试述生态水文学的研究进展及发展趋势

2016-03-22沈志强方江平

中国农村水利水电 2016年2期

沈志强，卢杰，华敏，方江平

(1.西藏大学农牧学院，西藏林芝 860000；2. 武汉大学资源与环境科学学院，武汉 430079)

水资源问题是21世纪人类面临的重要资源问题之一。随着现代科技的进步，人类社会的生存面临着淡水资源短缺、水质恶化和全球变暖等一系列全球性环境危机的威胁[1]。为了应对当前人类社会出现的环境危机，人们结合其他相关学科，把生态学和水文学的基础理论和研究方法进行融合，提出了生态水文的概念，以期减轻全球性的环境危机对人类社会的威胁。Ingram在1987年首次提出生态水文学的概念，1992年在都柏林国际水与环境大会上正式提出了生态水文学(eco-hydrology)概念，此后各国的学者开始重视对生态水文学的研究，使得生态水文学得到快速的发展并且成为当前研究的热点[2,3]。

生态水文学是生态学与水文学的交叉学科，但目前尚未形成统一完整的定义。其研究的核心问题是生态过程与水循环过程之间相互作用机理，研究的理论基础主要是研究植物和水分之间的关系，研究对象包括旱地、湿地、河流、湖泊和森林等生态系统。它的提出不仅能够实现人们对水资源的可持续利用，并且对于人类社会生态环境的恢复与发展起到促进作用[4,5]。

1 生态水文学的学科发展历程

1.1 生态水文学的萌芽孕育阶段

这一时期主要是20世纪50年代到80年代。其主要的特点是生态学、水文学相互独立平衡的发展，并且各学科发展已经成熟，具有可靠的理论基础和相对完善的研究方法体系。并且在此期间，已经开始提出融合生态学和水文学两个学科的概念，并得到初步发展，这一时期的发展为生态水文学的出现提供了理论依据。其中，对一些基本科学问题的研究为生态水文学的发展提供了基础。如Odum在20世纪50年代发表了对河源能量预算基本问题的研究，对以后河流生态系统的模拟研究奠定了理论基础；而到了20世纪70-80年代，明确提出了河流生态学的概念并且进行了关键性理论研究，为生态水文学的出现奠定了扎实的基础。紧接着出现的河流连续体概念、序列不连续体概念、洪水脉动概念和河流生产力模型则进一步为生态水文学的产生创造了基础条件。

本阶段的研究特点是以河源能量平衡计算基本理论为依据，研究天然河流系统中的淡水资源以及生物资源的时空分布格局和内在联系，并且提出了一系列新的概念，为实现区域淡水资源和生物资源的可持续利用奠定了理论基础。

1.2 生态水文学概念的提出和学科初期的研究探索阶段

这一阶段主要是20世纪90年代，前期一系列新概念的提出为生态水文学的产生和发展奠定了坚实的基础，1992年在都柏林国际水与环境大会上正式提出了生态水文学的概念。在生态水文学学科的发展初期，湿地生态系统的水文和生态过程成为各国学者的研究热点。如在Ingram[7]对苏格兰泥炭地的生态水文过程进行研究之后，Bragg利用模拟的方法对苏格兰一个上升湿地抽取泥炭的生态水文过程进行了模拟；Jansen和Hensel等分别对平坦湿地和天然湿地中的生态水文过程进行了研究，并且开始尝试利用新的模型方法对湿地生态系统中的生态和水文过程进行模拟。

在本阶段的研究特点是：一方面，各国的研究者们开始对生态水文学的研究框架和关键参数进行了实质性的探讨和计算，并且取得了很大的进展。另一方面，开始考虑采用建立模型的方法对生态水文学的生态和水文过程进行模拟。这一阶段生态水文学研究最大的进展就是更加重视生态水文学研究过程中的难点与尺度问题，并且开始考虑其他因素所带来的影响，如气候的变化。

