中国西北地区内陆河流域面向生态环境的水资源开发模式研究
http://www.51xue.org.cn 2007/6/11 源自:中华职工学习网 【字体：
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1 西北地区内陆河流域生态环境现状
西北地区内陆河流域下游的生态环境长期以来呈总体的退化趋势，特别是近50年来，其退化速度进一步加快，主要表现为：地表水、地下水、土壤水盐化现象加速，使水质恶化、土地盐碱化问题日趋突出；下游地表水量剧减，地下水潜水面下降，造成了土地全面退化，沙漠化现象严重；下游绿洲大面积退化，植被体系衰退：植物种群向极端的方向（耐旱、耐盐）发展，植物群落总体上呈负向演替，向低级化、简单化趋势发展，群落景观呈现出碎片化、岛屿化。在此基础上形成的生态系统更加脆弱，抗干扰性更小，极易失衡向盐碱化、沙漠化方向发展。
这些问题在新疆、青海、甘肃、内蒙等地均有不同程度的存在。仅以黑河下游弱水三角洲地区为例。50年代以前，该地区曾分布连片茂密的沙枣、胡杨、红柳、梭梭、芦苇、芨芨草等灌丛草甸，到70年代末，沙枣、胡杨林减少了5.76万hm[2]，植被覆盖率大于30%的灌丛草场减少了327.18万hm[2]。三角洲内的以红柳、梭梭、芦苇及芨芨草为主的灌丛草甸也大面积退化并逐渐被枸杞、骆驼刺及红砂等旱生或超旱生荒漠草甸所取代。与此同时，土壤盐碱化和沙漠化在黑河流域也迅速发展，下游地区有35.09万hm[2]的水域、森林草场变成盐碱地和沙漠，土地年退化面积1.1～1.3万hm[2]。
2 西北地区内陆河流域生态环境恶化的原因
2.1 西北地区的长期干旱化趋势是其生态环境恶化的根本原因
有关研究表明，中国西北地区正处于干旱快速发展的时期，并且将来还会向持续干旱化方向发展。而造成这种长期持续干旱化的原因则是晚新生代以来青藏高原的持续隆升。它使中国宏观气候由纬向分带变为经向分带为主，从而使现代四大水文循环系统，即太平洋水文循环系统、印度洋水文循环系统、北冰洋水文循环系统与鄂霍次克海水文循环系统，成为控制中国水资源时空分布的基本因素，中国西北地区正好处于四大水文循环的空缺带，其地理位置决定了西北内陆河流域内近地表大气层水分含量少，降水稀缺，水分收支失衡，地下水位下降，气候长期向干旱化方向发展，且主要靠封闭性流域水文循环系统和水分垂直循环系统维护其生态系统的水分均衡。流域内蒸发力大的气候条件和相对封闭的地形条件则决定了流域水文循环系统中水分的最终去向只能以蒸发输出方式为主，由于基本没有盐分排泄去路，流域将始终处于盐分积累过程中，尤其是在局部流动系统和区域流动系统的汇区，地表水、地下水、土壤水中的含盐量不断增高。
由于西北地区土壤的水、盐背景值及其分布是决定植物生态种群自然选择的关键因子，因此总体上的水资源极端匮乏造成了西北内陆河流域生态环境的脆弱性。
2.2 水资源的不合理开发利用导致脆弱的生态环境进一步恶化
2.2.1 水资源系统性的认识不足导致过度开采
西北地区内陆河流域水资源系统一般都与其他表流域系统的范围相一致，跨越不同的行政区划，且在系统内水资源量的分布极不均匀；地表水系统与地下水系统间转化频繁，水力联系密切，相互影响与制约作用强烈，牵动系统中的一个环节，都可能对其它环节产生不同程度的影响，甚至导致其空缺。而在以往的水资源开发中，缺少对水资源的系统特点的认识，对其采取上、中、下游分段评价与开采，导致了水资源量的重复计算，中上游地表水和地下水过量开采和下游河道断流，下游地下水位下降，使原本就极不均衡的水资源在人为作用下分布更趋于极端化，最终导致了流域水资源系统的失稳，使下游自然生态环境进一步恶化。
2.2.2 水资源分配中没有考虑自然生态用水
