李麗娜，石培基，董翰蓉，魏 偉

（西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070）

石羊河流域是西北干旱區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展研究中的重點(diǎn)區(qū)域之一。由于水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，石羊河水資源開發(fā)利用引起的生態(tài)環(huán)境問題十分普遍，一直為國內(nèi)學(xué)者所關(guān)注。石羊河流域大致介于36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E，流域面積4.16萬km2[1]。東起烏鞘嶺，西止大黃山，北與巴丹吉林沙漠和騰格爾沙漠相接。自西向東主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河8條河流組成[2]。從南到北大體分為3個(gè)地貌單元，南部祁連山地、中部走廊平原、北部阿拉善高原。石羊河流域干流上游雜木河，源于祁連山東段大雪山，東北流域山谷，自塔兒莊出山，入河西走廊東段為中游，紅崖山以北為下游。上游祁連山和中部走廊區(qū)年降水量分別為300～600mm和150～300mm，下游民勤地區(qū)極其干旱，年降水量小于150mm?，F(xiàn)擁有耕地面積2 676km2，農(nóng)田灌溉面積929km2。該區(qū)域降水量小、蒸發(fā)量大等惡劣的自然條件加之人類不合理的開發(fā)利用活動(dòng)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境問題十分嚴(yán)峻[3]。因此本文系統(tǒng)整理和總結(jié)國內(nèi)石羊河流域水資源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境影響的相關(guān)研究進(jìn)展，并探討目前該領(lǐng)域研究的不足與展望，旨在為石羊河流域水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供有益的借鑒[4]。

1 現(xiàn)狀研究

1.1 徑流量模擬和預(yù)測

隨著石羊河流域氣候變暖，徑流也發(fā)生了相應(yīng)的變化，學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究?；疑P(guān)聯(lián)分析、分布式水文模型、Mann—Kendall與Mornet小波變換等數(shù)學(xué)模擬得到了應(yīng)用，效果明顯。比如，馬宏偉等[5]以雜木河為代表，采用50a的數(shù)據(jù)建立了徑流和氣候之間的多元回歸模型，并用灰色關(guān)聯(lián)分析要素和徑流之間的相關(guān)度；李舟等[6]構(gòu)建整個(gè)流域的分布式水文模型，論述了地形坡向、太陽輻射、融雪出流三者之間的遞進(jìn)關(guān)系，使融雪過程的計(jì)算得到了細(xì)化，更加貼近實(shí)際；丁宏偉等[7]以紅崖山為例，分析了水庫徑流量不斷減少引起的一系列生態(tài)環(huán)境問題；馬嵐等[8]利用重新標(biāo)度極差分析法，對紅崖山水庫入庫徑流系列進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明自然條件不是影響徑流變化的主要因素，上中游人類活動(dòng)對徑流起著非常重要的影響；丁貞玉等[9]采用 Mann—Kendall與Mornet小波變換對石羊河流域出山50a的徑流量進(jìn)行周期分析，結(jié)果表明總體呈現(xiàn)平穩(wěn)波動(dòng)走勢，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)管理模式有一定的影響。

1.2 承載力研究

水資源作為影響石羊河流域的關(guān)鍵因子，在一定的限制條件下，通過不同模型分析和預(yù)測特定區(qū)域水資源合理利用方案有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。蘇永紅[10]應(yīng)用模糊綜合評判方法探討了石羊河流域水資源的開發(fā)潛力，結(jié)果認(rèn)為該區(qū)域水資源開發(fā)程度接近于飽和值，承載力相當(dāng)脆弱，并對區(qū)域水管理提出了三點(diǎn)對策；趙建世[11]利用雙要素水資源承載能力計(jì)算模型分別對現(xiàn)狀和未來水資源能力進(jìn)行分析和預(yù)測，認(rèn)為2000年石羊河流域水資源超載度為2.25，超載人口124萬，并預(yù)測到該流域水資源承載能力將不斷得到提高，主要原因是流域人均耗水量的不斷下降，最后提出了提高承載能力的途徑；馮紹元[12]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了4種方案，其中以方案三的農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，通過水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型反算規(guī)劃年水資源承載力的灌溉面積等數(shù)據(jù)。結(jié)果認(rèn)為2010年可承載總?cè)丝?84.81萬人，工業(yè)增加值40.91億元，水澆地灌溉面積10.20萬hm2，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，近期仍然需要開采地下水來維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；2020年可承載總?cè)丝?02.11萬人，工業(yè)增加值85.74億元，水澆地灌溉面積13.88萬hm2，此時(shí)生態(tài)環(huán)境將得到有效的改善。

