西北干旱区水资源约束下城市化过程及生态效应研究的理论探讨

城市化是西北干旱区实现小康目标的必由之路,然而最大的自然障碍因素是水资源严重短缺。现实的城市化与水资源及生态环境保护之间存在着各种矛盾与胁迫。从城市化过程及其生态效应研究的重要性出发,透过对国内外研究进展的分析与评述,把水资源作为西北干旱区先决约束条件。提出了水资源约束下西北干旱区城市化过程及其生态效应的研究思路,包括选择水资源变化过程与城市化过程之间相互胁迫的驱动因子,揭示水资源变化对城市化过程的胁迫机制与规律;分析城市化过程引起的与水相关的生态效应;建立城市化过程及其生态效应预警指标体系。对不同强度水资源约束下城市化过程进行动态预警和情景分析;选择最节水的城市化发展模式和建设节水型城镇体系等。进而为加快西北干旱区城市化发展进程、改善干旱区生态环境、实现小康目标提供科学的决策依据。     

“水资源约束下西北干旱区城市化过程及生态效应”研究进展

在我国西北干旱地区工业化和城市化过程中,以脆弱生态环境为成长背景的城市在发展过程中受到了水资源和周围生态环境等的多重胁迫。为了科学解决这一问题,国家自然科学基金委员会于2003年9月启动了“水资源约束下西北干旱区城市化过程及生态效应研究”的基金重点项目(编号40335049)。本项目以河西走廊为例,把水资源作为先决约束条件,将遵循人文规律的城市化过程与遵循自然规律的水资源与生态环境变化过程有机结合在一起,采用系统集成方法,并引入RS和GIS技术,揭示水资源变化对城市化过程的胁迫机制与规律,分析由此引起的生态效应;对不同强度水资源约束下城市化过程进行动态模拟和情景分析。通过项目负责人方创琳研究员     

西北干旱区水资源问题研究思考

 气候变化与水资源问题是各国政府部门、学术界和社会公众普遍关注的焦点,也是西北干旱区实现跨越式发展的重要瓶颈之一。在分析前人研究成果基础之上,指出制约西北干旱区社会经济发展和生态安全的关键因素和气候变化对西北干旱区水资源的影响;进而分析西北干旱区气候变化与水资源研究中的热点和难点问题;最后基于西北干旱区水资源研究的重要性和迫切性提出目前亟待解决的研究任务与核心内容,主要包括3个方面：(1)气候变化对西北干旱区水资源形成、转化及未来趋势的影响;(2)气候变化对西北干旱区水循环过程的影响;(3)气候变化对西北干旱区水资源安全的影响。     

黑河流域水资源信息系统设计

建立黑河流域水资源信息系统的目标是为黑河流域水资源合理利用与经济社会和生态环境协调发展的研究提供基础数据和技术支撑,并辅助建立流域决策支持系统和水资源模型。本文介绍黑河流域水资源信息系统的设计和应用,共包括27个图层的空间数据、40 a气候和水文序列、以及部分NOAA AVHRR和TM遥感数据,是我国西北内陆河流域最完整的水资源信息系统之一,已被应用于黑河流域水资源合理利用以及水文和生态基础研究。     

黑河流域环境退化特征分析及防治研究

生态环境条件的好坏,是制约我国社会、经济和人民生活可持续发展的重要问题之一,特别是在生态环境脆弱的西北干旱区的内陆河流域。本文以黑河流域为例,根据最新的野外调查数据,结合该流域已有的研究文献资料,分析了黑河流域生态环境退化的现状和主要特征。研究结果表明,黑河流域生态环境退化主要是由于人类不合理的经济活动造成的,具体表现在土地的沙漠化、水资源的变化、土壤盐渍化和植被退化等方面。在此基础上,初步提出了防止流域生态环境恶化的综合治理对策。     

干旱区城市化与生态环境交互胁迫过程研究进展及展望

城市化进程与生态环境之间客观上存在着种种矛盾与胁迫作用,在干旱区表现的尤为突出。本文系统总结了当前国内外关于干旱区城市化与生态环境交互胁迫过程研究在理论、观点、方法与实践等方面取得的最新进展,提出了干旱区城市化与生态环境在交互胁迫中相互促进的观点,指出了当前该领域研究的薄弱环节,并展望了未来主要的研究方向。研究认为,国际学者普遍关注城市化与生态环境交互作用关系的研究,涌现了一系列研究城市化与生态环境关系的理论;非常重视城市化与生态环境交互作用机理的研究,主要从城市人口集聚、经济增长、空间扩展等层面分析城市化对生态环境的胁迫作用;从生态条件、资源条件、环境污染等层面探讨生态环境对城市化的束缚作用;广泛采用“3S”技术和定量分析方法来评价城市化与生态环境的交互响应过程;逐步加强对干旱区城市化与生态环境可持续发展途径的研究。国内学者主要对干旱区水资源紧张及生态恶化原因,城市化与生态环境交互胁迫机理,城市化与生态环境之间的EKC模型、双指数模型和耦合度模型等定量分析手段,城市化发展模式等进行了研究。当前单独研究城市化或生态环境的较多,将二者结合起来的较少;实证研究较多,规律总结较少;定性分析较多,定量研究较少;胁迫效应研究较多,约束效应研究较少,至今尚未形成独立的理论体系。从发展趋势来看,多学科融合、与实践紧密结合、新技术方法的应用与动态模拟化将是今后国内外研究的主要发展方向。     

