嚴(yán)登華 ，盧亞靜 ，秦天玲 ，史婉麗 ，翁白莎 ，宮博亞

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所，100038，北京；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院防災(zāi)減災(zāi)所，100044，北京）

高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配的若干關(guān)鍵問(wèn)題

嚴(yán)登華1，盧亞靜2，秦天玲1，史婉麗1，翁白莎1，宮博亞1

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所，100038，北京；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院防災(zāi)減災(zāi)所，100044，北京）

高寒區(qū)獨(dú)特復(fù)雜水問(wèn)題的關(guān)鍵成因是“人地爭(zhēng)水”和“人水爭(zhēng)地”未能得到有效解決，亟需創(chuàng)新水土資源聯(lián)合調(diào)配理論與方法。在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了高寒區(qū)水土矛盾及其成因，提出水土資源內(nèi)涵，剖析水土資源的相互作用機(jī)理；構(gòu)建高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配的技術(shù)框架，并詳細(xì)闡述高寒區(qū)復(fù)合系統(tǒng)生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)與整合、基于水的生態(tài)服務(wù)功能的坡面系統(tǒng)用地評(píng)價(jià)、基于生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃的河道系統(tǒng)用地評(píng)價(jià)、基于低碳發(fā)展模式的高寒區(qū)水資源合理配置和面向水安全及生態(tài)安全的高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配等關(guān)鍵技術(shù)。高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配技術(shù)將為山水林田湖生命體維系、生態(tài)用地紅線確定和最嚴(yán)格水資源管理提供技術(shù)支撐。

水土資源；聯(lián)合調(diào)配；高寒區(qū)

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，Paudyal等、Jensen和Das等開發(fā)了線性回歸模型、系統(tǒng)學(xué)模型、多種水土資源優(yōu)化調(diào)控模型等多項(xiàng)模擬技術(shù)。與單項(xiàng)研究相比，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水土資源相結(jié)合的優(yōu)化利用研究較少，且缺少系統(tǒng)、完善的水土資源優(yōu)化調(diào)控理論與技術(shù)。在系統(tǒng)分析水土矛盾成因機(jī)制的基礎(chǔ)上，以“自然—社會(huì)”二元驅(qū)動(dòng)下的水循環(huán)及其伴生過(guò)程為主線，識(shí)別高寒區(qū)水土資源的相互作用機(jī)制，剖析高寒區(qū)水土資源調(diào)配過(guò)程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以期為高寒區(qū)水土資源保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

一、高寒區(qū)復(fù)雜水土矛盾成因

高寒區(qū)一般指海拔較高、氣候寒冷的地區(qū)。我國(guó)高寒區(qū)包括整個(gè)青藏高原，以及甘肅、內(nèi)蒙古和新疆的高山地區(qū)，是我國(guó)大江大河的源頭區(qū)和重要的生態(tài)屏障區(qū)，同時(shí)又處于氣候條件敏感、生態(tài)環(huán)境脆弱和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的區(qū)域，其水土矛盾成因具體如下：

1.冰川融水變化，導(dǎo)致徑流量突變

高寒區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的諸多生態(tài)環(huán)境因子處于臨界閾值狀態(tài)，氣候變化的微小波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的響應(yīng)。氣候變暖導(dǎo)致冰川加劇融化、湖泊擴(kuò)張，以冰川融水補(bǔ)給的河流流量增加，造成中下游洪水頻繁發(fā)生；反之，冰川退縮，高寒區(qū)的水資源時(shí)空分布和水循環(huán)過(guò)程發(fā)生改變，導(dǎo)致以冰川融水補(bǔ)給為主的河流流量減少，嚴(yán)重影響區(qū)域枯水期的供水保障程度。

2.“二元”土壤沙化，導(dǎo)致調(diào)蓄能力降低

氣候條件以高寒缺氧、干旱少雨為主，雪山連綿，地貌類型為丘陵與平原相間分布，河谷平原區(qū)分布著深厚的海相沉積物覆蓋層，土壤垂直結(jié)構(gòu)明顯?！岸蓖寥澜Y(jié)構(gòu)（壤土層和砂礫層）導(dǎo)致土壤對(duì)降水的調(diào)節(jié)能力有限，水直接進(jìn)入砂礫石層，在這一層水分運(yùn)移速度快，極易引發(fā)河道洪水，加劇山洪災(zāi)害的發(fā)生。

