干旱区流域生态水文耦合模拟与调控的若干思考

第23卷　第7期2008年7月地球科学进展ADVANCESINEARTHSCIENCEVol.23　No.7Jul.,2008

文章编号:100128166(2008)0720773206

干旱区流域生态水文耦合模拟与调控的若干思考3

严登华1,王　浩1,杨舒媛1,刘明国2,霍　竹3

(1.中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京　100044;2.四川省水利水电勘测设计研究院

规划设计分院,四川　德阳　618000;3.中国21世纪议程管理中心,北京　100038)

摘　要:系统识别全球变化和高强度人类活动影响下干旱区流域生态水文耦合作用机制及演变规

律,并通过综合生态水文调控,构建健康水循环和生态安全格局,是干旱区流域亟待解决的关键科

学问题。传统的基于水文过程与生态过程的分离模拟与调控,尚不能满足上述实践需求;需结合原

型观测与实验,对大气模式、水文模型、生态模式(包括天然生态模拟模型和作物生长模式)进行耦

合开发,构建具有统一物理机制的流域生态水文模型。以此为支撑,对干旱区流域生态水文过程演

变规律及阈值特征进行系统识别;并结合水生态服务功能评价,提出流域生态安全修复及水资源合

理配置与调度方案;制定有效的风险管理措施,对流域生态水文过程进行动态调控。

关　键　词:干旱区流域;生态水文过程;“自然—人工”二元驱动;耦合模拟;综合调控

中图分类号:P33 文献标志码:A

1　问题提出

水是维系干旱区流域生态安全与经济社会和谐

发展的决定性因素。然而,受到全球变化和人类水

土资源开发活动的影响,干旱区流域水循环过程和

生态格局发生了深刻变化;特别是经济社会用水的

快速增长及其对生态与环境用水的严重挤占,使得

干旱区流域水资源短缺与生态退化这对孪生问题,

成为实现流域可持续发展的关键障碍[1～4]。充分发

挥干旱区流域水资源经济社会及生态环境效益与效

率,通过科学调控,构建健康水循环模式和安全生态

格局,受到民众和管理部门的高度关注,也是资源环

境研究领域的前沿和热点命题。

围绕上述实践需求,国内外学者已从水循环与

生态演变机制、水资源高效利用机理与综合调控、退

化生态系统修复等方面开展了大量研究,在基础数

据采集、原型观测试验、水文模拟、农田水资源高效利用、水资源配置、生态模拟与调控以及人文因素作

用机制与调控等方面取得了大量成果[2～12]。但大

多数研究是以干旱区流域水循环及生态演变的若干

要素过程为基础的,尚不能满足干旱区流域水安全

与生态安全整体调控的实践需求;亟待进行生态水

文集成研究,从整体上识别干旱区生态水文耦合作

用机制及演变规律,进行流域整体安全调控[3]。

干旱区流域生态水文集成研究包括原型观测实

验和数值模拟两类基本手段。其中,数值模拟可为

干旱区流域生态水文演变规律的探寻提供“仿真”

工具,进行流域尺度上生态水文过程演变的“还原”

(历史再现)、“还现”(现状的时空描述)和“还将

来”(预测)分析;同时,可作为实施安全调控的“模

拟器”;原型观测实验可为数值模拟中“过程”与“现

象”这两大关键表达提供直接依据。为此,生态水

文耦合模拟是干旱区生态水文集成研究核心。

本文将以我国西北内陆河流域为例,在对干旱

3　收稿日期:2008205215;修回日期:2008206210.3基金项目:国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目“水循环模拟与调控”(编号:50721006);科技基础性工作专项项目“水文学方法研究”(编号:2007FY140900)资助.　作者简介:严登华(19762),男,安徽省太湖县人,高级工程师,博士,主要从事生态水文模拟、水资源与水环境综合调控及3S技术应用研究.E2mail:denghuay@gmail.com区流域生态水文过程演变机制基本识别的基础上,初步提出干旱区流域生态水文演变的“自然—人

