西北干旱区生态需水研究_程国栋

。 本区位于欧亚大陆中
心 , 由于远离海洋和四周高山环绕阻隔 , 气候干旱 , 水资源短缺 , 水已经成为该区环境与发展最大的制 约因子 。 随着人口的增加 、社会经济活动规模与强 度的加大 , 水资源供需矛盾日益突出 , 工业用水和生 活用水挤占农业用水 , 农业用水又挤占生态环境用 水 , 导致水资源分配严重失衡 , 引发了众多的生态环 境问题 , 如河湖干涸和天然植被退化 、 土地荒漠化加 剧 。 特大沙尘暴发生的次数也迅速增加 , 如 20 世纪 50 年代平均 5 次 、60 年代 8次 、70 年代 13 次 、80 年 代 14 次 、 90 年代 23 次 。 尤其是 1993年 5 月发生的 特大沙尘暴 , 席卷了甘肃 、新疆 、 宁夏 、 内蒙古四省区 18 个地市的 72 个县 ( 旗 ), 直接影响面积约 110 × 4 2 [ 2] 10 km , 受影响的人口达 1 200 万 。 面对生态灾 难 , 人类重新审视环境管 理策略 , 在 新的思维模式
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, 计算原
理为传统的水平衡理论 , 因此计算方法比较成熟 , 一 般不存在较多争议 。 目前存在的主要问题是一方面 空间尺度较大 , 不适合具体问题的深入分析 , 也不能 在生态机理与物理机制上揭示生态耗水规律 , 给 实际应用带来困难 ; 另一方面空间尺度较小 , 生态需 水量的计算大多依据于理论间接计算及一些单株植 物的耗水量实验结果的推算 , 但缺乏由实验的 “点 ” 尺度向 “面 ”尺度转换的基础 , 从而严重影响了研究 成果的精度 。 因此 , 尺度转换也是生态需水量研究 面对的又一挑战 。
收稿日期 : 20060421; 修回日期 : 20060912 .
2 国内外生态需水量的研究现状及面 对的挑战
2 . 1 生态需水概念的外延与内涵 生态需水对环境管理和生态恢复的重要性已引 起科学界和各国政府的重视 , 特别是 20 世纪 90 年 代以后 , 国际有关组织实施了一系列国际水科学计 划 , 如国 际 水 文 计 划 ( I H P )、世 界 气 候 研 究 计 划
壁带 、 绿洲带和沙漠带 ( 或盐土带 ), 则是蒸发量大 于降水量 , 是径流散失区 。 水资源转化特征为 : 出山 地表径流 80% ～ 90%在流经山前 戈壁带时渗入地 下 , 转化为地下水 。 在戈壁带前缘 , 40% ～ 50 % 的地 下水溢出地表 , 形成泉及河流入绿洲 , 成为绿洲的主 要灌溉水源 , 其他 40% ～ 50%形成地下径流流入低 平原 。 大部分灌溉水回渗地下 , 成为回归水 , 并通过 人工开采或潜水蒸发排泄 。 上游盆地多余的水量 , 流入下游盆地 , 最后流入终端湖 , 形成上 、 中、 下游共 同组成的水循环系统 ( 图 1)。 在景观基质地带 , 水 资源主要以不可见的形式存在 , 发育着稀疏的荒漠 植被 , 其生存依赖于微量的降水 。 生态需水量为不 可控生态需水量 , 山区由于水分 充足 , 植被 发育较 好 , 对水分的需求仍依赖于降水量 , 其生态需水量仍 为不可控生态需水量 , 山区生态需水量对径流的形 成有显著的影响 。 绿洲区发育着非地带性植被 , 其 生态需水量为可控生态需水量 , 主要消耗来自山区 的径流量 。
第 21 卷第 11 期 2006 年 11 月
地球科学进展 ADVANCES IN EARTH SC IENCE
Vo . l 21 N o . 11 N ov . , 2006
文章编号 : 10018166(2006)11110108
西北干旱区生态需水研究
程国栋 , 赵传燕