1.3 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

水資源開發(fā)利用所引起的生態(tài)環(huán)境問題在國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。具體體現(xiàn)在降水、蒸發(fā)、地下水、排灌、城市等對生態(tài)環(huán)境的影響。比如，陳賀等[13]以數(shù)字高程模型為出發(fā)點(diǎn)描述了地形因素對降水分布影響的研究；任建民等[14]在人類活動(dòng)對內(nèi)陸河石羊河流流域水資源轉(zhuǎn)化的影響中分析了人類盲目擴(kuò)大灌溉面積而引起水資源過度利用，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的情況；李寶興[15]闡述了地下水資源過度開發(fā)引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題；錢云平[16]分析了石羊河流域水循環(huán)模式的改變對生態(tài)環(huán)境造成的影響；魏曉妹等[17]分析了綠洲農(nóng)業(yè)對水資源的開發(fā)利用引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題；蘇國波[18]分析了機(jī)井?dāng)?shù)量過多，地下水開采過度引起了一系列的環(huán)境問題；周建[19]分析了城市規(guī)模的擴(kuò)大對生態(tài)環(huán)境造成的影響。由于石羊河流域水資源的開發(fā)利用一般經(jīng)歷了“先開發(fā)地表水、后開發(fā)地下水，先開發(fā)農(nóng)業(yè)用水，后開發(fā)工業(yè)和城市用水，因此農(nóng)業(yè)和地下水開采等對生態(tài)環(huán)境造成的影響越來越受到學(xué)者的關(guān)注。

1.4 過程模擬與情景預(yù)測研究

目前，學(xué)者不單是簡單的研究水資源開發(fā)引起的生態(tài)環(huán)境影響，而是開始運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬方法進(jìn)一步探討水資源和生態(tài)環(huán)境之間的耦合關(guān)系，以期為水資源的可持續(xù)利用政策制定提供技術(shù)支持。該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。比如，喬平林等[20]利用GIS、RS技術(shù)建立了水資源定量反演模型，分析了石羊河水資源動(dòng)態(tài)演化的規(guī)律；王琪等[21]運(yùn)用計(jì)算模型技術(shù)分析了地下水地球化學(xué)特征；李元紅等[22]以民勤為例，將水資源調(diào)度管理模型與FEFLOW 5.4模型進(jìn)行耦合，通過地下水預(yù)測各方案對地下水位和生態(tài)環(huán)境的影響，評價(jià)了調(diào)度方案的準(zhǔn)確性；劉杰等[23]介紹了石羊河流域水資源管理信息系統(tǒng)建立的必要性和初步設(shè)計(jì)方案；石敏俊等[24]構(gòu)建了基于GBEM模型的分布式水資源管理模型，并研究了該流域水資源空間配置優(yōu)化方案和實(shí)現(xiàn)途徑；呂勝利等[25]應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以武威平原區(qū)為例，根據(jù)水資源阿赫經(jīng)濟(jì)兩個(gè)亞系統(tǒng)相互作用形成了一個(gè)更大的系統(tǒng)，定量分析了經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)制及動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。但是，實(shí)際中水資源與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用關(guān)系及其復(fù)雜，通過墨跡和情景預(yù)測來動(dòng)態(tài)預(yù)測水資源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境的影響仍然困難重重，有待于進(jìn)一步探索。

2 驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究

在石羊河流域出現(xiàn)土壤污染、地下水位下降、土壤沙漠化等一系列生態(tài)問題后，學(xué)者們在對石羊河流生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的基礎(chǔ)上，主要從區(qū)域氣候變化及人類活動(dòng)對水資源開發(fā)兩個(gè)方面對生態(tài)環(huán)境的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究。目前大部分學(xué)者認(rèn)為人類活動(dòng)是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的主要因素，因此加強(qiáng)了水資源開發(fā)對生態(tài)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）水資源過度開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制。主要是從基于地表水與地下水之間的關(guān)系、水循環(huán)模式、水資源供需平衡、人類—徑流—生態(tài)環(huán)境間的相互關(guān)系、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等層面出發(fā)，討論水資源過度開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的不利影響。比如錢云平[16]等闡述了人類活動(dòng)對水循環(huán)模式的不利影響，使以前的地表水—地下水復(fù)雜轉(zhuǎn)換模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭叵滤膯我荒Ｊ?，并探討了由此引起的生態(tài)環(huán)境和水資源危機(jī)問題；張同澤等[26]分析了近期水資源的供需平衡問題，并探討了該流域缺水的程度，從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的角度分析了水資源短缺的各方面原因；寧立波等[27]指出過低的水價(jià)是造成用水效率低下、水資源浪費(fèi)的主要原因；魏曉妹等[17]分析了人類活動(dòng)對地表水、地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系的影響；王乃昂等[28]分析了氣候與人類活動(dòng)間的關(guān)系影響；王寶鑒等[29]闡述了人類—徑流—生態(tài)環(huán)境間的相互關(guān)系，從宏觀系統(tǒng)的角度研究了石羊河流域短缺的根本原因，推動(dòng)了驅(qū)動(dòng)機(jī)制的快速發(fā)展。

