生态地下水研究进展和管理阈值指标体系框架

  我国年供水量基本维持在5600亿m3,必须保证1.2亿hm2耕地的用水需求,满足16亿人口的食物和饮水安全,农业、工业、生活用水比重基本维持在7:2:1的水平,其发展态势为农业用水的比重逐渐降低,而工业、生活用水比重逐渐增加,2030年农业用水比重有望降低到60%。(吴普特2003)。在工业化、城市化的进程中对水的竞争使用,一般形成城市用水和工业用水挤占农业用水,农业用水又挤占生态环境用水的格局,造成自然植被衰退、森林草原退化、土地沙化、水土流失、灌区次生盐碱化、地表地下水体污染等一系列严重的生态后果,使得有效水资源量减少,水资源短缺更加严重,不仅使国民经济遭受了重大损失,并已严重威胁到人类的生存环境,引起了全世界的广泛关注,这是各大流域用水不合理造成的地下水位下降所导致的生态环境恶化现象,成为学术界研究的热点问题。

 

  1生态地下水位的概念

 

  西北地区年降水一般为150~400mm,地带性植被为荒漠植被,而对生态环境起主要作用的是地下水维持的非地带性中生和中旱生植被。在西北地区生态系统中,天然降水无法满足非地带性中生植被或旱生植被的生存,这些植被的生存和生长还需要地下水的补充。因此,保持地下水埋深的动态平衡成为维持非地带性中旱生植被稳定的关键因素。

 

  影响植物生长的主要因素是土壤盐分和水分,两者都与地下水位高低有关,当地下水位过高时,溶于地下水中的盐分受蒸发影响就会在土壤表层聚积导致盐渍化,不利于植物的生长。当地下水位过低时,地下水不能通过毛管上升到植物可吸收收利用的程度,导致土壤干化、植被衰败,发生土地荒漠化。

 

  赵文智(2002)根据对黑河流域生态需水和生态地下水位的研究,给出了生态地下水位的定义是:由于植物根系和耐盐特征的差异,地下水位太低时导致根系达不到汲水深度而枯死,地下水位太高时又由于强烈蒸发使土壤含盐量过高而引起植物逐渐死亡,因此植物生长有各自的适宜地下水埋深,在一定的气候条件特别是降水条件下,维持某种植物群落壮龄阶段稳定生长而不使优势植物生境被其他植物占据的某一范围的地下水埋深称为某种群落生态地下水位 。

 

  张长春和孙才志等人对华北平原和辽河平原研究的地下水生态水位 概念为:地下水生态水位是指能够充分发挥地下水对生态环境的控制作用,即满足生态环境要求、不造成生态环境恶化的地下水位。它是由一系列满足生态环境要求的地下水水位构成,是一个随时空变化的函数。地下水生态水位主要受地质结构、地形、地貌和植被条件的影响。谢新民等(2007)研究提出了地下水控制性关键水位和阈值的概念,并对西北、华北、沿海地区进行了研究。综上所述,作者认为:生态地下水位的概念简洁、明确,针对西北地区的生态环境问题研究荒漠化植被与地下水位关系定位准确、应用效果较好,谢新民等研究提出的地下水控制性关键水位 和阈值 概念,增强了定量化理解生态地下水位概念的程度,总体考虑,应结合地下水可持续开采量进行水资源综合管理研究。

 

  2生态地下水位研究进展

 

  在我国学术界有关塔里木河、石羊河、黑河流域、毛乌素沙地和科尔沁沙地等地区的植被与地下水关系的研究做了大量的研究工作,生态地下水位在实际应用中是根据多年观测的资料,通过数理统计等方法确定这一范围,建立了诸多模型描述植被与地下水的关系[11-28]。生态地下水位的确定目前主要根据不同地下水埋深植物种群出现的频率,结合种群的生长状况进行综合评判。常用的是将某种群出现的频率与对应的地下水位进行高斯模型模拟,然后找出种群频率最大值对应的水位埋深区间进行确定。王芳等(2002)应用高斯模型模拟的塔里木盆地胡杨、柽柳、芦苇、甘草、罗布麻、骆驼刺等种群分布频率最大值对应的地下水埋深分别为3.2,3.7,1.9,2.7,2.9,3.4m。刘亚传等(1992)在民勤的试验表明临界地下水埋深在3m左右比较合适。王让会(2001)将新疆地下水埋深小于1.0m或具有季节性地表积水界定为沼泽化水位,地下水介于1~2.5m界定为盐渍化水位,地下水介于2~4.5m界定为适宜地下水位,4~6m警戒地下水位,>6m沙漠化地下水位,将塔里木盆地合理生态水位界定在2~4m。张丽(2004)对黑河流域植物生长与地下水位的关系建立了对数正态分布模型,研究了胡杨、怪柳、芦苇、罗布麻、甘草、骆驼刺的地下水位埋深和生长状况的关系。任杰等(2006)在毛乌素沙地应用SWAP模型对芦苇和赖草的地下水位埋深与植被生长状况进行了研究。马龙等(2007)根据科尔沁沙地植被生态型及典型样带调查试验资料,系统分析了植物生态型与地下水位埋深及土壤含水率的定量关系:湿生、中生、中旱生和旱生植物地下水位埋深的变化范围分别为0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45 m;植物根系土壤表层含水率的变化范围分别为2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%。