工”二元驱动模式;并在此基础上,剖析干旱区流域

生态水文耦合模拟的总体思路与基本建模策略。以生态水文耦合模型为支撑,初步构建了干旱区流域

生态水文综合调控研究框架,并分析其关键研究

命题。

2　干旱区流域生态水文过程演变机制

的基本识别

2.1　干旱区流域生态水文演变驱动力分析

在地貌格局和大气环流场的总体控制下,受地

球引力、太阳辐射热动力等自然营力的作用,我国西

北内陆河流域的水文情势具有显著的地域分异特

征,伴随水文情势演变的生态格局也存在显著的空

间分异特征。以黑河流域为例,从上游到下游,依次

可划分为径流涵养及产流区、径流消耗区和径流消

失区;径流涵养及产流区集中了流域绝大部分的降

水资源,地表生态格局主要受到地貌部位和气候垂

直地带分异的制约;径流消耗区和径流消失区的降

水稀少,除河滨带以外,地下水水位动态制约着地表

生态演变,而区域地下水水位动态则受到上游来水

情势的直接影响。在自然营力作用下,形成水资源

和生态系统的天然(或本底)时空分布格局[2]。

随着人类水土资源开发活动的日渐深入,以自

然营力为驱动的干旱区流域生态水文演变的“一

元”驱动模式逐渐被“自然—人工”二元驱动模式所

替代,且人工驱动力的贡献日趋增大。人类对水资

源的开发利用,直接改变了水资源的时空分布态势

及有水力联系区域水文情势的变化,水文情势的变

化又会导致流域生态格局发生演化。人类对土地资

源的开发,改变了流域的生态格局并导致影响干旱

区流域产汇流过程的下垫面条件发生变化,使得流

域水文情势发生分异。此外,温室气体排放,改变了

水循环大气过程的动力条件,从而导致区域水循环

及生态格局演变。

2.2　“自然—人工”二元驱动下干旱区流域生态水

文演变基本模式

干旱区流域生态水文演变情势受制于全球变化

和人类活动特别是流域上中游地区人类活动的影

响。在流域水资源尚未得到合理调配之前,上中游

地区总体生态水文演变模式为:经济社会用水的增

加,挤占生态与环境用水,导致天然生态系统退化。

下游地区总体生态水文演变模式为:上游来水减少,导致下游地区地下水位下降,地下水水位下降导致

潜水蒸发减少,潜水蒸发减少使得土壤水补给量减

少,从而导致土壤水分匮缺和地表生态退化(图1)。

图1　无调控措施下干旱区流域生态水文演变模式

Fig.1　Theeco2hydrologicalchangingschemewithout

anyregulationsinaridwatersheds

此外,全球变化直接影响到区域降水和蒸发,特

别是降水强度和历时的变化,从根本上改变了干旱

区流域的产汇流机制。全球变化和人类土地资源开

发活动,改变了流域下垫面格局和特性,也影响到区

域水文情势。需要指出的是,全球变化影响干旱区

流域“取水—输水—用水—耗水—排水”这一人工

侧支水循环过程,导致流域整体水循环态势的变化;