（2）水資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境修復(fù)的影響機(jī)制。由于以前學(xué)者更多關(guān)心的是石羊河流域水資源與生態(tài)環(huán)境的影響因素分析，所以闡述生態(tài)環(huán)境修復(fù)的研究就比較少。隨著利用水資源技術(shù)手段的提高，部分區(qū)域已經(jīng)得到了一定的恢復(fù)，于是學(xué)者開始重視生態(tài)環(huán)境的修復(fù)問題。比如，顧自福[30]提出了應(yīng)加大對石羊河上游環(huán)境恢復(fù)建設(shè)的投入力度，并提出了修復(fù)生態(tài)建設(shè)的對策；馬金寶等[31]提出了運(yùn)用農(nóng)業(yè)技術(shù)恢復(fù)重建喬、灌、草復(fù)合植被群落，提高林草覆蓋度，提高生態(tài)服務(wù)功能的建議；唐國璽[32]分析了石羊河流域水資源緊缺、生態(tài)惡劣、修復(fù)生態(tài)任務(wù)的艱巨性，并提出了解決環(huán)境問題的主要措施；竇明等[33]運(yùn)用模型模擬出方案實(shí)施后地下水位的變化過程，進(jìn)而分析節(jié)水措施對地下水恢復(fù)的效果。但是目前人們主要集中精力研究水資源過度開發(fā)利用區(qū)的影響機(jī)制問題，對未開發(fā)利用區(qū)研究甚少，應(yīng)加大從微觀、中觀、宏觀層面量化人口、生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)及其各要素之間相互影響機(jī)制問題的研究。

3 響應(yīng)對策研究

在對石羊河流域水資源開發(fā)利用引起的生態(tài)效應(yīng)、水資源對生態(tài)環(huán)境影響機(jī)制、水資源承載力研究，以及水資源過程模擬和情景預(yù)測研究之后，人們最終關(guān)心的是如何制定合理的對策來環(huán)境水資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響，如何從數(shù)量和質(zhì)量上來保障生態(tài)和生活用水問題。目前眾多學(xué)者已經(jīng)從節(jié)水社會(huì)建設(shè)、政策、市場、制度等角度提出了水資源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境影響的響應(yīng)對策，研究的進(jìn)展主要分為以下幾個(gè)方面：

（1）強(qiáng)調(diào)流域水資源通過立法、制度的建設(shè)。雖然人們可以通過跨流域調(diào)水、修建溝渠等一系列措施調(diào)節(jié)水資源在空間的分布不均問題，但是實(shí)踐證明以有限的水資源供給來滿足無限的用水增長需求，這樣只能導(dǎo)致社會(huì)經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)張帶來更大的生態(tài)破壞和水資源污染問題，因此人們認(rèn)識(shí)到水資源管理制度的重要。馬平[34]在談農(nóng)業(yè)法律措施對加快石羊河流域生態(tài)發(fā)展的影響中強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)法律措施的調(diào)整，比如包括水費(fèi)征收制度調(diào)整、農(nóng)業(yè)灌溉方式制度的制定等；杜群[35]認(rèn)為應(yīng)從建立資源可持續(xù)利用承載力的法律體系、改革水資源管理制度、加強(qiáng)對荒地的行政管理、建立跨部門協(xié)調(diào)制度等幾方面增強(qiáng)綜合決策能力，他們都強(qiáng)調(diào)水資源管理制度的改革。從目前實(shí)踐來看，雖然給水資源流域綜合管理提出了一種新觀點(diǎn)，但是同樣也面臨著許多挑戰(zhàn)。尤其是關(guān)系到干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)用水補(bǔ)償制度及中水利用制度，有待于進(jìn)一步研究。

（2）強(qiáng)調(diào)技術(shù)手段的運(yùn)用。提高水資源利用率的技術(shù)層面的措施，包括調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)工程建設(shè)等。比如齊典輝[36]認(rèn)為應(yīng)該加強(qiáng)黃羊灌區(qū)灌水技術(shù)的提高，提高水資源利用率；王雄師[37]認(rèn)為為了確保水資源最大限度地應(yīng)用于生活、生產(chǎn)和生態(tài)，必須合理確定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向；蘇國波[18]在石羊河流域機(jī)井工程建設(shè)管理存在的問題與對策中分析了加強(qiáng)機(jī)井建設(shè)管理對開采地下水有著重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益；苗慧珊[38]選取榆樹、刺槐為研究對象進(jìn)行造林，以蓄水滲膜材料處理作為試驗(yàn)組，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明蓄水滲膜具有顯著的節(jié)水增效作用，為石羊河水資源綜合治理探索了一條新的途徑。但實(shí)踐證明，人類簡單通過水利建設(shè)和供水技術(shù)來改善水資源管理，只能導(dǎo)致社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在擴(kuò)張型道路上越走越遠(yuǎn)，這樣又帶來了新的水環(huán)境污染與生態(tài)破壞，它要求將流域上、中、下游作為一個(gè)有機(jī)整體，在保持生態(tài)系統(tǒng)完整的前提下，綜合考慮水資源的供給與需求。

