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1、关于西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护的专题报告西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究西北地区水资源合理配置和承载能力研究（简要报告）中国水利水电科学研究院中国科学院地理与资源研究所国土资源部水文地质工程地质研究所专题研究的总体目标和研究内容一、总体目标本专题的总体目标：在摸清西北地区水资源数量、质量及其分布规律、水资源开发利用现状和存在的主要问题、生态环境现状及演化规律以及社会经济发展历程的基础上，依据可持续发展观点，深入研究西北地区国民经济发展用水和生态环境用水的关系，探索西北地区生态环境保护目标及合理的需水量，提出符合国民经济发展和生态环境保护的水资源合理配置方案，进而分析水
2、资源承载能力，为正在实施的西部大开发提供科学的决策依据。二、主要研究内容1. 西北干旱地区水资源承载力研究2. 西北干旱区水资源优化配置研究3. 西北地区生态环境保护对策研究4. 西北地区宏观经济发展趋势研究5. 西北地区水资源可持续利用战略研究第一章 西北地区的基本特点与发展前景一、自然地理特点1 国土面积、地形地貌本次研究的西北地区，包括新疆、甘肃、青海、陕西、宁夏五省区以及内蒙西部的阿拉善、伊克昭两盟和乌海市。总面积339万km2，占全国面积的35%。研究区内共有五个省会（自治区首府）城市，55个地（盟、市），356个县（旗、市）。按我国一级水文分区，西北跨内陆河流域片（包括奇普恰普、额
3、尔齐斯河外流区，以下同）、黄河流域片、长江流域片以及属于西南流域片的澜沧江。西北地形地貌复杂，整体上看山地、高原、沙漠、盆地相间分布，形成了西北各省区的基本地理单元：东西横贯的天山将新疆分为北疆和南疆；南疆东部的吐鲁番-哈密盆地又相对独立，称为东疆。甘肃西部是河西走廊内陆河区；东部为黄土高原，大部分是黄河流域。青海西北有柴达木盆地，南部为长江、黄河、澜沧江的源头地区，东北部为黄河支流湟水流域黄土地貌区。陕西北有黄土高原，中部是关中盆地，南部为秦岭与大巴山地。宁夏南高北低，地貌表现出由流水地貌向干燥地貌过渡的特点，西北部贺兰山为黄河与河西的分水岭，东北部接鄂尔多斯高原，东南部连黄土高原，南部为六
4、盘山地。内蒙西部自西向东为河西走廊下游、阿拉善高原和鄂尔多斯高原。2 河流水系据不完全统计，西北有命名的内陆河流有689条，其中新疆570条，青海63条，河西走廊56条。其中年径流量大于10亿m3的有16条，110亿m3的约90条。西北地区湖泊众多，总数3000多个，湖泊水面面积约为1.91万km2，占全国湖泊面积的25.4%，贮水量约占全国湖泊贮水量的30.0%左右。按湖泊分布及水质特征大致分为三种类型：第一种分布于高山区江河源头，多为淡水湖，如黄河源区的鄂陵湖、扎陵湖，长江源区的可可西里湖；第二种分布于内陆河尾闾，以咸水湖为主，如艾比湖、青海湖、哈拉湖等；第三种分布于沙漠边缘的海子，与地下
5、水有密切的补排关系，多为淡水或微咸水，如红碱淖等。整体看西北地区的湖泊以内陆河尾闾湖泊居多，分布在内陆盆地最低点，入湖水系少而短，补给湖泊的水量不多。在强烈的蒸发作用下，湖水易于浓缩，因此多是咸水湖和盐湖。3 森林、植被西北地区在纬向上跨温带和暖温带，在水分供应较充足的情况下温度的作用才明显，因此水分是决定西北地区植被分布的关键因素。水平方向的地带性植被从东南向西北依次为：森林、森林草原、典型草原（干草原）、荒漠草原及荒漠。准噶尔、塔里木、柴达木盆地的荒漠区及河西走廓北部地区，植被率均低于10%；平原区河流两岸及盆地周围，水源丰富的农业区及宜农荒地，一般植被率为2040%。本区森林面积极少，主
6、要分布在降水量较多的天山、祁连山、阴山、秦岭等地区。植被带的分异特征见表1-1。 表1-1 西北地区地带性植被的分异特征地带性植被年降水量（mm）代表性植被森林500-650落叶阔叶林，栎类是最重要的标志。森林草原450-550草原植被占优势，代表性的有白羊草草原。另有狼牙刺、沙棘等中旱生灌木层片。在高山地和沟谷中有油松、栎、杨、柳等。典型草原300-450长芒草草原分布最广荒漠草原200-300短花针茅中伴有戈壁针茅和沙生针茅荒漠 250旱生和超旱生的灌木、半灌木，短命草本植物等。二、社会经济概况1 社会经济活动区域西北尽管地域广阔，但受自然条件的限制，人类社会经济活动区域狭小。从流域一级区
