中國西部特殊地貌區(qū)地下水開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境功能保護研究

?邵景力

我國西北內(nèi)陸平原區(qū)地處干旱、半干旱區(qū)，天然水資源匱乏，地下水不僅是重要的水資源，而且是敏感的環(huán)境要素，由于長期過度開發(fā)利用水資源，已導(dǎo)致一些地區(qū)地下水位持續(xù)下降、地下水資源逐步枯竭，以及綠洲濕地退化、土地荒漠化等資源和生態(tài)環(huán)境問題。而在我國西南巖溶區(qū)，盡管降水資源豐富，但不合理的土地利用也造成石漠化區(qū)和濕地退化等水環(huán)境問題。這些都嚴重影響了當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)利用和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

2017年國家重點研發(fā)計劃啟動了重點項目“我國西部特殊地貌區(qū)地下水開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境功能保護”（2017YFC406100，2017-2021），旨在通過多學(xué)科交叉與聯(lián)合攻關(guān)，揭示變化環(huán)境下流域尺度地下水-生態(tài)系統(tǒng)時空演化機理，闡明地下水生態(tài)功能危機形成機制及地下水開發(fā)利用中生態(tài)功能退化的標志特征與可控性，研發(fā)適用我國西部不同類型生態(tài)脆弱區(qū)地下水合理開發(fā)與生態(tài)功能保護的理論和探測、監(jiān)控、識別、預(yù)警及全流域精準調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，并開展地下水調(diào)控的應(yīng)用示范。

基于本重點研發(fā)項目的部分研究成果，本刊特刊出“特殊地貌區(qū)地下水循環(huán)演化與生態(tài)研究”專欄，共7 篇學(xué)術(shù)論文，主要內(nèi)容包括我國西北內(nèi)陸河流域和西南巖溶區(qū)地下水循環(huán)演化規(guī)律及其生態(tài)效應(yīng)研究，地下水生態(tài)功能及其地下水水位控制閾值研究，地下水-地表水體關(guān)系研究，主要研究方法包括了地下水-生態(tài)調(diào)查、地下水和包氣帶監(jiān)測和試驗、數(shù)值模擬、生態(tài)遙感、應(yīng)用示范等。

