系，建立其耦合模型，進行水資源開發方案的生態環境效應評價。其基本思路是：建立流域水資源系統模型和生態地質環境系統模型，將水資源的開發作為水資源系統的輸入，由水資源系統模型得到其輸出，該輸出同時是生態地質環境系統的輸入，再由生態地質環境系統模型得到其輸出，即流域生態環境可能的變化。其過程見圖1。通過上述耦合關系的分析，繼而可以對流域水資源開發方案可能引起的生態環境效應進行評價。為此，需要開展的研究如下：
3.2.1 流域生態地質環境調查與系統分析
調查內容包括流域內現有植被的種類、分布、生長狀況及其所對應的水、鹽等對植被影響較大、易受外界干擾的淺地表地質環境因子。根據植物在不同的地質環境因子下的生長狀況，分析不同植物的生存域，即植物對水、鹽等地質環境因子組合的適應范圍。從而確定地質環境因子的變化對植被演替的作用，以及地質環境因子間的相互作用，尤其是地下水位這一受水資源開發影響最大的地質環境因子對其它環境因子的影響，建立生態地質環境系統模型，模擬各種輸入對其產生的影響及其相應輸出。
3.2.2 流域水資源系統分析
將整個流域的地表水與地下水作為一個系統。研究其結構特點和環境特點，分析其動力學機制，建立系統模型，研究各種輸入下水資源系統的輸出。
3.2.3 流域水資源系統與生態地質環境系統的耦合模型
附圖
圖1 西北地區內陸河流域水資源與生態環境耦合關系分析
將水資源的開發作為水資源系統的輸入，由其內部結構分析該輸入對水資源系統的作用，預測其輸出，如地下水位及地表徑流的變化等。并將其作為生態地質環境系統的輸入，通過分析地下水位對其它各地質因子的作用以及它們一起對植被的作用，確定可能引起的生態環境變化，并以此作為生態地質環境系統的輸出。
3.2.4 流域水資源開發方案的生態環境效應預測
利用上述耦合關系，對流域水資源開發方案的生態環境效應進行預測性評價，為確定合理的流域水資源開發方案提供生態環境方面的依據。
3.3 研究中的關鍵問題
3.3.1 水資源系統的滯后與延遲效應
水資源的開發所造成的水資源系統的改變并不能立即反映在它的輸出中，而是有一個滯后，因此中上游的水資源開采并不能立即反映為下游地下水位的變化。不同的流域水資源系統，甚至同一流域水資源系統在不同的開發方案下，其輸出的滯后也有長有短。而西北干旱區植被的需水量在年內差異較大，所以在進行分析時必須考慮這個滯后時間。水資源的開發對流域水資源系統的影響還具有延遲效應，在常年開發的情況下必須考慮各個階段水資源開發對水資源系統的累計影響。因此，正確的考慮水資源系統的滯后效應與延遲效應，對水資源的合理開發具有重要意義。
3.3.2 水因子的漲落特點
西北干旱區內陸河流域中的植被系統所具有的宏觀穩定態較少，但作為一般系統，它也具有多態性。當水因子緩慢漲落時，植被系統產生適應，通過自組織保持當前穩定態或從某一穩定態向其它穩定態演替。但當水因子漲落幅度及速度較大，超過植被系統的適應范圍和適應速度時，它來不及適應，現有穩定態難以保持，而新的穩定態也難以形成或保持，可能直接向其終態（沙漠化）方向演替。因此在水資源開發時，應保持水因子的正常漲落幅度和速度。另外，還要注意水因子與其它生態因子的相互作用，在某些地區，水因子的漲落可能會對風因子和土壤因子等產生放大效應，對植被系統產生不可逆轉的破壞作用。
3.3.3 植被的生活習性
