生態(tài)地下水研究進(jìn)展和管理閾值指標體系框架

  我國年供水量基本維持在5600億m3,必須保證1.2億hm2耕地的用水需求,滿(mǎn)足16億人口的食物和飲水安全,農業(yè)、工業(yè)、生活用水比重基本維持在7:2:1的水平,其發(fā)展態(tài)勢為農業(yè)用水的比重逐漸降低,而工業(yè)、生活用水比重逐漸增加,2030年農業(yè)用水比重有望降低到60%。(吳普特2003)。在工業(yè)化、城市化的進(jìn)程中對水的競爭使用,一般形成城市用水和工業(yè)用水擠占農業(yè)用水,農業(yè)用水又擠占生態(tài)環(huán)境用水的格局,造成自然植被衰退、森林草原退化、土地沙化、水土流失、灌區次生鹽堿化、地表地下水體污染等一系列嚴重的生態(tài)后果,使得有效水資源量減少,水資源短缺更加嚴重,不僅使國民經(jīng)濟遭受了重大損失,并已嚴重威脅到人類(lèi)的生存環(huán)境,引起了全世界的廣泛關(guān)注,這是各大流域用水不合理造成的地下水位下降所導致的生態(tài)環(huán)境惡化現象,成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

 

  1生態(tài)地下水位的概念

 

  西北地區年降水一般為150~400mm,地帶性植被為荒漠植被,而對生態(tài)環(huán)境起主要作用的是地下水維持的非地帶性中生和中旱生植被。在西北地區生態(tài)系統中,天然降水無(wú)法滿(mǎn)足非地帶性中生植被或旱生植被的生存,這些植被的生存和生長(cháng)還需要地下水的補充。因此,保持地下水埋深的動(dòng)態(tài)平衡成為維持非地帶性中旱生植被穩定的關(guān)鍵因素。

 

  影響植物生長(cháng)的主要因素是土壤鹽分和水分,兩者都與地下水位高低有關(guān),當地下水位過(guò)高時(shí),溶于地下水中的鹽分受蒸發(fā)影響就會(huì )在土壤表層聚積導致鹽漬化,不利于植物的生長(cháng)。當地下水位過(guò)低時(shí),地下水不能通過(guò)毛管上升到植物可吸收收利用的程度,導致土壤干化、植被衰敗,發(fā)生土地荒漠化。

 

  趙文智(2002)根據對黑河流域生態(tài)需水和生態(tài)地下水位的研究,給出了生態(tài)地下水位的定義是:由于植物根系和耐鹽特征的差異,地下水位太低時(shí)導致根系達不到汲水深度而枯死,地下水位太高時(shí)又由于強烈蒸發(fā)使土壤含鹽量過(guò)高而引起植物逐漸死亡,因此植物生長(cháng)有各自的適宜地下水埋深,在一定的氣候條件特別是降水條件下,維持某種植物群落壯齡階段穩定生長(cháng)而不使優(yōu)勢植物生境被其他植物占據的某一范圍的地下水埋深稱(chēng)為某種群落生態(tài)地下水位 。

 

  張長(cháng)春和孫才志等人對華北平原和遼河平原研究的地下水生態(tài)水位 概念為:地下水生態(tài)水位是指能夠充分發(fā)揮地下水對生態(tài)環(huán)境的控制作用,即滿(mǎn)足生態(tài)環(huán)境要求、不造成生態(tài)環(huán)境惡化的地下水位。它是由一系列滿(mǎn)足生態(tài)環(huán)境要求的地下水水位構成,是一個(gè)隨時(shí)空變化的函數。地下水生態(tài)水位主要受地質(zhì)結構、地形、地貌和植被條件的影響。謝新民等(2007)研究提出了地下水控制性關(guān)鍵水位和閾值的概念,并對西北、華北、沿海地區進(jìn)行了研究。綜上所述,作者認為:生態(tài)地下水位的概念簡(jiǎn)潔、明確,針對西北地區的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題研究荒漠化植被與地下水位關(guān)系定位準確、應用效果較好,謝新民等研究提出的地下水控制性關(guān)鍵水位 和閾值 概念,增強了定量化理解生態(tài)地下水位概念的程度,總體考慮,應結合地下水可持續開(kāi)采量進(jìn)行水資源綜合管理研究。

 

  2生態(tài)地下水位研究進(jìn)展

 