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(1 . 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土实验室 , 甘肃 兰州 730000; 2 . 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所寒旱区流域水文及应用生态实验室 , 甘肃 兰州 730000 ) 摘 要: 西北干旱区是水资源稀缺和生态环境相对脆弱的区域 。 以人类需求为中心的传统水资源 开发利用及评价忽视了水资源与生态环境系统之间的关系 , 引发了众多的生态环境问题 。 日益恶 化的生态环境使得生态需水量受到广泛关注 , 生态需水量研究由此成为干旱区生态水文学研究新 的增长点 。 文章在综述国内外生态需水研究现状及其面临挑战的基础上 , 分析西北干旱区水资源 转化特点 , 结合 Fa lk enm ark 水资源分类 , 突出生态需水在水分流中的地位 , 提出保障生态需水的策 略 ,即: ① 生态环境稳定性界定 ; ② 绿水的保护与高效利用 ;③ 虚拟水战略 , 旨在为平衡人类需水与 自然需水提供重要的理论基础 。 关 键 词: 西北干旱区 ; 生态需水 ; 水资源管理 ; 绿水流 中图分类号 : F062 . 2; P33 文献标识码 : A
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生态保护与人工生态建设所消耗的水量 。 根据水源 不同的形式分为可控生态需水和不可控生态需水 。 可控生态需水是指非地带性植被所在系统天然保护 与人工生态建设消耗的径流量 ; 不可控生态需水是 指地带性植被所在系统天然生态保护与人工生态建 [ 17] 设消耗不形成径流的降水量 。 2 . 2 生态需水的估算 由于生态需水概念的不统一 , 水资源开发利用 中生态需水量的定量及其理论成为当前生态需水研 究中面对的一大挑战 。 现有的生态需水计算方法 , 主要涵盖了两个方面的内容 , 一是河流生态系统生 态需水 , 二是陆地生态系统生态需水 。 国外关于河 流生态需水的计算方法较多 , 如历史流量法 、 水力学 [ 18] 评估方法和栖息地评估方法 , 形成了一套比较成 熟的计算方法体系 , 而对陆地生态环境需水量的研 究较少 , 早期主要限于农作物需水的研究 , 即根据作 物的生长和降雨量调整作物系数 , 利用调整的作物 系数和潜 在的蒸发 量计算农 作物的实际 蒸发 量 。 目前 , 国外对陆地生态需水量研究大多集 中在建立水文模型和其参数估算等细节上 , 对于生 态系统的时空变异性和尺度问题的研究进展缓慢 , 对于水文 、 生态 、气候之间的 相关性还处于 探索阶 段 。 相对而言 , 我国近年来的生态需水研究更侧重 陆地生态系统生态需水的研究 , 且大多集中于水资 源供需矛盾突出及生态环境相对脆弱的干旱 、半干 旱区 , 在流域上估算了塔里木河 、黑河流域的生态需 水量 , 在区域上估算了新疆 、西北地区乃至整 [ 24 ～ 26] 个西部的生态环境需水量 。 其计算方法大多 为 “面积定额法 ”或 “植株定额法 ”
[ 6, 9, 27 ～ 31] [ 21 ～ 23] [ 19, 20]
。 广义的生态需水量概念对研
究不同尺度的水资源系统和考虑各系统的功能及其 相应的物质运动较为适用 , 而狭义的生态需水定义 对水资源供需矛盾突出和生态环境 相对脆弱的干 旱、 半干旱区及其季节性干旱的半湿润区的系统分 析相对 适合 。 Fa lk enm ark 将 “绿水 ” (g reen w ater) 的概念从其它水资源中 分离出来 , 提醒人们注 意生态系统对水资源的需求 , 水资源的供给不仅要 满足人类的需求 , 而且生态系统对水资源的需求也 必须得到保障 , 从一个崭新的角度研究生态需水 [ 16] 量 。 Ba ird等 针对各类型生态系统 ( 旱地 、林地 、 河流 、湖泊 、 淡水湿地 ) 的基本结构和功能 , 较详细 地分析了植物与水文过程的相互关系 , 强调了水作 为环境因子对自然保护和恢复的巨大作用 。 作者尽 管没有将生态需水量作为研究对象 , 但许多相关的 思想 、原理和方法在很大程度上推动了生态需水量 的研究进展和发展方向 。 西北干旱区是水资源供需矛盾突出和生态环境 相对脆弱的区域 , 生态需水研究聚焦于狭义的生态 需水方面 , 即研究在维护生态系统稳定前提下天然
[Leabharlann Baidu32]
3 生态需水量在西北干旱区水资源转 化过程中的作用
