生态水文的发展研究.pdf

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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。:..生态水文的发展研究提要:本文回顾了国际生态水文学研究与发展的过程、生态需水研究现状,讨论了西部地区生态需水问题研究所面临的问题与挑战。生态水文学所倡导的理念、方法和研究目标,对生态需水研究具有重要的启示,尤其是西部地区。只有在深刻理解并尊重生态水文规律的基础上,才能实现水资源的合理配置,正确把握生态环境建设的目标和方向。关键词:生态水文学,西部地区,生态需水1、生态水文学的发展水文学(Hydrology)是地球科学的一个重要分支,它研究地球上水的起源、存在、分布、循环和运动等变化规律,并运用这些规律为人类服务的知识体系[1]。自从科学界公认水圈、岩石圈和大气圈都从地圈中分离出来,并作为地球的独立圈存在后,水文科学的形成就有了其基础和地位[23]。人类进入20世纪末,由于社会经济发展,人与自然的冲突加大,生态环境问题愈来愈突出,如湿地的退化、河道断流、入海水量减少、水体污染加剧等等。近20年来,生态学家们愈来愈意识到水文过程对生态系统功能的重要影响。但是,缺乏了解水文过程与生态系统植物群落变化与相互制约的内在联系。同样,过去水文学家关心最多的是洪水与干旱的成因、工程水文的实际的设计应用等。但是,随着生态与环境问题的重视与提出,愈来愈多的水文学家开始关注与水相关的生态问题,例如流速如何影响河道内的植物生长?河川径流的情势与滨岸生境生态过程之间是如何相互作用与联系的?由于水文循环联系地球系统地圈~生物圈~大气圈的纽带作用,水文循环过程的变化与其:..相关的生态环境的变化交叉研究与社会需求,产生了新的学科生长点,即生态水文学(Eco-hydrology)。生态水文学是20世纪80年代以后逐步发展的一门新兴交叉学科[1-20]。它重点研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理,揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系,回答与水循环过程相关的生态环境变化的成因与调控。利用生态水文学原理可以积极地用来保护和改善自然景观,正确指导生态环境脆弱地区的生态环境建设与水资源管理。生态水文学的提出与发展大致在20世纪70年代以后。早期的生态水文学主要定义在生态湿地系统范畴。例如,1996年Wassen等学者专门撰文[44],认为“生态水文学是一门应用性的交叉学科,旨在更好地了解水文因素如何决定湿地生态系统的自然发育,特别在自然保护和更新方面有重要价值”。1971年,联合国教科文组织(UNESCO)正式启动人类生物圈(MAB)计划,水生生态系统研究成为该计划中的一个重要项目。第一阶段的会议于1986年在法国图卢兹召开,主要讨论了土地利用对水生生态系统的影响。会议期间,确定了一个具有决定性意义的主题:陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡带,对生物化学循环和景观镶嵌体具有重要的调控作用。因此,过渡带的研究被推荐为UNESCO未来生态系统工作的重点。它是生态水文学发展的雏形阶段。1988年,UNESCO组织了过渡带研究的国际专题研讨会。期间,国际应用系统分析协会和匈牙利科学研究院筹划了水陆过渡带功能方面的合作研究项目,试图通过对生态过程的充分理解,确定过渡带恢复或重建的管理思想。:..1996年9月在法国召开了“小流域生态水文学过程”研讨会。会议共收到30篇论文,研究集中在小尺度上,内容主要包括土壤和大气相互作用的模拟,径流产生过程和水流路径、水量和水文生物地球化学行为等。在这次会议中,还讨论了分区和尺度的影响问题,分析了气候变化对水文行为和数量的影响。1997联合国教科文组织出版了“小流域生态水文学过程”会议文集。联合国教科文组织(UNESCO)国际水文计划(IHP)是由世界各个国家政府组织参加、在国际上有重要影响的水科学及其相关的水资源和环境科学的大型国际研究计划。