在部分地区，虽然认识到了水资源的系统性，对其使用进行了统筹规划，但只考虑到人工生态用水、工业用水与生活用水，没有考虑自然生态用水，所以现有的流域水资源分配一般是在中游大量引用地表水或提取地下水进行农业灌溉，而对下游则只考虑分配其生活用水，没有为其自然生态用水预留配额，导致下游地区地下水位下降至生态水位以下，地表植被迅速恶化。
2.2.3 对自然生态用水机理不清而导致配水有效性低
一些地区虽然定期为流域下游分送一定水量，但由于对流域水资源与生态环境耦合关系不清，尤其是对下游植被年内需水量的动态规律不清，导致配水多集中在下半年，对下游地表生态的保护和恢复作用不大，并易加剧盐碱化。另外，年度配水量也不足以使下游地下水达到生态水位，难以为地表植被利用，因此大部分为无效水。
3 西北地区内陆河流域面向生态环境的水资源开发模式
3.1 流域水资源的开发与分配必须要面向生态环境
生态环境必须要求有足够的水量来维系。鉴于西北地区内陆河流域水资源系统特点及生态环境特点，在进行水资源开发时，必须考虑其引起的生态环境效应，确定面向生态环境的流域水资源的开发和分配方案，即将水资源作为一个动态系统，考虑其时空分布及内部各种水资源间的相互转化，在维护现有流域水资源系统的宏观稳定态及流域生态环境平衡的基础上确定水资源的开发方案，对开发出的水资源也要进行统筹安排、系统分配，以获得最大效益。
3.2 面向生态环境的流域水资源开发与分配的基本模式
为了对流域水资源进行科学分配以保护生态环境，必须分析水资源与生态环境的耦合关系，建立其耦合模型，进行水资源开发方案的生态环境效应评价。其基本思路是：建立流域水资源系统模型和生态地质环境系统模型，将水资源的开发作为水资源系统的输入，由水资源系统模型得到其输出，该输出同时是生态地质环境系统的输入，再由生态地质环境系统模型得到其输出，即流域生态环境可能的变化。其过程见图1。通过上述耦合关系的分析，继而可以对流域水资源开发方案可能引起的生态环境效应进行评价。为此，需要开展的研究如下：
3.2.1 流域生态地质环境调查与系统分析
调查内容包括流域内现有植被的种类、分布、生长状况及其所对应的水、盐等对植被影响较大、易受外界干扰的浅地表地质环境因子。根据植物在不同的地质环境因子下的生长状况，分析不同植物的生存域，即植物对水、盐等地质环境因子组合的适应范围。从而确定地质环境因子的变化对植被演替的作用，以及地质环境因子间的相互作用，尤其是地下水位这一受水资源开发影响最大的地质环境因子对其它环境因子的影响，建立生态地质环境系统模型，模拟各种输入对其产生的影响及其相应输出。
3.2.2 流域水资源系统分析
将整个流域的地表水与地下水作为一个系统。研究其结构特点和环境特点，分析其动力学机制，建立系统模型，研究各种输入下水资源系统的输出。
3.2.3 流域水资源系统与生态地质环境系统的耦合模型
附图
图1 西北地区内陆河流域水资源与生态环境耦合关系分析
将水资源的开发作为水资源系统的输入，由其内部结构分析该输入对水资源系统的作用，预测其输出，如地下水位及地表径流的变化等。并将其作为生态地质环境系统的输入，通过分析地下水位对其它各地质因子的作用以及它们一起对植被的作用，确定可能引起的生态环境变化，并以此作为生态地质环境系统的输出。
3.2.4 流域水资源开发方案的生态环境效应预测
利用上述耦合关系，对流域水资源开发方案的生态环境效应进行预测性评价，为确定合理的流域水资源开发方案提供生态环境方面的依据。
3.3 研究中的关键问题
3.3.1 水资源系统的滞后与延迟效应
水资源的开发所造成的水资源系统的改变并不能立即反映在它的输出中，而是有一个滞后，因此中上游的水资源开采并不能立即反映为下游地下水位的变化。不同的流域水资源系统，甚至同一流域水资源系统在不同的开发方案下，其输出的滞后也有长有短。而西北干旱区植被的需水量在年内差异较大，所以在进行分析时必须考虑这个滞后时间。水资源的开发对流域水资源系统的影响还具有延迟效应，在常年开发的情况下必须考虑各个阶段水资源开发对水资源系统的累计影响。因此，正确的考虑水资源系统的滞后效应与延迟效应，对水资源的合理开发具有重要意义。
