西北內(nèi)陸河流域水循環(huán)和生態(tài)演變與功能保障機(jī)制研究

陳 喜，黃日超，黃 峰，劉秀強(qiáng)，張陽(yáng)陽(yáng)，張潤(rùn)潤(rùn)

（1.天津大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院, 天津 300072；2.天津大學(xué)表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院, 天津, 300072；3.天津市環(huán)渤海關(guān)鍵帶科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072；4.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098）

西北內(nèi)陸河流域深居歐亞大陸腹地，地域遼闊，總面積為2.51×106km2，約占全國(guó)土地面積的26%，是我國(guó)水資源短缺最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是生態(tài)極端脆弱區(qū)之一[1]。內(nèi)陸河流域四周被高山、高原所圍繞，形成了干旱地帶獨(dú)特的水循環(huán)系統(tǒng)，降水、地表徑流和地下水具有顯著的地帶性分異規(guī)律，呈現(xiàn)為上游山區(qū)徑流形成區(qū)、山前平原地表水與地下水轉(zhuǎn)化區(qū)以及中下游綠洲平原水源消耗區(qū)[2-4]（圖1）。

圖1 內(nèi)陸河流域上、中、下游面臨的問(wèn)題概化圖Fig.1 Generalized map of the problems faced by the upper, middle and lower reaches of an inland river basin

西北內(nèi)陸河流域上游均為高大山區(qū)，如昆侖山、天山、阿爾泰山、祁連山等，氣象、水文、植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分帶明顯。海拔4 000 m 以上的高山帶發(fā)育有冰川，降水充沛，形成降水徑流和季節(jié)性積雪、冰川融水徑流；高海拔至低海拔的山前地帶分布高山草甸帶、亞高山草甸帶、山前森林帶、山地草原帶、溝谷草甸帶以及山前荒漠草原帶，由此形成獨(dú)特的生態(tài)水文分帶特征[5]。近百年來(lái)，氣候和人類活動(dòng)發(fā)生了顯著變化。氣溫的不斷升高導(dǎo)致冰川融化加速、冰川退縮，在冰川融雪補(bǔ)給徑流比例較大的流域徑流顯著增加[6]，而冰川退縮和消失也可導(dǎo)致山區(qū)失去冰川融水的補(bǔ)給作用；降水在20世紀(jì)90年代由偏枯向偏豐轉(zhuǎn)變，至20世紀(jì)90年代河流出山口徑流量總體呈現(xiàn)下降后再上升的V 型變化[7]。在氣候變化和植樹(shù)造林等生態(tài)恢復(fù)措施下，21世紀(jì)以來(lái)，植被由退化向顯著恢復(fù)轉(zhuǎn)變，由此植被蒸騰增加，產(chǎn)水量降低，進(jìn)而影響中下游可利用水資源量。由于山區(qū)氣候-下墊面（冰雪、凍土、寒漠、草地、森林等）-水文（蒸散發(fā)、徑流等）變化十分復(fù)雜且存在互饋關(guān)系，雖然不同學(xué)科對(duì)氣候、生態(tài)和水文演變做了大量研究，但仍缺乏對(duì)高山區(qū)“氣候-下墊面（植被、土壤等）-水文”的互饋機(jī)理及其演變的水資源效應(yīng)研究。