3.草地水源涵養(yǎng)能力降低，導(dǎo)致生態(tài)退化嚴(yán)重

植被覆蓋率相對(duì)較低，且生長(zhǎng)緩慢。草地的水源涵養(yǎng)能力降低，這是由于凍層中的融水直接流失，導(dǎo)致草地沒(méi)有水分供養(yǎng)，生長(zhǎng)狀態(tài)差；而草地退化，加速土壤流失，對(duì)土壤的保護(hù)功能下降；地表土層受到外營(yíng)力作用增大，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的土地沙化和山洪威脅，進(jìn)一步加劇河道水沙過(guò)程的改變。同時(shí)，草地退化后使得土壤受到風(fēng)力侵蝕的作用增大，也是沙塵暴的主要來(lái)源地。

4.城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，區(qū)域水安全問(wèn)題加劇

區(qū)域水循環(huán)及其伴生過(guò)程嚴(yán)重失衡，在傳統(tǒng)水問(wèn)題尚未得到有效遏制的情況下，新的水土資源問(wèn)題不斷呈現(xiàn)。在城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的疊加影響下，凍土退化進(jìn)程加快，導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻發(fā)，對(duì)高寒區(qū)的居民飲水安全造成嚴(yán)重的威脅，流域生態(tài)環(huán)境也進(jìn)一步惡化。區(qū)域內(nèi)多種水土問(wèn)題交織并存，疊加和累積影響也日益嚴(yán)峻，引發(fā)極值事件頻繁發(fā)生。

二、高寒區(qū)水土資源相互作用機(jī)理

1.水土資源內(nèi)涵

圖1 水土資源系統(tǒng)

在水土資源聯(lián)合調(diào)配中，“水”指水資源，“土”指土地利用/地表覆被。在“自然—社會(huì)”二元水循環(huán)系統(tǒng)中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源、土地資源三者既相互依存又相互影響（圖1）。水資源的構(gòu)成和分布變化會(huì)影響水資源的有效性，進(jìn)而影響土地利用格局，土地利用格局的變化也會(huì)導(dǎo)致水循環(huán)過(guò)程的改變，從而影響水資源構(gòu)成和分布，也會(huì)影響極端水文事件的特性。

2.水資源對(duì)土地資源的作用機(jī)理

高寒區(qū)自然水循環(huán)中降水、地表水、土壤水和地下水的轉(zhuǎn)化過(guò)程，直接影響土地利用/地表覆被。在氣候變化背景下，氣溫和有效降水會(huì)改變區(qū)域內(nèi)植被的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)、初級(jí)生產(chǎn)力等。地表水主要以冰川融水和降水為主要補(bǔ)給來(lái)源，直接影響天然植被的規(guī)模和布局。平原區(qū)土壤水與地下水的頻繁交換，對(duì)區(qū)域天然植被的根系生長(zhǎng)產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而影響其長(zhǎng)勢(shì)及空間分布。高寒區(qū)的水資源分布情況，也影響著區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，進(jìn)而對(duì)社會(huì)水循環(huán)的各個(gè)過(guò)程產(chǎn)生影響，引起生產(chǎn)生活用地的規(guī)模、構(gòu)成和布局變化。此外，區(qū)域內(nèi)水資源的可控性和再生性，也對(duì)人工生態(tài)用地的規(guī)模和布局起到主導(dǎo)作用。