从1965-1974联合国科教文组织实施国际水文十年(IHD)计划后,IHP已经执行了五个阶段,其中:第一阶段(IHP-I,1976-1980)着重人类活动影响,水资源与自然环境之间关系的研究;第二阶段(IHP-II,1981-1985)着重于把研究领域扩大到各个特定的地理、气候区域,并向着综合利用水资源的水问题方向发展;第三阶段(IHP-III,1986-1990)定名为“为经济、社会发展合理管理水资源的水文学和科学基础”,除继续把水文科学作为重点外,把计划内容扩大到合理管理水资源;第四阶段(IHP-IV,1991-1995)研究计划重点是“大气-土壤-植被”之间的水循环关系,全球气候变化对陆地水文过程的影响。IHP第五阶段(IHP-V,1996-2001)方向是“脆弱环境中的水文水资源开发”,由三个模块、八个主题和31个计划项目组成。模块1的资源过程与管理研究中主题2是“地表生态过程”。生态水文学是IHP计划的核心内容[14-19]。之后,生态水文学得到了迅速发展。从1996年到2002年,联合国教科文组织国际水文计划召开了一系列生态水文学研讨会。:..1997年国际水文计划出版了专集:生态水文学—水生资源可持续利用的新范例。文集指出生态水文学主要是为了研究水循环过程、机制与生物、非生物之间的相互关系。水生环境的水量、水质和某些过程,不仅受气候因素的控制,而且在很大程度上受生物因素的影响。因此,生态学和水文学知识的综合,被认为是一个研究水和生物关系的合适的新工具。这本书首次提出了新的、具有挑战性的概念——生态水文学,建立淡水资源可持续发展的基础。图1表明了生态水文学与以往生态学和水文学思维的不同方式:(见最后一页)1998年5月在波兰召开了UNESCOIHP--。同年,出版了会议文集,主要包括以下4个方面的内容:1)介绍了生态水文学的框架和研究领域;2)提出了当前存在的缺点和未来发展路线;3)宣传生态水文学的概念,认为河流生态系统是受水文过程控制的“超有机体”。确定生态水文学研究的目标为:(a)比较和评价现有的水文和生态过程相互关系的信息;(b)评论预测的潜力、确定未来研究最重要的方向;(c)识别与水文过程相关联的环境问题层次;(d)定量生物因素、非生物因素之间的联系以及它们在水中的沉积物质、营养物质和污染物质运输、转化中的作用,以确定从区域到流域尺度上的转移路径;(e)以可持续发展为目标,建立可操作性的程序交互平台以及科学家、政策制定者和决策者之间新的思维方式。这一出版物为生态水文学的研究提供了指导作用。1999年9月8日至22日,IHP-V组织了生态水文学研究进展方面的会议,在不同科学团体之间交流了生态水文学的研究成果。会议为来自24国家的不同领域的年轻科学家提供了辩论的机会。在生态水文学和水资源管理方面,科学家交换了基础性研究和应用研究的最新观点。基于研究过程中得到的数据和知识,科学家讨论和提议了生态水:..文解决环境问题的潜在办法。2000年出版了生态水文学研究进展文集。需要指出,IHP-V中生态水文计划的核心目标旨在从流域观点、从河流系统与自然社会经济的联系中,理解生物和物理过程的整体性,以提高水资源的管理水平。专家们认为,当今世界范围的水资源问题已经受到来自全球气候变化和人类自身经济开发活动的巨大影响与挑战。在面对不断变化环境的水资源管理中,生态水文学的研究方法和思想将是最好的、可持续的方法。这一范例认为,流域就好像一个超有机体,它具有反抗压力的抗性和弹性特征,是面对变化环境下水资源可持续管理的最有效的一个工具。1999年,为倡导生态水文学方面的科学研究,国际知名的英国水文研究所正式改名为“生态水文学研究中心”。同年,英国谢菲尔德大学(SheffieldUniversity)(DerbyUniversity)自然地理系高级讲师、《生态水文学》。它是综述有关陆生环境和水生环境植物与水分关系问题方面的第一本书,阐述和探讨了各种环境植物与水分相互作用问题。该书对于水文学家、生态学家、自然保护学家以及研究生态系统、植物生活和水文过程的其他学者有很大的参考价值。中国科学院寒区旱区环境工程研究所赵文智和王根绪博士翻译出版了该书的中文全文[44]。