內(nèi)陸河平原生態(tài)系統(tǒng)需水結(jié)構(gòu)研究

內(nèi)陸河平原生態(tài)系統(tǒng)需水結(jié)構(gòu)研究

中國西北地區(qū)的自然特點決定了生態(tài)環(huán)境保護(hù)是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本保護(hù)。為了有效地保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的安全,必須滿足生態(tài)系統(tǒng)對水資源的需求,以此作為水資源合理開發(fā)利用的前提條件。為了科學(xué)合理地預(yù)測生態(tài)需水量,必須以經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)安全為出發(fā)點,根據(jù)水分條件與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化機(jī)理,使生態(tài)系統(tǒng)保持相對穩(wěn)定和功能的協(xié)調(diào),在此基礎(chǔ)上建立生態(tài)環(huán)境保護(hù)準(zhǔn)則,明確區(qū)域保護(hù)目標(biāo)和保護(hù)程度。以此為基礎(chǔ),研究有科學(xué)依據(jù)的生態(tài)需水計算方法,從而合理預(yù)測未來生態(tài)保護(hù)與生態(tài)建設(shè)對水資源的需求。由于內(nèi)陸河平原缺少降水,平原植被系統(tǒng)依賴于出山口徑流,社會經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)用水始終處在沖突狀態(tài)。干旱區(qū)水資源消耗分為3個部分:社會經(jīng)濟(jì)用水,生態(tài)用水,以及干旱區(qū)特有的鹽堿地?zé)o效耗水。后者既消耗了寶貴的水資源,又從另一方面造成生態(tài)惡化。雖然這部分耗水不可完全避免,但可以通過水資源合理利用,使其盡可能轉(zhuǎn)化為生態(tài)用水。因此,科學(xué)合理地計算生態(tài)需水,成為干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。20世紀(jì)90年代以來,水資源和生態(tài)的相關(guān)性研究,特別是生態(tài)系統(tǒng)需水量研究成為全球關(guān)注的焦點。1996年,第1次出現(xiàn)了生態(tài)需水較為完善的概念:提供一定質(zhì)量和一定數(shù)量的水給天然生境,以求最小化地改變天然生態(tài)系統(tǒng)的過程,并保護(hù)物種多樣性和生態(tài)整合性。國外針對干旱區(qū)生態(tài)需水的理論與實踐,見之于澳大利亞Murray-Darling河流管理委員會規(guī)劃報告,1996年提出流域內(nèi)應(yīng)當(dāng)通過協(xié)調(diào)解決環(huán)境需水與國民經(jīng)濟(jì)需水的矛盾,并指出單純依靠立法保護(hù)瀕臨滅絕物種的弊端,同時指出要用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)分析、系統(tǒng)模擬。幾乎在國外深入研究生態(tài)需水問題的同時,國內(nèi)于“九五”攻關(guān)項目“西北地區(qū)水資源合理配置與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究”項目立項時首次提出生態(tài)環(huán)境需水這一研究方向,并要求生態(tài)需水計算以生態(tài)保護(hù)準(zhǔn)則為依據(jù)。西北水資源攻關(guān)總專題對干旱區(qū)水資源形成與演變規(guī)律、水資源利用、生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀格局和生態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系作了系統(tǒng)的分析與研究,從機(jī)理上研究了變化條件下的水資源與生態(tài)環(huán)境演變趨勢。提出了生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論。