在生態地質環境系統分析過程中，要充分考慮植被的生活習性。不同植被對地下水與地表水的依賴程度不同，其年內的需水量也有變化，這對流域內自然生態配水的有效性有特殊意義。以胡樹為例，其繁殖期主要是在春季，而這個季節下游正處于干旱少雨期，降水不足以使小胡楊萌芽成活，此時地表水的配給對胡楊的繁殖就十分重要。如果河道來水仍集中在中游農作物成熟后的九月份，其有效性顯然不高。
4 結論
天然條件下的長期干旱化趨勢造成了西北地區內陸河流域生態環境的脆弱性，而水資源的不合理開發利用則使流域水資源系統的天然時空分布改變，水、鹽失調，導致生態環境進一步惡化。產生水資源無序利用的原因是由于在開發方案中沒有弄清水資源系統、生態地質環境系統的特點及其耦合關系而導致生態用水分配不足或其有效性不高。流域水資源開發要以水資源系統與生態地質環境系統的耦合研究為基礎，在耦合模型中，將水資源開發作為水資源系統的輸入，其輸出作為生態地質環境系統的輸入，分析生態地質環境系統響應的機理，對水資源開發方案的生態環境效應進行預測評價。在研究中要重視水資源系統的滯后與延遲效應、地表植被的習性和水因子的漲落特點等關鍵問題。
西北地區內陸河流域下游的生態環境長期以來呈總體的退化趨勢，特別是近50年來，其退化速度進一步加快，主要表現為：地表水、地下水、土壤水鹽化現象加速，使水質惡化、土地鹽堿化問題日趨突出；下游地表水量劇減，地下水潛水面下降，造成了土地全面退化，沙漠化現象嚴重；下游綠洲大面積退化，植被體系衰退：植物種群向極端的方向（耐旱、耐鹽）發展，植物群落總體上呈負向演替，向低級化、簡單化趨勢發展，群落景觀呈現出碎片化、島嶼化。在此基礎上形成的生態系統更加脆弱，抗干擾性更小，極易失衡向鹽堿化、沙漠化方向發展。
這些問題在新疆、青海、甘肅、內蒙等地均有不同程度的存在。僅以黑河下游弱水三角洲地區為例。50年代以前，該地區曾分布連片茂密的沙棗、胡楊、紅柳、梭梭、蘆葦、芨芨草等灌叢草甸，到70年代末，沙棗、胡楊林減少了5.76萬hm[2]，植被覆蓋率大于30%的灌叢草場減少了327.18萬hm[2]。三角洲內的以紅柳、梭梭、蘆葦及芨芨草為主的灌叢草甸也大面積退化并逐漸被枸杞、駱駝刺及紅砂等旱生或超旱生荒漠草甸所取代。與此同時，土壤鹽堿化和沙漠化在黑河流域也迅速發展，下游地區有35.09萬hm[2]的水域、森林草場變成鹽堿地和沙漠，土地年退化面積1.1～1.3萬hm[2]。
2 西北地區內陸河流域生態環境惡化的原因
2.1 西北地區的長期干旱化趨勢是其生態環境惡化的根本原因
有關研究表明，中國西北地區正處于干旱快速發展的時期，并且將來還會向持續干旱化方向發展。而造成這種長期持續干旱化的原因則是晚新生代以來青藏高原的持續隆升。它使中國宏觀氣候由緯向分帶變為經向分帶為主，從而使現代四大水文循環系統，即太平洋水文循環系統、印度洋水文循環系統、北冰洋水文循環系統與鄂霍次克海水文循環系統，成為控制中國水資源時空分布的基本因素，中國西北地區正好處于四大水文循環的空缺帶，其地理位置決定了西北內陸河流域內近地表大氣層水分含量少，降水稀缺，水分收支失衡，地下水位下降，氣候長期向干旱化方向發展，且主要靠封閉性流域水文循環系統和水分垂直循環系統維護其生態系統的水分均衡。流域內蒸發力大的氣候條件和相對封閉的地形條件則決定了流域水文循環系統中水分的最終去向只能以蒸發輸出方式為主，由于基本沒有鹽分排泄去路，流域將始終處于鹽分積累過程中，尤其是在局部流動系統和區域流動系統的匯區，地表水、地下水、土壤水中的含鹽量不斷增高。
由于西北地區土壤的水、鹽背景值及其分布是決定植物生態種群自然選擇的關鍵因子，因此總體上的水資源極端匱乏造成了西北內陸河流域生態環境的脆弱性。