目前,在生态水文学或水文生态学的研究领域,活跃着一大批科学团体,使得这一领域的研究有了很大的发展。在联合国教科文组织国际水文计划(UNESCOIHP)-V()的支持下,由MaciejZalewski组织出版了一系列“生态水文学”专集,是一个里程碑。以后“生态:..工程杂志(EEJ)”杂志、“水文科学杂志(HSJ)”都出版了“生态水文学”专刊。以Zalewski为特约主编致力于生态水文学研究的新期刊。国际水文科学协会(IAHS)也专门由Acreman博士主编了“水文生态学”有关专集。进入21世纪后,国际水文计划(IHP)实施2002-2007年新的第六阶段计划,方向确定为“水的相互作用:来自风险和社会挑战的体系”。主要的不同点是需要考虑下面若干方面新的研究与挑战的问题,即:地表水与地下水、水文循环的大气与陆地部分、淡水与咸水、全球化的流域与河流尺度、质与量、水体和生态系统、科学与政治、水与文化。它由五个主题组成:主题1、全球变化与水资源;主题2、流域地表水与地下水动力学集成;主题3、陆地生境水文学;主题4、水与社会;主题5、水教育与培训。其中主题3的陆地生境水文学仍然是生态水文学核心内容。总之,生态水文学是现代水文科学与生态科学交叉中发展的一个亮点,它以生态过程和生态格局的水文学机制为研究核心,以植物与水分关系为基础理论,将尺度问题贯穿于整个研究之中,研究对象涉及旱地、湿地、森林、草地、山地、湖泊、河流等。因此,生态水文学的发展对我国生态环境建设,将会有重要的促进和推动作用。(Ecologicalwaterrequirements)是生态水文学中的一个重要的研究课题。凡是联系到与水相关的生态系统自然发育、气候变化和人类活动干预下的生态系统退化等问题,都需要回答维系生态系统所需求的水或者河川径流等问题。在国际上提出生态需水的概念与研究生态需水的理论与方法,已经有了一段历史。在我国,生态水文学的研究刚刚起步,生态需水理论与方法还有待于发展与完善。:..早在20世纪四十年代,随着水库的建设和水资源开发利用程度的提高,美国的资源管理部门开始注意和关心渔场的减少问题。美国鱼类和野生动物保护协会对河道内流量与鱼类生长繁殖、产量的进行了许多研究,提出了河流最小环境(或生物)流量的概念,已有学者撰文强调了河川径流作为生态因子的重要性。在20世纪70年代后,澳大利亚、南非、法国和加拿大等国家针对河流生态系统,比较系统都开展了关于鱼类生长繁殖、产量与河流流量关系的研究。以大马哈鱼的河流生境(habitat)需水为例,加拿大哥伦比亚大学(UBC)有关学者通过大量的实地调查,分别获得了维系大马哈鱼到淡水河流繁衍所必需的河流生境的基本生态需水基本数据,其中包括适宜的流速和水深等。进一步,他们绘制了大马哈鱼繁衍所必需的河流生境质量的高低与基本生态需水(流速和水深)之间的曲线关系。为了保护水生生物或生境,通常是基于河流物理形态、鱼类和无脊椎动物确定最小或最佳的生态需水流量。但是,这一流量仅仅考虑了渔业的流量需求或者湿地对水的需求,并没有体现生态系统的完整性。.,Petts认为,在河流管理中生态的需要与河流流量变化特征相联系应该至少考虑3个方面,即:(1)纵向的连接;(2)洪泛平原的流量;(3)维持河道的流量,包括最小的和最适宜的流量。基流流量的自然频率和持续时间也应加以考虑,无论何时,都要尽可能地保持生态可接受的流量变化。Gleick提出了基本生态需水量的概念(basicecologicalwaterrequirement),其概念实质是生态建设(恢复)用水[10]。Falkenmark区分了绿色水(greenwater)和蓝色水的概念,指出从“蓝色”水的社会利用部门转向利用“绿色”水的生态系统中来,这种“绿色”水:..储存在土壤中用于蒸发或合成植物有机体。事实上,“绿色”水就是生态需水的概念,这种“绿色”水的概念适用于水生生态系统和陆地生态系统。直到20世纪90年代,随着国际水文计划等大的项目推进,研究的对象开始打破过去局限于所关心的物种(如鱼类)或某一单一目标的情景,人们才开始考虑维持河流系统完整性的生态流量需求,提高对河流生态系统保护的有效性。