变化环境下干旱牧区水草资源动态耦合效用研究

第1章 绪 论 我国干旱牧区主要分布在内蒙古、新疆、宁夏、青海、甘肃等省区，干旱少雨、水资源贫乏、自然条件恶劣、生态环境脆弱是该区的主要自然特点。草原作为牧区生态系统的主体，不仅是牧区人民生活的重要支持系统，还是牧区生态环境的保障系统。干旱牧区长期的干旱生态环境，使得草原生态系统与水资源系统的相互依存关系极为密切，水资源的开发利用稍有不慎，就会导致草原生态的恶化。自20世纪80年代以来，气候变化对干旱牧区水资源及草地资源的影响加剧，加之人类对牧区水资源与草地资源的不合理开发利用，导致草原生态环境严重恶化，不仅制约了牧区经济社会的可持续发展，而且严重威胁着国家的生态安全及美丽中国的建设成效。 2011年中央一号文件明确提出“水是生命之源、生产之要、生态之基”。应稳步发展牧区水利，努力走出一条中国特色水利现代化道路。2012年国发3号文件《国务院关于实行*严格水资源管理制度的意见》再次强调“水是生命之源、生产之要、生态之基”。生态文明、水利先行。对于干旱牧区来说，修复牧区草原生态系统功能，切实使水资源与草地资源合理开发、高效利用，对实现牧区经济社会可持续发展的目标尤为重要。 牧区水资源与草地资源高效利用不仅指使用效率上的提高，更重要的是使用效益上的提高。目前我国学者在提高农业水资源使用效率、生态水利基础理论方面开展了相关研究，但在农业水资源利用效益、基于自然-经济-社会-生态多重目标的水资源开发利用与管理理论研究与实践方面还很欠缺。亟待开展变化环境下干旱牧区水资源与草地资源优化耦合利用效益方面的研究，建立变化环境下干旱牧区水资源与草地资源优化耦合效用评价模型，为构建资源节约型、环境友好型高效用水模式提供前期支撑和科学依据，以水资源和草地资源长效利用机制支撑牧区经济社会和生态环境的可持续发展。 1.1 相关研究现状及发展动态 1.1.1 国外研究状况 气候变化对水资源及其承载力影响的研究方面，1985年，世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）出版了气候变化对水文水资源影响的综述报告，推荐了一些检验和评价方法，之后又出版了水文水资源系统对气候变化的敏感性分析报告。为加快研究步伐，WMO和联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）共同组建成立了政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC），专门从事气候变化的科学评估。1991年在维也纳举行了第20届国家地理联合（International Geographical Union，IUGG）会，水文科学组的主题是探讨土壤-大气之间相互作用的水文过程。随着全球能量和水循环实验（Global Energy Water Cycle Experiment，GEWEX）、国际地圈生物圈计划（International Geosphere Biosphere Programme，IGBP）等国际性合作计划的实施，水文学家开始注意环境变化中土壤-植物-水的全球性研究。美国新泽西州莫里斯郡（Morris County）在怀特镇（White）和门德汗姆镇（Mendham）的小区域范围内作了水资源承载能力的研究分析，结合土地利用和环境保护提出了水资源利用阈值。2001年，在荷兰举行了IGBP的全球变化科学大会，全球变化与人类活动影响下的水文循环及其时空演化规律研究成为21世纪水科学研究的热点。 水资源承载能力方面，主要是在社会可持续发展的框架下提出了承载能力的概念并作为水资源开发的一种宏观限制。例如，亚洲开发银行资助的印度尼西亚21世纪议程（Agenda 21-Indonesia）提出了“对其主要自然资源进行可持续发展展望和规划的目标和手段”。