变化景观的多解规划B2305

bsp;序
    “为满足交通、居所、农业、能源等物质需求，人
类不断地寻求解决方案。然而，在这一进程中，自然
环境却承受了巨大的压力：破坏、污染及各种损害一
直在持续着……环境恶化导致的危害已不仅仅是一个
国家或者区域的问题。”
    ——环境合作委员会
    《(北美镶嵌体：环境状况报告)》
    当前，生物种类的减少使北美面临着普遍的危机。
北美生物多样性*为丰富的生态区有50％正遭受严重
退化。这些地区至少有235种濒危动物，其中包括：
哺乳类动物、鸟类、爬行动物及两栖动物。
    是保护，还是要发展?这一对世界性的矛盾对
于人类并不陌生，人类早已意识到矛盾的存在。为了
应对物种迅速减少带来的威胁，北美自由贸易协定
(NAFTA)的三个成员——加拿大、墨西哥和美国组成
了“环境合作委员会”(CEC)。
    在过去的几十年中，上述三个国家已出台了大
量的保护策略。总的来看，北美受保护地区面积已从
1980年的1亿公顷增加到现在的3亿公顷，约占全洲
陆地面积的15％。然而，尽管取得了一些成绩，我们
不得不看到迫在眉睫的威胁，若隐若现的威胁足以让
我们忽略已经取得的喜人成绩。这三个国家的自然环
境面临着被多种因素破坏的危险。北美的自然环境状
况在世界上的其他地方也在发生着，而且在多数情况
下，形势更不容乐观。
    位于亚利桑那和索诺拉的圣佩德罗河上游流域的
未来发展正是一个典型例子，反映了保护与发展的矛
盾，而主要军事设施的存在使这儿的情况更加复杂。
1994年，国防部开始指导军事基地从生态系统角度对
环境项目进行管理。
    1996年，国防部派出代表参加生物多样性研究协
会(BRC)。BRC是由政府机构与大学合作创办的组织，
其目标是开发数据库和分析方法以进行生物多样性的
风险评估和管理。军方代表为来自美国军队工程师研
究和开发中心的威妮弗蕾德·罗斯(Winifred Rose)和
罗伯特·罗泽(Robert Lozar)。可以说，当我有意在圣
佩德罗河上游地区实行多解规划研究时，这些基础工
作已经到位。1997年，我向国防部提交的遗产资源管
理项目方案得以通过。该项目为国会项目，旨在促进
常规环境基金项目以外的自然和文化资源项目的积极
发展。
    当科学界仍在为生态系统管理的概念而争论不休
的时候，军方关注的是如何考虑军事基地与周围景观
的交互作用及对周围景观的环境影响过程——生物的
和物理的——从而更好地管理这些基地。军队培训与
教旨司令部瓦丘卡堡正好位于亚利桑那圣佩德罗河上
游河谷，面临着一系列众所周知的复杂环境问题，因
而也无可厚非地成为了该项研究的军方*佳选择地。
    从军队的角度来看，圣佩德罗河上游河谷地区的
环境问题包括：
    ·瓦丘卡堡与圣佩德罗河河岸国家保护区相邻，
根据该保护区的原有立法规定，河水的基本流量应予
保证。
    ·军队基地及其周围生活着大量依赖于水栖生境
的濒危物种。
    ·如何均衡用水，既能有效地保护环境又能促进
这个具有吸引力的增长中高地沙漠区的发展成为普遍
关注的问题。
    ·流域影响因素引起了争论。
    为了进一步支持这一变化景观的多解规划研究，
 环境保护署于2000年10月发起了联邦净水行动计划。
根据该计划的指导，各联邦机构在环境管理中应注意
保护流域，并应通过增加联邦属地流域管理中的公众
参与进一步改进自然资源管理工作。同时该计划还号
召联邦各机构与各州、部落、地方政府、私有土地所
有者和其他感兴趣的各方合作，共同采用流域管理方
案对联邦土地与资源进行管理。流域计划包括对流域
条件的评估和监控，以及对优先发展的流域的确定以
使预算及其他资源得到有重点的使用。卡尔·斯坦尼茨
的多解规划框架正是流域管理方案的主要组成部分。
    尽管多解规划的方法在某些方面增加了军事基地
规划与管理的复杂性，但它也使得区域规划评价过程，
尤其是没有明显所有权界限的环境规划更加完善。这