但是,由于在西方发达国家,并没有中国西部如此生态问题的多样性和复杂性,因此,他们对生态需水的研究主要集中在维系自然生态系统平衡的方面,比较少考虑高强度人类活动大量挤占生态需水的现实问题。中国是一个降水时间空间分布非常不均匀、人口压力大的发展中国家。人口、资源与环境的矛盾比较突出。就中国西部地区而论,20世纪90年代以前的水资源规划与配置管理中,很少涉及生态环境建设与生态需水问题。水资源可持续利用与合理配置是从国家“九五”攻关项目开始,提出的“生态需水”是一个新生事物。在中国,由于生态水文学基础研究起步比较晚,大家对于“生态需水”概念的理解也不尽相同。许多国内文献书籍、研究报告出现有“生态需水”、“生态用水”和“生态耗水”多个名词。有人认为它们的概念与涵义是不同的,但是有人认为它们都是指一回事(见文献[22]、[26-46])。1989年,中国科学院地理研究所汤奇成较早提出生态用水问题[45]。他认为“为了保证塔里木盆地各绿洲的存在和发展,必须要保护各绿洲的生态环境,而生态环境的保护也离不开水,这部分水可统称为生态用水”。1995年[46],他认为“对生态环境用水很少或根本没有安排,这种情况必须彻底加以改变,否则干旱区绿洲外的环境将日益恶化;应该在水资源总量中专门划出一部分作为生态环境用水,:..另一部分为国民经济各部门的用水,包括工、农业及城市生活用水等”。以后许多专家学者对生态需水、生态用水和生态耗水等,提出不同的观点、定义和研讨,丰富了生态需水的理论与学术研究。2001年,由钱正英、张光斗主编正式出版了的中国工程院重大咨询项目研究成果“中国可持续发展水资源战略研究”[27]。提出我国水资源的总战略必须以水资源的可持续利用支持经济的可持续发展;建议从防洪减灾、农业用水、城市和工业用水、生态环境建设等8个方面实行战略性改变,在中国大地上真正展开一场提高用水效率的革命。在该报告中,对生态用水做的定义是:“从广义上说,维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水,包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等,都是生态环境用水;狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐步改善所需要消耗的水资源总量。”。在学术研讨方面,潘启民等把生态用水理解为生态需水量(状态值)和生态耗水量(动态概念)两个概念[47]。严登华等把河流水可划分为生态水、资源水和灾害水[30]。王芳等通过她的博士论文研究探讨了生态需水理论问题[38-39],将生态需水概念界定为:为维护生态系统稳定,天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。将生态需水划分为可控(非地带性)与不可控(地带性)生态需水和天然与人工生态需水。刘昌明强调要在研究水循环和水量转化规律的基础上确定生态需水的理论内涵,提出陆地系统中的水可分解为资源水、灾害水、生态水和环境水。生态需水研究面临许多新的挑战。笔者们参加了中国工程院重大咨询项目“西北地区水资源配置、生态环境建设和可持续发展战略研究”。有几个不同的观点:(1)我们理解的国际水文计划(IHP)研究意义上的生态需水,是指以水文循环为纽带、从维系生态系统自身生存和生态功能角度,相对一定生态环:..要必须的基本水文特征值保证(如一定的河川基流、一定的水流速度、水深要求等),生态系统对水资源需求的大小需要通过科学实验与观察获得,并不是人们主观要给出什么样的水资源配置。水的配置是针对水资源管理、不同水的用户即用水而言。因此,就应该有生态耗水和用水的概念,它们与生态需水有区别也有联系。(2)中国工程院重大咨询项目中所指的“生态需水”不同之处,在于为水资源的合理配置服务、为生态建设(林草,河道生态功能要求)服务的生态需水。所以,国际上提出的生态需水概念需要讨论与扩展。通过讨论,有比较一致的看法是:生态需水是指维系一定环境功能状况或目标(现状、恢复或发展)下客观需求的水资源量。