绪 论1
11 应用生态水文学产生的背景
随着气候变化和人类活动影响的深入.水资源短缺、水体污染、水生态退化及旱涝事件等水问题在世界范围内凸显.在我国尤为严重.水问题已经成为经济社会可持续发展与生态环境保护的关键性障碍.产生水问题的症结是水循环系统、生态环境系统和社会经济系统之间的不协调.核心是在竞争性用水和用地条件下.社会经济用水用地挤占生态环境用水用地.导致生态环境系统破坏与退化.反过来.退化了的生态环境系统影响水循环过程、水化学过程和水沙过程偏离其自然演变规律.与此同时.气候变化导致上述过程及其相互作用的不协调进一步加剧.
为有效缓解和规避水危机.并采用主动有序的方式应对气候变化.人类需要遵循水循环系统、生态环境系统的自然演变规律.革新经济社会发展模式.规范人类的水土资源开发活动.修复退化和破坏了的生态环境系统.促进人与自然、人与水的和谐.实现水土资源的可持续发展.而要满足上述实践需求.必须突破传统学科界限.寻求新的科技支撑.1992年在柏林召开的国际水与环境大会(ＩＣＷＥ).正式将Ｅｃｏｈｙｄｒｏｌｏｇｙ提升为一门独立的学科.旨在气候变化和人类活动影响下.识别生态过程与水文过程的相互作用机制.探求破解水问题的系统理论与技术支撑(Ｇｅｏｒｇ.2000.Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ.2000.ＨｉｌｌｂｒｉｃｈｔｅｔAｌ2000).
生态水文学一经提出.就被认为是解决人类面临淡水水资源短缺问题、实现水资源可持续利用的重要理论和有效工具.受到政府部门和学术界的高度关注.ＩＨＰ￣Ｖ (第五阶段国际水文计划 )等国际重大科学计划先后将其作为关键研究主题予以部署.在生态水文学研究的早期.重点是针对河流、湖泊等水体研究.经
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过20余年的发展.生态水文学研究紧密结合实践需求.进一步融合了相关学科理论与技术的新进展.逐渐形成了集机理识别、监测、实验、模拟、评价、预测 /预估、调控与管理等于一体的学科体系.研究对象也从河流、湖泊拓展到流域、干旱区、山地、森林、草原、湿地、城市等多种地理单元或下垫面类型 (章光新.2006.严登华等.2008.王金叶等.2008.陈亚宁等.2010.ＷAｇｎｅｒAｎｄＢｒｅｉｌ.2013).
随着水问题的日趋严峻和复杂化.生态水文学在应用支撑层面也突破了早期以生态环境需水和水体生态修复为核心的研究范式.在探索和提出面向实践需求的系列理论和方法的同时.也推动了应用生态水文学这门分支学科的产生和发展.并于2002年在意大利威尼斯召开的ＩＨＰ￣Ｖ (2 3/24)会议上予以正式提出.
12 应用生态水文学研究对象和任务
121 研究对象
应用生态水文学的整体研究对象是水循环生态环境社会经济复合系统 (图1￣1).研究关键是生态水文过程.水循环系统包括天然水循环系统和社会水循环系统.其中天然水循环系统包括大气水、地表水、土壤水和地下水四个基本子系统.社会水循环系统主要包括供水、用水、排水和回归四个基本子系统 (王浩等.2004.2011).生态环境系统主要包括生物、物理 (主要指水沙系统 )和化学 (主要指水化学系统 )三类要素子系统.在应用生态水文学研究中.重点关注水生生态系统、陆生生态系统及其水陆交错生态系统.社会经济系统是人类物质资料的生产和消费过程中.各种地区、部门、单位和环节等所构成的统一体.包括人类社会、经济活动、物质生产和非物质生产四个要素子系统.尽管上述三类系统的结构、功能、存在条件和发展规律不尽相同.但相互之间存在多向反馈作用.