的确需要有关机构和团体进一步加强相互合作，本案
例就需要国际合作，因为所研究的流域发源于墨西哥。
这种分析方法的好处在于它能提供卓越的考虑问题的
视角。本书的案例研究展示了一个具有潜能且有效的
方法，以研究和评估有关景观变化未来发展的规划政
策方案，该政策方案同时规定了应如何减少对景观的
消极影响。
    该项研究的目的并不在于指导社区向某一特定的
方向发展，而是为当地规划者提供了一种方法，帮助
他们预见当地可能的几种未来发展模式带来的不同结
果，从而提高他们对当地未来发展模式的决策能力。
我们希望这种方法能够被视为一个框架，在此框架下，
当地的领导们得以共同努力，为这个丰富的高地沙漠
景观环境规划美好的未来。为该项研究所进行的广泛
分析应作为一种工具，帮助这个生气勃勃的区域“明
智地发展”未来。该项研究对瓦丘卡堡产生了很大影响，
瓦丘卡堡是**个在保护自然环境方面投入了巨额基
金的军方机构。
    在此，我对所有美国和墨西哥的规划者、研究员、
各机构工作人员及有关当地居民表示深深感谢。他们
与我们的共同努力使得这个项目得以完成，我希望可
以称这个项目为成功的。我想特别感谢研究小组成员
的努力、智慧与忠诚合作。
    罗伯特·L．安德森(ROBERT L．ANDERSON III)
    美国军队培训与教旨司令部
    保护与自然资源项目
    门罗堡，弗吉尼亚
     前言
    本书所阐述的研究项目由一个调查小组负责执行，
小组成员来自哈佛大学设计学院、沙漠研究院、亚利
桑那大学、Instituto del Medio Ambiente y el Desarrollo
Sustentable del Estado de Sonora(IMADES)、美
国军队培训与教旨司令部和美国军方工程师研究发展
中心。
    该研究也使用了他人的工作成果，尤其是关于该
地区的情况说明和该地区面临的问题。感谢当地的规
划机构、半干旱地表空气规划机构、环境合作委员会、
美国土地管理局，以及瓦丘卡堡等组织给予我们的合
作与许可。感谢许多参与调查，填写情景调查问卷的
当地人民，以及在我们的公开演讲中发表了观点
的人们。
    美国军队培训与教旨司令部的环境事务部门，国
防部遗产资源管理项目的门罗堡和弗吉尼亚机构为该
研究提供资金支持，项目号为981702。然而，参与该
研究的调查人员与赞助单位和管理机构没有任何形式
的契约关系或协商关系。本书涵盖的信息是可靠的，
但调查人员及他们所在的机构不保证信息的完整性或
精确性。各种观点及预测均为研究小组的研究所得。
公开这项研究成果的惟一目的是它的教育性：即为各
有关方面和地区管理部门提供有关环境问题、战略规
划选择以及该选择对于建筑和自然环境可能产生的后
果的信息。
     第九章水文模型
    水文模型模拟了圣佩德罗河上游流域的地下水系
统流程和地表水系统的基流流程。1940年之前，圣佩
德罗河流域的居民都是依靠泉水、河流、自流井和浅
井来获得用水。大约到了1940年，电气化在农村得
以实现，这为现代化高电压水泵的运转提供了电力。
水泵抽取了大量的地下水，破坏了流域内水文循环的
平衡。1988年以前，大部分水泵用于农业。泛滥平原
和地区蓄水层附近的抽水行为对整个圣佩德罗河流域
起了消极作用。从河水附近的水井中抽水导致了河水
的自然失水段流失了更多的水，而河水的自然补水段
补充的水量减少了。1988年，随着圣佩德罗河河岸国
家保护区(SPRNCA)的建立，美国土地管理局在泛
滥平原内获得了大面积的农业用地，并停止使用了有
关水泵。圣佩德罗河流域出现了戏剧性的结果，部分
河流段的条件得到了改善。
    流域内分布广泛的水泵仍然是当地一个主要问
题。而且，这些水泵主要位于中心地点，如谢拉维斯
塔和班逊，在流域的补给水源(周围山脉的降雨)和
水量流失区域(圣佩德罗河)之间。水泵的地理位置
使得原有的问题更加激化。由于抽取地下水导致了地