（3）強(qiáng)調(diào)節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)。石羊河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平很低，大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比重較大。效益較低，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、推行綠色生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式是解決石羊河流域生態(tài)環(huán)境問題和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。其中，節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)是當(dāng)前實(shí)踐中的重點(diǎn)。節(jié)水型社會(huì)要求現(xiàn)有水資源使用量不斷增加，維持并不斷改善水環(huán)境質(zhì)量的前提下，保證生產(chǎn)生活用水，提高水資源的利用率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。2002年甘肅省張掖市成為全國第一個(gè)建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的試點(diǎn)建設(shè)區(qū)，并在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中取得了明顯的效果。許多學(xué)者對此也做了許多研究，比如臧廣鵬[39]分析了石羊河流域農(nóng)業(yè)用水的現(xiàn)狀和建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)的必要性，從工程節(jié)水、管理節(jié)水等方面提出了農(nóng)業(yè)節(jié)水應(yīng)采取的措施；2000年錢云平、楊東[40]在涼州區(qū)節(jié)水增效項(xiàng)目的示范效益中分析了節(jié)水措施對社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的效益問題。但是節(jié)水型試點(diǎn)在實(shí)踐中仍然存在著許多困難，有待于進(jìn)一步的實(shí)踐和研究。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，水資源作為石羊河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的主要影響因子，在近50a來受到研究者的廣泛關(guān)注，并在徑流量模擬和預(yù)測、承載力研究、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究、過程模擬與情景預(yù)測研究、驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究、響應(yīng)對策研究方面獲得了一定進(jìn)展，為石羊河流域水資源的可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

從水資源研究方法層面分析，2010年段春青[41]等人在區(qū)域水資源承載力概念及研究方法的探討論文中，重新定義了水資源承載力的概念，并從“社會(huì)經(jīng)濟(jì)—水資源—生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)的角度，提出了基于現(xiàn)代進(jìn)化算法思想的水資源承載力計(jì)算思路，這無疑給石羊河流域水資源的研究方法提供了一種新的研究思路。

從水資源研究內(nèi)容層面分析，通過統(tǒng)計(jì)、描述或GIS等手段對石羊河流域水資源開發(fā)利用所引起的生態(tài)環(huán)境問題研究相對較多，對水資源及生態(tài)環(huán)境相互關(guān)系的影響機(jī)制、水資源承載力、水量變化與生態(tài)環(huán)境間定量關(guān)系等研究較少，再加上關(guān)于水資源開發(fā)利用中的研究方法和標(biāo)準(zhǔn)完全不一致，導(dǎo)致水資源的開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境的影響程度等問題如何將難以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的過程模擬和情景預(yù)測。應(yīng)利用GIS、RS、ANNs等先進(jìn)的技術(shù)手段，對石羊河流域水資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)及其內(nèi)部各要素之間的關(guān)系變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬和情景預(yù)測，從微觀、中觀、宏觀層面量化人口—生態(tài)—環(huán)境系統(tǒng)及其各要素之間的相互作用機(jī)制問題，為今后的水資源研究指明了方向。

從水資源管理層面分析，2003年程國棟[42]在虛擬水——中國水資源安全戰(zhàn)略的新思路文章中引入了虛擬水的概念，將虛擬水分為供給管理、需求管理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)性管理和社會(huì)管理4個(gè)層次，從理論角度分析了社會(huì)化管理與水資源恢復(fù)重建的關(guān)系。認(rèn)為西部區(qū)除青海外水資源開發(fā)利用超過了40%國際警戒線的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)逐步應(yīng)用虛擬水解決區(qū)域糧食和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)，平衡水資源利用赤字，將節(jié)約剩下的水轉(zhuǎn)向低耗水高效益產(chǎn)業(yè)，逐步增加農(nóng)民收入渠道，將是石羊河流域水資源可持續(xù)發(fā)展的理論解析化的有益嘗試。筆者認(rèn)為，在保證石羊河流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)水污染問題的相關(guān)研究，以保護(hù)有限且缺乏的水資源，從而實(shí)現(xiàn)石羊河流域水資源的可持續(xù)發(fā)展。

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