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中國西北地區(qū)內(nèi)陸河流域面向生態(tài)環(huán)境的水資源開發(fā)模式研究
1 西北地區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀西北地區(qū)內(nèi)陸河流域下游的生態(tài)環(huán)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(jìn)一步加快，主要表現(xiàn)為：地表水、地下水、土壤水鹽化現(xiàn)象加速，使水質(zhì)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(xiàn)象嚴(yán)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(fā)展，植物群落總體上呈負(fù)向演替，向低級(jí)化、簡單化趨勢發(fā)展，群落景觀呈現(xiàn)出碎片化、島嶼化。在此基礎(chǔ)上形成的生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，抗干擾性更小，極易失衡向鹽堿化、沙漠化方向發(fā)展。
這些問題在新疆、青海、甘肅、內(nèi)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(qū)為例。50年代以前，該地區(qū)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(nèi)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(shí)，土壤鹽堿化和沙漠化在黑河流域也迅速發(fā)展，下游地區(qū)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(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境惡化的原因
2.1 西北地區(qū)的長期干旱化趨勢是其生態(tài)環(huán)境惡化的根本原因
有關(guān)研究表明，中國西北地區(qū)正處于干旱快速發(fā)展的時(shí)期，并且將來還會(huì)向持續(xù)干旱化方向發(fā)展。而造成這種長期持續(xù)干旱化的原因則是晚新生代以來青藏高原的持續(xù)隆升。它使中國宏觀氣候由緯向分帶變?yōu)榻?jīng)向分帶為主，從而使現(xiàn)代四大水文循環(huán)系統(tǒng)，即太平洋水文循環(huán)系統(tǒng)、印度洋水文循環(huán)系統(tǒng)、北冰洋水文循環(huán)系統(tǒng)與鄂霍次克海水文循環(huán)系統(tǒng)，成為控制中國水資源時(shí)空分布的基本因素，中國西北地區(qū)正好處于四大水文循環(huán)的空缺帶，其地理位置決定了西北內(nèi)陸河流域內(nèi)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(fā)展，且主要靠封閉性流域水文循環(huán)系統(tǒng)和水分垂直循環(huán)系統(tǒng)維護(hù)其生態(tài)系統(tǒng)的水分均衡。流域內(nèi)蒸發(fā)力大的氣候條件和相對(duì)封閉的地形條件則決定了流域水文循環(huán)系統(tǒng)中水分的最終去向只能以蒸發(fā)輸出方式為主，由于基本沒有鹽分排泄去路，流域?qū)⑹冀K處于鹽分積累過程中，尤其是在局部流動(dòng)系統(tǒng)和區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)的匯區(qū)，地表水、地下水、土壤水中的含鹽量不斷增高。
由于西北地區(qū)土壤的水、鹽背景值及其分布是決定植物生態(tài)種群自然選擇的關(guān)鍵因子，因此總體上的水資源極端匱乏造成了西北內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境的脆弱性。
2.2 水資源的不合理開發(fā)利用導(dǎo)致脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化
2.2.1 水資源系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)不足導(dǎo)致過度開采
西北地區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)一般都與其他表流域系統(tǒng)的范圍相一致，跨越不同的行政區(qū)劃，且在系統(tǒng)內(nèi)水資源量的分布極不均勻；地表水系統(tǒng)與地下水系統(tǒng)間轉(zhuǎn)化頻繁，水力聯(lián)系密切，相互影響與制約作用強(qiáng)烈，牽動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，都可能對(duì)其它環(huán)節(jié)產(chǎn)生不同程度的影響，甚至導(dǎo)致其空缺。而在以往的水資源開發(fā)中，缺少對(duì)水資源的系統(tǒng)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，對(duì)其采取上、中、下游分段評(píng)價(jià)與開采，導(dǎo)致了水資源量的重復(fù)計(jì)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(dǎo)致了流域水資源系統(tǒng)的失穩(wěn)，使下游自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。
2.2.2 水資源分配中沒有考慮自然生態(tài)用水
