我國年供水量基本維持在5600億m3,必須保證1.2億hm2耕地的用水需求,滿足16億人口的食物和飲水安全,農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水比重基本維持在7:2:1的水平,其發(fā)展態(tài)勢為農(nóng)業(yè)用水的比重逐漸降低,而工業(yè)、生活用水比重逐漸增加,2030年農(nóng)業(yè)用水比重有望降低到60%。(吳普特2003)。在工業(yè)化、城市化的進程中對水的競爭使用,一般形成城市用水和工業(yè)用水?dāng)D占農(nóng)業(yè)用水,農(nóng)業(yè)用水又?jǐn)D占生態(tài)環(huán)境用水的格局,造成自然植被衰退、森林草原退化、土地沙化、水土流失、灌區(qū)次生鹽堿化、地表地下水體污染等一系列嚴(yán)重的生態(tài)后果,使得有效水資源量減少,水資源短缺更加嚴(yán)重,不僅使國民經(jīng)濟遭受了重大損失,并已嚴(yán)重威脅到人類的生存環(huán)境,引起了全世界的廣泛關(guān)注,這是各大流域用水不合理造成的地下水位下降所導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象,成為學(xué)術(shù)界研究的熱點問題。

 

  1生態(tài)地下水位的概念

 

  西北地區(qū)年降水一般為150~400mm,地帶性植被為荒漠植被,而對生態(tài)環(huán)境起主要作用的是地下水維持的非地帶性中生和中旱生植被。在西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中,天然降水無法滿足非地帶性中生植被或旱生植被的生存,這些植被的生存和生長還需要地下水的補充。因此,保持地下水埋深的動態(tài)平衡成為維持非地帶性中旱生植被穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

 

  影響植物生長的主要因素是土壤鹽分和水分,兩者都與地下水位高低有關(guān),當(dāng)?shù)叵滤贿^高時,溶于地下水中的鹽分受蒸發(fā)影響就會在土壤表層聚積導(dǎo)致鹽漬化,不利于植物的生長。當(dāng)?shù)叵滤贿^低時,地下水不能通過毛管上升到植物可吸收收利用的程度,導(dǎo)致土壤干化、植被衰敗,發(fā)生土地荒漠化。

 

  趙文智(2002)根據(jù)對黑河流域生態(tài)需水和生態(tài)地下水位的研究,給出了生態(tài)地下水位的定義是:由于植物根系和耐鹽特征的差異,地下水位太低時導(dǎo)致根系達不到汲水深度而枯死,地下水位太高時又由于強烈蒸發(fā)使土壤含鹽量過高而引起植物逐漸死亡,因此植物生長有各自的適宜地下水埋深,在一定的氣候條件特別是降水條件下,維持某種植物群落壯齡階段穩(wěn)定生長而不使優(yōu)勢植物生境被其他植物占據(jù)的某一范圍的地下水埋深稱為某種群落生態(tài)地下水位 。

 

  張長春和孫才志等人對華北平原和遼河平原研究的地下水生態(tài)水位 概念為:地下水生態(tài)水位是指能夠充分發(fā)揮地下水對生態(tài)環(huán)境的控制作用,即滿足生態(tài)環(huán)境要求、不造成生態(tài)環(huán)境惡化的地下水位。它是由一系列滿足生態(tài)環(huán)境要求的地下水水位構(gòu)成,是一個隨時空變化的函數(shù)。地下水生態(tài)水位主要受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形、地貌和植被條件的影響。謝新民等(2007)研究提出了地下水控制性關(guān)鍵水位和閾值的概念,并對西北、華北、沿海地區(qū)進行了研究。綜上所述,作者認(rèn)為:生態(tài)地下水位的概念簡潔、明確,針對西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題研究荒漠化植被與地下水位關(guān)系定位準(zhǔn)確、應(yīng)用效果較好,謝新民等研究提出的地下水控制性關(guān)鍵水位 和閾值 概念,增強了定量化理解生態(tài)地下水位概念的程度,總體考慮,應(yīng)結(jié)合地下水可持續(xù)開采量進行水資源綜合管理研究。

 

  2生態(tài)地下水位研究進展

 