在此基礎(chǔ)上,本文按照水-生態(tài)演變機(jī)理研究干旱區(qū)生態(tài)需水。按平原生態(tài)圈層結(jié)構(gòu),生態(tài)需水分為過渡帶生態(tài)需水,綠洲生態(tài)需水;綠洲生態(tài)需水又進(jìn)一步分為天然綠洲生態(tài)需水和人工綠洲生態(tài)需水。徑流是平原綠洲生態(tài)需水主要來源,是水資源利用核心。需要對上述圈層結(jié)構(gòu)各組成部分生態(tài)需水的水源構(gòu)成(徑流與降水)進(jìn)行計算。需要在水資源配置研究中明確用水結(jié)構(gòu):社會經(jīng)濟(jì)用水、生態(tài)用水和鹽堿地用水,并分析其合理性。1干旱地區(qū)的生態(tài)必要1.1生態(tài)需水的構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)是生物群落連同其所在的地理環(huán)境所構(gòu)成的能量、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和循環(huán)系統(tǒng),由4個基本組成部分:無機(jī)環(huán)境;綠色植物;動物;微生物。生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展建立在生態(tài)平衡的基礎(chǔ)上,由能量平衡、物質(zhì)循環(huán)平衡、生物鏈平衡構(gòu)成。綠色植物在生態(tài)平衡過程中起的作用十分關(guān)鍵,即是生物鏈的始端,又是能量轉(zhuǎn)化的橋梁,更是無機(jī)物變?yōu)橛袡C(jī)物的紐帶。綠色植物光合作用的能量和物質(zhì)分別來源于太陽光和水。對西北干旱地區(qū)來講,光熱、土地豐富,緊缺的是水,因此水在生態(tài)系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用。按照生態(tài)系統(tǒng)的組成,生態(tài)系統(tǒng)的水分包括3個部分:作為無機(jī)環(huán)境組成部分的河湖等地表水體,以及其它賦存于無機(jī)環(huán)境中的水分;綠色植物的需水;動物飲水。通常,與河湖水體和植物需水相比,動物飲水很少,一般可放在河湖等地表水體中考慮。因此,具有相互聯(lián)系的無機(jī)環(huán)境需水和綠色植被需水就構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的需水。生態(tài)系統(tǒng)的水分來源包括降雨、地表徑流、地下水潛水蒸發(fā)等。干旱地區(qū)降水集中在山區(qū),徑流性水資源是盆地生態(tài)系統(tǒng)的生命源泉。干旱地區(qū)進(jìn)行水資源開發(fā)利用時,為了維持生態(tài)系統(tǒng)在某種質(zhì)量水平上的穩(wěn)定,需要向生態(tài)系統(tǒng)不斷地提供或預(yù)留一定的水量。山區(qū)是降水性生態(tài)需水。山區(qū)生態(tài)需水與降水的無效蒸發(fā)一起,屬于水資源(出山徑流)形成前的水分消耗。山區(qū)形成的徑流幾乎是平原地區(qū)水資源的唯一來源。從生態(tài)環(huán)境和水資源的關(guān)系上,區(qū)分出生態(tài)需水的補給類型意義重大。對于降雨豐沛的山區(qū),生態(tài)要素的耗水主要來自降雨,這類地區(qū)的生態(tài)需水計算對于水土保持用水等具有重要的參考價值。山前平原區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)除受少量降雨補給外,主要消耗的是出山口徑流量。而盆地生態(tài)系統(tǒng)主要依賴河川徑流及其入滲補給的地下水。山區(qū)生態(tài)、平原人工區(qū)和天然綠洲通過水循環(huán)上下銜接彼此影響,是一個前后響應(yīng)、有機(jī)聯(lián)系的整體。1.2生態(tài)需水的轉(zhuǎn)化根據(jù)補給來源,生態(tài)需水首先可以分為降水性生態(tài)需水和徑流性生態(tài)需水。在降雨形成徑流以及徑流運動過程中,地帶性植被所在的天然生態(tài)系統(tǒng)完全消耗降水量,非地帶性植被所在的天然生態(tài)系統(tǒng)消耗徑流量為主、降水為補充,處于地帶性與非地帶性的交錯過渡帶以消耗降水為主、徑流為補充。