從內(nèi)陸河出山口至中下游荒漠邊緣，分布有人工綠洲、內(nèi)陸河平原沿河岸形成的非地帶性生態(tài)群落；在非地帶性的綠洲生態(tài)與地帶性的荒漠生態(tài)之間的過(guò)渡帶，植被以中、低蓋度草地為主；在盆地中心、河流尾閭部位通常分布尾閭湖，具有涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙等功能。因此，西北內(nèi)陸河中下游是一個(gè)集人工綠洲、草地、林地、湖泊濕地的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[8-9]。由于降水稀少，中下游生態(tài)系統(tǒng)依賴上游山前潛流和河流輸送補(bǔ)給的地下水維持其結(jié)構(gòu)和功能，稱之為依賴地下水的陸面生態(tài)系統(tǒng)（Groundwater Dependent Terrestrial Ecosystems, GDTEs）[10]，且GDTEs 受強(qiáng)烈的人類活動(dòng)影響。例如，在無(wú)人類干擾或干擾程度小的自然狀態(tài)下，上游山區(qū)來(lái)水入滲形成范圍較大的地下潛流帶，潛流帶GDTEs 可維持高覆蓋的植被（自然綠洲）；遠(yuǎn)離潛流帶，隨著地下水水位逐漸下降，GDTEs 功能逐漸降低，形成中低覆蓋且以耐旱性強(qiáng)的荒漠植被為主的荒漠過(guò)渡帶。由此GDTEs 形成自然生態(tài)保護(hù)屏障。但在經(jīng)歷長(zhǎng)期氣候干化、人工綠洲擴(kuò)張，地下水超采形成區(qū)域降落漏斗，GDTEs 維持的自然綠洲和過(guò)渡帶逐步消失，生態(tài)系統(tǒng)退變初期呈現(xiàn)以植被覆蓋度降低為標(biāo)志的“漸變”，逐步向以植被群落退化為標(biāo)志的“質(zhì)變”和沙漠化等災(zāi)害的“災(zāi)變”轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題（圖2）。同時(shí)綠洲擴(kuò)張和灌溉改變了原有土壤鹽分平衡，局部地區(qū)土壤次生鹽堿化[11]。因此從生態(tài)水文視角以及水資源管理需求，GDTEs 研究涉及“大氣-植被-土壤-地下水”的互饋關(guān)系以及GDTEs指標(biāo)（如生態(tài)地下水水位）。

圖2 西北干旱區(qū)地下水水位下降導(dǎo)致的生態(tài)退變Fig.2 Ecological degradation caused by the decline in groundwater level in the arid region of northwest China

從整個(gè)流域尺度上，需要綜合考慮上游產(chǎn)水和跨流域調(diào)水與中下游耗水之間的平衡，協(xié)調(diào)生態(tài)-水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系；受強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響的中下游GDTEs 還涉及含水層采補(bǔ)平衡和地表水與地下水資源量調(diào)控方式（圖1）。21世紀(jì)以來(lái)，西北內(nèi)陸河流域水資源管理實(shí)踐取得顯著成效。生態(tài)調(diào)水工程、節(jié)水、地下水壓采等水資源管理措施以及退耕還林的實(shí)施，水資源格局、地下水動(dòng)態(tài)和生態(tài)環(huán)境狀態(tài)發(fā)生新的變化，植被覆蓋率增加顯著，綠洲地下水水位下降趨勢(shì)得以遏制，尾閭湖水面增加[12-13]。但由于西北地區(qū)降水量稀少，水資源短缺，生產(chǎn)用水與生態(tài)用水之間矛盾長(zhǎng)期存在，大范圍恢復(fù)地下水水位難度極大，植被恢復(fù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及演變趨勢(shì)仍不明確。

為此，本文基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“我國(guó)西部特殊地貌區(qū)地下水開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)功能保護(hù)”課題1 研究成果（2017YFC0406101），針對(duì)內(nèi)陸河流域上、中、下游水循環(huán)與生態(tài)退化的歷史演變以及新形勢(shì)下面臨的問(wèn)題，從“大氣-植被-土壤-地下水”的作用機(jī)理以及水資源與生態(tài)、社會(huì)相協(xié)調(diào)的機(jī)制和平衡分析，系統(tǒng)總結(jié)相關(guān)研究方法和成果，并以石羊河流域等為例加以剖析和定量分析，預(yù)測(cè)氣候暖濕背景下上游植被和水文演變趨勢(shì)，提出中下游維持綠洲植被的生態(tài)地下水水位埋深、生態(tài)需水量和生態(tài)輸水方案，以及整個(gè)流域水均衡和生態(tài)功能保障措施。