在部分地區(qū)，雖然認(rèn)識(shí)到了水資源的系統(tǒng)性，對(duì)其使用進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃，但只考慮到人工生態(tài)用水、工業(yè)用水與生活用水，沒有考慮自然生態(tài)用水，所以現(xiàn)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(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，而對(duì)下游則只考慮分配其生活用水，沒有為其自然生態(tài)用水預(yù)留配額，導(dǎo)致下游地區(qū)地下水位下降至生態(tài)水位以下，地表植被迅速惡化。
2.2.3 對(duì)自然生態(tài)用水機(jī)理不清而導(dǎo)致配水有效性低
一些地區(qū)雖然定期為流域下游分送一定水量，但由于對(duì)流域水資源與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系不清，尤其是對(duì)下游植被年內(nèi)需水量的動(dòng)態(tài)規(guī)律不清，導(dǎo)致配水多集中在下半年，對(duì)下游地表生態(tài)的保護(hù)和恢復(fù)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(dá)到生態(tài)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(qū)內(nèi)陸河流域面向生態(tài)環(huán)境的水資源開發(fā)模式
3.1 流域水資源的開發(fā)與分配必須要面向生態(tài)環(huán)境
生態(tài)環(huán)境必須要求有足夠的水量來維系。鑒于西北地區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)特點(diǎn)及生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，在進(jìn)行水資源開發(fā)時(shí)，必須考慮其引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，確定面向生態(tài)環(huán)境的流域水資源的開發(fā)和分配方案，即將水資源作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，考慮其時(shí)空分布及內(nèi)部各種水資源間的相互轉(zhuǎn)化，在維護(hù)現(xiàn)有流域水資源系統(tǒng)的宏觀穩(wěn)定態(tài)及流域生態(tài)環(huán)境平衡的基礎(chǔ)上確定水資源的開發(fā)方案，對(duì)開發(fā)出的水資源也要進(jìn)行統(tǒng)籌安排、系統(tǒng)分配，以獲得最大效益。
3.2 面向生態(tài)環(huán)境的流域水資源開發(fā)與分配的基本模式
為了對(duì)流域水資源進(jìn)行科學(xué)分配以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，必須分析水資源與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系，建立其耦合模型，進(jìn)行水資源開發(fā)方案的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)。其基本思路是：建立流域水資源系統(tǒng)模型和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)模型，將水資源的開發(fā)作為水資源系統(tǒng)的輸入，由水資源系統(tǒng)模型得到其輸出，該輸出同時(shí)是生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的輸入，再由生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)模型得到其輸出，即流域生態(tài)環(huán)境可能的變化。其過程見圖1。通過上述耦合關(guān)系的分析，繼而可以對(duì)流域水資源開發(fā)方案可能引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為此，需要開展的研究如下：
3.2.1 流域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與系統(tǒng)分析
調(diào)查內(nèi)容包括流域內(nèi)現(xiàn)有植被的種類、分布、生長狀況及其所對(duì)應(yīng)的水、鹽等對(duì)植被影響較大、易受外界干擾的淺地表地質(zhì)環(huán)境因子。根據(jù)植物在不同的地質(zhì)環(huán)境因子下的生長狀況，分析不同植物的生存域，即植物對(duì)水、鹽等地質(zhì)環(huán)境因子組合的適應(yīng)范圍。從而確定地質(zhì)環(huán)境因子的變化對(duì)植被演替的作用，以及地質(zhì)環(huán)境因子間的相互作用，尤其是地下水位這一受水資源開發(fā)影響最大的地質(zhì)環(huán)境因子對(duì)其它環(huán)境因子的影響，建立生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)模型，模擬各種輸入對(duì)其產(chǎn)生的影響及其相應(yīng)輸出。
3.2.2 流域水資源系統(tǒng)分析
將整個(gè)流域的地表水與地下水作為一個(gè)系統(tǒng)。研究其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)，分析其動(dòng)力學(xué)機(jī)制，建立系統(tǒng)模型，研究各種輸入下水資源系統(tǒng)的輸出。
3.2.3 流域水資源系統(tǒng)與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的耦合模型
附圖
圖1 西北地區(qū)內(nèi)陸河流域水資源與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系分析