  在我國學(xué)術(shù)界有關(guān)塔里木河、石羊河、黑河流域、毛烏素沙地和科爾沁沙地等地區的植被與地下水關(guān)系的研究做了大量的研究工作,生態(tài)地下水位在實(shí)際應用中是根據多年觀(guān)測的資料,通過(guò)數理統計等方法確定這一范圍,建立了諸多模型描述植被與地下水的關(guān)系[11-28]。生態(tài)地下水位的確定目前主要根據不同地下水埋深植物種群出現的頻率,結合種群的生長(cháng)狀況進(jìn)行綜合評判。常用的是將某種群出現的頻率與對應的地下水位進(jìn)行高斯模型模擬,然后找出種群頻率最大值對應的水位埋深區間進(jìn)行確定。王芳等(2002)應用高斯模型模擬的塔里木盆地胡楊、檉柳、蘆葦、甘草、羅布麻、駱駝刺等種群分布頻率最大值對應的地下水埋深分別為3.2,3.7,1.9,2.7,2.9,3.4m。劉亞傳等(1992)在民勤的試驗表明臨界地下水埋深在3m左右比較合適。王讓會(huì )(2001)將新疆地下水埋深小于1.0m或具有季節性地表積水界定為沼澤化水位,地下水介于1~2.5m界定為鹽漬化水位,地下水介于2~4.5m界定為適宜地下水位,4~6m警戒地下水位,>6m沙漠化地下水位,將塔里木盆地合理生態(tài)水位界定在2~4m。張麗(2004)對黑河流域植物生長(cháng)與地下水位的關(guān)系建立了對數正態(tài)分布模型,研究了胡楊、怪柳、蘆葦、羅布麻、甘草、駱駝刺的地下水位埋深和生長(cháng)狀況的關(guān)系。任杰等(2006)在毛烏素沙地應用SWAP模型對蘆葦和賴(lài)草的地下水位埋深與植被生長(cháng)狀況進(jìn)行了研究。馬龍等(2007)根據科爾沁沙地植被生態(tài)型及典型樣帶調查試驗資料,系統分析了植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤含水率的定量關(guān)系:濕生、中生、中旱生和旱生植物地下水位埋深的變化范圍分別為0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45 m;植物根系土壤表層含水率的變化范圍分別為2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%。

 

  值得指出的是,在塔里木河流域檉柳群落最適生境是在地下水位2~4m的范圍,但在石羊河下游檉柳生長(cháng)的最適地下水位為8~10m,這可能與兩地的降水量差別,以及檉柳吸收的水分來(lái)源及其比例差別有關(guān)。所以植物與地下水關(guān)系模型具有明顯的地域性?？傊?這些模型可描述植物組成與土壤水分條件之間的相互關(guān)系,并能預測植物種間的競爭狀況。不過(guò),任何模型的模擬值并不比模型所依據的數據和假定好多少。上述研究建立了生態(tài)地下水位基本概念框架,并據此確定了一些典型荒漠植物的生長(cháng)與地下水位的關(guān)系模型,但這些研究都受測試手段的限制,特別是數據重復較少極大地降低了模型的可信度,所以目前的成果僅僅停留在半定量描述階段。植物與地下水位的關(guān)系不僅難以查明,而且二者的關(guān)系因受其他因素的影響也很容易改變。因此,眾多的研究者從最適條件或可忍耐條件方面描述植物個(gè)體或群落適宜水分狀況時(shí),往往顯得猶豫不決。王嵩等認為地下水生態(tài)環(huán)境指標是指與生態(tài)環(huán)境狀況密切聯(lián)系的地下水和與地下水有關(guān)的各種臨界指標的總稱(chēng),如土壤含水量、土壤含鹽量、潛水礦化度、地下水位臨界埋深、潛水蒸發(fā)極限深度等。指出這些生態(tài)環(huán)境指標在不同區域是不一樣的,應根據各地的實(shí)際情況確定相應的生態(tài)環(huán)境指標閾值。

 

  3地下水可持續開(kāi)采量的概念和進(jìn)展

 