1 西北內(nèi)陸河流域水循環(huán)和生態(tài)演變

1.1 上游山區(qū)大氣-植被-水文互饋機(jī)理及徑流演變預(yù)測(cè)

流域內(nèi)不同下墊面之間水分在土壤-植被-大氣之間的循環(huán)過(guò)程機(jī)制及其在水文過(guò)程中作用的定量研究面臨諸多挑戰(zhàn)[14]。在干旱缺水的西北地區(qū)，其關(guān)注重點(diǎn)是上述要素演變對(duì)徑流演變的影響。目前研究大多采用歷史統(tǒng)計(jì)分析方法或水文模型分析氣候和下墊面變化對(duì)徑流的影響。如根據(jù)降水-徑流關(guān)系，得出西北地區(qū)氣候暖濕化背景下出山徑流量與降水變化趨勢(shì)較為一致[15]；基于觀測(cè)資料和水平衡模型解析干旱區(qū)內(nèi)陸河植被變化對(duì)產(chǎn)流影響[16-17]，總體來(lái)看，草地對(duì)山區(qū)徑流的貢獻(xiàn)較森林要大得多[14]。

以往氣候-水文-植被動(dòng)態(tài)研究大都孤立其中某些過(guò)程或要素進(jìn)行分析。例如，采用水文模型量化氣候和植被對(duì)徑流影響，研究中植被參數(shù)設(shè)置為靜態(tài)或根據(jù)遙感數(shù)據(jù)等得出歷史植被動(dòng)態(tài)指數(shù)作為模型輸入或狀態(tài)變量。但該研究方法不足以反映氣候-水文-植被動(dòng)態(tài)之間相互作用機(jī)制[18-20]。丁永建等[14]研究表明，植被的蒸散可增強(qiáng)山區(qū)不同水文單元內(nèi)的循環(huán)及不同水文單元之間的水汽輸送和交換。同時(shí)，氣候干濕變化會(huì)通過(guò)土壤水分狀態(tài)變化影響植被動(dòng)態(tài)。

近年來(lái)，耦合大氣和陸表過(guò)程的地球系統(tǒng)模式研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[21]。在大氣-植被-水文互饋機(jī)理模型方面，基于碳水耦合機(jī)理建立的動(dòng)態(tài)植被模型（如Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model，LPJ），增強(qiáng)了水文過(guò)程與植被動(dòng)態(tài)之間的反饋及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，可應(yīng)用于綜合模擬和預(yù)測(cè)氣候變化（大氣CO2、溫度升高和降水變化）對(duì)植被動(dòng)態(tài)（如植被覆蓋率、葉面積指數(shù)等）、水文（蒸散發(fā)和徑流等）影響，并已在全球氣候變化對(duì)植被水分利用效率、植被耗水以及陸地植被碳源、碳匯等方面取得了一系列新的認(rèn)識(shí)[22-25]。此外，通過(guò)增強(qiáng)LPJ 模型中地形、水系、凍土等下墊面特征對(duì)水分、能量再分配功能，提高了該類模型對(duì)流域水文與植被動(dòng)態(tài)的模擬能力[24, 26 - 28]。

