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水利工程论文西北生态需水研究摘要合理量化生态环境需水是西北水资源优化配置亟待解决的问题。本文着重研究两方面的内容一是基于地带性理论分析植被生长需水的区域分异规律,以此为基础,采用遥感和地理信息系统技术实现生态的空间分区,以生态分区和流域水平衡为基础量化生态需水二是探讨可持续发展的生态模式,确定生态保护目标和生态建设规模并预测生态需水。关键词西北生态水资源1西北地区的自然地理条件、水资源分布特点与生态环境问题西北地区包括陕、甘、宁、青、新五省区全部和内蒙西部,总面积334万km2。本区位于欧亚大陆中心,区内起伏多山,构成高山、高原、盆地交错分布的地貌组合单元。由于四周远离海洋和高山高原的环绕阻隔,使境内的降水量少且分布不均。山区截获较多水汽,降水比较丰富,相应植被发育较好。平原区降水少,且由东南向西北逐渐递减,到盆地中心只有几十毫米,形成植被非常稀疏的沙漠和戈壁,但是源于山区的径流注入盆地,沿盆地四周形成在干旱区内人类赖以生存的绿洲。西北地区的生态环境问题主要为①中上游用水过量致使下游河湖萎缩和天然植被退化②过度开荒、放牧、樵采等加剧了水土流失和土地沙化③不合理灌溉引起土壤次生盐碱化④水污染严重,水质恶化⑤过量开采地下水导致植被退化,并使地下水的矿化度升高、土壤盐化。这些生态环境问题都直接或间接与水资源有关,随着人口增长和经济发展,国民经济需水与生态环境需水成为水资源开发利用和生态环境保护的矛盾焦点。因此,合理量化生态需水是西北水资源优化配置亟待解决的问题。2国内外关于生态需水的研究概况Covicgh1(1993)强调了在水资源管理中要保证恢复和维持生态系统健康发展所需的水量。Gleick2(1996)明确给出基本生态需水(basicecologicalwaterrequirment)的概念框架,即提供一定质量和一定数量的水给天然生境,以求最小化地改变天然生态系统的过程,并保护物种多样性和生态整合性。汤奇成3(1995)以新疆地区为背景,论述了生态环境用水的必要性,并界定了生态环境用水量的计算范围,即生态环境用水一是指对一些重要的湖泊进行补水,不主张对干旱区所有萎缩和干涸的湖泊一律进行补水,如罗布泊、台特马湖等二是人工造林及人工草场的用水量,以土地沙漠化的面积不再扩大为原则。关于生态需水的计算方法,Gleick建议水资源管理应当基于合适的模型,依据最新信息给出决策意见。Whipple4指出流域内应当协调解决环境需水与国民经济需水的矛盾,并建议用先进的计算机技术进行基础分析和系统模拟。陈昌毓5从生态平衡的角度出发,确定河西走廊各市、县绿洲和农田的生态需水量分别为400~500mm和450~650mm。考虑生态因素的水资源管理模型比较典型的是SWAT6(SoilandWaterAssessmentTool),模型将流域划分成于流域或网格单元,在每一个单元以水平衡方程偶合泥沙、面源污染物子模型,用控制结构(commandstructure)或DEM高程模型实现水和污染物在网格单元之间的运移方向,从而预测水、泥沙、农业化学物质在大型封闭流域的影响。另外,对生态需水的计算有一定的借鉴作用的水文模拟模型,比较有代表性的有SVAT7、VIC2L8等。3植被生长需水的区域分异规律及生态需水的概念和分类3.1植被生长需水的区域分异规律水是西北地区决定植被分布的关键因素,以地带性理论与径流形成原理分析植被生长需水规律,可以认为①地带性植被是靠降水中不形成径流的水来维持生命,这部分水不受水资源开发利用的影响。其中,荒漠植被,盖度1%~25%(草原化荒漠区可达30%),分布在年降水小于200mm的地区,降水几乎不产流,因此地带性荒漠植被生长几乎全部消耗每年不足200mm的降水荒漠草原与典型草原植被,盖度20%~60%,分布在年降水200~450mm的地区,年径流深5~50mm,而且位于高原,土层深厚,几乎不形成地下径流,因此地带性荒漠草原与典型草原植被生长需水为每年200~400mm地带性森林草原和森林植被,盖度大于50%,分布区年降水大于450mm,森林能够截留降水形成地下径流,在本次研究的范围内地带性森林需水大约每年400mm多,不会超过550mm。②非地带性植被的生长需水除当地降水以外还有径流,这部分水受水资源开发利用的影响。