3 . 1 水资源分布特点 西北干旱区位于亚洲中部 , 四周被高山所环绕 ,
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水汽难以到达 。 来自地中海的水汽受阻于帕米尔高 原; 沿横断山脉峡谷北上的印度洋暖湿气流被东西 走向的一系列平行高山所阻挡 ; 从太平洋输送来的 暖湿气流由于距离遥远对该地区的影响非常微弱 。 因此 , 整个区域干燥少雨 , 且降水的空间分布极不均 衡 , 过分集中于山区 , 一般可达 300 ～ 700 mm 左右 , 由此发育众多内陆河系 , 山区地表径流量基本代表 每条河流或每一流域的总水资源量 。 在广大干旱平 原区 , 水资源基本集中于平原河流网 , 降水量一般小 于 200 mm , 蒸发量却高达 2 000 ～ 3 000 mm 以上 。 这种自然条件使得干旱区景观具有以荒漠为基质 , 山区 “湿岛 ”和绿洲为景观镶嵌 , 河流 、渠道及防护 林网等为廊道的基本格局 。 3 . 2 生态需水量在水资源转化过程中的作用 景观格局中不同的组分具有各自的水分转化特 征 。 山区水量平衡特征为降水量大于蒸发量 , 这里 发育着冰川和多年积雪 , 冻土和水源涵养林也起着 重要的山区水库的作用 , 是水资源形成区 ; 而山前戈
1 生态需水研究的意义
中国西北干旱区包括新疆全境 、甘肃河西走廊 、 青海柴达木盆地及内蒙古贺兰山以西地区 , 土地总 面积在 200 × 10 km 以上
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下 , 放弃了以人类需求为中心的水资源管理观念 , 强 调水资源 、 生态环境和人类社会的相互协调 , 重视生 态环境和水资源的内在联系 , 并以此作为水资源管 理的基础 。 为保持西北干旱区不因人与自然争水导致生态 系统退化 、 恶化 , 究竟需要考虑多大额度的生态需水 量 生态需水量在水循环中所处的地位与作用如何 这些问题成为国家需求和科学需求的关键问题 , 生态 需水研究成为平衡人类需水与自然需水的基础 , 是水 资源合理配置与生态环境建设的重要依据 。
( WCRP )、 国际地圈生物圈计划 ( I G BP ) 等 , 目的是 通过全球 、 区域和流域等不同尺度和交叉学科的途 径探讨环境变化下的水循环及与之相联系的资源与 环境问题 。 变化环境中的水文循环与水资源的脆弱 性研究成为热点 , 前沿问题突出反映在水文循环的 生物圈方面 ; 人类活动影响下的水资源演变规律 ; 水 与土地利用 / 覆被变化 、 社会经济发展之间的相互作 用影响 ; 水资源可持续利用与水安全等 , 而生态需水 问题却隐含在各个前沿问题之中 。 随着国际计划的 推动 , 国 内对生 态需 水问 题也 已展开 研究 。 国家 “九五 ”重点科技攻关项目 “西北地区水资源合理开 发利用与生态环境保护 ”是近年来关于西部流域水 [ 3] 循环研究中比较有代表性的大型科研项目之一 , 生态需水量则是该项目研究的重要内容 。 中国工程 院一期咨询 项目 《 中国 可持 续发展 水资源 战略研 究》 完成的 9 个专题报告 , 也对生态环境用水做出 了初步测算 。 由此可以看到 , 水资源和生态相关性 研究成为重要的研究内容 , 而生态需水量研究又成 为重中之重 。 目前关于生态需水量的概念与定义还 没有统一的认识 。 根据研究可概括为广义的生态需 水和狭义的生态需水 , 广义的生态需水是指维持全 球生物地理过程水分平衡所需用的水 , 包括水热平 衡、 水沙平衡 、水盐平 衡等 。 狭义 的生态需水是 指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗 的水资源总量
*基金项目 : 中国科学院知识创新工程重大项目 “ 黑河试验示范 (二期 )” (编号 : K ZCX 109)资助 . 作者简介 : 程国栋 (1943), 男 , 上海人 , 中国科学院院士 , 主要从事冻土 、生态经济及水文学研究 .
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地 球科学进展 第 21 卷