3.土地資源對(duì)水資源的作用機(jī)理

就坡面而言，土地資源分布及其地表覆被的變化，影響著蒸騰蒸發(fā)、冠層截留量和地表儲(chǔ)流與入滲過(guò)程，從而影響坡面產(chǎn)流過(guò)程；地表覆被變化會(huì)導(dǎo)致坡面糙度的變化，從而影響匯流過(guò)程。就河道而言，河濱帶、濕地等生態(tài)用地會(huì)改變河道糙度，進(jìn)而影響水流的演進(jìn)，從而對(duì)河道匯流產(chǎn)生影響。高寒區(qū)近地層冷熱交換更為頻繁，地表覆被的時(shí)空變化會(huì)影響到近地層能量流動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)水循環(huán)大氣過(guò)程的變化。植被根系等的變化，對(duì)土壤的水力學(xué)特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響水循環(huán)的土壤和地下過(guò)程。就極端洪水事件而言，地表覆被較高的區(qū)域，植被冠層截留量、地表洼地儲(chǔ)流量均較大，直接導(dǎo)致洪水過(guò)程“平穩(wěn)化”，歷時(shí)增加、洪量減小、洪峰減弱。

三、高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配技術(shù)框架

以“自然—社會(huì)”二元水循環(huán)及其伴生過(guò)程為主線，以生態(tài)水文相互作用機(jī)制為核心，以原型觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬模型、地理信息系統(tǒng)為關(guān)鍵支撐，按照“資料收集—生態(tài)水文作用機(jī)制辨識(shí)—生態(tài)需水與生態(tài)用地評(píng)價(jià)—水土資源聯(lián)合調(diào)控”的總體思路開展工作，見圖2。

圖2 水土資源聯(lián)合調(diào)配的總體技術(shù)框架

四、高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配關(guān)鍵問(wèn)題

基于生態(tài)水文作用、水土資源的耦合作用、碳水耦合和片水—斷面水的整合機(jī)理，綜合運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和具有物理機(jī)制的分布式生態(tài)水文模擬技術(shù)，構(gòu)建了高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配技術(shù)，具體如下：

1.高寒區(qū)復(fù)合系統(tǒng)生態(tài)需水過(guò)程評(píng)價(jià)與整合

從空間整合來(lái)說(shuō)，基于坡面河道、上下游、左右岸的水力聯(lián)系，生態(tài)需水整合重點(diǎn)包括河道 “斷面水”和坡面“片水”兩個(gè)層面。一是圍繞河道生態(tài)需水，也就是“斷面水”整合開展，結(jié)合河道上下游的水文水力聯(lián)系，確保不同斷面的生態(tài)需水過(guò)程都能得到滿足；二是考慮到坡面系統(tǒng)的生態(tài)需水，即“片水”，將片水與斷面水進(jìn)行整合。從時(shí)間整合來(lái)說(shuō)，整合成果既能滿足全年生態(tài)需水總量的要求，又能滿足月過(guò)程的需水要求；同時(shí)，克服傳統(tǒng)月尺度規(guī)模乘以定額模式的不足?？紤]到高寒區(qū)水庫(kù)群調(diào)度過(guò)程，需要根據(jù)區(qū)域總體生態(tài)功能區(qū)劃及生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，結(jié)合水循環(huán)空間分布特征、水資源調(diào)度節(jié)點(diǎn)位置及生態(tài)分區(qū)，確立生態(tài)需水計(jì)算單元及生態(tài)目標(biāo)；然后系統(tǒng)識(shí)別各計(jì)算單元的生態(tài)水文作用機(jī)制，并評(píng)估各單元各類型的生態(tài)需水過(guò)程；最后通過(guò)河道匯流追跡計(jì)算與迭代，獲得各調(diào)度節(jié)點(diǎn)上不同生態(tài)情境下的徑流需求過(guò)程。

2.基于水生態(tài)服務(wù)功能的高寒區(qū)坡面系統(tǒng)用地評(píng)價(jià)

