干旱區石羊河流域水資源研究進展

李麗娜，石培基，董翰蓉，魏 偉

（西北師范大學 地理與環境科學學院，蘭州730070）

石羊河流域是西北干旱區水資源可持續發展研究中的重點區域之一。由于水資源短缺，生態環境脆弱，石羊河水資源開發利用引起的生態環境問題十分普遍，一直為國內學者所關注。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年降水量分別為300～600mm和150～300mm，下游民勤地區極其干旱，年降水量小于150mm。現擁有耕地面積2 676km2，農田灌溉面積929km2。該區域降水量小、蒸發量大等惡劣的自然條件加之人類不合理的開發利用活動，導致生態環境問題十分嚴峻[3]。因此本文系統整理和總結國內石羊河流域水資源開發利用對生態環境影響的相關研究進展，并探討目前該領域研究的不足與展望，旨在為石羊河流域水資源可持續開發利用提供有益的借鑒[4]。

1 現狀研究

1.1 徑流量模擬和預測

隨著石羊河流域氣候變暖，徑流也發生了相應的變化，學者對此進行了大量的研究。灰色關聯分析、分布式水文模型、Mann—Kendall與Mornet小波變換等數學模擬得到了應用，效果明顯。比如，馬宏偉等[5]以雜木河為代表，采用50a的數據建立了徑流和氣候之間的多元回歸模型，并用灰色關聯分析要素和徑流之間的相關度；李舟等[6]構建整個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關系，使融雪過程的計算得到了細化，更加貼近實際；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環境問題；馬嵐等[8]利用重新標度極差分析法，對紅崖山水庫入庫徑流系列進行了分析，研究結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的徑流量進行周期分析，結果表明總體呈現平穩波動走勢，對工農業生產和生態建設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鍵因子，在一定的限制條件下，通過不同模型分析和預測特定區域水資源合理利用方案有著重大的現實意義。蘇永紅[10]應用模糊綜合評判方法探討了石羊河流域水資源的開發潛力，結果認為該區域水資源開發程度接近于飽和值，承載力相當脆弱，并對區域水管理提出了三點對策；趙建世[11]利用雙要素水資源承載能力計算模型分別對現狀和未來水資源能力進行分析和預測，認為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]運用系統動力學方法建立水資源承載力系統動力學模型，并設計了4種方案，其中以方案三的農業節水力度，通過水資源承載力系統動力學模型反算規劃年水資源承載力的灌溉面積等數據。結果認為2010年可承載總人口184.81萬人，工業增加值40.91億元，水澆地灌溉面積10.20萬hm2，實際中難以實現，近期仍然需要開采地下水來維持社會經濟的發展；2020年可承載總人口202.11萬人，工業增加值85.74億元，水澆地灌溉面積13.88萬hm2，此時生態環境將得到有效的改善。

1.3 生態環境效應研究

水資源開發利用所引起的生態環境問題在國內已經進行了大量的研究。具體體現在降水、蒸發、地下水、排灌、城市等對生態環境的影響。比如，陳賀等[13]以數字高程模型為出發點描述了地形因素對降水分布影響的研究；任建民等[14]在人類活動對內陸河石羊河流流域水資源轉化的影響中分析了人類盲目擴大灌溉面積而引起水資源過度利用，導致生態環境惡化的情況；李寶興[15]闡述了地下水資源過度開發引發的生態環境問題；錢云平[16]分析了石羊河流域水循環模式的改變對生態環境造成的影響；魏曉妹等[17]分析了綠洲農業對水資源的開發利用引發的生態環境問題；蘇國波[18]分析了機井數量過多，地下水開采過度引起了一系列的環境問題；周建[19]分析了城市規模的擴大對生態環境造成的影響。由于石羊河流域水資源的開發利用一般經歷了“先開發地表水、后開發地下水，先開發農業用水，后開發工業和城市用水，因此農業和地下水開采等對生態環境造成的影響越來越受到學者的關注。