西北干旱區(qū)植被恢復(fù)和實(shí)際蒸散發(fā)量增加可能導(dǎo)致產(chǎn)水量和可利用水資源量減少，這是生態(tài)恢復(fù)措施實(shí)施十分關(guān)注的問(wèn)題。以往研究大多忽略大氣CO2濃度、氣溫升高促進(jìn)植被光合作用的同時(shí)會(huì)提高植被水分利用效率，從而能夠降低植被恢復(fù)增加的蒸騰消耗。在石羊河流域上游山區(qū)，通過(guò)優(yōu)化LPJ 模型中植被、水平衡參數(shù)，模擬和預(yù)測(cè)歷史和未來(lái)氣候變化下植被-水文演變，得出1979—2018年大氣CO2濃度升高（從0.033 53%增加到0.039 55%）、氣候暖濕趨勢(shì)下凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）顯著增加，由此實(shí)際蒸散發(fā)量E增加，但植被水分利用效率（WUE）增加更為顯著，因此，植被恢復(fù)增加的水分消耗對(duì)徑流量影響較小。在未來(lái)氣候變化（CMIP6 的3 種情景：SSP1-26、SSP2-45 和SSP5-85）條件下預(yù)測(cè)：2021—2040年氣候變化下（CO2濃度增加17.8%～23.8%、氣溫升高1.9～2.2 °C， 降水增加-0.2%～1.6%）， 植被恢復(fù)（NPP增加 14.4%～19.5%）增加的蒸散發(fā)量（4.4%～5.3%），小于WUE顯著增大（9.9%～14.3%）降低的蒸散發(fā)量， 因此徑流量R還略有增加（0.5%～4.8%）；但在2041—2060年隨著大氣CO2濃度、氣溫進(jìn)一步升高（分別增加22.3%～50%、2.3～3.6°C），即便降水增加（2.4%～4.1%），植被進(jìn)一步恢復(fù)（NPP增加32.2%～50.2%），增加的實(shí)際蒸散發(fā)量E（7%～9.0%）大于WUE增大（23.1%～38.5%）降低的蒸散發(fā)量，將可能導(dǎo)致徑流量減小2.7%～11.0%；且氣候變化導(dǎo)致上游山區(qū)NPP、E和WUE高值將隨海拔上移[29]。

高寒山區(qū)氣候-水文-植被的相互作用及其對(duì)產(chǎn)流量影響還受到冰川和積雪融化、凍土凍結(jié)和消融影響。如石羊河的西營(yíng)河子流域，冰川融水徑流補(bǔ)給較大[30]，模擬時(shí)不考慮冰川消融補(bǔ)給和凍土的影響，徑流相對(duì)誤差可以達(dá)到-21%。冰川和凍土凍融還影響植被根系層水量，進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)和蒸散發(fā)量；同時(shí)，覆被狀態(tài)變化也通過(guò)改變陸表水熱條件影響冰川和凍土凍融過(guò)程以及產(chǎn)水量。因此，在更大尺度上將氣候、土壤（凍融）、水文、植被動(dòng)態(tài)耦合是提高多要素相互作用機(jī)理認(rèn)識(shí)以及降低模型模擬和預(yù)測(cè)結(jié)果不確定性的途徑。

1.2 中下游大氣-植被-土壤-地下水作用機(jī)理及GDTEs 控制閾值

解析中下游人類活動(dòng)影響下大氣-植被-土壤-地下水協(xié)同演變的效應(yīng)，是認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境演變機(jī)理的途徑。在荒漠植被區(qū)、人工綠洲和湖泊區(qū)又可分別表述為“大氣-（荒漠）植被-土壤-地下水”、“灌溉-作物-土壤-地下水”系統(tǒng)和“湖泊-（水生、旱生）植被-地下水”系統(tǒng)。無(wú)論哪個(gè)類型系統(tǒng)，地下水都對(duì)陸表植被、作物和湖泊具有重要控制作用。為此，水資源管理部門(mén)提出了地下水水位、水量“雙控”指標(biāo)。