其中,荒漠区的非地带性植被有乔木林、灌木林、草甸和沼泽,除盐生荒漠草甸外,盖度一般大于30%,植物生长主要靠地下水支撑。地下水埋深小于2.5m的最适植物群落是湿生的芦苇,埋深在2.5~3m的最适植物群落是以罗布麻、甘草为优势种的草甸植被,埋深在3~3.5m的适宜植物群落有胡杨林,在3.5~4m的适宜群落有柽柳,同时3~4m的埋深范围也是以骆驼刺等植物为优势种的荒漠化草甸的适宜区。荒漠草原和典型草原区的非地带性植被主要是沼泽、草甸和乔木林,植被盖度大于50%,靠当地降水和径流支撑。森林草原与森林区的非地带植被有沼泽,需要足够的径流维持。3.2生态需求的概念与分类生态需求是指为维护生态系统稳定,天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。这里需要补充,①对于没有植物作为第一性生产力的系统需水,如河流冲沙、稀释污染物、控制地面沉降等所需要的水,按照传统定义并保持与环境容量概念一致,仍称为环境需水。②生态需水指未来某时段内所消耗的水量,研究现状时称为生态耗水。生态需水的类型划分,根据水源截然不同的形式分为可控生态需水和不可控生态需水。可控生态需水是指非地带性植被所在系统天然生态保护与人工生态建设消耗的径流量(可作为狭义生态需求),不可控生态需求是指地带性植被所在系统天然生态保护与人工生态建设消耗不形成径流的降水量。从生态系统形成原动力的不同又分为天然生态需水和人工生态需水两大类,天然生态需水是指基本不受人工作用的生态所消耗水量,包括天然水域和植被需水人工生态需水是指由人工直接或间接作用维持的生态所消耗水量,包括用于放牧和防风的人工林草所需水量、维持城市景观所需水量、农业灌溉抬高水位支撑的生态需水量以及水土保持造林种草所需水量等。生态需水的分类见表1。4基于遥感与GIS技术的区域生态需求计算方法4.1利用遥感和GIS技术进行生态分区为了能在空间上反映出生态需水的分异规律,有必要从区域自然地理范围反映气候因素(温度和降水)作用下的西北生态本底从一定尺度的生态系统反映非气候性水文因素(径流)和人类活动改变了的水文因素对生态的作用再从土地利用单元一级的范围反映不同水分条件对生态影响的性质和程度。为了统一并且代表研究方向的性质,称之为一级、二级和三级生态分区。一级生态分区是以区域自然地理的主导分异因素来反映地带性规律,包括山区、平原或高原荒漠区、平原荒漠草原和典型草原区、平原森林草原和森林区。分区界线的确定依据反映地貌的高程等值线和反映地带性植被分异特征的年降水等值钱。分区所用的背景资料是1∶100万数字高程图和多年平均降水等值线图。利用GIS技术将底图通过投影转换、编辑来实现分区,见图1。二级生态分区是在一级生态分区的基础上,展示径流和人类作用下的生态景观。分区类型见表2。分区图的实现是从土地利用图进行综合信息来完成的。这样做的必要性是土地利用图不能反应生态需水的分异规律。利用GIS技术,从1∶10万的土地利用数字地图中分别提取反映人类活动和径流作用因素的土地利用类型,根据其轮廓趋势作图,然后根据人类活动区、径流作用区以及一级生态分区的隶属关系,用叠加分析(overly)来实现,见图2。三级生态分区是以土地利用单元反映群落水平的生态景观,分为耕地(水田、旱地)、林地(有林地、灌木林、疏林地、其他林地)、草地(高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地)、水域(河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地、滩涂、滩地)、城镇工矿居民用地(城镇用地、农村居民点、其他建设用地)、未利用土地(沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地、其他)6个一级类型和25个二级类型。土地利用图,是以90年代的TM遥感影像为基础资料,由中科院地理所于95攻关重中之重项目完成,比例为
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奋斗不息上传于2013-12-12

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