表水转移和地表水耗尽，曾经是终年不断的圣佩德罗
河水在一些河段变为了间歇河流。一地下水抽取很可能
导致河岸地区地下水位降低，当前尚存的浅水区域和
植物物种也可能因此而消失。这将导致圣佩德罗河河
岸国家保护区的野生物种栖息地质量严重下降。由地
下水抽取引起的地下水位下降可能导致蓄水层缩小并
带来类似于图森附近的城市地区出现的沉降槽问题。
圣佩德罗河沿岸泛滥平原的农业区以前主要依靠充足
的河流供水，现在则更多地依靠地下水抽取，这加剧
了圣佩德罗河附近的水资源短缺问题。流域内的增长
的人口也促使对水需求的增加，目前只能通过从该区
域的蓄水层抽取更多的地下水来解决这个问题。由于
当地的蓄水层与泛滥平原的蓄水层相连，因此对当地
蓄水层的影响也会转移到河流本身。
    水文模型模拟了水流流程，包括地下水和地表水
的交互作用以及水分蒸腾。与以前的研究不同，水文
模型综合了索诺拉研究区域的数据，为评估圣佩德罗
河上游流域的多解规划提供了更为全面的依据。
    本研究区域已经进行过广泛的研究，要想在本研
究中创建一个新的模型，研究方法的改进是至关重要
的。地理信息系统(GIS)已可以广泛应用于探测地表、
地质、水利资源、山脉前锋补给、河岸土壤水分蒸发、
灌溉农业、水井的位置和河流网络等。地理信息系统
(GIS)的使用促使本研究对研究方法和信息管理进行
了重要的改变。水泵抽水的预测速率被分配到亚利桑
那州有记载的水井地点。以海拔和次流域的平均降水
量为依据，对山脉前锋的补水进行了重要的分配。近
期对土壤水分蒸腾的研究结果被应用于河岸区域。模
型边界向山脉前锋地区扩展，包括了圣佩德罗河上游
流域的墨西哥部分和伯考马里河上游流域的源头(图
9．1)。这些改变使得本次圣佩德罗河上游流域可多解
规划研究的水文评价比以前更为全面。该模型综合利
用了美国地理研究机构(USGS)和半干旱地表空气
规划项目组等机构对该地区进行水文研究所得的*新
结果。
    降雨落在圣佩德罗河流域的上部山区，顺着山谷
蜿蜒而下汇入河水中，渗入山脉底部冲积流域的地下
水系统(图9．2)。渗入水向下经过地区蓄水层的过滤，
通过多孔材料缓缓流经或流进山谷。大部分的水在地
下继续向北流入吉拉河，但是也有一部分向上流入河
 水，形成了基流(河川径流量中由地下水渗透补给河
水的部分)。经过这一过程，普罗米纳斯与查尔斯顿
之间的基流得以大量增加。
    该地区的蓄水层基本上分成两个部分。下层流
域充填沉积地是全流域重要的蓄水地带。这片地带
由夹层之间的沙子和砾石组成，位于不可渗透的基
岩之上(沼泽地结构)。沉积地的厚度不等，河谷边
缘的部分厚达几米，而流域中心的部分几乎超过300
米(1000英尺)。上层流域充填沉积地位于下层流域
充填沉积地之上，深度超过200米(660英尺)。上
层流域充填沉积地在沙子和砾石之间包含着大量的
泥土和淤泥层。
    在含水饱和的地方，上层流域充填沉积地的冲积
扇和下层流域充填沉积地的冲积扇有直接的水文联
系。由于结构上的垂直与水平变化，上下层流域充填
沉积地作为同一个水文单位共同作用(Freethy,1982
年)。地下水被流域充填沉积地内的泥土和淤泥层分
成深水和浅水水流系统(Pool and Coes,1999年)。圣
大卫和班逊地区附近有大型泥土带(圣大卫式结构)
(Gray,1965年)，由大约300米(1000英尺)的泥
土、淤泥和淡水石灰石组成。泥土带厚达100米(330
英尺)，在其上方泛滥平原含三水层粗糙的结晶沉积
物与其下方的地区含水层之间形成了一个弱透水层
(Jahnke,1994年)。人们普遍认为1887年的地震导致
了圣大卫地区沼泽地的消失，改变了泉水的模型，随
之出现了自流水，原有的井水也开始以自流状态出现
(Hadley in Salsa,1999年l ADWR,1991年)。
    泛滥平原冲积层的构成包括松散砂石、沙子种
淤泥，在圣佩德罗河沿岸以及下方形成了一个相对