张掖市黑河流域湿地研究与保护

根据张掖市黑河流域湿地所处的生态区域、湿地成因和受干扰因素的影响程度及湿地过程的自然特征,同时,还考虑到研究区湿地资源的利用涉及多个部门和多个利益主体,提出了张掖市黑河流域湿地分层保护管理模式;根据张掖市黑河流域湿地研究现状,提出张掖市黑河流域湿地科学研究内容及研究方向,为西北干旱半干旱区内陆河流域湿地研究与保护提供示范和参考。     

干旱区水资源开发利用对生态环境影响的 研究进展与展望

水资源是干旱区生态环境最主要的限制性因子和重要组成部分。干旱区人口和经济规模的膨胀,导致生 产、生活用水不断挤占生态环境用水,部分地区水资源开发利用甚至严重超过了最大极限,导致生态系统不断恶化 甚至难以恢复。干旱区水资源开发利用对生态环境影响的研究越来越受到重视。当前,国内外按照“发生的问题— 产生的机理—调控的标准—过程模拟—情景预测—响应对策”这一逻辑思路,围绕干旱区水资源开发利用对生态 环境的影响进行了大量研究,并取得了明显进展。但干旱区水资源开发利用对生态环境的影响机理研究相对薄弱, 仍难以精确刻画水资源开发利用与生态环境之间的定量关系,难以动态模拟和有效预测水资源开发利用对生态环 境的影响,面向干旱区生态环境的水资源开发利用对策研究在实践中仍面临着较多障碍。因此,未来应以机理研究 为基础,以过程模拟和情景预测为突破口,以综合集成的对策体系建设为落脚点,不断加强干旱区水资源开发利用 对生态环境影响的研究。     

美丽中国与联合国可持续发展目标(SDGs)结合的黑河流域水资源承载力评价

水资源是制约干旱、半干旱区社会经济发展的关键因素,结合联合国可持续发展目标（SDGs）指标和美丽中国评价指标,以水资源承载力为核心,从水资源系统、社会系统、经济系统、生态环境系统、协调系统5个方面构建指标体系,基于熵权法确定权重,评价2001-2017年黑河流域各县区水资源承载力及时空分布。结果表明：（1）当前水资源利用效率水平下,2010年以来黑河流域大多数县区GDP均超过最大承载能力,而人口则在2010年以前已超载。（2）从水资源承载综合评价结果来看,2001-2015年随着生态输水工程的进一步实施,水资源承载力有所好转,但中下游波动较大,水资源形势依然十分严峻。（3）控制不断扩展的绿洲面积,减少高耗水农作物种植面积,实施合理用水总量控制和定额管理措施,是减缓水资源压力的重要措施。     

不同情景下干旱区尾闾湖泊生态水位与需水研究——以黑河下游东居延海为例

水位作为湖泊重要的水文要素之一,在反映湖泊水量变化,指示湖泊湿地生态环境状况等方面都有重要的生态意义。选取黑河下游尾闾湖东居延海为研究区域,采用湖泊形态学法对湖泊最小生态水面和最低生态水位进行了研究。依据水量平衡原理,结合已有研究对不同情景下的生态需水量进行了估算。最后结合黑河输水河道耗水规律,提出不同情景（水文频率）下各水文断面需下泄水量。研究结果对于干旱区流域湖泊湿地的保护和水资源的合理利用都有重要意义,同时也为黑河流域生态输水工程的实施提供现实的科学依据。     