3.3.2 水因子的涨落特点
西北干旱区内陆河流域中的植被系统所具有的宏观稳定态较少，但作为一般系统，它也具有多态性。当水因子缓慢涨落时，植被系统产生适应，通过自组织保持当前稳定态或从某一稳定态向其它稳定态演替。但当水因子涨落幅度及速度较大，超过植被系统的适应范围和适应速度时，它来不及适应，现有稳定态难以保持，而新的稳定态也难以形成或保持，可能直接向其终态（沙漠化）方向演替。因此在水资源开发时，应保持水因子的正常涨落幅度和速度。另外，还要注意水因子与其它生态因子的相互作用，在某些地区，水因子的涨落可能会对风因子和土壤因子等产生放大效应，对植被系统产生不可逆转的破坏作用。
3.3.3 植被的生活习性
在生态地质环境系统分析过程中，要充分考虑植被的生活习性。不同植被对地下水与地表水的依赖程度不同，其年内的需水量也有变化，这对流域内自然生态配水的有效性有特殊意义。以胡树为例，其繁殖期主要是在春季，而这个季节下游正处于干旱少雨期，降水不足以使小胡杨萌芽成活，此时地表水的配给对胡杨的繁殖就十分重要。如果河道来水仍集中在中游农作物成熟后的九月份，其有效性显然不高。
4 结论
天然条件下的长期干旱化趋势造成了西北地区内陆河流域生态环境的脆弱性，而水资源的不合理开发利用则使流域水资源系统的天然时空分布改变，水、盐失调，导致生态环境进一步恶化。产生水资源无序利用的原因是由于在开发方案中没有弄清水资源系统、生态地质环境系统的特点及其耦合关系而导致生态用水分配不足或其有效性不高。流域水资源开发要以水资源系统与生态地质环境系统的耦合研究为基础，在耦合模型中，将水资源开发作为水资源系统的输入，其输出作为生态地质环境系统的输入，分析生态地质环境系统响应的机理，对水资源开发方案的生态环境效应进行预测评价。在研究中要重视水资源系统的滞后与延迟效应、地表植被的习性和水因子的涨落特点等关键问题。
西北地区内陆河流域下游的生态环境长期以来呈总体的退化趋势，特别是近50年来，其退化速度进一步加快，主要表现为：地表水、地下水、土壤水盐化现象加速，使水质恶化、土地盐碱化问题日趋突出；下游地表水量剧减，地下水潜水面下降，造成了土地全面退化，沙漠化现象严重；下游绿洲大面积退化，植被体系衰退：植物种群向极端的方向（耐旱、耐盐）发展，植物群落总体上呈负向演替，向低级化、简单化趋势发展，群落景观呈现出碎片化、岛屿化。在此基础上形成的生态系统更加脆弱，抗干扰性更小，极易失衡向盐碱化、沙漠化方向发展。
这些问题在新疆、青海、甘肃、内蒙等地均有不同程度的存在。仅以黑河下游弱水三角洲地区为例。50年代以前，该地区曾分布连片茂密的沙枣、胡杨、红柳、梭梭、芦苇、芨芨草等灌丛草甸，到70年代末，沙枣、胡杨林减少了5.76万hm[2]，植被覆盖率大于30%的灌丛草场减少了327.18万hm[2]。三角洲内的以红柳、梭梭、芦苇及芨芨草为主的灌丛草甸也大面积退化并逐渐被枸杞、骆驼刺及红砂等旱生或超旱生荒漠草甸所取代。与此同时，土壤盐碱化和沙漠化在黑河流域也迅速发展，下游地区有35.09万hm[2]的水域、森林草场变成盐碱地和沙漠，土地年退化面积1.1～1.3万hm[2]。
2 西北地区内陆河流域生态环境恶化的原因
2.1 西北地区的长期干旱化趋势是其生态环境恶化的根本原因