进一步,对中国西部生态环境建设研究工作的目标,生态需水可以理解为维系一定生态功能的环境目标(例如维系现状生态系统不再退化、恢复某个时期的生态景观、或者具体目标如黑河水必须要到东居延海等)下科学意义下生态系统需求的水资源。它是生态环境建设重要的科学依据。生态耗水是指现状多个水资源用户(生产、生活和生态)或者未来水资源配置(生产、生活和生态)后,生态系统实际消耗的水量。它需要通过该区域社会经济与生态耗水的平衡计算确定。生产、生活耗水过大,必然挤占生态耗水。因此,生态需水与生态耗水是有不同的含义,既有联系又有区别。例如,在黄河上游地区,自然降水条件下一般能够满足天然植被蒸散发对水的需求(降水P大于蒸散发E),因此,生态需水估计的数量比较小。但是,由于人的行为通过水土保持等措施建设林地,耗用(减少)了输送到河流下游的水资源量。人们往往称这部分耗用(减少):..耗水量是有不同的。相比之下,在西北内陆地区河流的下游,由于内陆地区河流的下游降水非常少,为维系胡杨林生态系统生存,估计的生态需水将完全占用河川径流量。维系胡杨林生态系统的生态环境用水也完全取决与能够提供给下游的河川径流量。在某种意义下,维系胡杨林生态系统的生态需水量也就是生态耗水量。因此,生态需水与生态耗水的概念在西部地区既有联系又有区别。通过生态需水的估算,能够提供维系一定的生态系统与环境功能所不应该被人所挤占的水资源量基本的信息,它是西部地区水资源可持续利用与生态环境建设的基础,它也是估计在一定的目的、生态环境建设目标或配置条件下,生态环境耗水大小的基础。通过对生态需水和生态耗水的估计,能够分析人对生态需水挤占的程度,决策生态环境建设对生态环境用水的合理配置。生态水文学是一种对环境有利、经济可行和社会可接受的有效方式。由于生态退化等问题的出现,生态水文学成为国际研究的热点问题之一。本文回顾了生态水文学的发展历程,讨论了生态需水研究明亮的问题与挑战。它们作为生态环境建设的基础与学科发展,有如下几点认识与建议:(1)优先、重点保护原则:在西北地区,由于水资源匮乏,不可能保护所有的生态系统,只能优先保护控制性生态系统,满足控制性生态系统对水分的需求。在此基础上,进一步形成保护干旱区生态系统的网络结构。干旱区流域下游荒漠绿洲是外来径流作用的产物,绿洲景观结构及组成类型的空间分布严格受河流廊道影响。因此,若把河流两岸乔灌木林和河岸灌丛草甸视作河流廊道的构成要素,则荒漠:..传输能量与养分的功能,而且是绿洲生物流的载体和传导源,为维持整个流域生态系统的稳定发展奠定了坚实的基础。所以干旱区河流廊道就是控制性的生态系统,生态需水应该优先得到满足。(2)以生态水文学为基础研究生态需水问题:生态水文学是生态学和水文学的交叉学科,它所关心的是水文过程对生态系统配置、结构和动态的影响,以及生物过程对水循环要素的影响。水文循环深刻地影响着全球生态系统的结构和演变,包括自然界中一系列的物理过程、化学过程和生物过程,是其它物质循环的基础。因此,确定某一生态系统需水时,只有以水文过程为基础,结合生态系统的特性需求,才能较为合理地计算生态需水量。这也是今后生态需水理论与实践研究重要的发展方向。(3)加强实验机理研究:我国和欧洲的学者日前联合宣布一项发现:单纯的灌溉不能改变中国西部干旱地区的荒漠植被的水分状况,而保持地下水位稳定才对维持植被正常生长至关重要(摘自中国科学院网站信息)。这一发现为生态用水配置提供了新的思路:只有在明确植被主要需水来源的情况下,才能合理地进行水资源管理,避免盲目的、无效的措施带来的资金浪费,所以加强实验机理研究至关重要。野外试验研究,不仅要考虑生态类型、植被盖度对水文过程的影响,同时还应考虑生态格局变化下水文过程的相应机制;另外,要加强水文事件及其过程对生态格局、植被类型等的影响研究,寻求不同时空尺度上影响生态水文过程的主导因素,以便建立更符合实际的生态水文机理模型。(4)尺度问题:目前,由蒸发散计算生态需水量是普遍的方法之一。由于下垫面因素、水文参数等空间的变异性和不均匀性,使得由:..影响了计算结果的准确性。因此,需要加强不同时空尺度信息的转化研究。不同尺度的生态需水规律存在差异,而且这种规律不是简单的线性外延或叠加,如何把小尺度的研究成果应用到大尺度上,理论依据是什么?将是今后生态水文学和生态需水研究的重点问题。