  在我國學(xué)術(shù)界有關(guān)塔里木河、石羊河、黑河流域、毛烏素沙地和科爾沁沙地等地區(qū)的植被與地下水關(guān)系的研究做了大量的研究工作,生態(tài)地下水位在實際應(yīng)用中是根據(jù)多年觀測的資料,通過數(shù)理統(tǒng)計等方法確定這一范圍,建立了諸多模型描述植被與地下水的關(guān)系[11-28]。生態(tài)地下水位的確定目前主要根據(jù)不同地下水埋深植物種群出現(xiàn)的頻率,結(jié)合種群的生長狀況進行綜合評判。常用的是將某種群出現(xiàn)的頻率與對應(yīng)的地下水位進行高斯模型模擬,然后找出種群頻率最大值對應(yīng)的水位埋深區(qū)間進行確定。王芳等(2002)應(yīng)用高斯模型模擬的塔里木盆地胡楊、檉柳、蘆葦、甘草、羅布麻、駱駝刺等種群分布頻率最大值對應(yīng)的地下水埋深分別為3.2,3.7,1.9,2.7,2.9,3.4m。劉亞傳等(1992)在民勤的試驗表明臨界地下水埋深在3m左右比較合適。王讓會(2001)將新疆地下水埋深小于1.0m或具有季節(jié)性地表積水界定為沼澤化水位,地下水介于1~2.5m界定為鹽漬化水位,地下水介于2~4.5m界定為適宜地下水位,4~6m警戒地下水位,>6m沙漠化地下水位,將塔里木盆地合理生態(tài)水位界定在2~4m。張麗(2004)對黑河流域植物生長與地下水位的關(guān)系建立了對數(shù)正態(tài)分布模型,研究了胡楊、怪柳、蘆葦、羅布麻、甘草、駱駝刺的地下水位埋深和生長狀況的關(guān)系。任杰等(2006)在毛烏素沙地應(yīng)用SWAP模型對蘆葦和賴草的地下水位埋深與植被生長狀況進行了研究。馬龍等(2007)根據(jù)科爾沁沙地植被生態(tài)型及典型樣帶調(diào)查試驗資料,系統(tǒng)分析了植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤含水率的定量關(guān)系:濕生、中生、中旱生和旱生植物地下水位埋深的變化范圍分別為0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45 m;植物根系土壤表層含水率的變化范圍分別為2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%。

 

  值得指出的是,在塔里木河流域檉柳群落最適生境是在地下水位2~4m的范圍,但在石羊河下游檉柳生長的最適地下水位為8~10m,這可能與兩地的降水量差別,以及檉柳吸收的水分來源及其比例差別有關(guān)。所以植物與地下水關(guān)系模型具有明顯的地域性?？傊?這些模型可描述植物組成與土壤水分條件之間的相互關(guān)系,并能預(yù)測植物種間的競爭狀況。不過,任何模型的模擬值并不比模型所依據(jù)的數(shù)據(jù)和假定好多少。上述研究建立了生態(tài)地下水位基本概念框架,并據(jù)此確定了一些典型荒漠植物的生長與地下水位的關(guān)系模型,但這些研究都受測試手段的限制,特別是數(shù)據(jù)重復(fù)較少極大地降低了模型的可信度,所以目前的成果僅僅停留在半定量描述階段。植物與地下水位的關(guān)系不僅難以查明,而且二者的關(guān)系因受其他因素的影響也很容易改變。因此,眾多的研究者從最適條件或可忍耐條件方面描述植物個體或群落適宜水分狀況時,往往顯得猶豫不決。王嵩等認(rèn)為地下水生態(tài)環(huán)境指標(biāo)是指與生態(tài)環(huán)境狀況密切聯(lián)系的地下水和與地下水有關(guān)的各種臨界指標(biāo)的總稱,如土壤含水量、土壤含鹽量、潛水礦化度、地下水位臨界埋深、潛水蒸發(fā)極限深度等。指出這些生態(tài)環(huán)境指標(biāo)在不同區(qū)域是不一樣的,應(yīng)根據(jù)各地的實際情況確定相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)閾值。

 

  3地下水可持續(xù)開采量的概念和進展

 

  1915年Lee提出允許開采量(safeyield)的概念后,經(jīng)Meinzer(1923)、Conkling(1946)、Banks(1953)、Suter(1959)、Zeizel(1962)等人的補充與完善,形成了較完整的現(xiàn)代意義上的允許開采量,即在經(jīng)濟、合法、不破壞原來水質(zhì)、不產(chǎn)生不良環(huán)境后果的前提下,可以從地下水系統(tǒng)中開采的水量。自此,允許開采量的概念逐漸為世界各國所接受和普遍使用,已成為國家和地方政府制定地下水資源開發(fā)管理政策的重要依據(jù)。然而,目前在全球范圍內(nèi)地下水資源減少、地下水環(huán)境不斷惡化的嚴(yán)峻形勢也使人們越來越清晰地認(rèn)識到了允許開采量存在的諸多不足,忽視了依賴于地下水的生態(tài)系統(tǒng)、忽視了自然排泄的作用、忽視了變化的環(huán)境條件對它的反作用等等。同時,可持續(xù)發(fā)展理論已為允許開采量概念的發(fā)展開拓了新的空間。因此,以Sophocleous等為代表的學(xué)者提出,為擺脫長期以來允許開采量所面臨的困境,同時為充分反映可持續(xù)發(fā)展理論對允許開采量階段性的發(fā)展作用,用可持續(xù)開采量(sustainableyield)代替了允許開采量。