2.2 水資源的不合理開發利用導致脆弱的生態環境進一步惡化
2.2.1 水資源系統性的認識不足導致過度開采
西北地區內陸河流域水資源系統一般都與其他表流域系統的范圍相一致，跨越不同的行政區劃，且在系統內水資源量的分布極不均勻；地表水系統與地下水系統間轉化頻繁，水力聯系密切，相互影響與制約作用強烈，牽動系統中的一個環節，都可能對其它環節產生不同程度的影響，甚至導致其空缺。而在以往的水資源開發中，缺少對水資源的系統特點的認識，對其采取上、中、下游分段評價與開采，導致了水資源量的重復計算，中上游地表水和地下水過量開采和下游河道斷流，下游地下水位下降，使原本就極不均衡的水資源在人為作用下分布更趨于極端化，最終導致了流域水資源系統的失穩，使下游自然生態環境進一步惡化。
2.2.2 水資源分配中沒有考慮自然生態用水
在部分地區，雖然認識到了水資源的系統性，對其使用進行了統籌規劃，但只考慮到人工生態用水、工業用水與生活用水，沒有考慮自然生態用水，所以現有的流域水資源分配一般是在中游大量引用地表水或提取地下水進行農業灌溉，而對下游則只考慮分配其生活用水，沒有為其自然生態用水預留配額，導致下游地區地下水位下降至生態水位以下，地表植被迅速惡化。
2.2.3 對自然生態用水機理不清而導致配水有效性低
一些地區雖然定期為流域下游分送一定水量，但由于對流域水資源與生態環境耦合關系不清，尤其是對下游植被年內需水量的動態規律不清，導致配水多集中在下半年，對下游地表生態的保護和恢復作用不大，并易加劇鹽堿化。另外，年度配水量也不足以使下游地下水達到生態水位，難以為地表植被利用，因此大部分為無效水。
3 西北地區內陸河流域面向生態環境的水資源開發模式
3.1 流域水資源的開發與分配必須要面向生態環境
生態環境必須要求有足夠的水量來維系。鑒于西北地區內陸河流域水資源系統特點及生態環境特點，在進行水資源開發時，必須考慮其引起的生態環境效應，確定面向生態環境的流域水資源的開發和分配方案，即將水資源作為一個動態系統，考慮其時空分布及內部各種水資源間的相互轉化，在維護現有流域水資源系統的宏觀穩定態及流域生態環境平衡的基礎上確定水資源的開發方案，對開發出的水資源也要進行統籌安排、系統分配，以獲得最大效益。
3.2 面向生態環境的流域水資源開發與分配的基本模式
為了對流域水資源進行科學分配以保護生態環境，必須分析水資源與生態環境的耦合關系，建立其耦合模型，進行水資源開發方案的生態環境效應評價。其基本思路是：建立流域水資源系統模型和生態地質環境系統模型，將水資源的開發作為水資源系統的輸入，由水資源系統模型得到其輸出，該輸出同時是生態地質環境系統的輸入，再由生態地質環境系統模型得到其輸出，即流域生態環境可能的變化。其過程見圖1。通過上述耦合關系的分析，繼而可以對流域水資源開發方案可能引起的生態環境效應進行評價。為此，需要開展的研究如下：
3.2.1 流域生態地質環境調查與系統分析
調查內容包括流域內現有植被的種類、分布、生長狀況及其所對應的水、鹽等對植被影響較大、易受外界干擾的淺地表地質環境因子。根據植物在不同的地質環境因子下的生長狀況，分析不同植物的生存域，即植物對水、鹽等地質環境因子組合的適應范圍。從而確定地質環境因子的變化對植被演替的作用，以及地質環境因子間的相互作用，尤其是地下水位這一受水資源開發影響最大的地質環境因子對其它環境因子的影響，建立生態地質環境系統模型，模擬各種輸入對其產生的影響及其相應輸出。