在其对水资源的政策和规划制定的部分内容中明确提出，“水污染严重地区必须在较为准确地估量地下水及地表水量和质的基础上，从管理角度实现社会经济发展与水资源承载能力协调一致发展”。经济合作与发展组织（Organization for Economic Cooperation and Development，OECD）发展援助委员会（Development Assistance Committee，DAC）提出的湿地可持续利用指导书中提出，对于生态脆弱地区的湿地必须考虑其对未来发展累积效应的承载能力，并且指出工业和社区生活污水及垃圾排放到湿地的数量超过其水体承载能力，湿地功能就会被削弱。 农业水资源利用效率与效益评价方面，Israelsen（1932）将灌溉效率（irrigation efficiency）定义为作物生长季节过程中通过作物蒸发的田间灌溉用水与实际引进的灌溉水量的比值。Bagley（1965）指出，在描述灌溉效率的时候，如果不能正确地看待灌溉效率的边界特征，会导致错误的结论，他还指出由于低效率而产生的水资源损失对于大系统而言并不存在。Bos（1979）界定了几个水资源进入和流出灌溉项目的流程，并且还清楚地界定了返回本流域的水资源以及可供下游使用的水资源。Willardson（1985）指出，单个田间灌溉系统的效率对于流域水文系统而言，并不是很重要，除了考虑水质外，增加灌溉效率对流域会产生好的或坏的影响。Bos（1979）和Wouter（1992）都认为，就整个流域而言，被用于灌溉的水中没有被消耗的部分并没有实质性的损失，因为绝大部分都会在下游被重新利用，高的重复利用实际上增加了总的利用效率。早期的灌溉效率研究把作物消耗水资源生产的产量也看作一种效率，随着水平衡观点的引入以及农业水资源利用效率评价尺度的不断拓展，这种划分显然具有明显的不足。Randolph等（2003）提出，通常的灌溉效率可以划分为灌溉水传输效率（灌溉水在干、支渠内输送效率）和田间利用效率（农田实际利用灌溉水的效率）；他们还认为，如果把对灌溉效率的评价由田间向灌区乃至更大尺度应用的话，一个较高的灌溉效率的获取可能仅仅是因为降低了无益消耗部分。因此，高效率并不意味着高的生产力或者高的经济回报，经济效率往往涉及技术和配置两个部分。如果水资源的利用同时在技术上和配置上都有效的话，它的利用肯定是高效的。农业水资源利用经济效益概念的提出也促使灌溉管理的基础由过去的满足作物需水量向灌溉经济效益*大化转变。Dennis（2002）在探讨灌溉*优化的本质时，分析了水资源短缺和充足两个条件下灌溉净收入的*大化问题。 生态水利基础理论研究方面，国外从20世纪70年代开始重视生态水利问题的研究。Zalewski（2000）对生态水利学提出如下观点：为了深刻理解现在水利体系及河道走廊中的生态分布，必须分析、解释历史性的变化，以便于实际应用；利用生态水利方法可以加强河道走廊的抵抗力、恢复力和缓冲力，该方法可以成为水资源持续利用研究的有效工具；生态水利学是对水利和流域尺度的生态/生物之间相互关系的研究，是实现水资源持续性管理的一种新方法。文中还论述了生态水利应遵循的三个原则：在流域尺度上，以理想的超个体形式对水和生物系统进行集成；明确进化过程中自然形成的生物群体对外界压力的抵抗力及恢复力；将生态系统的观点作为管理工具。 1.1.2 国内研究现状 气候变化对水资源及其承载力影响方面，20世纪80年代末，水资源问题已经成为制约我国许多地区经济社会发展的主要制约因素，研究确定区域水资源开发利用与经济、社会、人口、环境的协调和可持续发展，成为水资源研究的热点、难点问题。陈昌毓（1995）根据经验公式计算河西地区现有水资源可支撑的绿洲、农田面积，由此分析了现有绿洲稳定性和扩展能力。王根绪（1997）应用单目标规划方法，简单构造了黑河流域额济纳绿洲经济社会发展和水资源利用之间的关系，计算了两种不同的生态环境预期下的绿洲面积。