中国干旱内陆河出山径流对流域气象要素与全球气象指数的响应特征研究

干旱内陆河出山径流及其影响因素分析对于流域水资源评价、流域经济生态安全保障具有重要意义。基于1960-2012年塔里木河流域"三源流"与黑河流域的出山径流、降水、气温资料及4个全球气象指数监测数据,采用小波分析方法研究了各水文气象要素的周期特征,以及流域出山径流对气象要素与气象指数的响应特征。结果表明：（1）各水文气象因子多具有1~2个显著周期,周期多在2~7 a尺度范围内。（2）叶尔羌河、黑河出山径流与流域降水分别在6~17 a、2~16 a周期上关系显著。各出山径流与流域降水、气温的多尺度共振周期性差异,反映了各径流来源构成及其与气象要素年际动态方面的差异。（3）各流域出山径流对气象指数的响应特征不同,这在显著时频域以及径流响应时滞等方面均有表现。此研究可为气候变化条件下干旱内陆河流域生态-水文过程响应及水资源管理提供依据。     

西北干旱地区水资源-城市化复合系统耦合效应研究——以石羊河流域为例

水资源短缺是西北干旱地区经济、社会、生态可持续发展的"瓶颈",定量地分析城市化系统与水资源系统交互作用、耦合机理以及演变规律,对城市化的快速推进和水资源可持续利用具有重要的意义。以典型的西北干旱内陆河流域石羊河流域为例,提出水资源-城市化复合系统耦合度计算模型,构建了耦合度评价指标体系和各项评价因子分级标准,方法简单,可操作性强。结果表明:2001-2010年石羊河流域主要行政区金昌和武威两市,流域水资源承载力在0.22~0.26之间波动,逐年下降,处于准不可承载状态;城市化系统与水资源系统呈初级关联状态,关联度年均增长率分别为-4.28%和-3.53%;水资源对城市化进程的约束强度均大于0.6,属于极强约束,约束度略呈减弱趋势;金昌,武威两市水资源系统与城市化系统距优度均低于0.6,呈从濒临衰退阶段向初级协调阶段发展的微弱态势,年均增长率分别为2.01%和0.96%。由于研究区水资源匮乏,开发程度高,利用效率低,用水结构不合理,导致整个流域水资源与城市化复合系统耦合度介于初级耦合和拮抗状态之间,水资源对城市发展构成极强约束;将研究区水资源及其利用状况与严重干旱缺水的中东国家以色列进行对比,认为石羊河流域水资源承载力还有一定的潜力,并提出我国西北干旱地区水资源管理与调控的有关建议。     

黑河流域水资源研究进展

作为典型的内陆河流域,黑河流域历来是研究寒区、旱区水文与水资源的热点地区。水资源是联系该流域生态系统和经济系统的纽带,更是其社会经济环境可持续发展最主要的限制因子。因此,对于黑河流域水资源的研究非常广泛,也取得了很多高水平的研究成果,这些研究内容主要包括：上游产流区的冰雪变化与黑河径流量、黑河出山口径流变化特征及其对气候变化的响应以及径流量的模拟与预测;中下游耗散区的水资源利用状况及对策;同位素、水资源承载力以及水资源管理的理论方法和措施。今后的重点应从流域的宏观尺度,开展黑河流域生态经济的综合研究、生态水文学和水污染问题的研究。     

黑河调水的生态经济思考

黑河流域由于人类在20世纪对水资源的非理性利用,使得水资源在生态环境系统和社会经济系统中的分配严重失调,生态经济问题突出。黑河分水的目的是遏制下游额济纳旗生态的进一步退化,本文以水资源为主线,对黑河分水后流域内社会经济和生态状况进行了分析,结果表明,由于流域综合治理和张掖市产业结构调整的保证,流域整体生态经济状况得到了一定的改善,符合帕累托改进原理,为流域生态和经济的良性发展提供了依据。     

西北干旱区水资源约束城市化进程的定量辨识——以甘肃省武威、张掖市为例

加快西北干旱区的城市化进程,是实施西部大开发战略和全面建设小康社会的必由之路。而城市化水平的提升,主要取决于驱动力和制动力的大小。通过西北干旱区典型绿洲城市武威和张掖的城市化水平、用水总量、经济总量、产业结构、用水效益、人均用水水平等变化过程的定量分析和比较,发现水资源对城市化进程存在明显的约束作用,水资源约束力是导致城市化进程缓慢的重要因素之一。通过城市化水平与水资源利用关系对数约束模型的推导与分析,发现城市化水平与用水总量之间拟合方程的相关系数,可作为定量识别西北干旱区水资源约束城市化进程的重要指标。根据实际拟合结果,水资源对武威市城市化进程的约束强度为0.937,属于极强约束类型;对张掖市的约束强度为0.438,属于较强约束类型。     