有关研究表明，中国西北地区正处于干旱快速发展的时期，并且将来还会向持续干旱化方向发展。而造成这种长期持续干旱化的原因则是晚新生代以来青藏高原的持续隆升。它使中国宏观气候由纬向分带变为经向分带为主，从而使现代四大水文循环系统，即太平洋水文循环系统、印度洋水文循环系统、北冰洋水文循环系统与鄂霍次克海水文循环系统，成为控制中国水资源时空分布的基本因素，中国西北地区正好处于四大水文循环的空缺带，其地理位置决定了西北内陆河流域内近地表大气层水分含量少，降水稀缺，水分收支失衡，地下水位下降，气候长期向干旱化方向发展，且主要靠封闭性流域水文循环系统和水分垂直循环系统维护其生态系统的水分均衡。流域内蒸发力大的气候条件和相对封闭的地形条件则决定了流域水文循环系统中水分的最终去向只能以蒸发输出方式为主，由于基本没有盐分排泄去路，流域将始终处于盐分积累过程中，尤其是在局部流动系统和区域流动系统的汇区，地表水、地下水、土壤水中的含盐量不断增高。
由于西北地区土壤的水、盐背景值及其分布是决定植物生态种群自然选择的关键因子，因此总体上的水资源极端匮乏造成了西北内陆河流域生态环境的脆弱性。
2.2 水资源的不合理开发利用导致脆弱的生态环境进一步恶化
2.2.1 水资源系统性的认识不足导致过度开采
西北地区内陆河流域水资源系统一般都与其他表流域系统的范围相一致，跨越不同的行政区划，且在系统内水资源量的分布极不均匀；地表水系统与地下水系统间转化频繁，水力联系密切，相互影响与制约作用强烈，牵动系统中的一个环节，都可能对其它环节产生不同程度的影响，甚至导致其空缺。而在以往的水资源开发中，缺少对水资源的系统特点的认识，对其采取上、中、下游分段评价与开采，导致了水资源量的重复计算，中上游地表水和地下水过量开采和下游河道断流，下游地下水位下降，使原本就极不均衡的水资源在人为作用下分布更趋于极端化，最终导致了流域水资源系统的失稳，使下游自然生态环境进一步恶化。
2.2.2 水资源分配中没有考虑自然生态用水
在部分地区，虽然认识到了水资源的系统性，对其使用进行了统筹规划，但只考虑到人工生态用水、工业用水与生活用水，没有考虑自然生态用水，所以现有的流域水资源分配一般是在中游大量引用地表水或提取地下水进行农业灌溉，而对下游则只考虑分配其生活用水，没有为其自然生态用水预留配额，导致下游地区地下水位下降至生态水位以下，地表植被迅速恶化。
2.2.3 对自然生态用水机理不清而导致配水有效性低
一些地区虽然定期为流域下游分送一定水量，但由于对流域水资源与生态环境耦合关系不清，尤其是对下游植被年内需水量的动态规律不清，导致配水多集中在下半年，对下游地表生态的保护和恢复作用不大，并易加剧盐碱化。另外，年度配水量也不足以使下游地下水达到生态水位，难以为地表植被利用，因此大部分为无效水。
3 西北地区内陆河流域面向生态环境的水资源开发模式
3.1 流域水资源的开发与分配必须要面向生态环境
生态环境必须要求有足够的水量来维系。鉴于西北地区内陆河流域水资源系统特点及生态环境特点，在进行水资源开发时，必须考虑其引起的生态环境效应，确定面向生态环境的流域水资源的开发和分配方案，即将水资源作为一个动态系统，考虑其时空分布及内部各种水资源间的相互转化，在维护现有流域水资源系统的宏观稳定态及流域生态环境平衡的基础上确定水资源的开发方案，对开发出的水资源也要进行统筹安排、系统分配，以获得最大效益。
3.2 面向生态环境的流域水资源开发与分配的基本模式
为了对流域水资源进行科学分配以保护生态环境，必须分析水资源与生态环境的耦合关系，建立其耦合模型，进行水资源开发方案的生态环境效应评价。其基本思路是：建立流域水资源系统模型和生态地质环境系统模型，将水资源的开发作为水资源系统的输入，由水资源系统模型得到其输出，该输出同时是生态地质环境系统的输入，再由生态地质环境系统模型得到其输出，即流域生态环境可能的变化。其过程见图1。通过上述耦合关系的分析，继而可以对流域水资源开发方案可能引起的生态环境效应进行评价。为此，需要开展的研究如下：
3.2.1 流域生态地质环境调查与系统分析