贾嵘等（1998）利用多目标分析核心模型，使用四种不同的方案（零方案、低方案、中方案、高方案）对比研究了陕西关中地区2010年、2020年的水资源承载能力，核心模型为总控模型，将各子系统模型中的主要关系提炼出来，根据变量之间的相互关系，对整个大系统内的各种关系进行了分析。汪党献等（2000）从区域发展的水资源特性入手，提出了定量研究区域发展的水资源承载能力的指标体系和计算方法，对我国各省区市的水资源承载能力进行了判断。王浩等（2003）通过承载力的边界条件（如各行业用水定额、农作物单位面积产量、生活用水定额、用水效率等）、生产力水平与居民消费水平、水资源生产能力（包括GDP规模、光合能力、农产品生产能力、绿洲面积以及水资源供需平衡状况等），对西北地区水资源承载能力进行了分析确定。郝伟罡等（2013）在国家自然科学基金委员会的资助下，开展了变化环境下干旱牧区水草资源动态耦合承载能力研究，研究了干旱牧区草地资源“三元化”利用（即对重度沙退化草地实施围封禁牧；对中度以下沙退化可利用草地，要稳定草原面积，在加强人工改良、提高牧草产量、优化牧草质量的前提下，核定合理载畜量，实施划区轮牧和季节轮牧；对水土条件较好的局部地区，优化配置水土资源，通过水利基础设施、农艺措施、草业科技的应用，形成优质、高产、稳产的灌溉饲草料地，打牢草地畜牧业发展的物质基础，提高草地畜牧业抵御自然灾害的能力）的耗散机理及动态优化理论、计算方法，定量分析了不同气候情景下水资源和草地资源系统的动态耦合机制，建立了基于系统动力学方法水资源和草地资源动态耦合承载力模型。 农业水资源利用效率与效益评价方面，姚崇仁（1995）开展了农田节水灌溉节水潜力及其综合评价的理论与应用研究。沈振荣（2000）提出了节水新概念—真实节水的研究与应用。刘文兆等（2001）建立了作物生产、水分消耗与水分利用效率间的动态联系。师彦武等（2003）设计建立了干旱区内陆河流域水资源开发对水土环境效益的评价指标体系。段爱旺（2005）针对水分利用效率的内涵及使用中需要注意的问题进行了相关研究。 生态水利基础理论研究方面，刘昌明（1999）发表了《中国21世纪水供需分析：生态水利研究》，提出了水转化是水资源评价的基础，建议在水资源供需平衡研究中，把生态水利和环境水利结合在一起，开源节流并举，以节流为主，*终全面实现水资源供需平衡。左其亭和夏军（2002）在对新疆博斯腾湖流域、伊犁河流域、额尔齐斯河流域的实际研究中，建立了陆面水量-水质-生态耦合系统模型，定量分析了陆面水资源系统水量水质变化及其相互关系。董哲仁（2007）提出了生态水工学—人与自然和谐工程，在健全的生态系统中，水体与生物群落相互依存，形成了江河湖泊的自净能力，水工学吸收融合生态学，从而建立了生态水工学。 1.1.3 存在的问题 我国许多专家学者在农业节水技术、提高农业水资源使用效率方面，以及生态水利基础理论方面开展了相关的研究，推动了相关学术领域的发展。通过大量文献检索发现，以下问题亟待研究和突破。 1. 生态水利基础理论体系有待丰富与完善 生态水利是一个多学科交叉的边缘学科，是水文学、水资源学、水力学、地貌学、生态学等传统学科的交叉和融合。生态水利的基础理论建立在生态经济系统理论、水资源生态系统理论、生态水工学理论之上，但传统的水资源系统主要作为工程技术系统，忽视或脱离了生态系统，单纯为实现经济目标和满足人类需要服务。对兼顾生态、经济，并为自然-经济-社会多重目标服务的水资源开发利用与管理方面的理论研究还不充分，特别是在气候变化影响背景下，针对水草资源承载能力有限、生态环境脆弱的干旱草原牧区的相关研究目前尚未见到。 2. 尚欠缺实用的计算方法 以人口、资源、环境与经济协调发展为前提，应用生态经济学原理、系统科学理论等分析评价干旱草原牧区水资源与草地资源优化耦合效用，实现水资源的合理开发利用、科学管理和草原生态环境的保护，对丰富和完善我国牧区