本文關(guān)注的是生態(tài)系統(tǒng)中徑流的作用和地位,根據(jù)干旱區(qū)降水-徑流的特點,徑流性生態(tài)需水發(fā)生在平原。徑流性水資源是平原區(qū)生態(tài)需水的主要來源,是水資源利用的核心,本文所提到的平原區(qū)的生態(tài)需水(耗水)專指徑流性生態(tài)需水。從生態(tài)系統(tǒng)形成的原動力可進(jìn)一步劃分天然生態(tài)需水和人工生態(tài)需水兩大類。天然生態(tài)需水是指基本不受人工作用的生態(tài)所需水量,包括天然水域和天然植被需水;人工生態(tài)需水是指人工綠洲內(nèi)部對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)起維護(hù)支撐作用的生態(tài)組成,由人工直接或間接作用維持的生態(tài)所需水量,包括受經(jīng)濟(jì)用水間接支撐的部分,如田間林網(wǎng)、草地,以及河渠與水庫池塘的蒸發(fā)等。通過水利工程向生態(tài)系統(tǒng)直接供水的部分,如灌溉林草場、漁業(yè)、城市景觀等提供的人工生態(tài)用水量,放在國民經(jīng)濟(jì)用水中去研究。按平原生態(tài)圈層結(jié)構(gòu),分為過渡帶生態(tài)需水,綠洲生態(tài)需水;綠洲生態(tài)需水又進(jìn)一步分為天然綠洲生態(tài)需水和人工綠洲生態(tài)需水。由于經(jīng)濟(jì)用水量增長,使得生態(tài)需水的轉(zhuǎn)化關(guān)系日益復(fù)雜。首先,經(jīng)濟(jì)用水的退水量對生態(tài)需水影響大,退水直接成為人工生態(tài)需水的主要部分并且加入到天然生態(tài)需水中,使得需水來源多元化;其次,經(jīng)濟(jì)用水使徑流運動范圍與強(qiáng)度都發(fā)生變化,導(dǎo)致過渡帶的徑流補給中斷,減少了生態(tài)需水,盡管這部分生態(tài)需水量小,但作用和地位特殊,且特別脆弱,同一數(shù)量的生態(tài)需水對過渡帶和綠洲的生態(tài)效應(yīng)有天壤之別:過渡帶退化的幅度往往是人工綠洲增幅的幾倍甚至幾十倍。天然綠洲的生態(tài)系統(tǒng)主要依靠消耗徑流性水資源來維持,這是生態(tài)需水研究的重點。天然綠洲生態(tài)需水還包括重點生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的生態(tài)需水,如大型河湖水面、綠色走廊等。天然綠洲中的鹽沼盡管也有水分蒸發(fā)和消耗,但沒有生物量,不作為生態(tài)耗水來計算,而是作為可以節(jié)約的潛力部分,在水循環(huán)與平衡計算中予以考慮。2水的平衡分析以流域為單元,進(jìn)行水資源平衡分析。生態(tài)需水分析計算,類似于供需平衡分析。由遙感信息土地利用圖上讀取各類生態(tài)面積單元,從植物生理角度分析生態(tài)需水,得到天然植被總騰發(fā)量Et,作為植被生態(tài)需水總量。各典型天然植被的Et和農(nóng)作物的Et一樣,通過實驗資料獲得。將植被和水面的總生態(tài)需水量扣除有效降水補充的部分,既為徑流性生態(tài)需水量GE。利用各個生態(tài)圈層天然生態(tài)的Et、有效降水深、生態(tài)植被面積、徑流性水資源占用深度等進(jìn)行綜合平衡,校核生態(tài)需水總量的合理性。另一方面,以流域為單元進(jìn)行降水和徑流統(tǒng)一考慮的水分綜合平衡。首先進(jìn)行降水量的平衡。山區(qū):將山區(qū)降水扣除冰川與裸巖裸地面積上的無效蒸發(fā),同時得到山區(qū)生態(tài)耗水量(有效降水)和出山口徑流量,并將出山口徑流加入到平原區(qū)進(jìn)行水平衡分析。平原:將平原原生鹽堿地和沙漠戈壁面積上的降水作為無效蒸發(fā),過渡帶和綠洲區(qū)域的降水作為有效水深,再加入出山口徑流,共同進(jìn)行生態(tài)需水分析。其次進(jìn)行生態(tài)可利用水量分析。