7、来看，基本上集中于黄河与内陆河区。人口地区分布见表1-2。表1-2 西北地区人口及其分布（1997） （单位：万人）新疆甘肃青海陕西宁夏内蒙西部流域片合计占西北%内陆河1943.8435.246.717.12442.827.1黄河1723.4419.32624.7528.977.25373.559.7长江298.117.3857.91173.313.0澜沧江12.312.30.2按省区合计1943.82456.6495.63482.7528.994.39001.9100.0占西北%21.627.35.538.75.91.0100.02 经济发展概况经过建国50年来的大规模建设，西北地区已初步形
8、成以兰州为中心的黄河上游能源化工基地，河西走廊有色金属基地，以西安为中心的高科技综合工业基地，以乌鲁木齐为中心的天山北坡经济开发带，以库尔勒为中心的石油化工基地，以格尔木为中心的盐化工基地，构成了以资源基础加工为主的工业体系。农业方面，通过大力发展灌溉事业，形成了北疆、南疆、东疆、河西走廊、宁蒙河套、关中盆地等大片人工绿洲，有力推动了当地生产的发展。从西北五省区（除内蒙古）看，GDP总量排序依次为：陕西、新疆、甘肃、宁夏和青海；人均GDP排序则为：新疆、青海、宁夏、陕西和甘肃；各省区人均GDP基本上都低于全国平均水平，整体上西北地区为全国平均水平的60%。从经济发展速度看，除新疆外，其它省区的
9、GDP增加速度均低于全国平均水平。三、水资源特点 西北地区水资源的基本特点是：干旱少雨、生态脆弱；水土矛盾突出、地区分布不均衡；水热同步、内陆河受冰川补给比例较大；径流年内分布不均匀、调节代价高；生态需水刚性大、水资源可利用量相对较少；地表水地下水转化频繁、下游对开发利用方式极为敏感。四、可持续发展需要解决的问题水是西北干旱半干旱地区未来发展的关键因素，生态环境保护是实现可持续发展的前提。因此，需要提出西北地区的生态环境保护准则，明确生态环境需水量，进行水资源合理配置，对生态环境用水和经济发展用水统一安排，提高各重点区域的水资源承载能力。另一方面，在确定区域发展模式时要从水资源的有限承载能力出
10、发，更多考虑生态环境建设的需求，根据基本区情扬长避短，在不同发展阶段中提出既符合实际又切实可行的目标。整体来看，由于在市场竞争的格局中西北处于不利位置，在相当长的时期内西北地区尚需要中央政府的支持和帮助。第二章 西北水资源形成演化的基本模式与调控原理流域是具有层次结构和整体功能的复合系统，由社会经济系统、生态环境系统、水资源系统组成。水资源在流域水循环过程中形成和转化，不仅是生态环境控制因素，同时还是社会经济发展的物质基础。研究流域水循环特点是进行西北水资源调控的前提。一、内陆河流域水资源演化的二元动态模式1 自然状态下西北地区流域水循环的特征内陆河流域山区和平原区水循环的基本模式参见图2-1
11、和图2-2。图中各项循环转化量均以流域降水总量作为参照。图2-1 内陆河流域天然水循环山区（径流形成区）2 自然与人类双重作用下流域水资源演化的二元结构发展进程中的人类活动，从循环路径和循环特性两个方面明显改变了天然状态下的流域水循环过程。从水循环路径看，水资源开发利用改变了江河湖泊关系，改变了地下水的赋存环境，也改变了地表水和地下水的转化路径。在天然水循环的大框架内，形成了由取水-输水-用水-排水-回归五个基本环节构成的侧支循环圈。流域人工侧支水循环的形成和发展，使得天然状态下地表径流和地下径流量不断减少，而人工供水量不断增加。内陆干旱区天然水循环与人工侧支水循环的此消彼涨，导致了绿洲内天然
12、生态系统与人工生态系统的相应变化，也导致了伴随流域水循环的水沙过程、水盐过程、水化学过程的相应改变。从水循环特性看，土地利用和城市化，大范围改变了地貌与植被分布，使流域地表水的产汇流特性和地下水的补给排泄特性发生相应变化。人类取水-用水-排水过程中产生的蒸发渗漏，更对流域水文特性产生了直接影响。人类活动使得天然状态下降水、蒸发、产流、汇流、入渗、排泄等流域水循环特性发生了全面改变。参见图2-3。图中虚线箭头表示人工侧支循环，实线箭头表示天然水循环。图2-3 内陆河平原区水资源二元转化示意图对照图2-2和图2-3可以发现：由于山区受人类活动影响较小，其降水、产流、蒸发特性基本未变，因此山区和平原