從GDTEs 角度，由于降水稀少，荒漠植被區(qū)“雙控”指標(biāo)取決于根系層土壤（質(zhì)地、水分和含鹽量）、植被（類型和年齡、根系伸展深度）以及地下水動(dòng)態(tài)（埋深、溶解性總固體）之間的關(guān)系，是確定維持植被生長(zhǎng)和防止土壤鹽漬化的生態(tài)地下水水位埋深的依據(jù)[31]。在人工綠洲區(qū)，由于長(zhǎng)期超采地下水形成的大范圍降落漏斗，大部分地區(qū)已失去GDTEs 功能，推進(jìn)“灌溉-作物-土壤-地下水”系統(tǒng)向“（地表水、地下水）灌溉-作物/植物-土壤”系統(tǒng)演化，這就需要確定其生態(tài)耗水量和需水量。在尾閭湖區(qū)，“湖泊-（水生、旱生）植被-地下水”系統(tǒng)從自然河流輸水演變?yōu)槿斯ど鷳B(tài)輸水下入滲水形成的湖泊周邊GDTEs 功能，由此需要確定最優(yōu)的生態(tài)輸水過(guò)程（輸水量和輸水時(shí)間）和調(diào)控方式。

西北干旱區(qū)荒漠植被的生態(tài)地下水水位埋深研究較多，主要研究方法有：直接測(cè)定法[32]、遙感解譯法[33]、同位素分析法[34]、水文模型法[35]。筆者[36]通過(guò)系統(tǒng)收集我國(guó)西北干旱、半干旱荒漠區(qū)近30年不同荒漠植被類型的地下水水位埋深、根系土壤特征和含水率以及氣象資料，采用“元分析”方法得出西北地區(qū)荒漠植被適宜和極限生態(tài)地下水水位埋深的平均值分別為2.9 m 和5.5 m，維持生態(tài)豐富度和多樣性其控制范圍分別為2.3～3.9 m 和4.0～7.2 m。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钪饾u增大時(shí)，淺根系的草本植物生長(zhǎng)首先受到脅迫，其次為深根系的灌木和喬木；且植被生長(zhǎng)狀況與地下水水位埋深變化速率有依存關(guān)系。通過(guò)分析石羊河尾閭青土湖生態(tài)輸水渠系、湖水、土壤水和地下水水化學(xué)和同位素，得出維持水生（蘆葦）和荒漠典型植被（如白刺）生長(zhǎng)的土壤含水量分別不低于20%、10%，且表土含鹽量分別不超過(guò)2 g/kg 和6 g/kg 臨界指標(biāo)；青土湖周邊適宜地下水水位埋深：水生植物為1.15～1.40 m，遠(yuǎn)離湖邊的荒漠植被區(qū)為2.37～4.55 m，在中間鹽堿化嚴(yán)重地區(qū)控制潛水蒸發(fā)的極限埋深為1.60～1.85 m[37-38]。

