依赖地下水生态系统的生态环境需水问题

依赖地下水生态系统的生态环境需水问题∗沈珍瑶，杨志峰环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京师范大学环境学院，北京100875摘要：针对目前生态环境需水研究中很少考虑地下水作用的情况，指出了开展依赖地下水生态系统生态环境需水的研究意义，进行了依赖地下水生态系统生态环境需水的确定工作。认为，开展依赖地下水的生态系统需水研究，首先应该确定依赖地下水的生态系统、其依赖地下水的类型与程度，其次是识别这些依赖地下水的生态系统的重要性，在此基础上再探讨重要的依赖地下水的生态系统其生态环境需水量的确定问题，更进一步则是探讨生态环境用水的配置问题。文中对依赖地下水的生态系统需水研究中存在的若干理论问题进行了较为深入的探讨，并以内陆河流域生态系统为例进行了依赖地下水的生态系统的识别，选取相对重要的天然绿洲系统进行了生态环境需水量的确定工作。关键词：生态系统；生态环境需水；地下水；识别生态环境需水研究是近年来水资源研究领域的热点之一。在国外，非常强调水资源在整个生态系统中的地位与作用，并注重生态系统中与水有关的各种因素之间的综合作用，正如Robert等（1993）指出的那样：“水生态系统是地区（区域）和全球可持续发展研究的中心内容”。关于生态环境需水研究，国外主要集中在河流生态环境需水研究方面（Christopher,etal,1998;Bakova,etal,2000;王西琴等,2002），相继提出了诸如河道枯水流量（lowflow）(Ambruster,1976;Smakhtin,2001)、最小可接受流量（minimumacceptableflows,MAFs）(Sheail,1984)、生态可接受流量范围（ecologyacceptableflowregime，EAFR）(Geoffiry,1996)]等概念并对之进行了较为深入的研究。在研究方法上，主要采用标准流量法、水力学法及栖息地法等(Jowett,1997)。在我国，研究生态环境需水问题主要以类型生态系统为单位进行，如对河道、湿地、湖泊、城市、林地等等的生态环境需水进行研究(王西琴等,2001a,2001b;Cui&Yang,2002;崔保山和杨志峰,2002;刘静玲和杨志峰,2002;Liu&Yang,2002;张远和杨志峰,2002;田英等,2003)。另外，针对我国西北干旱地区面临的水资源短缺与生态环境恶化问题，开展了陆地生态需水研究（刘燕华,2000;钱正英和张光斗,2001）。目前，正在开展有关流域生态环境需水研究。我们在研究过程中发现，已有的有关生态环境需水研究工作基本上没有或极少考虑地下水在其中的作用（仅见部分文献在生态用水计算中考虑地下水的作用）。实际上，自然界存在的生态系统是不同程度依赖地下水，有的甚至是完全依赖地下水。因此，识别这些生态系统，探讨其生态环境需水问题是极为重要的内容，而且也有助于生态环境需水问题的深入了解。目前，国内外学术界已经逐渐注意到地下水在生态环境需水中的作用，正在积极开展相关研究①。本文正是基于这一目的，先从理论上探讨依赖地下水的生态系统生态环境需水问题，然后以一个典型生态系统为例进行了依赖地下水生态系统的识别工作，选取其中相对重要的强烈依赖地下水的生态系统进行了生态环境需水量的确定工作。而更为重要的工作—依赖地下水的生态系统生态环∗51005基金项目：国家自然科学基金重点项目（50239020）；国家重点基础研究发展规划项目（2003CB415204）—1—境需水的配置问题则留于今后进一步研究。1理论研究1.1依赖地下水生态系统的识别如果生态系统与地下水没有任何的依赖关系，该生态系统生态环境需水的满足也与地下水无关，则没有必要开展本文所指的研究工作。因此，依赖地下水生态系统的识别是本项研究工作的基础，需要开展的工作应包括：（1）根据研究区生态系统实际情况，分析其与地下水之间的关系。