13、区之间大的水循环结构未变。在平原区内部，绿洲下游的广大荒漠区均属于无流区，其降水和蒸发特性也基本未变，从而平原绿洲区的总降水量和总蒸散发量也基本未变。因此，主要是绿洲区水资源演化的内部结构发生了改变，其对周边过渡带的径流补充发生了改变。水资源开发利用形成了地表径流的二元结构：河流出山口不远处建有引水渠，用于盆地农业灌溉，由此形成了径流的人工侧支循环。如天山北坡玛纳斯河流域的渠首引水量占出山口径流量的3/4左右。渠道引水使天然河道流量减少，相应减少了河流对平原地下水的入渗补给量，但同时增加了渠系入渗量和田间入渗量。平原绿洲区的天然水循环通量可以定义为四项：引水后的余留的河川径流、山前侧渗潜水径流
14、、山前侧渗承压水径流、降水入渗潜水径流等项构成，对内陆河流域平均而言，其通量为流域降水通量的16%左右。人工侧支循环通量由地表水、潜水、承压水三项的实际供水量构成，其通量为流域降水通量的19%左右。人工侧支循环的水循环通量已经超过了绿洲区的天然水循环通量。人工侧支循环支撑了人工绿洲系统，从而平原绿洲区的蒸发项也具有了二元结构：天然生态系统所形成的天然蒸发，人工生态系统所形成的人工蒸发。人工蒸发由人工水面蒸发，人工灌溉面积上的蒸发，以及生活与工业用水蒸发构成，其余均是天然蒸发。目前，来自于人工侧支循环的蒸发量已经占到绿洲蒸发总量的34%。从绿洲区地下水系统的总补给关系看，水库、渠系、田间这三项入
15、渗补给构成人工转化补给量，降水与河道两项入渗补给构成天然转化补给量。对西北内陆河流域的一般情况而言，人工转化补给量已经占到绿洲区地下水补给总量的5560%。从绿洲区地下水系统的总排泄关系看，天然状态下的侧渗流出、潜水蒸发、泉水溢出等项，由于人类活动又增加了人工重力排水和抽水两项。目前，西北地区各内陆河流域仍以自然排泄为主。但随着水资源开发利用程度的提高，大部分地区的泉流量在逐渐减少。如河西走廊50年代泉流量32亿m3/a，60年代泉流量减少到28亿m3/a，70年代泉流量减至22亿m3/a，目前石羊河流域的泉水溢出量几乎衰减殆尽。泉域范围内地下水的补给量减少和开采量的增加，导致了泉流量的大量减
16、少，由此可以看出内陆河平原绿洲区天然水循环和人工侧支循环强烈的相互作用。由于地下水补给和排泄条件的变化，使地下水资源量及其分布发生相应变化。在绿洲区中游，由于大量的灌溉用水入渗补给，使地下水位升高，在灌溉期可达1.5m上下，从而导致了无效潜水蒸发的加大；在绿洲下游，由于上中游用水加大，蒸发消耗相应加大，地表和地下径流的水平运动减弱，地下水位下降，潜水蒸发减少，从而使地表天然植被的水分支撑条件不足，导致植被退化。绿洲区人类活动总的水文效应，是中游地带水资源转化的垂直方向加强，总蒸发量加大；下游地带水平方向的径流通量减少，下游河道萎缩和地下水位下降。3 内陆河流域水资源“天然人工”二元演化模型及其
17、调控迄今为止的国内外水资源研究与实践，均是基于“实测还原建模调控”的一元静态模式。即通过观测得到实测水文要素后，再把实测水文系列中隐含的人类活动影响扣除，“还原”到流域水资源的天然“本底”状态。于是人类活动影响被消除，还原后水资源演化的驱动因素仅为自然要素；另一方面，天然水循环和人工侧支循环的动态相互作用被消除，成为没有加速效应的静态演化模式。一元静态模式在人类活动影响程度较小情况下，能够满足实际需要。然而对于我国特别是北方地区而言，水资源承载了过多的人口，人类活动对流域水循环的影响程度和影响范围大大高于其他国家和地区；脆弱的生态环境对流域水循环的演变十分敏感，高强度的水资源开发利用使生态环境
18、发生了显著变化。这种情况下，流域水资源的一元静态演化模式已不能有效地指导实践。基于上述认识，本次专题研究以西北内陆河流域为背景，提出了显式考虑人类活动影响的“天然人工”二元动态水资源演化模型。研究的基本视角，是“实测分离耦合建模调控”。所谓分离，是指在实测水文量中识别自然要素与人类活动影响各自的贡献；所谓耦合，是指对分离后的各项参量保持其间的动态联系。通过对天然水循环与人工侧支循环过程的分离，同时保持天然与人工过程的“分离耦合”动态机制，可以建立内陆河流域水资源的二元演化模型及其调控机制。图2-4反映了本次研究中内陆河流域水资源二元动态演化及其调控的基本思路。1二元模型基本描述对象是流域水资源