將出山口徑流量R加上入境水量R1,減去出境水量R2,得到實際徑流性水資源總量(R+R1-R2),以此作為平衡分析的總控制量;對綠洲經(jīng)濟(jì)用水進(jìn)行平衡,用總控制量(R+R1-R2)減去國民經(jīng)濟(jì)引水量Y,得到天然生態(tài)直接用水量G,加上國民經(jīng)濟(jì)用水后的回歸水量H,最終得到生態(tài)系統(tǒng)可能實際利用的徑流性水資源量GR。將生態(tài)需水量GE與生態(tài)系統(tǒng)可能實際利用的水資源量GR進(jìn)行平衡分析:當(dāng)(GE-GR)=0,生態(tài)需水得到滿足,維持生態(tài)系統(tǒng)的正常功能,此時生態(tài)需水即為實際生態(tài)耗水;當(dāng)(GE-GR)>0,表明經(jīng)濟(jì)用水條件下生態(tài)需水出現(xiàn)缺口,實際生態(tài)耗水等于GR,將可能導(dǎo)致生態(tài)退化;當(dāng)(GE-GR)<0,生態(tài)系統(tǒng)可能實際利用的水資源量過剩,表明流域內(nèi)鹽堿地耗水占用了部分水資源,實際生態(tài)耗水等于GE,減少鹽堿地耗水是節(jié)水工作的重要目標(biāo)。在進(jìn)行生態(tài)需水預(yù)測時,以上述現(xiàn)狀生態(tài)需水分析為基礎(chǔ),分別以GE0和GR0代表現(xiàn)狀,以EE0表示現(xiàn)狀實際生態(tài)耗水。按以下步驟進(jìn)行預(yù)測:結(jié)合國民經(jīng)濟(jì)需水預(yù)測,計算預(yù)測水平年條件下的GR1,與EE0、GR0進(jìn)行綜合比較并進(jìn)行情景分析,最終調(diào)整GE0,作為預(yù)測水平年的生態(tài)需水并對生態(tài)面積的變化進(jìn)行相應(yīng)預(yù)測。3生態(tài)水計算3.1et的地區(qū)變化天然生態(tài)系統(tǒng),根據(jù)其植被群落構(gòu)成和蒸騰發(fā)量,確定其最小水分需求深度與適宜水分需求深度。Et的合理選擇關(guān)系到計算成果的精度,是進(jìn)行生態(tài)需水分析的依據(jù)之一。本項研究收集和分析了迄今為止數(shù)量有限的觀測實驗資料,并且分析了國內(nèi)外干旱區(qū)、特別是中亞地區(qū)相關(guān)研究成果和經(jīng)驗公式,參考了有關(guān)農(nóng)業(yè)灌溉和林草需水Et實驗分析資料。以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),經(jīng)過反復(fù)演算分析后,提出了一套符合地區(qū)變化規(guī)律的Et參考平均值,變化范圍在正負(fù)10%以內(nèi)(見表1)。Et的地區(qū)變化考慮了如下因素:低蓋度草(蓋度5%～20%)遠(yuǎn)離河流,以降水為主要水分來源,屬于不充分給水,降水條件的多寡將使群落的蓋度出現(xiàn)系統(tǒng)的自然選擇,即降水條件好的地區(qū)蓋度自然高于降水條件差的地區(qū),因此低蓋度草Et取值考慮以降水量為主要參照條件,并且降水條件好的地區(qū)Et高于差的地區(qū)。中蓋度草(蓋度20%～50%)大部分地區(qū)以徑流為主要水源、降水作為補充,屬于較充分給水,地區(qū)差距比較接近。高蓋度草(蓋度大于50%)離河岸最近,屬于充分給水,此時氣候條件起主導(dǎo)作用,即越是干旱的地區(qū)Et越大。林地的Et也大致符合這個規(guī)律。3.2當(dāng)前生態(tài)水分析3.2.1生態(tài)需水的徑流分布全西北干旱區(qū)平原總生態(tài)需水量579億m3,包括降水和徑流兩部分組成。過渡帶生態(tài)需水以降水為主,天然綠洲生態(tài)需水以徑流為主,人工綠洲的生態(tài)需水幾乎完全依靠徑流。從地區(qū)分布上看,越是干旱的地區(qū)生態(tài)需水中徑流的比重越高,說明生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)用水的敏感性越強(qiáng)烈,水資源合理配置的任務(wù)越艱巨?，F(xiàn)狀生態(tài)條件下,過渡帶、綠洲生態(tài)徑流性生態(tài)需水380億m3,其中天然生態(tài)329億m3,人工生態(tài)51億m3。以新疆的生態(tài)需水最多,尤其是南疆生態(tài)需水規(guī)模較大(見表2)。