 

  在1987年袁生祿發(fā)表的民勤沙漠綠洲地下水生態(tài)可開采量初步研究 一文,對科學(xué)認(rèn)識干旱區(qū)的地下水,防止過量開采導(dǎo)致綠洲沙漠化,從定性到定量,從理論到實踐作了研究,提出了建設(shè)性的意見和建議,是國內(nèi)較早提出生態(tài)環(huán)境與地下水開采量關(guān)系研究的學(xué)者,定義地下水生態(tài)開采量為不影響生態(tài)平衡的條件下人類可以開發(fā)的水利資源量 。國內(nèi)許多研究機構(gòu)和學(xué)者對地下水資源的合理利用和管理問題進行了較深入的研究。王金生等(2006)認(rèn)為:可持續(xù)開采量的 概念為:在優(yōu)先滿足環(huán)境需水及經(jīng)濟、合法、不破壞原來水質(zhì)、不產(chǎn)生不良環(huán)境后果的條件前提下,以地下水及其環(huán)境系統(tǒng)達新的平衡為標(biāo)志,可以從地下水系統(tǒng)中開采的可更新水量:它具有動態(tài)性、不確定性和系統(tǒng)性的特點。

 

  我國自1998年第一部水法#頒布后,各級水利部門加大了對地下水資源管理和監(jiān)督力度,尤其是?取水許可制度#、?建設(shè)項目水資源論證#制度的實施和地下水保護行動計劃的啟動使得我國地下水資源的管理工作可以有法可依、有據(jù)可查,地下水超采不斷惡化的趨勢得到及時遏制,但對地下水的量化管理、監(jiān)控管理和透明管理還有較大差距。原因主要包括兩個方面:一是對地下水開采量的控制不合理,超量開采導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降;二是沒有建立起地下水控制性關(guān)鍵水位的監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報、管理等一整套制度。因此,加強對地下水的監(jiān)控管理,由過去對可開采量的管理轉(zhuǎn)移到對可開采量和地下水位的雙重管理、由面上宏觀管理轉(zhuǎn)移到面上宏觀和控制性關(guān)鍵水位管理相結(jié)合的立體管理勢在必行。

 

  4生態(tài)地下水管理閾值指標(biāo)體系框架

 

  生態(tài)系統(tǒng)管理 的核心為整個系統(tǒng)多個目標(biāo)的管理,而不僅僅局限于單個資源的商品生產(chǎn)。這一思想在20世紀(jì)30年代起源于美國和加拿大等發(fā)達國家,對自然資源管理產(chǎn)生了深刻的影響。它要求人類重新審視自己的管理行為,必須合理利用可再生資源,特別是生物資源和水資源。生態(tài)系統(tǒng)管理概念的提出是科學(xué)家對全球規(guī)模的生態(tài)、環(huán)境和資源危機的一種響應(yīng),它作為生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)和資源科學(xué)的復(fù)合領(lǐng)域,自然科學(xué)、人文科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的新型交叉領(lǐng)域,不僅具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵而且具有迫切的社會需求和廣闊的應(yīng)用前景,主要的科學(xué)挑戰(zhàn)就是如何確定閾值 水平,讓決策者和公眾了解它的價值和重要性。作者提出水管理閾值的概念,其研究目標(biāo)是按 流域或地區(qū)量水而行,以水定發(fā)展,協(xié)調(diào)好生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水的關(guān)系,將農(nóng)業(yè)、工業(yè)的結(jié)構(gòu)布局和城市人口的發(fā)展規(guī)?？刂圃谫Y源承載能力范圍之內(nèi),打造與當(dāng)?shù)刭Y源稟賦相適應(yīng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟發(fā)展模式。

 