在荒漠植被生態(tài)耗水量和需水量方面，干旱區(qū)單株荒漠植物蒸騰耗水量和植物群落耗水量觀測(cè)和計(jì)算方法較多[39-40]。其中，單株植物蒸騰耗水量分析計(jì)算方法主要有：整容器法、快速稱重法、液流法（熱脈沖、熱擴(kuò)散、熱平衡）。植物群落耗水量是特定流域內(nèi)的植物在一定時(shí)間內(nèi)蒸騰耗水總量，其主要計(jì)算方法有：水量平衡法、微氣象法、紅外遙感法[40]。近年來(lái)，通過(guò)研究植物生理特征參數(shù)（如氣孔導(dǎo)度）與土壤水分及其受地下水水位（毛細(xì)上升帶）和氣象條件影響機(jī)理，發(fā)展了植物蒸騰耗水量模型，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鏙arvis 模型）和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鏐all-Woodrow-Berry BWB 模型）[41]。筆者[42]采用氣孔導(dǎo)度模型（Tardieu-Davies 模型）[43]估算出西北干旱區(qū)8 種荒漠植物（梭梭、鹽節(jié)木、羅布麻、白刺、蘆葦、檉柳、胡楊和紅砂）生長(zhǎng)季（4—9月）在適宜和極限生態(tài)地下水水位埋深下，平均蒸騰耗水量分別為793 mm 和611 mm。其中，蘆葦生長(zhǎng)季的蒸騰量最大，梭梭的最小。由適宜生態(tài)地下水水位埋深增大為極限埋深時(shí)，隨著供水條件的下降，植物生長(zhǎng)季耗水量平均減少27%。耐旱性強(qiáng)的梭梭、白刺蒸騰量減幅大（51%、35%），耐旱性弱的蘆葦、檉柳蒸騰量減幅?。?8%、13%）。雖然在GDTEs（適宜—極限地下水水位埋深）功能支撐下單株植被蒸騰耗水量大，但當(dāng)GDTEs 功能下降或消失時(shí)，植被覆蓋率將顯著下降，區(qū)域植物耗水量隨之減小。例如根據(jù)遙感數(shù)據(jù)估算，黑河流域2019年5—9月荒漠植被覆蓋率僅為0.17，由此得出黑河流域荒漠植被區(qū)（面積為14.2×104km2）在2 種生態(tài)地下水水位埋深下總耗水量為106×108～128×108m3，轉(zhuǎn)換為單位面積荒漠植被生長(zhǎng)季蒸騰耗水量為0.08～0.10 m3/m2，其中白刺、檉柳和梭梭耗水量依次為3.6×108～5.5×108m3、11.0×108～12.6×108m3、0.7×108～1.4×108m3。該值略大于遙感數(shù)據(jù)（PML_V2 模型）估算的黑河流域荒漠植被同期蒸騰耗水量（0.07 m3/m2）以及荒漠區(qū)生長(zhǎng)期降水量（81 mm），說(shuō)明地下水對(duì)荒漠植被作用較弱，區(qū)域植被生長(zhǎng)可能已轉(zhuǎn)化為主要依賴稀少的降水。

在內(nèi)陸河尾閭湖區(qū)，“湖泊-（水生、旱生）植被-地下水”系統(tǒng)涉及到生態(tài)輸水量和輸水時(shí)間對(duì)湖泊水體、湖周邊入滲水以及地下水水位和水質(zhì)影響，并由此確定GDTEs 指標(biāo)或目標(biāo)。一種研究途徑是基于歷史生態(tài)輸水量、陸表覆被遙感解譯、湖泊面積、地下水水位和溶解性總固體等信息擬合外推，得出恢復(fù)GDTEs 及實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)的生態(tài)輸水量。另一種研究途徑是建立生態(tài)輸水影響區(qū)內(nèi)湖泊、地下水、荒漠植被單元水量平衡模型或數(shù)值計(jì)算模型以及GDTEs 功能函數(shù)，以單位輸水量的水資源利用效率、生態(tài)效益最大作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)石羊河尾閭湖—青土湖綠洲生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)，筆者[12]構(gòu)建了基于途徑二的生態(tài)水文模型，設(shè)置2010年以來(lái)24 種生態(tài)輸水情境，計(jì)算未來(lái)20年綠洲恢復(fù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的地下水水位埋深、綠洲面積、綠洲歸一化植被指數(shù)（NDVI），優(yōu)化得出最理想的生態(tài)輸水情形（以最小的綠洲蒸散損耗產(chǎn)生最大的生態(tài)用水效益），地下水水位埋深可恢復(fù)至2.34 m、綠洲面積恢復(fù)至29.16 km2、綠洲NDVI 恢復(fù)至0.41，相應(yīng)地，青土湖生態(tài)輸水量應(yīng)提高至0.45×108m3/a。

大氣-植被-土壤-地下水作用機(jī)理十分復(fù)雜且空間異質(zhì)性高，目前已有荒漠植物生理特征參數(shù)、耗水量以及影響要素（土壤、地下水、大氣等）的觀測(cè)和分析還缺乏代表性，需要加強(qiáng)對(duì)不同類型植物多要素的觀測(cè)和機(jī)理研究。目前，在區(qū)域尺度上建立的植被耗水、土壤水、地表水與地下水耦合模型并應(yīng)用于實(shí)際，其模擬和預(yù)測(cè)結(jié)果仍存在較大不確定性。