在不同研究区，类似的生态系统其依赖地下水的程度是有差异的。因此，对某一具体的研究区域，首先应该将与地下水有关的生态系统都列出来，再进一步进行细致的工作。现实情况下，依赖地下水的生态系统很多，如湿地生态系统、陆地植物生态系统、河流基流系统、近岸海洋生态系统等等。（2）根据依赖地下水的程度，对生态系统进行分类，可以分完全依赖、强依赖、偶尔依赖、基本不依赖等几种。河流基流系统、泉出露口附近生态系统等属于完全依赖型；西北干旱地区的天然绿洲植被生态系统则是属于强依赖型；高山植被系统由于只依赖于天然降水，因此为基本不依赖型；而大多数生态系统属于偶尔依赖型。（3）根据依赖地下水的不同特性，对生态系统进行进一步分析。地下水的特性可以分为水质、水量、水位（含测压）等。如在我国西北地区的天然绿洲植被生态系统，强烈依赖于地下水水位，一旦地下水位下降，植被就有可能趋于消亡。而河流系统的基流，主要依赖于地下水水量和水位，若地下水水位下降，会造成基流量减少，在枯水期有可能造成河流的断流。1.2依赖地下水生态系统重要性的评价在识别依赖地下水生态系统的基础上，需要进一步判断什么样的系统应该进行生态环境需水量的计算，这就涉及到依赖地下水生态系统重要性的评价问题。如果这些系统没有受到人类活动的影响，原则上也就不需要进行生态环境需水量的计算，也即所有的水都为天然生态系统所利用。由于大多数生态系统不同程度受到人类活动的影响，所以，需要确定这些生态系统对人类影响响应的重要程度，为此，首先应该进行对依赖地下水生态系统有危害的人类活动的识别。对依赖地下水生态系统有危害的人类活动，包括水资源开发与利用、土地利用方式的变化、开矿、造林、污染物的排放等等。水资源开发，特别是地下水开发，在开发不合理情况，容易造成地下水水位下降，形成地下水水位降落漏斗，其对生态系统的影响是显而易见的；而水资源不合理利用，特别是过量灌溉，在排泄条件不畅的情况下，容易使地下水位过高，造成次生盐碱化。土地利用方式的变化，如农业用地方式的变化、城市开发等等都对生态系统产生影响；造林也对生态系统产生影响；开矿的不利影响则更明显，如疏干含水层、造成地面塌陷及矿坑水的排放等等；污染物的排放则恶化生态系统。因此在识别依赖地下水生态系统时，对其受人类活动的影响进行区分，以突出哪些主要危害，采取预防措施。在此基础上，评价依赖地下水生态系统的重要性，可以用生态系统的脆弱性×生态系统的潜在—2—风险×生态系统的价值来反映①。若生态系统脆弱程度高、潜在风险大、价值大，则必须进行生态环境需水量计算，以确保其不向不利的方向转化。1.3依赖地下水生态系统生态环境需水量的计算方法在上述工作的基础上，选取相对重要的依赖地下水的生态系统，进行生态环境需水量的计算。目前，有关生态系统生态环境需水量计算，已经提出了若干方法（Jowett,1997;Arthington&Zalucki,1998;杨志峰等,2003）。但对于不同的生态系统，其生态环境需水量的计算方法是有差异的。因此，笼统地谈论依赖地下水生态系统生态环境需水量的确定方法可能不妥。应针对不同类型的生态系统，具体去谈。以我国西北内陆河流域天然绿洲生态系统及向荒漠过渡的植被生态系统的生态环境需水量确定为例，该种类型生态系统生态环境需水量的确定，若以满足植被生态系统的生态环境需水为目标，则有两种方法：（1）直接方法实际上就是生态环境需水定额法，具体步骤为：（i）首先利用遥感解译及实地调查，确定目前状态下系统中植被的分布情况，给出每一类型植被的分布面积；（ii）确定不同植被生态环境需水定额；（iii）利用下式计算生态环境需水量。∑∑==Ψ==niiiniiAQEQE11（1）式中：QE为系统总的生态环境需水量；QEi、Ai、Ψi分别为第i类型植被的生态环境需水量、分布面积及生态环境需水定额。此方法的关键是生态需水定额的确定，但其值获得较为困难；另外植被的分布密度对计算结果有一定影响。