我國(guó)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(shì)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(jìn)程中對(duì)水的競(jìng)爭(zhēng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(diǎn)問(wèn)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(duì)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(wú)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(zhǎng)還需要地下水的補(bǔ)充。因此,保持地下水埋深的動(dòng)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(zhǎng)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^(guò)高時(shí),溶于地下水中的鹽分受蒸發(fā)影響就會(huì)在土壤表層聚積導(dǎo)致鹽漬化,不利于植物的生長(zhǎng)。當(dāng)?shù)叵滤贿^(guò)低時(shí),地下水不能通過(guò)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(duì)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(shí)導(dǎo)致根系達(dá)不到汲水深度而枯死,地下水位太高時(shí)又由于強(qiáng)烈蒸發(fā)使土壤含鹽量過(guò)高而引起植物逐漸死亡,因此植物生長(zhǎng)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(zhǎng)而不使優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)春和孫才志等人對(duì)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(duì)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(gè)隨時(shí)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(duì)西北、華北、沿海地區(qū)進(jìn)行了研究。綜上所述,作者認(rèn)為:生態(tài)地下水位的概念簡(jiǎn)潔、明確,針對(duì)西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(qiáng)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(kāi)采量進(jìn)行水資源綜合管理研究。

 

  2生態(tài)地下水位研究進(jìn)展

 

  在我國(guó)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(shí)際應(yīng)用中是根據(jù)多年觀測(cè)的資料,通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)狀況進(jìn)行綜合評(píng)判。常用的是將某種群出現(xiàn)的頻率與對(duì)應(yīng)的地下水位進(jìn)行高斯模型模擬,然后找出種群頻率最大值對(duì)應(yīng)的水位埋深區(qū)間進(jìn)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(duì)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(yàn)表明臨界地下水埋深在3m左右比較合適。王讓會(huì)(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(duì)黑河流域植物生長(zhǎng)與地下水位的關(guān)系建立了對(duì)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(zhǎng)狀況的關(guān)系。任杰等(2006)在毛烏素沙地應(yīng)用SWAP模型對(duì)蘆葦和賴草的地下水位埋深與植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)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(yàn)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(zhǎng)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(lái)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(cè)植物種間的競(jìng)爭(zhēng)狀況。不過(guò),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(zhǎng)與地下水位的關(guān)系模型,但這些研究都受測(cè)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(gè)體或群落適宜水分狀況時(shí),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(shí)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(kāi)采量的概念和進(jìn)展

 

  1915年Lee提出允許開(kāi)采量(safeyield)的概念后,經(jīng)Meinzer(1923)、Conkling(1946)、Banks(1953)、Suter(1959)、Zeizel(1962)等人的補(bǔ)充與完善,形成了較完整的現(xiàn)代意義上的允許開(kāi)采量,即在經(jīng)濟(jì)、合法、不破壞原來(lái)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(kāi)采的水量。自此,允許開(kāi)采量的概念逐漸為世界各國(guó)所接受和普遍使用,已成為國(guó)家和地方政府制定地下水資源開(kāi)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(shì)也使人們?cè)絹?lái)越清晰地認(rèn)識(shí)到了允許開(kāi)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(duì)它的反作用等等。同時(shí),可持續(xù)發(fā)展理論已為允許開(kāi)采量概念的發(fā)展開(kāi)拓了新的空間。因此,以Sophocleous等為代表的學(xué)者提出,為擺脫長(zhǎng)期以來(lái)允許開(kāi)采量所面臨的困境,同時(shí)為充分反映可持續(xù)發(fā)展理論對(duì)允許開(kāi)采量階段性的發(fā)展作用,用可持續(xù)開(kāi)采量(sustainableyield)代替了允許開(kāi)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(kāi)采量初步研究 一文,對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)干旱區(qū)的地下水,防止過(guò)量開(kāi)采導(dǎo)致綠洲沙漠化,從定性到定量,從理論到實(shí)踐作了研究,提出了建設(shè)性的意見(jiàn)和建議,是國(guó)內(nèi)較早提出生態(tài)環(huán)境與地下水開(kāi)采量關(guān)系研究的學(xué)者,定義地下水生態(tài)開(kāi)采量為不影響生態(tài)平衡的條件下人類可以開(kāi)發(fā)的水利資源量 。國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)地下水資源的合理利用和管理問(wèn)題進(jìn)行了較深入的研究。王金生等(2006)認(rèn)為:可持續(xù)開(kāi)采量的 概念為:在優(yōu)先滿足環(huán)境需水及經(jīng)濟(jì)、合法、不破壞原來(lái)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(dá)新的平衡為標(biāo)志,可以從地下水系統(tǒng)中開(kāi)采的可更新水量:它具有動(dòng)態(tài)性、不確定性和系統(tǒng)性的特點(diǎn)。