2 流域水資源時(shí)空調(diào)控及生態(tài)功能保障

西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，生境條件相對(duì)惡劣，但在國(guó)家生態(tài)安全屏障方面承擔(dān)著關(guān)鍵使命[44]。綠洲農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)具有悠久歷史，在保障我國(guó)西北地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)和軍事安全方面具有重要作用。農(nóng)業(yè)綠洲開(kāi)發(fā)起到防風(fēng)固沙、防治土壤鹽堿化等作用，但綠洲水資源承載力較低，河流攔蓄、地下水超采導(dǎo)致下游河湖干枯，自然綠洲面積減少，土地沙化，進(jìn)而又制約農(nóng)業(yè)綠洲的發(fā)展。因此，需要研究水資源約束下人工和自然綠洲面積合理比例，形成功能不同的生態(tài)圈[45]，實(shí)現(xiàn)維護(hù)生態(tài)安全、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)。

從水資源系統(tǒng)層面上，保障上游產(chǎn)水量滿足中下游經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展用水和生態(tài)用水需求，涉及來(lái)水（地表水和地下水）動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)，生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水計(jì)算，以及工程措施調(diào)控和非工程措施（節(jié)水等）。需要采用大系統(tǒng)、多目標(biāo)優(yōu)化方法，在宏觀層面優(yōu)化水資源-經(jīng)濟(jì)、社會(huì)-生態(tài)之間配置方案；在精細(xì)化調(diào)控層面，根據(jù)供需動(dòng)態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡、河湖生態(tài)恢復(fù)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，優(yōu)化具體調(diào)水方案[46]。

筆者首先通過(guò)分析石羊河流域近20年水資源供、用、耗水空間格局及變化趨勢(shì)，核定了農(nóng)作物、牲畜、居民生活、工業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境的用水定額及規(guī)模。然后，基于“干旱半干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃理論方法”[47]確定的地下水生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，以“生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”協(xié)同發(fā)展為目標(biāo)，構(gòu)建了水資源優(yōu)化配置模型，分析不同供需情景，提出基于自然與人工調(diào)蓄于一體的林-地-水配置方案。得出實(shí)施《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》以來(lái)，水資源利用效率提高顯著、地下水超采狀態(tài)得以遏制，民勤盆地已實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡，但武威盆地地下水仍處于超采狀態(tài)，基本生態(tài)面積占比距離規(guī)劃目標(biāo)仍有較大差距。對(duì)此需要進(jìn)一步減少農(nóng)業(yè)灌溉用水和調(diào)整農(nóng)業(yè)、植被面積。一是采取“保田增林”，維持現(xiàn)狀作物灌溉面積不變，降低灌溉定額（武威和民勤分別為5 700 m3/hm2和5 370 m3/hm2）；二是采取“以田換林”，壓縮農(nóng)業(yè)灌溉面積，減少灌溉用水量，節(jié)約的農(nóng)業(yè)灌溉水量可滿足增加耗水量低的荒漠植被面積。為實(shí)現(xiàn)石羊河流域地下水功能區(qū)劃方案，宜在武威盆地東側(cè)和騰格里沙漠交接帶以及西北部荒漠過(guò)渡帶增加林草面積，以增加武威盆地地下水適宜規(guī)模開(kāi)采區(qū)、地下水適宜限量開(kāi)采區(qū)林草面積。民勤盆地可在地下水控制開(kāi)采區(qū)增加林草面積，以實(shí)現(xiàn)控制地下水超采、提升生態(tài)對(duì)地下水涵養(yǎng)功能的目的。

該研究現(xiàn)在還處于現(xiàn)狀水資源宏觀均衡分析和優(yōu)化配置階段，將整個(gè)流域上中游多模型模擬與多目標(biāo)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控相結(jié)合，滿足上游產(chǎn)水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、中下游水利工程調(diào)度和地下水“雙控”管理實(shí)施需求，仍面臨系統(tǒng)復(fù)雜性、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不確定性以及調(diào)控指標(biāo)動(dòng)態(tài)性等一系列問(wèn)題。