西北干旱区气候变化对水文水资源影响研究进展

西北干旱区是对全球变化响应最敏感地区之一,研究分析全球变暖背景下的西北干旱区水资源问题,对应对和适应未来气候变化带来的影响具有重要意义。本文通过对西北干旱区气候变暖影响下的水资源形成、转化与水循环等关键问题最新研究成果的总结分析,得出如下结论：(1) 西北干旱区温度、降水在过去的50年出现过“突变型”升高,但进入21世纪,温度和降水均处于高位震荡,升高趋势减弱;(2) 西北干旱区冬季温度的大幅升高是拉动年均温度抬升的重要原因,而西伯利亚高压活动和二氧化碳排放是引起冬季升温的重要影响因素;(3) 西北干旱区蒸发潜力在1993年出现了一个明显的转折变化,由显著下降逆转为显著上升的趋势。气候变暖、蒸发水平增大对西北干旱区生态效应的负作用已经凸显;(4) 西北干旱区冰川变化对水资源量及年内分配产生了重要影响,部分河流已经出现冰川消融拐点。在塔里木河流域,冰川融水份额较大 (50%),可能在未来一段时期,河川径流还将处在高位状态波动。全球气候变暖在加大极端气候水文事件发生频率和强度的同时,加剧了西北干旱区内陆河流域的水文波动和水资源的不确定性。     

黑河流域2004-2010年水足迹和水资源承载力动态特征分析

 中国是水资源短缺国家,水资源时空分布不均,水资源已成为制约中国社会经济可持续发展的重要因素。利用生态足迹法构建了黑河流域农业用水、工业用水、城镇公共用水、生活用水和生态环境用水5个二级水资源账户,并利用水资源负载指数,研究了黑河流域2004—2010年水资源承载力、水足迹和水资源负载动态特征。结果表明,黑河流域水资源承载力从2004年的16.36 hm2增加至2010年的24.40 hm2;总水资源生态足迹从2004年的571.81 hm2减少至2010年的486.73 hm2;而水资源生态赤字从2004年的555.45 hm2下降至2010年的462.33 hm2;黑河流域水资源负载指数高,水资源开发潜力很小;黑河流域水资源承载力增加与降水量有密切关系。     

干旱区典型植物生长与地下水位关系的模型研究

以生态适宜性理论为基础，根据塔里木河干流流域典型植物的随机抽样调查资料，建立了干旱区几种典型植物生长与地下水位关系的对数正态分布模型。根据建立的模型得出干旱区典型植物的最适地下水位、适宜地下水位区间及其对环境因子的忍耐度。与同是干旱区的黑河流域下游额济纳旗实测及调查资料进行比较分析，结果是合理的，因此模型也是合理的。最后，根据模型得出了对干旱区生态恢复和重建，实现干旱区经济、社会和生态环境协调可持续发展具有重要意义的结论和建议。     

黑河流域水循环演化与可持续利用对策

通过环境同位素研究和指数加权量化分析表明,黑河流域水循环演化主要受区域气候变化和人类活动影响,中游区人类活动对黑河径流水文过程变异影响强度达85％,以至成为下游区湖泊干涸、地下水位持续下降和生态环境退化的重要因素,由此提出如下论点：实现黑河流域水资源可持续利用和下游区生态环境有效保护、关键是规范中游区人类用水,使其符合黑河流域水循环自然规律,并建议正确处理兴修水利工程与地下水涵养的关系,着眼于整个黑河流域生活、生态和生产可持续发展的总目标,强化生态需水优先的可持续发展理念,充分发挥地下调蓄和地表—地丁水联合优化配置功能。     

干旱半干旱区生态保护红线划分研究——以“多规合一”试点榆林市为例

划定生态保护红线是构筑区域生态安全屏障的基础,是经济社会可持续发展的基本保障;干旱半干旱区水资源短缺是威胁区域生态安全的首要因素,生态保护红线划分应切实以保护水资源安全供给为根本。以干旱半干旱区“多规合一”试点地区榆林市为例,通过对关键生态系统服务功能评估和生态敏感性评价,以水资源约束为核心,提出了生态保护红线体系与划分方法。结果表明：① 榆林市生态保护红线总面积16998.59 km²,占到全市国土面积的39.60%;其中水源涵养功能红线面积5147.15 km²,秃尾河、榆溪河、芦河、无定河上游是水源涵养核心区域,产水总量高达34.57×10⁷ m³;丘陵沟壑区和风沙滩区植被覆盖较高的区域生态功能极为重要,其中12.38%和23.25%的国土面积分别提供了50%以上的水土保持功能和防风固沙功能。② 水源涵养、防风固沙、生物多样性维护功能红线和禁止开发区红线主要分布于西北风沙滩区;南部沟壑区以水土保持功能为主,红线类型较单一。因此,西北风沙滩区的生态保护对榆林市生态安全维护更重要。研究结果可为“多规合一”各类规划间相互矛盾的有效化解提供决策依据,同时为其他干旱半干旱区生态保护红线的划定提供参考。