3.2.2生態(tài)需水、水循環(huán)生態(tài)耗水計算較復(fù)雜,因為與國民經(jīng)濟(jì)用水息息相關(guān),需要放在社會經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境的大系統(tǒng)中進(jìn)行合理分析。需要通過水平衡計算,結(jié)合調(diào)查與遙感資料,進(jìn)行情景分析,正確、合理地計算生態(tài)耗水?，F(xiàn)狀生態(tài)-經(jīng)濟(jì)水資源平衡是計算生態(tài)耗水的第一次平衡,通過平衡可分析生態(tài)可能利用量與生態(tài)需水的關(guān)系;對生態(tài)可能利用量進(jìn)行二次平衡分析,可進(jìn)一步確定生態(tài)耗水的組成和水資源利用效率。分析結(jié)果表明,在現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)用水水平和管理條件下,內(nèi)陸河區(qū)共有809億m3的徑流性水資源可用于經(jīng)濟(jì)或生態(tài)。其中,有517億m3國民經(jīng)濟(jì)引水量,其中有126億m3退水,總的經(jīng)濟(jì)用水耗水率達(dá)0.76。直接留給天然生態(tài)的水量有302億m3,加上回歸水的間接支持,可供生態(tài)系統(tǒng)消耗的水資源達(dá)428億m3。從生態(tài)需水的角度看,西北干旱區(qū)盆地生態(tài)系統(tǒng)的需水基本上能得到滿足。但各地程度有較大差別(見表3)。在生態(tài)可利用水量的口徑內(nèi),進(jìn)一步對西北干旱區(qū)盆地水資源的消耗狀況進(jìn)行平衡,計算現(xiàn)狀生態(tài)耗水。分析表明,全西北干旱區(qū)盆地現(xiàn)狀社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下,基本上能滿足現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)的耗水需求。現(xiàn)狀總生態(tài)耗水377億m3,其中人工生態(tài)耗水51億m3,天然生態(tài)耗水326億m3。水資源利用率最高的黑河、石羊河兩流域,現(xiàn)狀生態(tài)需水得不到滿足,會引起生態(tài)退化,共有生態(tài)缺水3.1億m3。南疆、疏勒河、柴達(dá)木盆地鹽堿地及其它無效流失的水資源較嚴(yán)重,特別是南疆,大量水資源流失,或在塔里木河源流區(qū)損失于鹽堿地,或在塔里木河中游干流區(qū)泛濫流失于河道外,形成鹽堿灘,同時造成下游斷流,使下游生態(tài)瀕臨滅亡。鹽漬化耗水不但浪費水資源,而且破壞自然生態(tài)。從耗水結(jié)構(gòu)來看,包括經(jīng)濟(jì)耗水和人工生態(tài)耗水在內(nèi),53%的水資源消耗在人工綠洲,這還不包括鹽堿地耗水。進(jìn)一步分析人工綠洲內(nèi)部水資源利用和水循環(huán),可以充分了解國民經(jīng)濟(jì)用水效率及其與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。西北內(nèi)陸河區(qū)國民經(jīng)濟(jì)用水的76%消耗在社會經(jīng)濟(jì)活動系統(tǒng)內(nèi)部,包括其中的無效耗水;回歸水量占引水量的24%,反復(fù)引水的石羊河流域用水回歸率僅9%?；貧w水間接支持人工生態(tài)系統(tǒng),并退到天然生態(tài)系統(tǒng)中,支持河道、湖泊、天然植被的耗水?；貧w水量是生態(tài)環(huán)境用水的重要來源,但是效率不高,在回歸水較多的南疆、疏勒河流域存在大量的鹽堿地,也證明了這一點(見表4)。3.3生態(tài)水評價3.3.1人工綠茶擴(kuò)大面積的預(yù)測以國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展低方案的灌溉面積(包括農(nóng)田和林草灌溉)預(yù)測值為基本控制量。以現(xiàn)有灌溉面積比例為基礎(chǔ),綜合考慮人口增長與生活水平的提高,進(jìn)行相應(yīng)的配套渠系、農(nóng)田林網(wǎng)用地以及人居建筑用地(包括交通與城市化用地)預(yù)測,通過合理性分析推算總?cè)斯ぞG洲擴(kuò)大面積。2020年生態(tài)