广义的水循环生态环境社会经济复合系统涵盖了大气圈、水圈和生物圈.应用生态水文学重点研究植被冠层顶至岩石圈顶之间的生态水文过程.生态水文过程具有显著的时空演变特征与尺度效应.在应用生态水文学研究中.需围绕不同水问题及生态水文调控需求.综合采用生态学、水文水资源学的基本理论与技术.确定具体研究的时空尺度.对于基本空间尺度.在水文水资源学中.往往以流域、坡面、河道、基本产汇流单元和水资源配置单元作为空间尺度划分的依据.而在生态学研究中.景观尺度以上的研究才具有显著的空间尺度特征.往往采用景观单元嵌套基本产汇流单元作为基本空间单元.且在针对河流、湖库的相关研究中.研究空间还根据水生生物的分布特征进一步细化.对于基本时间尺度.需结合生物的生命史和生长规律以及水文情势的时间变化特征综合确定.例如.在面向植被生态需水的研究中.以物候特征作为时间尺度开展研究.
图1￣1 水循环生态环境社会经济复合系统
122 研究任务
应用生态水文学的总体研究任务是面向流域 /区域水问题解决和水生态与水环境保护与修复的实践需求.结合生态水文耦合作用机制识别.在生态水文监测的基础上.进行生态水文评估.提出生态水文调控与管理方案.主要研究任务如下 :
生态水文监测.为识别生态水文耦合作用机制.进行生态水文评价、预测 /预估、调控和管理.需要对生态水文的要素过程进行监测.核心任务是确定生态水文监测指标.提出站网监测布局与方案.在整合现有监测资源的基础上.落实监测方案.同时.监测数据需要同化、整编.基于不同时空尺度的生态水文
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监测.其研究技术方法可分为野外调查、室内实验分析以及长期观测和数据建模综合运用 (包括数据同化技术).生态水文监测内容主要包括能量过程监测、水文过程监测以及生态过程监测.
生态水文评估.生态水文评估研究的核心是识别研究区内主要的水问题与生态问题.摸清家底.并构建其评价指标体系和评价标准.充分利用监测资料.进行研究区现状评价.并预估生态水文发展的趋势.评估水生态服务功能.并进行生态定位.确定生态用地和需水.生态水文评估主要包括水生态服务功能评价、生态用地评价以及流域生态需水评估及其整合研究.
生态水文调控.生态水文调控研究的核心任务是进行生态用地与生态用水的联合配置.提出退化生态系统的修复方案.并进行水利水电工程 (群)的生态调度.鉴于退化生态系统的修复已有大量文献出版.在本书中将不再对此任务进行分析和讨论.生态水文调控主要包括 :基于绿色发展模式的水土资源联合配置、梯级水库群的联合生态调度和河流水生态修复.
生态水文管理.生态水文管理研究是在改革体制、创新机制和完善法制的基础上.落实生态需水与生态用地联合配置方案、生态调度方案和退化生态系统的修复方案.鉴于在气候变化和人类活动的影响下.生态水文过程的演变存在显著的不确定性.需要融合风险管理的基本要求.在本书中.将重点讨论变化环境下生态水文风险管理的有关理论与方法.基于风险模式的生态水文集合管理主要包括生态用水管理、生态用地管理以及生态补偿长效机制.
13 应用生态水文学基本科学思维与技术方法
131 基本科学思维
围绕解决具体水问题与生态环境问题的实践需求.需要综合运用发散思维与收敛思维、横向思维与纵向思维、正向思维与逆向思维、求同思维与求异思维等思维模式.形成应用生态水文学研究的创新思维模式.采用发散思维对同一生态水文问题从不同层次、不同角度、不同方向进行探索.寻求解决生态水文问题的新结构、新点子和新思路.并创新相关的技术与对策.综合运用生态学、水文学、水资源学、环境学、系统工程学等多学科的认知模式与经验.把解决问题的可能性逐步引导到条理化的逻辑序列中.以寻求生态水文问题合理化、科学化的解决方案.采用多情景比选、原型对比试验等横向思维模式.研究生态水文过程的发展状况及其在特定发展阶段和不同区域的基本特征.采用纵向思维模式.对流域 /区域生态水文过程历史演变规律、现状基本特征和未来发展趋势进行对比.剖析生态水文过程不同时期的特点和前后联系.从而把握生态水文过程演变的本质特性.采用正向思维模式.遵照生态水文历史演变特征.采用趋势外推及考虑驱动力和环境因子变化的分析预测模式.揭示生态水文学未来演变的本质特征和调控重点与任务.采用逆向思维模式.结合现状和未来可能存在的生态水文问题.分析其诱导因素及演变特征.明晰不同阶段的调控模式与对策.在实践中.需将正向思维模式与逆向思维模式相互结合、相互转化.结合不同区域生态水文过程及问题的相似性.寻找其结合点.从而产生新的调控方法.对流域 /区域的生态水文问题.进行多起点、多方向、多角度、多原则、多层次、多结局的分析和思考.透过生态水文问题的表象.探求生态水文问题的本质特征.突破思维定式.打破传统规则.创新应用生态水文学的理论与技术.通常可采用新视角求异法、要素变换求异法.问题转换求异法等基本方法.为突破传统生态学和水文学的局限.从泛化思维的视角改变思考方向.转换问题以寻求理论与技术的创新.