19、的各类转化关系。通过“分离耦合”的定量机制，处理水资源实测量与还原量之间的关系。将人工侧支循环从天然水循环中分离后，即完成了还原过程；将天然水循环与人工侧支循环耦合后，即可得到实测径流量。2通过将区域发展和水资源开发利用保护规划与流域蒸发、入渗、产流、汇流、补给、排泄等特性耦合，可对各个规划水平年的流域水资源演化进行情景预测，进而对规划水平年的流域水资源进行定量估计。3地表水系统，将全部的蒸发、入渗、收入、支出分离为天然状态下的原有项和水资源开发利用导致的附加项，并保持天然和人工两类收支项之间的联系，同时保持开发利用各量与对应人工项之间的联系。4地下水系统，将全部的补给、排泄、收入、支出分离为
20、天然状态下的原有项和水资源开发利用导致的附加项，并保持天然和人工两类收支项之间的联系，同时保持开发利用各量与对应人工项之间的联系。5天然生态系统，根据其植被群落构成和蒸腾发量，确定其最小水分需求深度与适宜水分需求深度。然后将水资源二元演化模型中的有效降水深、潜水蒸发深、径流深这些天然水循环项的水分相加，作为天然生态系统的水资源支撑条件。若天然水循环提供的可利用水深大于地表植被的最小生态需水深，则植被可以存活但生态稳定性相对脆弱；若可利用水深接近适宜生态需水深，则生态系统状态良好；若该区天然植被有条件直接或间接利用人工系统的供水及退水，则将人工供水折算成水深后与天然可利用水深项相加，作为天然生态
21、系统的生态可利用水量。通过上述步骤，可以建立内陆干旱区水循环演变与相应生态系统演变的动态关系。上游侧渗补给上游加大开采侧渗减少本区加大开采侧渗增加各类工程防渗侧渗减少图2-4 内陆河流域水资源演化的二元动态模型及其调控原理6人工生态系统，包括城市生态、农林牧渔业、人工水面、人工供水系统等。对不同类型的人工生态，根据规划总量指标和需水、耗水定额推算其需水量和耗水量。可利用水分包括有效降水，地表水、潜水、承压水、再生回用水等。人工系统的供水量与实际耗水量之差，即为排水量或退水量，重新进入到天然水循环中，并可为人工或天然生态系统所再利用。7生态需水量，根据区域生态环境保护要求，各类天然植被的面积与植
22、被盖度，天然生态需水深度等参数推算。当规划水平年的土地利用格局变化和水资源开发利用格局发生变化后，天然生态区的可利用水深也相应发生变化，从而天然植被盖度和分布情况也发生变化。8国民经济水资源可利用量，由于流域水资源同时支撑着生态环境系统和社会经济系统，在水资源不足的情况下，两者间将产生用水竞争性。本着干旱内陆地区优先保障生态用水的原则，在流域水资源总量中减去生态用水量，其余部分作为国民经济水资源可利用量。在具体计算可利用量时，还要考虑出入境水量、开发利用的技术经济条件和用水的实际需求情况。9节水潜力，从资源、工程和管理三个层面进行估计。资源层面，在流域水循环二元模型中定义各项有效与无效蒸发，从
23、采用节水措施前后无效蒸发的减少来看节水的区域水资源效应。工程层面，在人工侧支循环的各个环节，计算输水与用水效率，考虑工程系统的用水效率和经济效益。管理层面上，估计由于水价提高、产业结构调整、节水意识的加强等因素导致的需水增长速度放慢。工程措施、管理措施都是手段，其目的是为了提高用水的有效率，提高单方水的产出。利用二元模型，可以从资源和工程层面对节水潜力进行定量估计。10二元模型同时描述生态用水和国民经济用水，以及两种水量在流域水资源演化过程中的相互作用，从而生态环境系统和国民经济系统之间建立了定量联系。水资源二元演化模型的“分离-耦合”机制，可以揭示生态环境需水与国民经济需水的内在竞争关系，使
24、二元模型成为研究流域水资源合理配置和承载能力的基础。二、基于二元模式的西北水资源评价与开发利用评价内陆干旱区流域水资源形成演化的二元模型为水资源评价和水资源开发利用评价提供了统一的基础。2.1 水资源的有效性、可控性与可再生性西北地区独特的自然地理条件，决定了水资源在具有自然属性、社会属性和经济属性的同时，更具有极为突出的生态属性。由此引出水资源的有效性、可控性与可再生性的描述与评价问题。合理界定西北水资源的上述特性，是研究生态需水、进行水资源合理配置的基础和前提。有效性准则与广义水资源针对西北地区的实际，应从有效性出发定义水资源，对传统意义上的水资源概念进行拓展。有效性标准对传统水资源涵义的