  1915年Lee提出允許開(kāi)采量(safeyield)的概念后,經(jīng)Meinzer(1923)、Conkling(1946)、Banks(1953)、Suter(1959)、Zeizel(1962)等人的補充與完善,形成了較完整的現代意義上的允許開(kāi)采量,即在經(jīng)濟、合法、不破壞原來(lái)水質(zhì)、不產(chǎn)生不良環(huán)境后果的前提下,可以從地下水系統中開(kāi)采的水量。自此,允許開(kāi)采量的概念逐漸為世界各國所接受和普遍使用,已成為國家和地方政府制定地下水資源開(kāi)發(fā)管理政策的重要依據。然而,目前在全球范圍內地下水資源減少、地下水環(huán)境不斷惡化的嚴峻形勢也使人們越來(lái)越清晰地認識到了允許開(kāi)采量存在的諸多不足,忽視了依賴(lài)于地下水的生態(tài)系統、忽視了自然排泄的作用、忽視了變化的環(huán)境條件對它的反作用等等。同時(shí),可持續發(fā)展理論已為允許開(kāi)采量概念的發(fā)展開(kāi)拓了新的空間。因此,以Sophocleous等為代表的學(xué)者提出,為擺脫長(cháng)期以來(lái)允許開(kāi)采量所面臨的困境,同時(shí)為充分反映可持續發(fā)展理論對允許開(kāi)采量階段性的發(fā)展作用,用可持續開(kāi)采量(sustainableyield)代替了允許開(kāi)采量。

 

  在1987年袁生祿發(fā)表的民勤沙漠綠洲地下水生態(tài)可開(kāi)采量初步研究 一文,對科學(xué)認識干旱區的地下水,防止過(guò)量開(kāi)采導致綠洲沙漠化,從定性到定量,從理論到實(shí)踐作了研究,提出了建設性的意見(jiàn)和建議,是國內較早提出生態(tài)環(huán)境與地下水開(kāi)采量關(guān)系研究的學(xué)者,定義地下水生態(tài)開(kāi)采量為不影響生態(tài)平衡的條件下人類(lèi)可以開(kāi)發(fā)的水利資源量 。國內許多研究機構和學(xué)者對地下水資源的合理利用和管理問(wèn)題進(jìn)行了較深入的研究。王金生等(2006)認為:可持續開(kāi)采量的 概念為:在優(yōu)先滿(mǎn)足環(huán)境需水及經(jīng)濟、合法、不破壞原來(lái)水質(zhì)、不產(chǎn)生不良環(huán)境后果的條件前提下,以地下水及其環(huán)境系統達新的平衡為標志,可以從地下水系統中開(kāi)采的可更新水量:它具有動(dòng)態(tài)性、不確定性和系統性的特點(diǎn)。

 

  我國自1998年第一部水法#頒布后,各級水利部門(mén)加大了對地下水資源管理和監督力度,尤其是?取水許可制度#、?建設項目水資源論證#制度的實(shí)施和地下水保護行動(dòng)計劃的啟動(dòng)使得我國地下水資源的管理工作可以有法可依、有據可查,地下水超采不斷惡化的趨勢得到及時(shí)遏制,但對地下水的量化管理、監控管理和透明管理還有較大差距。原因主要包括兩個(gè)方面:一是對地下水開(kāi)采量的控制不合理,超量開(kāi)采導致地下水位持續下降;二是沒(méi)有建立起地下水控制性關(guān)鍵水位的監控、預警預報、管理等一整套制度。因此,加強對地下水的監控管理,由過(guò)去對可開(kāi)采量的管理轉移到對可開(kāi)采量和地下水位的雙重管理、由面上宏觀(guān)管理轉移到面上宏觀(guān)和控制性關(guān)鍵水位管理相結合的立體管理勢在必行。

 

  4生態(tài)地下水管理閾值指標體系框架

 

  生態(tài)系統管理 的核心為整個(gè)系統多個(gè)目標的管理,而不僅僅局限于單個(gè)資源的商品生產(chǎn)。這一思想在20世紀30年代起源于美國和加拿大等發(fā)達國家,對自然資源管理產(chǎn)生了深刻的影響。它要求人類(lèi)重新審視自己的管理行為,必須合理利用可再生資源,特別是生物資源和水資源。生態(tài)系統管理概念的提出是科學(xué)家對全球規模的生態(tài)、環(huán)境和資源危機的一種響應,它作為生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)和資源科學(xué)的復合領(lǐng)域,自然科學(xué)、人文科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的新型交叉領(lǐng)域,不僅具有豐富的科學(xué)內涵而且具有迫切的社會(huì )需求和廣闊的應用前景,主要的科學(xué)挑戰就是如何確定閾值 水平,讓決策者和公眾了解它的價(jià)值和重要性。作者提出水管理閾值的概念,其研究目標是按 流域或地區量水而行,以水定發(fā)展,協(xié)調好生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水的關(guān)系,將農業(yè)、工業(yè)的結構布局和城市人口的發(fā)展規?？刂圃谫Y源承載能力范圍之內,打造與當地資源稟賦相適應的產(chǎn)業(yè)結構和經(jīng)濟發(fā)展模式。