土地資源的配置分兩個(gè)層次，首先是“三生”空間的配置，其核心是要留出合理的生態(tài)空間，其次是對(duì)不同類型的生態(tài)空間進(jìn)行精細(xì)化配置。對(duì)于坡面系統(tǒng)的生態(tài)用地，重點(diǎn)是圍繞坡面生態(tài)安全所需的生態(tài)服務(wù)功能展開評(píng)價(jià)，合理布局天然林草以及濕地。以關(guān)鍵生態(tài)水文過(guò)程為基礎(chǔ)，建立直接和衍生兩層評(píng)價(jià)體系，科學(xué)評(píng)價(jià)水的直接生態(tài)服務(wù)功能和主體衍生生態(tài)服務(wù)功能，進(jìn)而確定坡面系統(tǒng)不同類型用地的規(guī)模、構(gòu)成和格局；在高寒區(qū)，重點(diǎn)評(píng)價(jià)對(duì)象是坡面生態(tài)用地。其中，水的直接生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括基礎(chǔ)功能指標(biāo) （提供生物量固碳釋氧、物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化、植物更新演替、維護(hù)生物群落多樣性）、調(diào)節(jié)生境功能指標(biāo)（調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、調(diào)節(jié)水文、涵養(yǎng)水源、提供棲息地）和維系景觀功能指標(biāo)；水的衍生生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為經(jīng)濟(jì)社會(huì)功能指標(biāo)，包括輸出產(chǎn)品、提供居民生活供水、提供產(chǎn)業(yè)用水、文化休閑及水能等。

3.基于生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃的高寒區(qū)河道系統(tǒng)用地評(píng)價(jià)

河道系統(tǒng)的用地評(píng)價(jià)重點(diǎn)圍繞河流的生產(chǎn)和生態(tài)功能展開，核心是保護(hù)河濱帶和防護(hù)性的林草地與濕地，以確保自然型河道得到維系。按照選擇性、協(xié)調(diào)性、前瞻性和可調(diào)控性的原則，進(jìn)行河流生態(tài)與環(huán)境功能分區(qū)，流域不同河段的生態(tài)環(huán)境功能不同，應(yīng)分區(qū)分段確定所需要的生態(tài)用地規(guī)模，以保證劃分成果的科學(xué)性和實(shí)用性。在高寒區(qū)，對(duì)于具有水源涵養(yǎng)、飲用水水源保護(hù)功能的河段，可以通過(guò)劃定緩沖區(qū)的方法確定生態(tài)用地；對(duì)于開發(fā)利用區(qū)，重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)現(xiàn)存生態(tài)用地的保護(hù)以及生態(tài)用地格局的調(diào)整上。

4.基于低碳發(fā)展模式的高寒區(qū)水資源合理配置

基于低碳發(fā)展模式的水資源合理配置技術(shù)，將區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)作為碳“源”、生態(tài)系統(tǒng)為碳“匯”，基于二者與“自然—人工”水循環(huán)的相互作用關(guān)系構(gòu)建碳水耦合概念系統(tǒng)，細(xì)化配置單元中的生態(tài)用地單元，繪制區(qū)域碳水耦合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖；利用碳水耦合模型模擬碳/水循環(huán)要素，結(jié)合野外試驗(yàn)，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖指導(dǎo)下定量化識(shí)別碳水耦合機(jī)制，即社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) “用水—碳排放”和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)“用水—碳捕獲”的定量關(guān)系，預(yù)測(cè)未來(lái)需水量和碳排放量，并結(jié)合水利工程布局與運(yùn)行調(diào)度和水資源開發(fā)利用情況，構(gòu)建不同規(guī)劃水平年的水資源合理配置方案集；采用基于低碳發(fā)展模式的水資源合理配置模型，對(duì)各方案進(jìn)行模擬，對(duì)比模擬結(jié)果，提出推薦方案。

5.面向水安全和生態(tài)安全的高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配

首先，定量化識(shí)別水循環(huán)各要素、景觀格局和植被覆蓋度的演變特征，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)水土資源耦合機(jī)制進(jìn)行識(shí)別；以生態(tài)安全和水安全為目標(biāo)，基于Vensim模型構(gòu)建水土資源聯(lián)合調(diào)控的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，供水側(cè)主要為地表水、地下水、生態(tài)調(diào)蓄水量，需水側(cè)主要考慮生活需水、生產(chǎn)需水、牧業(yè)需水、生態(tài)需水，土地資源主要考慮生產(chǎn)用地、生活用地和人工牧草地及生態(tài)用地類型，環(huán)境系統(tǒng)考慮流域內(nèi)氨氮、COD和污水排放量；設(shè)置自然延續(xù)型、增源型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整型、綜合型和聯(lián)合型等5種不同的調(diào)控方案進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源、土地資源、生態(tài)環(huán)境等多方面指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，遴選出最優(yōu)方案，提出工程與非工程等保障措施。