 

  我國(guó)自1998年第一部水法#頒布后,各級(jí)水利部門加大了對(duì)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(xiàng)目水資源論證#制度的實(shí)施和地下水保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃的啟動(dòng)使得我國(guó)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(shì)得到及時(shí)遏制,但對(duì)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(gè)方面:一是對(duì)地下水開(kāi)采量的控制不合理,超量開(kāi)采導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降;二是沒(méi)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(bào)、管理等一整套制度。因此,加強(qiáng)對(duì)地下水的監(jiān)控管理,由過(guò)去對(duì)可開(kāi)采量的管理轉(zhuǎn)移到對(duì)可開(kāi)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(shì)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(gè)系統(tǒng)多個(gè)目標(biāo)的管理,而不僅僅局限于單個(gè)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(guó)和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家,對(duì)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(duì)全球規(guī)模的生態(tài)、環(huán)境和資源危機(jī)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(huì)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(jià)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(jì)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(guó)許多學(xué)者也開(kāi)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(kāi)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(duì)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(duì)象為流域或地區(qū),甚至一個(gè)國(guó)家,應(yīng)將整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)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(duì)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(duì)資源的需求決定。?不能只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林,水管理閾值更加注重管理方面的可操作性(可控性),對(duì)其評(píng)估應(yīng)變成一種范圍估計(jì)。(水管理閾值強(qiáng)調(diào)在點(diǎn) 的概念或規(guī)律明確的情況下,可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域 的控制和管理,可進(jìn)一步擴(kuò)展為對(duì)面 的指導(dǎo),其特征是強(qiáng)調(diào)研究對(duì)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(jiàn)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(kāi)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(dòng)態(tài)的ANN模型,模擬了不同灌溉發(fā)展面積及地表來(lái)水條件下地下水位動(dòng)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(duì)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(duì)灌區(qū)年、月地下水埋深的變化進(jìn)行了模擬,預(yù)測(cè)了黃河河套灌區(qū)節(jié)水工程實(shí)施后未來(lái)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(bǔ)飼型階段和暖季放牧冷季舍飼型階段的水資源開(kāi)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(jì)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(kāi)采量作為水管理閾值水平的控制指標(biāo),同時(shí)也可保持地下水位在生態(tài)地下水位的閾限值內(nèi)波動(dòng),在生產(chǎn)實(shí)踐中控制地下水開(kāi)采量的可控性較強(qiáng)。通過(guò)在點(diǎn)和區(qū)域 方面進(jìn)行的定量化的研究應(yīng)用,可以進(jìn)一步理解這一概念的內(nèi)涵)))管理的可控性問(wèn)題:點(diǎn) 和區(qū)域 的定量化研究成果應(yīng)用在實(shí)踐中管理的可控性較好。

 

  5結(jié)語(yǔ)

 

  針對(duì)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(diǎn)和區(qū)域 結(jié)合的水管理閾值指標(biāo)體系,對(duì)關(guān)鍵性控制指標(biāo)-生態(tài)地下水位和可持續(xù)開(kāi)采量及其相互關(guān)系進(jìn)行定量化研究,提出適宜的管理閾限值,進(jìn)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。