 

  PavlikakisGE(2000)等學(xué)者將生態(tài)系統管理的概念引入到水資源管理中,這一新的理論思維在水資源管理中得到了應用與發(fā)展,我國許多學(xué)者也開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。水管理閾值的概念是在地下水可持續開(kāi)采量概念的基礎上更加注重生態(tài)系統管理方面的可控性和目標管理,針對水資源的可持續利用和生態(tài)環(huán)境管理提出的,其內涵是:?研究對象為流域或地區,甚至一個(gè)國家,應將整個(gè)系統作為一個(gè)整體,在整體中研究其水管理閾值水平。%可持續發(fā)展理論和生態(tài)系統管理方法是確定水管理閾值的指導理念。&針對不同的區域,水管理閾值具有不同的理解和標準及研究確定方法,某種程度上閾值水平由人們對資源的需求決定。?不能只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林,水管理閾值更加注重管理方面的可操作性(可控性),對其評估應變成一種范圍估計。(水管理閾值強調在點(diǎn) 的概念或規律明確的情況下,可實(shí)現對區域 的控制和管理,可進(jìn)一步擴展為對面 的指導,其特征是強調研究對象區域化、指標定量化、管理制度化。區域地下水管理閾值指標體系結構見(jiàn)圖1。

 

  從水資源系統管理和生態(tài)系統管理理論角度看,關(guān)于生

 

  態(tài)地下水位和地下水可持續開(kāi)采量的研究可歸納為水管理閾值研究的范疇。馮紹元等建立了干旱內陸區自然-人工條件下地下水位動(dòng)態(tài)的ANN模型,模擬了不同灌溉發(fā)展面積及地表來(lái)水條件下地下水位動(dòng)態(tài)。研究結果可應用于該地區地下水系統的管理。朝倫巴根等用響應矩陣法建立了確定地下水資源可持續利用決策的非線(xiàn)性多目標模型,用排序的表現矩陣度量可行解對所有目標總體表現優(yōu)劣程度的向量比較多目標遺傳算法求解模型,得出人工草地牧草最佳種植結構方案和地下水資源可持續利用決策方案。屈忠義等應用不同的ANN-BP網(wǎng)絡(luò )模型對灌區年、月地下水埋深的變化進(jìn)行了模擬,預測了黃河河套灌區節水工程實(shí)施后未來(lái)灌區年平均地下水位下降的情況。作者應用水-草-畜 系統平衡原理和優(yōu)化決策數學(xué)模型,研究分析了毛烏素沙地鄂托克前旗牧區(面積12318km2)在人工種植冷季補飼型階段和暖季放牧冷季舍飼型階段的水資源開(kāi)發(fā)利用率、可持續載畜量和所需灌溉飼草料基地發(fā)展規模及綜合效益指標,提出了以水利建設為基礎的草地生態(tài)經(jīng)濟系統管理的閾限值和水管理閾值水平。綜上所述,以地下水的可持續開(kāi)采量作為水管理閾值水平的控制指標,同時(shí)也可保持地下水位在生態(tài)地下水位的閾限值內波動(dòng),在生產(chǎn)實(shí)踐中控制地下水開(kāi)采量的可控性較強。通過(guò)在點(diǎn)和區域 方面進(jìn)行的定量化的研究應用,可以進(jìn)一步理解這一概念的內涵)))管理的可控性問(wèn)題:點(diǎn) 和區域 的定量化研究成果應用在實(shí)踐中管理的可控性較好。

 

  5結語(yǔ)

 

  針對各流域生態(tài)系統中地下水位下降、天然綠洲衰亡、水土流失等生態(tài)環(huán)境惡化的現象,應用生態(tài)系統管理理論和方法,提出了水管理閾值的概念,應以地區或流域研究建立點(diǎn)和區域 結合的水管理閾值指標體系,對關(guān)鍵性控制指標-生態(tài)地下水位和可持續開(kāi)采量及其相互關(guān)系進(jìn)行定量化研究,提出適宜的管理閾限值,進(jìn)行綜合性制度化管理。政府管理部門(mén)的決策水平和民眾的認知程度是改善和修復生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素,也正是可持續發(fā)展理論和生態(tài)系統管理方法所倡導的核心所在。