1.3 以实践为基础的生态水文学的研究发展阶段

这一阶段主要是指20世纪90年代中期及以后，本阶段生态水文学研究面临的最大问题就是如何平衡生态学和水文学在水资源问题研究中过程中存在的分歧，以及如何实现生态学和水文学两个学科在时空尺度上的匹配并且实现“无缝整合”。本阶段最具代表性的生态水文学的研究进展是UNESCO/IHP-V2.3、2.4(1995-2001)执行的生态水文过程专项研究。该专项研究对生态水文学的发展起到了极大的促进作用。

本阶段各国学者开始分别对森林、草地、湿地、河流等生态系统类型进行了专门的研究。一方面，开始对水文过程中水文格局变化所带来的生态效应以及尺度效应进行研究；另一方面，对与生态水文学相关的模型和制图也进行了探索。这一阶段生态水文学研究的重点是对水文过程中水文格局变化所产生的生态效应方面[8,9]。

2 生态水文学的研究内容

2.1 森林生态水文过程

1948年，Kittredge首次提出了森林水文学的概念，他把森林对水影响的重要方面(包括河流、降水、洪水和土壤水)单独地称为森林水文学，他的提出受到了各国学者的重视并且进行了更深入的探讨，促进了森林水文学的发展。

经典森林水文学的研究内容包括森林水分循环的整个过程[6]，即对森林水分的各项水文气象要素进行测定，并且对于降水在森林中的再分配以及森林的水文效应进行重点研究。其具体的研究内容包括大气降水(降雪、降雨等)、森林截留、下渗与渗透、蒸发散、土壤水分、森林流域径流、流域水文模型的模拟、水质测定等，由于森林水文学的研究涉及多个不同的学科，因此，对森林水文学的研究要采用小流域综合试验与水量平衡研究相结合的研究方法。

2.2 湿地生态水文研究

20世纪90年代Wassen等学者认为生态水文学是一门能够更好地理解湿地生态系统自然发育以及帮助评价湿地生态系统价值、保护和恢复湿地生态系统的应用学科。

湿地生态水文研究的主要内容包括对湿地水文循环过程研究、湿地水文情势研究以及湿地水量平衡研究。其中湿地的生态过程、湿地的水过程以及水系统等方面已经成为国内外学者研究的热点。

2.3 旱地生态水文研究

John Wain-wright、Mark Mulligan和John Thornes论述了旱地的生态水文过程。他们研究了旱地植物如何应对比较少而且又无规律的降水量以及植物对旱地径流的影响。空间上，对旱地大尺度条件下大气传输(SVAT)-植被-土壤与旱地小尺度过程的相互之间的影响进行了讨论。时间上，从气候变化的角度出发，对地中海地区植被演化的问题进行了讨论。

目前旱地生态水文学的研究主要集中在：小尺度上不同时间植被对气候变化的影响；不同区域尺度上的植被对干旱区径流和侵蚀的影响；大尺度上大气水汽传输-土壤-植被与小尺度的生态水文过程之间的相互影响；对土地退化和荒漠化的水文学机制进行描述以及建立全球变化的反馈机制模型；对地中海植被随气候变化的演化过程进行研究。

2.4 流域生态水文研究

流域主要是指由分水线所包围的河流集水区，如河流、湖泊等。其主要的研究内容包括：流域生态水文过程与功能的研究以及生态水文模型的建立。

水文过程与生物动态之间的关系是流域生态水文过程与功能研究的核心内容。研究水文机理以及流域生态系统与水文过程耦合关系已经成为当今水文科学的前沿问题。

2.5 城市生态水文研究

城市水文研究开始于20世纪60年代的欧美等国，属于一个比较年轻的学科，在其发展过程中，许多学者对其进行过相关研究与探索，美国德吕尔列出了城市水文研究在1850-1981年间研究工作的大事件表。麦克菲森进一步把其划分为三个阶段：孕育阶段(1850-1966年)，对城市某一地区进行研究，部分解决城市水文问题；研究阶段(1967-1974年)，研究并提出综合性模拟模型，如SWMM、STORM等，这一时期是城市水文学研究发展最快的时期；推广应用阶段(1975年以后)，城市水文研究已经成熟，能够验证并修订模型，使其更加贴近客观实际，提高了模型的精度与应用。