1.4 過程模擬與情景預測研究

目前，學者不單是簡單的研究水資源開發引起的生態環境影響，而是開始運用計算機模擬方法進一步探討水資源和生態環境之間的耦合關系，以期為水資源的可持續利用政策制定提供技術支持。該領域已經取得了一些進展。比如，喬平林等[20]利用GIS、RS技術建立了水資源定量反演模型，分析了石羊河水資源動態演化的規律；王琪等[21]運用計算模型技術分析了地下水地球化學特征；李元紅等[22]以民勤為例，將水資源調度管理模型與FEFLOW 5.4模型進行耦合，通過地下水預測各方案對地下水位和生態環境的影響，評價了調度方案的準確性；劉杰等[23]介紹了石羊河流域水資源管理信息系統建立的必要性和初步設計方案；石敏俊等[24]構建了基于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化方案和實現途徑；呂勝利等[25]應用系統動力學模型，以武威平原區為例，根據水資源阿赫經濟兩個亞系統相互作用形成了一個更大的系統，定量分析了經濟系統和水資源系統之間的相互作用機制及動態變化關系。但是，實際中水資源與生態環境之間的相互作用關系及其復雜，通過墨跡和情景預測來動態預測水資源開發利用對生態環境的影響仍然困難重重，有待于進一步探索。

2 驅動機制研究

在石羊河流域出現土壤污染、地下水位下降、土壤沙漠化等一系列生態問題后，學者們在對石羊河流生態環境變化進行動態研究的基礎上，主要從區域氣候變化及人類活動對水資源開發兩個方面對生態環境的驅動機制進行了研究。目前大部分學者認為人類活動是導致生態環境惡化的主要因素，因此加強了水資源開發對生態驅動機制的研究，主要包括以下幾個方面：

（1）水資源過度開發對生態環境的影響機制。主要是從基于地表水與地下水之間的關系、水循環模式、水資源供需平衡、人類—徑流—生態環境間的相互關系、生態風險等層面出發，討論水資源過度開發對生態環境的不利影響。比如錢云平[16]等闡述了人類活動對水循環模式的不利影響，使以前的地表水—地下水復雜轉換模式轉變為地表水—地下水的單一模式，并探討了由此引起的生態環境和水資源危機問題；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，從生態風險的角度分析了水資源短缺的各方面原因；寧立波等[27]指出過低的水價是造成用水效率低下、水資源浪費的主要原因；魏曉妹等[17]分析了人類活動對地表水、地下水轉換關系的影響；王乃昂等[28]分析了氣候與人類活動間的關系影響；王寶鑒等[29]闡述了人類—徑流—生態環境間的相互關系，從宏觀系統的角度研究了石羊河流域短缺的根本原因，推動了驅動機制的快速發展。

（2）水資源開發對生態環境修復的影響機制。由于以前學者更多關心的是石羊河流域水資源與生態環境的影響因素分析，所以闡述生態環境修復的研究就比較少。隨著利用水資源技術手段的提高，部分區域已經得到了一定的恢復，于是學者開始重視生態環境的修復問題。比如，顧自福[30]提出了應加大對石羊河上游環境恢復建設的投入力度，并提出了修復生態建設的對策；馬金寶等[31]提出了運用農業技術恢復重建喬、灌、草復合植被群落，提高林草覆蓋度，提高生態服務功能的建議；唐國璽[32]分析了石羊河流域水資源緊缺、生態惡劣、修復生態任務的艱巨性，并提出了解決環境問題的主要措施；竇明等[33]運用模型模擬出方案實施后地下水位的變化過程，進而分析節水措施對地下水恢復的效果。但是目前人們主要集中精力研究水資源過度開發利用區的影響機制問題，對未開發利用區研究甚少，應加大從微觀、中觀、宏觀層面量化人口、生態、環境系統及其各要素之間相互影響機制問題的研究。

3 響應對策研究

在對石羊河流域水資源開發利用引起的生態效應、水資源對生態環境影響機制、水資源承載力研究，以及水資源過程模擬和情景預測研究之后，人們最終關心的是如何制定合理的對策來環境水資源開發對生態環境的影響，如何從數量和質量上來保障生態和生活用水問題。目前眾多學者已經從節水社會建設、政策、市場、制度等角度提出了水資源開發利用對生態環境影響的響應對策，研究的進展主要分為以下幾個方面：

（1）強調流域水資源通過立法、制度的建設。雖然人們可以通過跨流域調水、修建溝渠等一系列措施調節水資源在空間的分布不均問題，但是實踐證明以有限的水資源供給來滿足無限的用水增長需求，這樣只能導致社會經濟的擴張帶來更大的生態破壞和水資源污染問題，因此人們認識到水資源管理制度的重要。馬平[34]在談農業法律措施對加快石羊河流域生態發展的影響中強調農業法律措施的調整，比如包括水費征收制度調整、農業灌溉方式制度的制定等；杜群[35]認為應從建立資源可持續利用承載力的法律體系、改革水資源管理制度、加強對荒地的行政管理、建立跨部門協調制度等幾方面增強綜合決策能力，他們都強調水資源管理制度的改革。從目前實踐來看，雖然給水資源流域綜合管理提出了一種新觀點，但是同樣也面臨著許多挑戰。尤其是關系到干旱區生態系統健康的生態用水補償制度及中水利用制度，有待于進一步研究。