將水資源的開發(fā)作為水資源系統(tǒng)的輸入，由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析該輸入對(duì)水資源系統(tǒng)的作用，預(yù)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(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的輸入，通過分析地下水位對(duì)其它各地質(zhì)因子的作用以及它們一起對(duì)植被的作用，確定可能引起的生態(tài)環(huán)境變化，并以此作為生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的輸出。
3.2.4 流域水資源開發(fā)方案的
生態(tài)環(huán)境效應(yīng)預(yù)測
利用上述耦合關(guān)系，對(duì)流域水資源開發(fā)方案的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測性評(píng)價(jià)，為確定合理的流域水資源開發(fā)方案提供生態(tài)環(huán)境方面的依據(jù)。
3.3 研究中的關(guān)鍵問題
3.3.1 水資源系統(tǒng)的滯后與延遲效應(yīng)
水資源的開發(fā)所造成的水資源系統(tǒng)的改變并不能立即反映在它的輸出中，而是有一個(gè)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(tǒng)，甚至同一流域水資源系統(tǒng)在不同的開發(fā)方案下，其輸出的滯后也有長有短。而西北干旱區(qū)植被的需水量在年內(nèi)差異較大，所以在進(jìn)行分析時(shí)必須考慮這個(gè)滯后時(shí)間。水資源的開發(fā)對(duì)流域水資源系統(tǒng)的影響還具有延遲效應(yīng)，在常年開發(fā)的情況下必須考慮各個(gè)階段水資源開發(fā)對(duì)水資源系統(tǒng)的累計(jì)影響。因此，正確的考慮水資源系統(tǒng)的滯后效應(yīng)與延遲效應(yīng)，對(duì)水資源的合理開發(fā)具有重要意義。
3.3.2 水因子的漲落特點(diǎn)
西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域中的植被系統(tǒng)所具有的宏觀穩(wěn)定態(tài)較少，但作為一般系統(tǒng)，它也具有多態(tài)性。當(dāng)水因子緩慢漲落時(shí)，植被系統(tǒng)產(chǎn)生適應(yīng)，通過自組織保持當(dāng)前穩(wěn)定態(tài)或從某一穩(wěn)定態(tài)向其它穩(wěn)定態(tài)演替。但當(dāng)水因子漲落幅度及速度較大，超過植被系統(tǒng)的適應(yīng)范圍和適應(yīng)速度時(shí)，它來不及適應(yīng)，現(xiàn)有穩(wěn)定態(tài)難以保持，而新的穩(wěn)定態(tài)也難以形成或保持，可能直接向其終態(tài)（沙漠化）方向演替。因此在水資源開發(fā)時(shí)，應(yīng)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(tài)因子的相互作用，在某些地區(qū)，水因子的漲落可能會(huì)對(duì)風(fēng)因子和土壤因子等產(chǎn)生放大效應(yīng)，對(duì)植被系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞作用。
3.3.3 植被的生活習(xí)性
在生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)分析過程中，要充分考慮植被的生活習(xí)性。不同植被對(duì)地下水與地表水的依賴程度不同，其年內(nèi)的需水量也有變化，這對(duì)流域內(nèi)自然生態(tài)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(gè)季節(jié)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(shí)地表水的配給對(duì)胡楊的繁殖就十分重要。如果河道來水仍集中在中游農(nóng)作物成熟后的九月份，其有效性顯然不高。
4 結(jié)論
天然條件下的長期干旱化趨勢造成了西北地區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境的脆弱性，而水資源的不合理開發(fā)利用則使流域水資源系統(tǒng)的天然時(shí)空分布改變，水、鹽失調(diào)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。產(chǎn)生水資源無序利用的原因是由于在開發(fā)方案中沒有弄清水資源系統(tǒng)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的特點(diǎn)及其耦合關(guān)系而導(dǎo)致生態(tài)用水分配不足或其有效性不高。流域水資源開發(fā)要以水資源系統(tǒng)與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的耦合研究為基礎(chǔ)，在耦合模型中，將水資源開發(fā)作為水資源系統(tǒng)的輸入，其輸出作為生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的輸入，分析生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)響應(yīng)的機(jī)理，對(duì)水資源開發(fā)方案的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)。在研究中要重視水資源系統(tǒng)的滯后與延遲效應(yīng)、地表植被的習(xí)性和水因子的漲落特點(diǎn)等關(guān)鍵問題。
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