25、第一个拓展是，与生态环境具有密切关系的水分都应该评价为水资源。这是因为，有效水分不仅是国民经济和社会发展的基础性资源，而且还滋养了对人类生存具有头等重要意义的生态系统，水资源的有效性概念可以同时体现对生态环境保护和社会经济发展的决定性意义。有效性标准对水资源涵义的第二个拓展是，对生态环境具有效用的水分不仅是径流性水资源，而且还有部分降水资源。因为无论是天然生态还是人工生态，有效降水都是研究其水分需求的前提，在西北干旱半干旱地区就更是如此。由此可以认为，从有效性出发定义的水资源是广义水资源。可控性准则与狭义水资源从可控性概念出发研究水资源，是从人工调控角度对广义水资源作进一步的区分。广义水资源可
26、分为两类：一类是有效降水，可为天然生态系统与人工生态系统所直接利用，这部分水量难于被工程直接调控，但可以调整发展模式增加对它的利用；另一类是径流性水资源，包括地表水、地下含水层中的潜水和承压水，这部分水量可通过工程对其进行开发利用。因此，从可控性准则定义的水资源是狭义水资源。80年代初我国第一次水资源评价时资源量中不包括有效降水部分，相当于仅就狭义水资源进行评价。可再生性准则与生态需水量和国民经济水资源可利用量从可再生性出发研究水资源，是对狭义水资源在可持续利用意义下再作进一步的界定，以便提出社会经济发展的水资源可利用量。由于水循环是狭义水资源与广义水资源的共同基础，水循环本身及其相关过程的长
27、期稳定性，是水资源可再生性维持的必要和充分条件。维护水循环本身的稳定，需要保持水热平衡和水量平衡；维护与水循环相关的物理、化学与生态过程的稳定，需要保持水沙平衡、水盐平衡和水土平衡。上述各类平衡归结到一点，就是在特定的时段和地域条件下保持有效水量的平衡。对于工程能够调控的狭义水资源而言，其不仅易于为国民经济所利用，更是干旱区非地带性植被赖以生存的基础，若在国民经济用水和生态环境用水之间调控不当，则会直接影响到流域水循环的稳定，进而影响到水资源的可持续利用。西北地区生态环境的脆弱性决定了生态需水具有更高的优先级，因此在狭义水资源中首先应当保证特定保护目标下的生态环境用水，其余部分才可作为国民经济
28、水资源可利用量的基础。2.2 水资源评价的基本口径水资源流域水循环中能够为生态环境和人类社会所利用的淡水，其补给来源主要为大气降水，赋存形式为地表水、地下水和土壤水，可通过水循环逐年得到更新。从水循环角度看，对水资源的利用方式可分为三类：一是天然生态与人工生态对有效降水的直接利用，涉及到径流的产生；二是通过水利工程对径流性水资源的一次性开发利用，这种利用在天然水循环中形成了人工侧支循环；三是对地表水-地下水的联合利用和污水处理回用形成的再生性重复利用，这种利用在天然水循环和人工侧支循环之间形成了水力联系。三类形式的水资源利用同时存在并相互影响，加速了流域水循环的演变。狭义水资源流域的多年平均产
29、水量即为狭义水资源量。对西北内陆河地区，不重复的流域总产水量为出山口径流量、平原区山前侧渗量、平原区降水入渗补给地下水量三项之和。开发利用导致的流域产水量变化，是流域水资源演化的一个方面。广义水资源在狭义水资源量的基础上，再计入天然与人工生态系统对降水的有效利用量，即构成了广义水资源量。国内外习惯上仅将流域产水量评价为水资源，未包含雨水资源的利用量，不能反映水循环过程的全部有效水量。在我国北方地区径流性水资源不断下降的情况下，从流域水循环的角度整体研究水资源利用问题日显必要。广义水资源量的提出，对雨水资源化、节水标准和缺水标准的研究具有理论和实际意义。生态环境需水一般意义上是指，与特定生态环境
30、保护目标相联系的物理、化学、生物过程处于平衡状态时所需要的水分，涉及到不同尺度的水热平衡、水循环平衡、水土平衡、水沙平衡、水盐平衡、水化学平衡等。西北内陆干旱区生态需水，是指符合生态保护目标且对景观维持及环境状况改善起支撑作用的系统，为维持其平衡所消耗的水分。一般情形，农林牧业既具有经济价值也具有生态环境功能，其用水属于广义的生态用水。本报告所涉及的生态需水概念更为严格，不包括国民经济用水需求中的种植业和畜牧业灌溉需水。从生态建设的水资源保障条件看，生态需水可分为可控生态需水和不可控生态需水。可控生态需水是指植被所利用的径流性水资源，可通过水利工程改变径流的时空分布，从而控制或影响生态环境的水