132 基本研究方法与技术
在应用生态水文研究中.除了依托水文学、水资源学、生态学、环境学、社会经济学的基础研究方法外.还需结合研究对象的复杂性、非线性特征.根据实际情况灵活运用系统工程、原型观测、物理实验、数值模拟和地理信息技术等方法.
(1)系统工程
系统工程方法将水循环生态环境社会经济复合系统作为一个完整统一的动态系统.采用运筹学、概率论与数理统计学、控制论和信息论等学科的理论.分别从整体观念、综合观念、科学观念和创新观念来研究系统中的各个要素和整个复合系统.通过系统内的目标分析、要素分析、环境分析、资源分析和管理分析.准确诊断系统存在的各种问题.深刻揭示问题的成因.提出系统问题解决的有效方案.并为管理者的科学决策提供支撑.
(2)原型观测
原型观测是采用相关仪器设备.按照 .陆地生态系统水环境观测规范.、 .水域生态系统观测规范 .等技术规程.对水循环生态环境复合系统的各种要素、关键水文过程和生态响应过程及其变化规律和作用机制进行动态监测.主要包括内陆水域、河口原型观测、水环境、生态系统和修复工程原型观测、极端气
应用生态水文学
候条件下的原型观测以及水利工程运行后长期监测和控制等方法和技术.
(3)物理实验
物理实验有室内实验和野外实验两种方式.包括实验设计、实验测量和实验分析.根据实验目的.利用相关仪器设备.研究物理规律.分析实验现象、过程及其特征.进而揭示生态水文过程之间的耦合关系和作用机制.这种方法具有半自然的性质.不仅反映真实的自然生态水文过程.还可以通过尺度 “缩微 ”和系统结构简化.对实验单元进行独立、重复操作和有效控制.
(4)数值模拟
数值模拟是系统分析和系统设计的强有力工具.依托于计算数学、概率与数理统计、运筹学和计算机科学.通过模拟不同流域 /区域水循环和生态响应过程之间的相互关系和作用机制.建立数学模型.将应用生态水文学中的科学问题转换为数学物理问题.把试验结果作为原始问题的近似解和解析解.揭示事物间的客观规律.获取相关参数或者阈值.并对实验结果的可信度作出理性判断.必要时可通过物理实验来加以验证.
(5)地理信息技术
地理信息技术包括地理信息系统(ＧＩＳ)、遥感(ＲＳ)和全球定位系统(ＧＰＳ).是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术、计算机技术和通信技术相结合的.多学科高度集成的现代信息技术.可实现空间信息的采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用.地理信息系统描述、分析流域 /区域的生态水文过程和各个要素之间的空间关系.通过遥感技术可获得地面同步观测的面状数据.并进行全球尺度像素配对.全球定位系统为流域 /区域提供实时、全天候的导航服务.已应用于情报收集、路径分析等问题.
14 应用生态水文学学科基础与学科体系
应用生态水文学以水文学、生态学的理论为基础.逐渐与土壤学、植物学、气象学、环境科学等学科交叉发展后形成.采用生态水文学的理论思维和系统科学方法.研究水循环生态环境社会经济复合系统中各个要素、过程之间的物质、能量和信息的流动.探求水生态环境社会系统之间的相互作用机制.应用生态水文学的研究方法和理论体系.致力于解决实践中存在的生态环境问题.其研究成果可为水环境保护、水生态保护和管理、水资源可持续发展与合理配置、生物多样性保护等提供科学依据.综合考虑应用生态水文学的发展历程、研究任务以及当前突出的水问题.应用生态水文学学科体系包括 : 1建立和发展生态水
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