  PavlikakisGE(2000)等學(xué)者將生態(tài)系統(tǒng)管理的概念引入到水資源管理中,這一新的理論思維在水資源管理中得到了應(yīng)用與發(fā)展,我國許多學(xué)者也開展了相關(guān)的研究工作。水管理閾值的概念是在地下水可持續(xù)開采量概念的基礎(chǔ)上更加注重生態(tài)系統(tǒng)管理方面的可控性和目標(biāo)管理,針對水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境管理提出的,其內(nèi)涵是:?研究對象為流域或地區(qū),甚至一個國家,應(yīng)將整個系統(tǒng)作為一個整體,在整體中研究其水管理閾值水平。%可持續(xù)發(fā)展理論和生態(tài)系統(tǒng)管理方法是確定水管理閾值的指導(dǎo)理念。&針對不同的區(qū)域,水管理閾值具有不同的理解和標(biāo)準(zhǔn)及研究確定方法,某種程度上閾值水平由人們對資源的需求決定。?不能只見樹木,不見森林,水管理閾值更加注重管理方面的可操作性(可控性),對其評估應(yīng)變成一種范圍估計。(水管理閾值強調(diào)在點 的概念或規(guī)律明確的情況下,可實現(xiàn)對區(qū)域 的控制和管理,可進一步擴展為對面 的指導(dǎo),其特征是強調(diào)研究對象區(qū)域化、指標(biāo)定量化、管理制度化。區(qū)域地下水管理閾值指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)見圖1。

 

  從水資源系統(tǒng)管理和生態(tài)系統(tǒng)管理理論角度看,關(guān)于生

 

  態(tài)地下水位和地下水可持續(xù)開采量的研究可歸納為水管理閾值研究的范疇。馮紹元等建立了干旱內(nèi)陸區(qū)自然-人工條件下地下水位動態(tài)的ANN模型,模擬了不同灌溉發(fā)展面積及地表來水條件下地下水位動態(tài)。研究結(jié)果可應(yīng)用于該地區(qū)地下水系統(tǒng)的管理。朝倫巴根等用響應(yīng)矩陣法建立了確定地下水資源可持續(xù)利用決策的非線性多目標(biāo)模型,用排序的表現(xiàn)矩陣度量可行解對所有目標(biāo)總體表現(xiàn)優(yōu)劣程度的向量比較多目標(biāo)遺傳算法求解模型,得出人工草地牧草最佳種植結(jié)構(gòu)方案和地下水資源可持續(xù)利用決策方案。屈忠義等應(yīng)用不同的ANN-BP網(wǎng)絡(luò)模型對灌區(qū)年、月地下水埋深的變化進行了模擬,預(yù)測了黃河河套灌區(qū)節(jié)水工程實施后未來灌區(qū)年平均地下水位下降的情況。作者應(yīng)用水-草-畜 系統(tǒng)平衡原理和優(yōu)化決策數(shù)學(xué)模型,研究分析了毛烏素沙地鄂托克前旗牧區(qū)(面積12318km2)在人工種植冷季補飼型階段和暖季放牧冷季舍飼型階段的水資源開發(fā)利用率、可持續(xù)載畜量和所需灌溉飼草料基地發(fā)展規(guī)模及綜合效益指標(biāo),提出了以水利建設(shè)為基礎(chǔ)的草地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)管理的閾限值和水管理閾值水平。綜上所述,以地下水的可持續(xù)開采量作為水管理閾值水平的控制指標(biāo),同時也可保持地下水位在生態(tài)地下水位的閾限值內(nèi)波動,在生產(chǎn)實踐中控制地下水開采量的可控性較強。通過在點和區(qū)域 方面進行的定量化的研究應(yīng)用,可以進一步理解這一概念的內(nèi)涵)))管理的可控性問題:點 和區(qū)域 的定量化研究成果應(yīng)用在實踐中管理的可控性較好。

 

  5結(jié)語

 

  針對各流域生態(tài)系統(tǒng)中地下水位下降、天然綠洲衰亡、水土流失等生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象,應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)管理理論和方法,提出了水管理閾值的概念,應(yīng)以地區(qū)或流域研究建立點和區(qū)域 結(jié)合的水管理閾值指標(biāo)體系,對關(guān)鍵性控制指標(biāo)-生態(tài)地下水位和可持續(xù)開采量及其相互關(guān)系進行定量化研究,提出適宜的管理閾限值,進行綜合性制度化管理。政府管理部門的決策水平和民眾的認(rèn)知程度是改善和修復(fù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素,也正是可持續(xù)發(fā)展理論和生態(tài)系統(tǒng)管理方法所倡導(dǎo)的核心所在。