31、分利用条件。不可控生态需水是指植被所消耗的降水中不形成径流的有效水分，尽管不可控生态需水与水利工程无直接关系，但也不同程度地受到土地利用格局改变的影响。本次攻关中，可控生态需水是研究的重点。从生态系统形成的原动力不同，又分为天然生态需水和人工生态需水两大类。天然生态需水是指基本不受人工作用的绿色生态所消耗水量，包括天然水域和植被所需水量，在西北地区天然植被可分为荒漠河岸林、低地草甸、前山带河谷林、荒漠植被等；人工生态需水是指由人工直接或间接维持绿色生态所需水量，包括为生态目的种植的人工林草灌溉量和城市景观供水量，农业灌溉退水维持的人工生态水量，以及水土保持造林种草所消耗的降水量。国民经济水资源
32、可利用量特指在自然条件和经济条件允许的情况下，狭义水资源中能够被工程系统一次性开发利用的最大潜在量。这一最大潜在量包括了地表水和地下水两部分的可利用量，由于二者间的相互转化关系，地表水和地下水的可利用量均不是固定的，要根据二元模型进行计算。特别是在西北地区，平原地下水几乎全由地表水转化而来，必须根据不断变化的动态补给情况对地下水可利用量进行调整。工程系统供水量工程供水系统明显改变了水资源的天然时空分布，形成了一次性意义下的水资源可利用量被多次重复利用的情况，甚至会出现全流域的工程系统供水量大于狭义水资源量的情况。 上述各项水资源评价准则与基本口径见表2-1。表2-1 水资源评价准则与基本口径评
33、价准则基本涵义水资源性质评价对象定量标准有效性对社会经济发展具有效用的水分广义水资源有效降水地表水土壤水地下水生态系统对降水的直接利用量对生态环境保护具有效用的水分河川径流量可控性可通过工程进行调控的水体狭义水资源地表水河川径流量地下水可再生性维持流域水循环过程本身的稳定国民经济可利用量水资源演化趋势流域水热平衡流域水量平衡流域水土平衡流域水沙平衡流域水盐平衡技术经济条件维持流域水循环相关过程的稳定生态环境需水量相关环境演变趋势生态环境保护准则2.3 基于二元模式的西北水资源研究体系内陆干旱区水资源演化的二元模型，为各类水资源评价与开发利用的定量研究奠定了统一基础。例如，水资源评价，主要以流域
34、的天然水循环为对象，对资源量的时空分布和水质状况进行评价；水资源开发利用评价，主要以流域的人工侧支循环为对象，对开发利用模式、开发利用引起的资源环境效应、开发利用效率等问题进行评价。与水有关的生态环境评价，是从干旱区天然水循环支撑天然生态系统、人工侧支循环支撑人工生态系统，以及二者间的相互作用关系出发，在流域“天然人工”水资源二元演化的共同基础上，评价生态系统状态和影响生态系统状态的控制性因子，并建立生态环境保护准则和提出生态环境建设的合理模式。而水资源合理配置，是在水资源、开发利用、生态环境三种评价的基础上，研究流域水资源系统、社会经济系统、生态环境系统三者间相互制约相互依存的关系，提出保持
35、水土平衡、水量平衡、水盐平衡和水沙平衡的开发利用方式，以及水资源高效利用的模式。水资源承载能力，是在合理配置的基础上，进一步考虑市场作用以及由于产品流通而带来的水资源输入输出，在资源环境承载主体和社会经济被承载客体相互协调的前提下，提出区域的人口承载能力和承载模式。参见图2-5。图2-5 基于流域二元模型的水资源评价体系示意图三、基于二元模式的内陆干旱区生态环境评价与生态需水3.1 生态环境评价体系与保护准则内陆河流域生态系统的层次结构西北干旱区生态系统的层次结构表现在两个方面：一是从水分与植被的相互关系看，由于水分条件不同而使流域上、中、下游的生态系统明显的不同；二是从人类活动与植被的关系看
36、，从绿洲核心区向外存在着明显的圈层结构。按照水资源的形成、转化和消耗规律，结合植被和地貌景观，内陆河流域从上游到下游可以分为：出山口以上径流形成区内的山地生态系统；出山口以下径流消耗和强烈转化区内的人工生态系统；径流排泄、积累及蒸散发区的自然绿洲水域低湿地生态系统；无流区的荒漠生态系统。其中，从出山口到荒漠戈壁之间山前地带的河流两岸附近区域，水分条件最为优越，形成了绿洲复合生态系统。内陆河盆地绿洲荒漠型生态在空间上的圈层结构表现为：绿洲生态系统的核心地带为人工绿洲，由人类社会经济活动区向外，有天然绿洲屏障和绿洲荒漠交错过渡带两大生态圈。交错过渡带与浩瀚的荒漠区连接，在防风固沙和防止绿洲土地沙化