调查内容包括流域内现有植被的种类、分布、生长状况及其所对应的水、盐等对植被影响较大、易受外界干扰的浅地表地质环境因子。根据植物在不同的地质环境因子下的生长状况，分析不同植物的生存域，即植物对水、盐等地质环境因子组合的适应范围。从而确定地质环境因子的变化对植被演替的作用，以及地质环境因子间的相互作用，尤其是地下水位这一受水资源开发影响最大的地质环境因子对其它环境因子的影响，建立生态地质环境系统模型，模拟各种输入对其产生的影响及其相应输出。
3.2.2 流域水资源系统分析
将整个流域的地表水与地下水作为一个系统。研究其结构特点和环境特点，分析其动力学机制，建立系统模型，研究各种输入下水资源系统的输出。
3.2.3 流域水资源系统与生态地质环境系统的耦合模型
附图
图1 西北地区内陆河流域水资源与生态环境耦合关系分析
将水资源的开发作为水资源系统的输入，由其内部结构分析该输入对水资源系统的作用，预测其输出，如地下水位及地表径流的变化等。并将其作为生态地质环境系统的输入，通过分析地下水位对其它各地质因子的作用以及它们一起对植被的作用，确定可能引起的生态环境变化，并以此作为生态地质环境系统的输出。
3.2.4 流域水资源开发方案的生态环境效应预测
利用上述耦合关系，对流域水资源开发方案的生态环境效应进行预测性评价，为确定合理的流域水资源开发方案提供生态环境方面的依据。
3.3 研究中的关键问题
3.3.1 水资源系统的滞后与延迟效应
水资源的开发所造成的水资源系统的改变并不能立即反映在它的输出中，而是有一个滞后，因此中上游的水资源开采并不能立即反映为下游地下水位的变化。不同的流域水资源系统，甚至同一流域水资源系统在不同的开发方案下，其输出的滞后也有长有短。而西北干旱区植被的需水量在年内差异较大，所以在进行分析时必须考虑这个滞后时间。水资源的开发对流域水资源系统的影响还具有延迟效应，在常年开发的情况下必须考虑各个阶段水资源开发对水资源系统的累计影响。因此，正确的考虑水资源系统的滞后效应与延迟效应，对水资源的合理开发具有重要意义。
3.3.2 水因子的涨落特点
西北干旱区内陆河流域中的植被系统所具有的宏观稳定态较少，但作为一般系统，它也具有多态性。当水因子缓慢涨落时，植被系统产生适应，通过自组织保持当前稳定态或从某一稳定态向其它稳定态演替。但当水因子涨落幅度及速度较大，超过植被系统的适应范围和适应速度时，它来不及适应，现有稳定态难以保持，而新的稳定态也难以形成或保持，可能直接向其终态（沙漠化）方向演替。因此在水资源开发时，应保持水因子的正常涨落幅度和速度。另外，还要注意水因子与其它生态因子的相互作用，在某些地区，水因子的涨落可能会对风因子和土壤因子等产生放大效应，对植被系统产生不可逆转的破坏作用。
3.3.3 植被的生活习性
在生态地质环境系统分析过程中，要充分考虑植被的生活习性。不同植被对地下水与地表水的依赖程度不同，其年内的需水量也有变化，这对流域内自然生态配水的有效性有特殊意义。以胡树为例，其繁殖期主要是在春季，而这个季节下游正处于干旱少雨期，降水不足以使小胡杨萌芽成活，此时地表水的配给对胡杨的繁殖就十分重要。如果河道来水仍集中在中游农作物成熟后的九月份，其有效性显然不高。
4 结论
天然条件下的长期干旱化趋势造成了西北地区内陆河流域生态环境的脆弱性，而水资源的不合理开发利用则使流域水资源系统的天然时空分布改变，水、盐失调，导致生态环境进一步恶化。产生水资源无序利用的原因是由于在开发方案中没有弄清水资源系统、生态地质环境系统的特点及其耦合关系而导致生态用水分配不足或其有效性不高。流域水资源开发要以水资源系统与生态地质环境系统的耦合研究为基础，在耦合模型中，将水资源开发作为水资源系统的输入，其输出作为生态地质环境系统的输入，分析生态地质环境系统响应的机理，对水资源开发方案的生态环境效应进行预测评价。在研究中要重视水资源系统的滞后与延迟效应、地表植被的习性和水因子的涨落特点等关键问题。
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