3.2.2 流域水資源系統分析
將整個流域的地表水與地下水作為一個系統。研究其結構特點和環境特點，分析其動力學機制，建立系統模型，研究各種輸入下水資源系統的輸出。
3.2.3 流域水資源系統與生態地質環境系統的耦合模型
附圖
圖1 西北地區內陸河流域水資源與生態環境耦合關系分析
將水資源的開發作為水資源系統的輸入，由其內部結構分析該輸入對水資源系統的作用，預測其輸出，如地下水位及地表徑流的變化等。并將其作為生態地質環境系統的輸入，通過分析地下水位對其它各地質因子的作用以及它們一起對植被的作用，確定可能引起的生態環境變化，并以此作為生態地質環境系統的輸出。
3.2.4 流域水資源開發方案的生態環境效應預測
利用上述耦合關系，對流域水資源開發方案的生態環境效應進行預測性評價，為確定合理的流域水資源開發方案提供生態環境方面的依據。
3.3 研究中的關鍵問題
3.3.1 水資源系統的滯后與延遲效應
水資源的開發所造成的水資源系統的改變并不能立即反映在它的輸出中，而是有一個滯后，因此中上游的水資源開采并不能立即反映為下游地下水位的變化。不同的流域水資源系統，甚至同一流域水資源系統在不同的開發方案下，其輸出的滯后也有長有短。而西北干旱區植被的需水量在年內差異較大，所以在進行分析時必須考慮這個滯后時間。水資源的開發對流域水資源系統的影響還具有延遲效應，在常年開發的情況下必須考慮各個階段水資源開發對水資源系統的累計影響。因此，正確的考慮水資源系統的滯后效應與延遲效應，對水資源的合理開發具有重要意義。
3.3.2 水因子的漲落特點
西北干旱區內陸河流域中的植被系統所具有的宏觀穩定態較少，但作為一般系統，它也具有多態性。當水因子緩慢漲落時，植被系統產生適應，通過自組織保持當前穩定態或從某一穩定態向其它穩定態演替。但當水因子漲落幅度及速度較大，超過植被系統的適應范圍和適應速度時，它來不及適應，現有穩定態難以保持，而新的穩定態也難以形成或保持，可能直接向其終態（沙漠化）方向演替。因此在水資源開發時，應保持水因子的正常漲落幅度和速度。另外，還要注意水因子與其它生態因子的相互作用，在某些地區，水因子的漲落可能會對風因子和土壤因子等產生放大效應，對植被系統產生不可逆轉的破壞作用。
3.3.3 植被的生活習性
在生態地質環境系統分析過程中，要充分考慮植被的生活習性。不同植被對地下水與地表水的依賴程度不同，其年內的需水量也有變化，這對流域內自然生態配水的有效性有特殊意義。以胡樹為例，其繁殖期主要是在春季，而這個季節下游正處于干旱少雨期，降水不足以使小胡楊萌芽成活，此時地表水的配給對胡楊的繁殖就十分重要。如果河道來水仍集中在中游農作物成熟后的九月份，其有效性顯然不高。
4 結論
天然條件下的長期干旱化趨勢造成了西北地區內陸河流域生態環境的脆弱性，而水資源的不合理開發利用則使流域水資源系統的天然時空分布改變，水、鹽失調，導致生態環境進一步惡化。產生水資源無序利用的原因是由于在開發方案中沒有弄清水資源系統、生態地質環境系統的特點及其耦合關系而導致生態用水分配不足或其有效性不高。流域水資源開發要以水資源系統與生態地質環境系統的耦合研究為基礎，在耦合模型中，將水資源開發作為水資源系統的輸入，其輸出作為生態地質環境系統的輸入，分析生態地質環境系統響應的機理，對水資源開發方案的生態環境效應進行預測評價。在研究中要重視水資源系統的滯后與延遲效應、地表植被的習性和水因子的漲落特點等關鍵問題。
|
|
相關鏈接
|
|