37、方面具有重要保护功能。人工绿洲是干旱区人类文明的精华，需要有天然绿洲和绿洲荒漠交错过渡带的保护，要维护各生态圈的合适比例，一旦比例失衡会危及到人工绿洲的生态稳定性。从自然景观看，绿洲区与周边荒漠区之间形成了过渡带。过渡带的本质，是处于两种或两种以上的物质体系、能量体系、结构体系、功能体系之间所形成的“界面”，以及围绕该界面向外延伸的“过渡带”空间域。过渡带在生态意义上的“脆弱性”，一是其被低一级生态系统代替的概率大，竞争的程度高；二是可以恢复原状的机会小，恢复比退化更为困难；三是抗干扰能力弱，对于改变界面状态的外力只具有相对低的阻抗；四是界面变化速度快，空间移动能力强；五是诸多生态问题的集中显
38、示区和突变的产生区，也是生物多样性的出现区。过渡带的这些特点，使过渡带的保护成为内陆区生态保护的重点之一。根据本次攻关的研究成果，定义绿洲-荒漠过渡带为以降水补给为主的地带性植被分布区域。在南疆、东疆、疏勒河流域、黑河流域、柴达木盆地，过渡带的组成均为盖度在5%20%的低盖度草；在北疆和石羊河流域，由于其降水量相对较大，盖度在20%50%的中盖度草面积也属于过渡带。应当特别指出，过渡带植被尽管以降水补给为主，但也受到径流性水资源不同程度的间接支撑。遥感图象上过渡带的空间分布一般均在径流区的影响范围内，说明了过渡带也有径流性水资源的补给。相反，绿洲区的植被则以径流性水资源支撑为主，降水性水资源的
39、补给为辅。无论是天然绿洲还是人工绿洲，其支撑植被的水分来源，径流均占到其生态需水总量的50%以上。特别是人工绿洲区，则几乎完全依靠供水来维持。生态环境评价体系在流域二元水循环模式的基础上，西北地区的生态环境评价分成两个方面进行：首先是对生态系统状态本身的评价，其次是对导致生态系统状态变化的驱动因素进行分析。揭示生态系统的状态，最为直观和敏感的是生态系统的层圈比例。首先是生态面积（绿洲与过渡带面积之和）占国土面积（生态面积与荒漠面积之和）的比例，该指标反映生态系统在干旱荒漠大环境下的整体脆弱性。这一比例越低，说明生态系统的脆弱性越大。其次是绿洲面积（人工绿洲与天然绿洲之和）占生态面积的比例，该指
40、标反映绿洲在生态系统整体中的相对稳定性。这一比例越低，说明绿洲生态系统的相对稳定性越大。第三是人工绿洲面积占绿洲面积的比例，该指标反映人工绿洲生态系统的相对稳定性。这一比例越低，说明人工生态系统的相对稳定性越好。本次攻关中，利用70年代和90年代的遥感资料，结合地面统计资料，对西北地区20年来的生态系统演替过程和现状规模进行了分析评价。导致生态系统状态变化的驱动因子主要有两个，均由人类活动影响所致。一是由于水资源开发利用改变了水资源的时空分布，径流性水资源消耗在人工生态区的部分增加，导致天然生态区和过渡带所能利用的径流性水资源减少。当径流性水资源与降水性水资源之和小于地表植被正常生长所需要的耗
41、水量时，植被盖度下降，生态系统退化，直到演变成需要水分更少的植被类型时，生态系统的状态才能保持稳定。遥感图片和地面观测均证实，西北干旱区的水资源分布决定了植被系统的分布，降水性水资源和径流性水资源之和决定了植被等级，水中的含盐量对植被类型也具有决定性影响。从这一意义上讲，水资源的合理配置不仅为国民经济发展所要求，而且也是生态环境保护的关键所在。同时应当指出，由于干旱区生态系统空间上层圈结构的存在，以及内陆河流域特有的水分运移规律，决定了当进入天然绿洲层圈和过渡带层圈的径流性水资源减少时，首先受到影响的是过渡带而不是天然绿洲。这是因为，内陆河出山口以后径流性水资源对天然绿洲和过渡带生态系统的补给
42、，主要是通过地下水潜水蒸发的形式，地下径流首先流过天然绿洲层圈并被地表植被所夺取，从而导致进入过渡带的径流性水资源大为衰减。近20年来西北各个内陆河流域的生态系统演替历程，也说明了当人工绿洲扩大、对径流性水资源消耗增加时，天然绿洲相对稳定，而过渡带面积明显减少。以上对径流时空分布变化对生态系统具有决定性影响的认识，以及对生态系统中过渡带脆弱性的认识，为西北干旱内陆地区生态保护准则的制定奠定了科学基础。导致生态系统状态变化的另一个驱动因子是土地利用格局。土地利用从三个方面影响到生态系统的稳定：第一，将天然绿洲改造为人工绿洲，人工生态系统本身就需要额外的物质与能量输入来支撑，其稳定性较天然生态系统