变化了的水循环特征又影响到区域生态格局演变。

为遏制干旱区流域生态退化与环境恶化,近年

来,开展了以水资源调控为核心的流域综合整治;并

以“节水”和“调水”作为两大主题。节水又重点体

现在中游地区开展节水型社会建设工作,包括产业

结构调整、水利工程节水改造、节水灌溉技术推广、

耐旱作物品种推广及管理体制和机制建设等。调水

主要是保障干旱区流域下游能获得一定数量的来水

以满足其生态与环境用水所需。作为河流生态与环

境“代言人”的流域机构,积极组织开展干流河段断

面的分水,采取诸如“全线闭口、集中下泄”等措施

予以实施。对于下游地区而言,随着下泄水量的增

加,地下水水位回升,潜水蒸发对土壤水的补给量也

显著增加,使得地表植被逐渐得以恢复。但对于上

中游地区而言,由于耗水量(或ET量)并未明显减

少,导致新的生态环境与经济社会问题出现。由于

中游地区天然生态系统的水分来源于局地潜水蒸发

和河流、渠道的渗漏,水利工程的节水改造导致天然

生态系统主要水分来源被阻隔和切断;与此同时,为

满足中游地区经济社会发展的用耗水需求,中游地

区地下水特别是深层地下水的开采量明显增加,导

致区域地下水水位下降和区域生态环境的退化。在477 地球科学进展 第23卷当前的调水过程中,还因触及到各用水户的既得利

益,产生诸如上下游不和谐等一系列经济社会问

题[12](图2)。

图2　水资源调控情势下干旱区流域生态水文演变模式

Fig.2　Theeco2hydrologicalchangingschemewith

waterresourcesregulationinaridwatersheds

3　干旱区流域生态水文耦合模型研发

总体思路及基本建模策略

3.1　建模目的与总体要求

干旱区流域生态水文耦合模型研发,旨在为变

化环境下干旱区流域生态水文耦合作用机制与演变

规律识别及调控提供技术支撑。围绕上述建模目

的,要求所研制的模型,不仅能对历史过程进行模拟

和未来发展趋势进行预测、预报,还可对调控方案进

行情景模拟。考虑到当前生态水文过程的原型观测

方式及时空尺度各异,模型还需具有对多源生态水

文数据进行同化的功能。

为此,在干旱区流域生态水文模型中,不仅要对

基本生态过程、水文过程进行定量表达,而且还需要

充分体现全球变化和人类活动对流域生态水文演变

影响的动力学机制。对于水文过程的模拟来说,不

仅要对其地表过程、土壤过程和地下水运动过程进

行系统表达,还需要在模拟过程中对水循环的大气

过程和人工侧支水循环过程进行定量刻画,即实现

流域尺度上“自然—人工”二元水循环模拟。在生

态过程模拟中,需要对生态系统的类型(包括天然

生态系统和人工生态系统)及空间格局进行科学表

征。此外,在模拟过程中,还需要从物理机制的角度

实现生态过程与水文过程的有机融合,克服在传统生态过程与水文过程的分离式模拟中,采用不同物

理方程表达相同要素过程等方面的缺陷。

3.2　基本建模策略

至今,国内外已开发了大量生态模型、水文模

型、大气模型,且大多数模型均采用了模块化建模策

略;这些模型为生态水文耦合模拟模型研制提供了

基础模块模型库。

在传统的大气模式中,对生态过程和水文过程

也进行了表达。如在RegCM模型中,陆面水文过程

采用BATs模型进行模拟,生态过程采用DGVM模

型进行模拟。但由于在大气模式中,陆面过程重点

刻画水循环的垂向过程,未对坡面汇流、河道汇流等

水平过程及人工侧支水循环过程进行客观表达,对

地下水过程的模拟也较粗;同时,大气模型模拟的空

间尺度过大(大于10km),难以满足水利开发的需

求;但需要指出的是,大气模式对能量过程的刻画十

分细致[13,14]。分布式水循环模拟模型主要是对水

循环地表过程、土壤过程和地下水运动过程进行定

量描述,在近年来研制分布式水循环模拟模型中,还

对人工侧支水循环过程进行了定量刻画;由于分布

式水循环模型中未能涉及水循环大气过程和生态演

变过程,在实际模拟过程中,所需的气象信息往往来

源于历史监测信息或大气模式的输出信息;所需要

的生态信息(如叶面积指数、植被盖度、根系深度

等)往往来源于历史时期植被遥感信息或是经验参

数,这与生态演变的渐变特征不吻合;此外,对能量

过程的刻画,也远远不及大气模式[15]。生态模型可

为水文模拟提供渐变、高精度的植被信息,但需要较

为精细的气象和水文信息进行驱动,而这些气象和

水文信息往往来源于历史监测信息或气象水文模型

的输入信息。为此,大多数生态模型和水文模型往

往只能作为历史过程反演和情境模拟的工具;在进

行未来发展趋势预测时,由于缺乏物理机制,结果也

与实际的偏差较大。由此可见,在基本生态水文作

用机制框架下,可通过模块化建模技术,充分发挥大