變化環(huán)境下流域水循環(huán)及其生態(tài)響應(yīng)是本重點研發(fā)項目的關(guān)鍵科學(xué)問題，張光輝教授等撰寫的《西北內(nèi)陸流域下游區(qū)天然綠洲退變主因與機制》以石羊河流域、艾丁湖流域為研究區(qū)，基于近50年的水文地質(zhì)、地下水開發(fā)利用、地下水監(jiān)測、土地利用、遙感等資料，針對下游區(qū)天然綠洲退變主因與機制問題，應(yīng)用流域水循環(huán)和水量均衡理論、時間序列分析和地學(xué)多元相關(guān)分析等方法，分析了研究區(qū)綠洲退化的主要驅(qū)動因子為人類活動，給出了灌溉面積增加與下游綠洲面積減少的定量關(guān)系。陳喜教授等撰寫的《西北內(nèi)陸河流域水循環(huán)和生態(tài)演變與功能保障機制研究》，針對內(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下面臨的問題，從“大氣-植被-土壤-地下水”的作用機理以及水資源與生態(tài)、社會相協(xié)調(diào)的機制和平衡分析，以石羊河流域為例預(yù)測氣候暖濕背景下上游植被和水文演變趨勢，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，以及整個流域水均衡和生態(tài)功能保障措施。石羊河流域的尾閭湖—青土湖合理生態(tài)輸水量一直是本流域水資源配置的關(guān)注熱點，《西北典型內(nèi)陸流域地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同演化機制》基于地下水-濕地生態(tài)系統(tǒng)多要素一體化動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合穩(wěn)定同位素和衛(wèi)星遙感技術(shù)手段，分析生態(tài)輸水情形下的地下水動態(tài)變化與濕地植被恢復(fù)情況，從水文地質(zhì)角度揭示地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同演化機制。《基于GSFLOW 的青土湖生態(tài)輸水量-湖水面積關(guān)系研究》基于定量遙感、青土湖輸水量和地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用GSFLOW建立了青土湖區(qū)域地表水-地下水耦合數(shù)值模擬模型，模擬了不同生態(tài)輸水方案下湖泊湖面面積、地下水水位等要素的變化情況，分析確定了青土湖生態(tài)輸水量-湖水面積非線性定量關(guān)系，提出了基于輸水效益的青土湖生態(tài)輸水量的合理范圍。應(yīng)用示范是本項目的重點內(nèi)容和主要考核指標，《旱區(qū)濕地周邊鹽漬化農(nóng)田生態(tài)水位閾值與“水位-水量”雙控技術(shù)》選定西北石羊河流域鄧馬營湖濕地與農(nóng)田之間過渡帶為示范區(qū)，通過分析地下水埋深變化特征及其與表層土壤鹽分的協(xié)同關(guān)系，確定生態(tài)水位閾值，并基于該閾值研發(fā)了以虹吸輻射井群為支撐的地下水“水位-水量”智能雙控技術(shù)，實現(xiàn)地下水水位和水量的實時精準調(diào)控?！栋鼩鈳r性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能影響特征》以甘肅石羊河流域下游天然綠洲區(qū)為研究區(qū)，運用包氣帶巖性結(jié)構(gòu)野外調(diào)查、室內(nèi)土柱試驗和包氣帶水分運移數(shù)值模擬（Hydrus1-D）等方法，研究包氣帶巖性結(jié)構(gòu)與地下水耦合作用的生態(tài)效應(yīng)，分析不同巖性結(jié)構(gòu)的包氣帶獲取地下水供給水分和持水能力差異，定量對比不同包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對地下水生態(tài)功能影響?！豆鹆謺蓾竦鬲{子巖地下河系統(tǒng)水循環(huán)對降水的響應(yīng)》以桂林會仙濕地為典型研究區(qū)，基于氣象、地下河流量、土壤含水量和洞穴滴水監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用水文動態(tài)分析與水均衡等方法，開展不同水體對不同降水強度和降水量的響應(yīng)研究，分析巖溶濕地的調(diào)蓄能力，形成會仙濕地地下河系統(tǒng)水循環(huán)概念模型。

新時代的水資源管理要求水資源不僅僅滿足社會發(fā)展需求，而且作為重要的生態(tài)環(huán)境要素還需要服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)。針對我國西北內(nèi)陸河流域和西南巖溶區(qū)復(fù)雜的水資源及其環(huán)境所面臨的困境，仍有很多的關(guān)鍵科學(xué)問題、技術(shù)難題需要進一步解決以及相應(yīng)的基礎(chǔ)工作有待加強。（1）變化環(huán)境下水資源循環(huán)演化及其生態(tài)響應(yīng)仍然是本研究領(lǐng)域關(guān)注的重點和熱點問題，在此基礎(chǔ)上開展不同類型地區(qū)地下水生態(tài)水位、生態(tài)需水量評價的理論和方法研究；（2）地下水及其環(huán)境要素的監(jiān)測、地下水開采量的計量統(tǒng)計是地下水科學(xué)研究和管理的基礎(chǔ)，仍需加強；（3）我國西北內(nèi)陸河流域和西南巖溶區(qū)地表水-地下水轉(zhuǎn)換頻繁、是統(tǒng)一的水資源，應(yīng)完善和創(chuàng)立新的水資源評價理論和方法，在流域和區(qū)域水資源配置中，也要充分考慮地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系和轉(zhuǎn)化量；（4）數(shù)值模擬技術(shù)仍然是定量刻畫和計算水資源及其環(huán)境狀態(tài)的主要手段，應(yīng)在以上研究的基礎(chǔ)上，建立盆地或流域級的降水-徑流-包氣帶水-地下水耦合的數(shù)值模型，并通過這類模型模擬變化環(huán)境下水資源和環(huán)境的響應(yīng)；（5）重視多學(xué)科交叉和先進技術(shù)方法的應(yīng)用。目前遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于本研究領(lǐng)域，并且已經(jīng)成為重要的技術(shù)手段。機器學(xué)習(xí)、人工智能等算法，將會在本研究領(lǐng)域和地下水管理中發(fā)揮越來越重要的作用。