（2）強調技術手段的運用。提高水資源利用率的技術層面的措施，包括調整產業結構、加強工程建設等。比如齊典輝[36]認為應該加強黃羊灌區灌水技術的提高，提高水資源利用率；王雄師[37]認為為了確保水資源最大限度地應用于生活、生產和生態，必須合理確定產業結構的調整方向；蘇國波[18]在石羊河流域機井工程建設管理存在的問題與對策中分析了加強機井建設管理對開采地下水有著重要的經濟、社會效益；苗慧珊[38]選取榆樹、刺槐為研究對象進行造林，以蓄水滲膜材料處理作為試驗組，進行試驗，結果表明蓄水滲膜具有顯著的節水增效作用，為石羊河水資源綜合治理探索了一條新的途徑。但實踐證明，人類簡單通過水利建設和供水技術來改善水資源管理，只能導致社會經濟系統在擴張型道路上越走越遠，這樣又帶來了新的水環境污染與生態破壞，它要求將流域上、中、下游作為一個有機整體，在保持生態系統完整的前提下，綜合考慮水資源的供給與需求。

（3）強調節水型社會的建設。石羊河流域經濟發展水平很低，大部分地區農業用水比重較大。效益較低，發展循環經濟、推行綠色生產，轉變經濟增長方式是解決石羊河流域生態環境問題和實現可持續發展的重要途徑。其中，節水型社會的建設是當前實踐中的重點。節水型社會要求現有水資源使用量不斷增加，維持并不斷改善水環境質量的前提下，保證生產生活用水，提高水資源的利用率，實現經濟、社會的可持續發展。2002年甘肅省張掖市成為全國第一個建設節水型社會的試點建設區，并在運轉過程中取得了明顯的效果。許多學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業用水的現狀和建設節水型農業的必要性，從工程節水、管理節水等方面提出了農業節水應采取的措施；2000年錢云平、楊東[40]在涼州區節水增效項目的示范效益中分析了節水措施對社會、經濟的效益問題。但是節水型試點在實踐中仍然存在著許多困難，有待于進一步的實踐和研究。

4 小結與展望

綜上所述，水資源作為石羊河流域社會經濟環境的主要影響因子，在近50a來受到研究者的廣泛關注，并在徑流量模擬和預測、承載力研究、生態環境效應研究、過程模擬與情景預測研究、驅動機制研究、響應對策研究方面獲得了一定進展，為石羊河流域水資源的可持續發展提供了科學依據。

從水資源研究方法層面分析，2010年段春青[41]等人在區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“社會經濟—水資源—生態環境”復合系統的角度，提出了基于現代進化算法思想的水資源承載力計算思路，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。

從水資源研究內容層面分析，通過統計、描述或GIS等手段對石羊河流域水資源開發利用所引起的生態環境問題研究相對較多，對水資源及生態環境相互關系的影響機制、水資源承載力、水量變化與生態環境間定量關系等研究較少，再加上關于水資源開發利用中的研究方法和標準完全不一致，導致水資源的開發利用對生態環境的影響程度等問題如何將難以進行動態的過程模擬和情景預測。應利用GIS、RS、ANNs等先進的技術手段，對石羊河流域水資源與生態環境系統及其內部各要素之間的關系變化進行動態的模擬和情景預測，從微觀、中觀、宏觀層面量化人口—生態—環境系統及其各要素之間的相互作用機制問題，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、內部結構性管理和社會管理4個層次，從理論角度分析了社會化管理與水資源恢復重建的關系。認為西部區除青海外水資源開發利用超過了40%國際警戒線的標準，應逐步應用虛擬水解決區域糧食和農產品供應，平衡水資源利用赤字，將節約剩下的水轉向低耗水高效益產業，逐步增加農民收入渠道，將是石羊河流域水資源可持續發展的理論解析化的有益嘗試。筆者認為，在保證石羊河流域經濟快速發展的同時，應加強水污染問題的相關研究，以保護有限且缺乏的水資源，從而實現石羊河流域水資源的可持續發展。

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