（2）间接方法利用潜水蒸发量间接进行估算，具体步骤为：（i）利用实地调查及遥感解译，确定目前状态下系统中不同植被的分布情况，给出每一类型植被的分布面积；（ii）根据观测或实验，确定不同类型植被的理想水位埋深；（iii）结合土壤条件，通过观测或实验，确定不同水位埋深对应的潜水蒸发量值；（iv）利用下式计算生态环境需水量。∑∑====niiiniiAQEQE11ω（2）式中：QE为系统总的生态环境需水量；QEi、Ai分别为第i类型植被的生态环境需水量、分布面积；ωI为不同水位埋深对应的潜水蒸发量值。①EnvironmentAustralia.Environmentalwaterrequirementsofgroundwaterdependentecosystems(ProjectReport),SinclairKnightMerzPtyLtd.,November2001—3—由于涉及到土壤条件、植被类型、理想地下水埋深以及潜水蒸发量的确定，因此计算较为复杂，但物理意义较为清晰，通过观测与实验，可得到相应的数据。在考虑满足植被生态系统的生态环境需水时，还需要考虑植被分布密度的影响问题。在获得生态环境需水量的基础上，可以根据目前地下水实际埋深情况，计算潜水蒸发量值，作为实际生态环境用水量。通过比较生态环境需水量与用水量，获得生态环境缺水量，并进一步探讨生态环境用水的配置问题。上述两种确定生态环境需水量的方法，直接法实际上并没有考虑地下水的影响问题，间接法则是从地下水的作用出发的。在宏观的粗略计算中，可以用直接法；在相对精细计算中，应利用间接法。另外，如果要探讨更为深入的生态环境用水配置问题，则只能以间接法为基础。算例中我们即是以间接法为基础，确定生态环境需水量及生态环境用水量的。2算例研究以我国西北的内陆河流域生态系统识别为例来简要阐述此问题，内陆河流域生态系统一般可分为山地生态系统和平原生态系统。山地生态系统根据垂直景观分带，进一步划分为极高山冰川积雪单元，高寒草甸、高寒草原单元，中山片林、灌丛、草原单元，低山荒漠单元等。平原生态系统依据人文景观与植被景观，可进一步划分为人工绿洲生态系统、天然绿洲生态系统、荒漠生态系统三个部分。而人工绿洲生态系统、天然绿洲生态系统、荒漠生态系统也可进一步细分。应该说天然绿洲生态系统及向荒漠过渡的植被是强烈依赖地下水，山地生态系统及人工绿洲生态系统是偶尔依赖地下水，而纯粹的荒漠生态系统则是基本不依赖地下水。但是从更为细一些的角度来说，山地生态系统中的山区河流其基流部分是完全依赖地下水的，主要依赖地下水水位及水量；其余部分则基本不依赖地下水。平原生态系统中泉水溢出带附近的生态系统，天然绿洲生态系统及向荒漠过渡的植被是强烈依赖地下水，主要依赖地下水水位，表1给出了我国西北内陆河地下水位与天然植被生长关系。人工绿洲生态系统一般情况下利用地表水，但有时也利用地下水，因此把它归为偶尔依赖地下水。表1我国西北内陆河地下水位与天然植被生长关系∗Table1Groundwaterlevelvs.naturalplantininlandriverbasinnorthwestofChina地下水埋深/m主要生长植物及状况覆盖度%土地沙化程度2水生生物及芦苇生长良好。40~70不沙化2~3芦苇、冰草、杨树生长良好。40~50基本不沙化3~4芨芨草、干草、罗布麻，沙枣、梭梭、胡杨生长良好。30~40轻度沙化4~5骆驼刺、花花柴、白次、沙拐枣、梭梭生长，沙枣、胡杨生长不良、枯梢，少数死亡。20~40轻、中度沙化5~7红柳生长基本正常，沙枣、胡杨大部枯死。30中、重度沙化∗国家”九五”重点科技项目(96-912-03-02-02)石羊河流域水资源合理利用及承载能力研究报告.清华大学,1999.3—4—除少数不受地下水影响的植物外，多数植物死亡。10强度沙化对于我国西北的内陆河流域，对依赖地