43、明显偏低；第二，人工生态系统需要占用和消耗更多的径流性水资源，导致天然绿洲和过渡带的水资源可利用量减少，过渡带将首先退化为荒漠；第三，生态系统的层圈结构比例将发生变化，并使流域的产汇流特性、物质与能量的转化链条等发生一系列的相应变化。大量的统计资料表明，绝大多数内陆河流域的水资源利用均已达到临界水平，人工生态系统面积的扩大，必然要导致过渡带面积的成倍减少，从而使生态系统的整体稳定性受到削弱。这一认识，将导致在制定生态环境保护准则时，对盲目开荒予以更为严格的限制。通过对生态系统演变驱动因子的辩识，可以建立对未来生态系统演变进行预测的方法。即在不同发展阶段，首先对土地利用格局和水资源配置模式进行预
44、测，得到未来生态系统层圈结构的演进方向和水资源支撑条件的变化趋势，进而对天然水循环和人工侧支循环的相互作用关系，以及对绿洲人工生态和天然生态的稳定性预测。生态保护准则生态保护准则是生态需水计算的前提，是水资源合理配置的基础，是生态环境建设的指导性标准。按传统的生态平衡概念，人工生态系统的发展与生态系统的自然演进方向并不相同，不可能达到平衡。从实际出发，对生态系统的保护和改善，应以有利于人类的生存和可持续发展为基本准则。生态环境保护，不是将生态系统完全恢复到自然状态，这既不可能也不必要；而是要使生态系统保持相对稳定和功能的协调，正确处理保护与开发的关系。由于水是西北干旱区生存和发展的基础，生态环
45、境保护应以水为中心建立准则，包括以下六项内容：1维持流域水资源的可再生循环能力。包括三个层次：对出山口以上径流形成区的保护，确保进入到绿洲的径流性水资源大体保持稳定，使得人类赖以生存和发展的水资源基础不致发生大的变化；对绿洲水资源实行合理配置和高效利用，保持在开发利用过程中的水土平衡、水量平衡和水盐平衡，使得无效蒸发减少，人工侧支水循环和天然水循环的关系保持和谐；保证进入到尾闾地区的径流性水资源的必要数量，以提供对流域下游生态最低限度的水资源支撑条件，防止过渡带萎缩和荒漠化蔓延。2保护山区生态的绝对安全。涵养好山区水源地，防止因过牧和盲目开垦造成的生态退化和水土流失，杜绝一切滥砍滥伐。3保持绿
46、洲地带的水土平衡和生态层圈结构的稳定。西北地区地多水少，土地资源的开发利用必然意味着对水资源的进一步开发利用。由于水资源在生态系统中是起制约作用的短线资源，在人工生态和自然生态系统之间存在着用水竞争性，人工生态系统的扩大，挤占了天然生态系统的水资源，导致了天然生态的萎缩。因此，严格控制开荒是重要的生态环境保护准则。4保持尾闾地带的最小生态需水量。通过人工生态区的全面节水和中下游河道整治来增加进入到下游的径流量，强化下游生态的水资源支撑条件，防止荒漠化蔓延。5保护流域水循环的化学平衡。水循环化学组分的失衡，会显著影响水资源的有效性。对城市要控制污染物的排放量不能超过水体的自然净化能力，对大型灌区
47、要控制盐分在下游局部地区的积累。对西北内陆干旱区，当前要特别强调大型灌区的水盐平衡，通过地表水地下水的联合利用，在减少地下水无效蒸发的同时控制地表盐分，改造大面积的中低产田。6保持现状生态是各项生态保护准则的共同基础。鉴于西北大多数内陆河流域的水资源开发利用程度均已很高，用水竞争性十分明显，水土资源进一步开发势必导致水循环分布的改变和生态环境的相应改变，生态环境已成恶化趋势。按保护现状的准则，今后应以内涵发展为主，土地开发以中低产田改造为主，水资源开发利用以节水和高效利用为主，通过内涵调整增加发展与保护的协调性，在保护的基础上发展，通过发展不断提高保护水平。综上所述，根据现状和未来发展需求，西北地区生态环境保护的基本原则为：以维持水资源的可再生性和生态的可持续性为目标，以现状生态的保护为基础，以水利基础设施建设为保障，综合权衡经济价值与环境需要。3.2 基于二元模式的生态环境需水计算方法生态需水的计算口径本次攻关的生态需水计算以流域为基本单元。对于每个流域，结合其生态特点和水循环特点，确定一级分区为山区、平原绿洲、过渡带、荒漠无流区。为了突出人类活动影响，在山区和平原绿洲中进一步区分天然生态系统和人工生态系统，作为二级计算分