 

  值得指出的是,在塔里木河流域柽柳群落最适生境是在地下水位2~4m的范围,但在石羊河下游柽柳生长的最适地下水位为8~10m,这可能与两地的降水量差别,以及柽柳吸收的水分来源及其比例差别有关。所以植物与地下水关系模型具有明显的地域性。总之,这些模型可描述植物组成与土壤水分条件之间的相互关系,并能预测植物种间的竞争状况。不过,任何模型的模拟值并不比模型所依据的数据和假定好多少。上述研究建立了生态地下水位基本概念框架,并据此确定了一些典型荒漠植物的生长与地下水位的关系模型,但这些研究都受测试手段的限制,特别是数据重复较少极大地降低了模型的可信度,所以目前的成果仅仅停留在半定量描述阶段。植物与地下水位的关系不仅难以查明,而且二者的关系因受其他因素的影响也很容易改变。因此,众多的研究者从最适条件或可忍耐条件方面描述植物个体或群落适宜水分状况时,往往显得犹豫不决。王嵩等认为地下水生态环境指标是指与生态环境状况密切联系的地下水和与地下水有关的各种临界指标的总称,如土壤含水量、土壤含盐量、潜水矿化度、地下水位临界埋深、潜水蒸发极限深度等。指出这些生态环境指标在不同区域是不一样的,应根据各地的实际情况确定相应的生态环境指标阈值。

 

  3地下水可持续开采量的概念和进展

 

  1915年Lee提出允许开采量(safeyield)的概念后,经Meinzer(1923)、Conkling(1946)、Banks(1953)、Suter(1959)、Zeizel(1962)等人的补充与完善,形成了较完整的现代意义上的允许开采量,即在经济、合法、不破坏原来水质、不产生不良环境后果的前提下,可以从地下水系统中开采的水量。自此,允许开采量的概念逐渐为世界各国所接受和普遍使用,已成为国家和地方政府制定地下水资源开发管理政策的重要依据。然而,目前在全球范围内地下水资源减少、地下水环境不断恶化的严峻形势也使人们越来越清晰地认识到了允许开采量存在的诸多不足,忽视了依赖于地下水的生态系统、忽视了自然排泄的作用、忽视了变化的环境条件对它的反作用等等。同时,可持续发展理论已为允许开采量概念的发展开拓了新的空间。因此,以Sophocleous等为代表的学者提出,为摆脱长期以来允许开采量所面临的困境,同时为充分反映可持续发展理论对允许开采量阶段性的发展作用,用可持续开采量(sustainableyield)代替了允许开采量。

 

  在1987年袁生禄发表的民勤沙漠绿洲地下水生态可开采量初步研究 一文,对科学认识干旱区的地下水,防止过量开采导致绿洲沙漠化,从定性到定量,从理论到实践作了研究,提出了建设性的意见和建议,是国内较早提出生态环境与地下水开采量关系研究的学者,定义地下水生态开采量为不影响生态平衡的条件下人类可以开发的水利资源量 。国内许多研究机构和学者对地下水资源的合理利用和管理问题进行了较深入的研究。王金生等(2006)认为:可持续开采量的 概念为:在优先满足环境需水及经济、合法、不破坏原来水质、不产生不良环境后果的条件前提下,以地下水及其环境系统达新的平衡为标志,可以从地下水系统中开采的可更新水量:它具有动态性、不确定性和系统性的特点。

 

  我国自1998年第一部水法#颁布后,各级水利部门加大了对地下水资源管理和监督力度,尤其是?取水许可制度#、?建设项目水资源论证#制度的实施和地下水保护行动计划的启动使得我国地下水资源的管理工作可以有法可依、有据可查,地下水超采不断恶化的趋势得到及时遏制,但对地下水的量化管理、监控管理和透明管理还有较大差距。原因主要包括两个方面:一是对地下水开采量的控制不合理,超量开采导致地下水位持续下降;二是没有建立起地下水控制性关键水位的监控、预警预报、管理等一整套制度。因此,加强对地下水的监控管理,由过去对可开采量的管理转移到对可开采量和地下水位的双重管理、由面上宏观管理转移到面上宏观和控制性关键水位管理相结合的立体管理势在必行。