较浅的长窄型蓄水层。泛滥平原一般在地区蓄水层
和封闭的隔水粘土层之上，*厚的地方有50多米
(165英尺)，而河水直接流过的裸露河床处，厚度
为0。河本身有一个范围不定的嵌入河道，河水借
此流过泛滥平原和河岸森林地区。河水流量是不断
变化的：赫里福到查尔斯顿的河段一般是终年流水
的补给区域；费尔班克到本森北部纽约湾海峡的问
段是间歇性水流；在本森的纽约湾海峡，地质压缩
迫使该地区地下水向上流入泛滥平原；再往下游，
河水基本上都是间歇的，除了在表面或接近表面的
河床处有较短的终年流水段(Huckleberry,1996年)。
    水文模型由一套数学公式组成，以地下水流和河
水基流过程的水文原理为依据。这些公式预测了地下
水水位、储量、河流与蓄水层的交互作用的改变以及
由地下水抽取和地表水转移导致的基流改变。
    水文模型的创建分为两个阶段。首先，制订地下
水系统的概念模型。概念模型详细界定了地下水系统
的地质边界、分层、河流位置及转移位置、河岸区、
农业区、山脉前峰补水分布区域和水井的位置。
    概念模型使用了GIS软件，在本案例中，通过
ArcView(ESRI，Redlands，Calif．)来观察和创建点、
线和多边形。这些图形是物理实体的空间表示，例如
水井点、线形河流段、河岸区和农业区。将这些图形
连起来并赋之于属性特征(例如水井抽水率，河流量
及形状特点以及各种植物覆被的土壤水分蒸发率)，
将这些信息存入地理数据库中。
    建立水文模型的第二个阶段是为概念模型选择
一个近似值，并由这个近似值创建数字电脑模型。通
过将概念模型及赋予概念模型的属性结合起来放在一
个反映了研究区域的表面和次表面地质情况的三维有
限差分网格来实现数字电脑的创建(图9．3)。两种模
型(概念模型和数字模型)的信息注入都借助了美国
国防部地下水模型系统(GMS)软件。GMS是界于
GIS应用与数字电脑模型之间的一个界面。本研究中
使用的数字电脑模型是源于USGS的MODFLOW地
 下水流量模型软件(McDonald and Harbaugh,1 988年)。
MODFLOW计算出了每个有限差分网格内的每个单元
的水头(水位)。该方案包含一个模数结构，使用者
可以结合一系列数据或模数来模拟与地下水相关的各
种过程。本研究中所用到的数据包括：土壤水分蒸发
蒸腾、蓄水层、井水抽取以及河流与蓄水层的交互
作用。
  GMS还通过创建三维网格、地质数据和后加工
协助编辑了概念模型。GMS内的地图模型广泛应用于
编辑概念模型，使之与使用MODFLOW数据的三维
有限差分网格相一致。GMS之所以被本研究选中是因
为它可以自动化地建立网格，使制订水文模型变得容
易，并可以在现实世界中进行模拟演示，与上文提到
的GIS应用一致。
    为了建立用以评价多解规划的基线，对地下水进
行模拟并用以表现开发前状况，即大规模人类活动开
始之前区域水文的“稳定状态”。与该地区早期的其
他水文研究一样，本研究也假定了稳定状态的条件在
1940年就已经存在。这种稳定状态用来界定随后暂态
分析的基线条件。暂态模型通过使用1940年至今的
人为影响资料(包括历史和当代的研究资料)模拟了
地下水和地表水的变化结果。暂态模拟分为23个影
响周期。每个影响周期内的所有参数都是恒定的，例
如，水泵抽水率是不变的。各影响周期内以1年作为
时间分段。
    稳定状态和暂时状态模拟的地下水和河流条件根
据观察水位和河水基流条件的测量结果进行核准。为
了使电脑模拟更好地展示历史和当前的地下水条件，
应对模型内的水文和地质参数进行调整。图9．4列出
了1940年到1997年间每个影响周期各种使用类型的
水泵分布总况(Goode and Maddock，2000年)。在亚
利桑那的研究区域，抽取的水主要用于农业灌溉，同
时为了满足不断增长的人口的用水需要，抽水量在逐
渐增加。在索诺拉，抽水主要与矿业相关活动用水的
改变有关。