五、結(jié) 論

高寒區(qū)“山水林田湖”生命體維系的核心是水土資源的優(yōu)化配置，土地資源的配置是載體，水循環(huán)是紐帶?；谶^(guò)程的生態(tài)需水評(píng)價(jià)與整合技術(shù)、基于水的生態(tài)服務(wù)功能和生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃的生態(tài)用地評(píng)價(jià)及預(yù)估技術(shù)，不僅為用地配置提供了支撐，還實(shí)現(xiàn)了用地與用水的協(xié)調(diào)。通過(guò)水土資源的優(yōu)化配置，進(jìn)一步明確坡面和河道生態(tài)需水的類型、構(gòu)成和過(guò)程，為“三條紅線”的用水總量控制提供了技術(shù)支撐。

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Several key issues for the united allocation of water and soil resources in alpine region

Yan Denghua，Lu Yajing，Qin Tianling，Shi Wangli，Weng Baisha，Gong Boya

The key reason of the unique complex water problems in the alpine region is that the “striving water between human and land” and the “striving land between human and water” were not solved.It is urgent to innovate the theory and method of united allocation of water and soil resources.Based on the traditional methods,the contradiction between water and land in the alpine region and its causes will be systematically investigated and the connotation of water and soil resources will be put forward.The interaction mechanism of water and soil resources will be analyzed and the technical framework of the united allocation of water and soil resources in the alpine region will be constructed.It involves with five key technologies,includingthe evaluation and integration of ecological water requirement process in composite system of alpine region,evaluation of the land use in hillslope system based on the ecological service function of water,evaluation of the land use in river system based on the eco-environment function regionalization,the rational allocation of water resources in alpine region for the Low-carbon development mode,the united allocation of water and soil resources towards water security and ecological security in alpine region.The integrated allocation of water and soil resources in the alpine region will provide direct support for the conservation of the“mountain-waterforest-field-lake community life body”,the determination of ecological red line and the most stringent water resources management.

water and soil resources;integrated regulation;alpine region

TV213.4

B

1000-1123（2017）17-0027-04

我國(guó)青藏高原地處高寒區(qū)，海拔高、地理?xiàng)l件復(fù)雜，屬于氣候變化的敏感區(qū)域；也是我國(guó)乃至世界最為重要的生態(tài)功能區(qū)之一，在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、保護(hù)生物資源及其多樣性、保護(hù)水資源與水生態(tài)、調(diào)節(jié)氣候及觀測(cè)氣候變化等方面發(fā)揮重要的作用。作為國(guó)際研究的熱點(diǎn)區(qū)域，高寒區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，不僅關(guān)乎青藏高原生態(tài)質(zhì)量狀況，甚至還會(huì)影響我國(guó)以及整個(gè)東南亞地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，在國(guó)家生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中發(fā)揮重要作用。然而20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著氣候變暖以及人類活動(dòng)影響加劇，高寒區(qū)出現(xiàn)湖泊濕地萎縮、草地退化、水源涵養(yǎng)能力減退、生物棲息地破碎化、生物多樣性降低等突出生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

我國(guó)高寒區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵成因是“人水爭(zhēng)地”和“人地爭(zhēng)水”矛盾未能得到有效解決。傳統(tǒng)研究中，水資源的配置和土地資源的配置互為邊界，土地資源的開發(fā)利用又會(huì)對(duì)水循環(huán)和水資源產(chǎn)生影響，很難系統(tǒng)地解決競(jìng)爭(zhēng)性用水和用地的問(wèn)題。為解決上述矛盾與問(wèn)題，亟需創(chuàng)新高寒區(qū)水土資源聯(lián)合調(diào)配的理論與方法。

2017-08-15

嚴(yán)登華，副所長(zhǎng)，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事氣候變化與水資源綜合應(yīng)對(duì)研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“那曲流域水源解析及氣候變化的響應(yīng)”（編號(hào)：91547209）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“陸地-水文耦合模式構(gòu)建與全球陸地水資源演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)”（編號(hào)：2016YFA0601503）。

責(zé)任編輯 軒 瑋