3 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)西北內(nèi)陸河流域上、中、下游水資源和生態(tài)環(huán)境演變，系統(tǒng)分析了大氣-植被-土壤-水文（地下水）作用機(jī)理、GDTEs 控制閾值以及水資源優(yōu)化調(diào)控，并在石羊河流域等加以應(yīng)用和系統(tǒng)闡述，得出以下認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

（1）上游山區(qū)歷經(jīng)20世紀(jì)80年代以來(lái)氣候暖濕化，植被恢復(fù)顯著，蒸騰消耗水量增加，但由于降水增加和植被水分利用效率的提升，歷史及未來(lái)20年對(duì)上游山區(qū)產(chǎn)水量影響較小，但遠(yuǎn)期持續(xù)升溫和植被持續(xù)恢復(fù)，可能導(dǎo)致產(chǎn)水量下降。由于氣候變化的不確定性以及大氣-植被-水文互饋效應(yīng)，需要在更長(zhǎng)歷史資料和大尺度上進(jìn)一步研究降水、氣溫等周期性變化，覆被恢復(fù)增加的蒸騰水分對(duì)區(qū)域水循環(huán)的影響，以及氣候、植被變化對(duì)凍土、入滲水調(diào)蓄等的影響。研究大氣-植被-土壤-水文作用機(jī)理并進(jìn)一步發(fā)展耦合模型，是提高上游山區(qū)水循環(huán)研究認(rèn)識(shí)以及提高出山口徑流模擬和預(yù)測(cè)精度的有效途徑。

（2）中下游地區(qū)地下水下降趨勢(shì)總體得到有效遏制，但由于水資源短缺，地下水水位難以短時(shí)段大規(guī)模恢復(fù)至生態(tài)地下水水位。通過(guò)生態(tài)輸水、加大渠系和尾閭湖周邊入滲，并結(jié)合人工灌溉，局部地區(qū)荒漠植被及湖泊濕地恢復(fù)顯著。但由于西北地區(qū)人工和自然植被、河湖等組成的生態(tài)系統(tǒng)極為復(fù)雜且脆弱，歷史上長(zhǎng)期生態(tài)退化導(dǎo)致一系列環(huán)境要素已發(fā)生改變（如土壤沙化），目前生態(tài)恢復(fù)措施能在多大程度上改善植被生態(tài)賴以生存的條件，維持其長(zhǎng)期演變的穩(wěn)定性還存在較大不確定性。因此，需要針對(duì)不同地區(qū)、不同生態(tài)類型系統(tǒng)研究大氣-（荒漠）植被-土壤-地下水系統(tǒng)相互作用機(jī)理，及其受氣候和人類活動(dòng)影響下的演變趨勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上確定水量、水位動(dòng)態(tài)管控指標(biāo)。

（3）內(nèi)陸河地區(qū)水資源在抑制需求、增加供給、改善生態(tài)環(huán)境方面取得了顯著成效。但應(yīng)該認(rèn)識(shí)到水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境之間矛盾依然突出，且長(zhǎng)期共存。在有限的水資源支撐能力下，確定農(nóng)業(yè)綠洲和自然綠洲面積合理比例，拓展綠洲生態(tài)圈功能，維護(hù)生態(tài)安全、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展仍然是未來(lái)需要探索的問(wèn)題。在加強(qiáng)對(duì)氣候、生態(tài)、流域水循環(huán)自然演變規(guī)律認(rèn)識(shí)的同時(shí)，系統(tǒng)分析不同歷史階段水資源調(diào)控決策、管理實(shí)踐中取得的成效和存在的問(wèn)題，提出科學(xué)管理指標(biāo)、調(diào)控措施和應(yīng)對(duì)策略，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源供給能力增強(qiáng)、生態(tài)環(huán)境逐步改善、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。