 

  4生态地下水管理阈值指标体系框架

 

  生态系统管理 的核心为整个系统多个目标的管理,而不仅仅局限于单个资源的商品生产。这一思想在20世纪30年代起源于美国和加拿大等发达国家,对自然资源管理产生了深刻的影响。它要求人类重新审视自己的管理行为,必须合理利用可再生资源,特别是生物资源和水资源。生态系统管理概念的提出是科学家对全球规模的生态、环境和资源危机的一种响应,它作为生态学、环境学和资源科学的复合领域,自然科学、人文科学和技术科学的新型交叉领域,不仅具有丰富的科学内涵而且具有迫切的社会需求和广阔的应用前景,主要的科学挑战就是如何确定阈值 水平,让决策者和公众了解它的价值和重要性。作者提出水管理阈值的概念,其研究目标是按 流域或地区量水而行,以水定发展,协调好生活、生产和生态用水的关系,将农业、工业的结构布局和城市人口的发展规模控制在资源承载能力范围之内,打造与当地资源禀赋相适应的产业结构和经济发展模式。

 

  PavlikakisGE(2000)等学者将生态系统管理的概念引入到水资源管理中,这一新的理论思维在水资源管理中得到了应用与发展,我国许多学者也开展了相关的研究工作。水管理阈值的概念是在地下水可持续开采量概念的基础上更加注重生态系统管理方面的可控性和目标管理,针对水资源的可持续利用和生态环境管理提出的,其内涵是:?研究对象为流域或地区,甚至一个国家,应将整个系统作为一个整体,在整体中研究其水管理阈值水平。%可持续发展理论和生态系统管理方法是确定水管理阈值的指导理念。&针对不同的区域,水管理阈值具有不同的理解和标准及研究确定方法,某种程度上阈值水平由人们对资源的需求决定。?不能只见树木,不见森林,水管理阈值更加注重管理方面的可操作性(可控性),对其评估应变成一种范围估计。(水管理阈值强调在点 的概念或规律明确的情况下,可实现对区域 的控制和管理,可进一步扩展为对面 的指导,其特征是强调研究对象区域化、指标定量化、管理制度化。区域地下水管理阈值指标体系结构见图1。

 

  从水资源系统管理和生态系统管理理论角度看,关于生

 

  态地下水位和地下水可持续开采量的研究可归纳为水管理阈值研究的范畴。冯绍元等建立了干旱内陆区自然-人工条件下地下水位动态的ANN模型,模拟了不同灌溉发展面积及地表来水条件下地下水位动态。研究结果可应用于该地区地下水系统的管理。朝伦巴根等用响应矩阵法建立了确定地下水资源可持续利用决策的非线性多目标模型,用排序的表现矩阵度量可行解对所有目标总体表现优劣程度的向量比较多目标遗传算法求解模型,得出人工草地牧草最佳种植结构方案和地下水资源可持续利用决策方案。屈忠义等应用不同的ANN-BP网络模型对灌区年、月地下水埋深的变化进行了模拟,预测了黄河河套灌区节水工程实施后未来灌区年平均地下水位下降的情况。作者应用水-草-畜 系统平衡原理和优化决策数学模型,研究分析了毛乌素沙地鄂托克前旗牧区(面积12318km2)在人工种植冷季补饲型阶段和暖季放牧冷季舍饲型阶段的水资源开发利用率、可持续载畜量和所需灌溉饲草料基地发展规模及综合效益指标,提出了以水利建设为基础的草地生态经济系统管理的阈限值和水管理阈值水平。综上所述,以地下水的可持续开采量作为水管理阈值水平的控制指标,同时也可保持地下水位在生态地下水位的阈限值内波动,在生产实践中控制地下水开采量的可控性较强。通过在点和区域 方面进行的定量化的研究应用,可以进一步理解这一概念的内涵)))管理的可控性问题:点 和区域 的定量化研究成果应用在实践中管理的可控性较好。

 

  5结语

 

  针对各流域生态系统中地下水位下降、天然绿洲衰亡、水土流失等生态环境恶化的现象,应用生态系统管理理论和方法,提出了水管理阈值的概念,应以地区或流域研究建立点和区域 结合的水管理阈值指标体系,对关键性控制指标-生态地下水位和可持续开采量及其相互关系进行定量化研究,提出适宜的管理阈限值,进行综合性制度化管理。政府管理部门的决策水平和民众的认知程度是改善和修复生态环境的关键因素,也正是可持续发展理论和生态系统管理方法所倡导的核心所在。