目前城市生态水文的研究主要集中在：城市化对水循环过程影响，包括对降水、蒸发等方面的影响；对洪涝灾害的影响，城市不透水面积扩大，洪水径流量增大，易增大洪灾的风险；城市化对水生态系统的影响，包括对河流生态、河网水系及水土流失的影响，随着城市的发展，容易改变水环境；城市化对水资源的影响，包括对水量、水质等方面的影响。

3 生态水文模型

水文模型是研究水文规律，对水文过程进行概化描述，从而对水资源的合理配置提供科学方法。对水文模型的研究已经成为当今的一些研究热点，其在水资源的合理开发利用等方面发挥着巨大的作用。生态水文模型通过生态水文模拟，可以定性分析生态水文响应的变化并进行定量研究，是揭示生态水文过程的模型。目前常用的生态水文模型见表1。其中，SHE模型适用于流域尺度，而TOPOG适用于小流域尺度；SWIM适用于中尺度；SWAT适用于大尺度；SVAT适用于各尺度；而DEMNAT-2则适用于全国与区域尺度。对集总式水文模型与分布式水文模型的研究较多。

表1 生态水文模型及其应用Table 1 Select eco-hydrological models and their application field

(1)集总式水文模型。集总式水文模型在模型的输入和输出之间加入了流域内的水文过程对流域水文的影响，对系统中植被截留、土壤入渗、土壤及地表径流以及坡面汇流的过程进行精确计算，能够对流域的径流过程进行模拟。但是其无法体现流域的空间异质性，对流域内局部地区人为因素的干扰也无法进行模拟和预测，也不能很好的体现水文过程。

(2)分布式水文模型。分布式水文模型考虑了植被、土壤、地貌等自然要素对流域水文过程的综合影响，把流域分成一系列的子单元，认为每个单元内部的自然要素是相对一致的，并且详细考虑了各个单元之间的水分流动和交换过程。分布式水文模型能够对生态过程与水文过程耦合，能够更加微观对水分循环过程进行研究，但是比集总式模型需要更多的数据输入，很难进行校正与推理。有研究认为把水文机理模型和地理信息系统相结合后建立的分布式水文模型将是21世纪生态水文学的研究重点和热点。

4 生态水文学在中国的发展状况

我国对于生态水文学的研究起步比较晚，最早是在21世纪之后才开始的，其中王根绪等(王根绪等，《生态水文科学研究的现状与展望》)最先开始进行生态水文学的相关研究工作。目前，国外已经对生态水文学及地表生态水文格局进行了广泛与深入研究，但是我国对生态水文学的研究主要集中在在森林，干旱/半干旱地区以及湿地等区域，研究的区域有限，局部领域研究较多。并且学科的基础研究还比较薄弱，其理论框架和方法体系尚未完全建立，因此，我国应该加强对生态水文学的研究，以期为我国人类社会的可持续发展提供理论基础与技术支撑。

5 生态水文学的发展趋势

(1)生态水文学机理研究。生态水文学是生态学和水文学的交叉学科，生态水文学研究最大的问题就是如何实现生态学和水文学两个学科的“无缝整合”以及如何平衡好生态学和水文学在水资源研究中的分歧，为将来统一生态水文学的概念奠定理论基础。要对生态水文学的机理进行深入的研究，首先要对学科研究的术语进行严格的定义。其次，不同尺度条件下的研究内容要有不同的研究目的。解决多尺度生态水文过程中尺度转换将会是未来生态水文学研究过程中的重点和难点[10-12]。

(2)尺度问题。尺度问题不仅是生态学和水文研究过程中最大的障碍，同时也是生态学和水文学耦合研究过程中最大的障碍。尺度转换，特别是尺度放大问题是水文学和生态学研究的热点问题。如何把小尺度的研究成果应用到大尺度上以及不同界面间的耦合研究将会是各国学者研究的重点和难点。

(3)模型的建立。实现生态水文学长远发展的关键是要建立生态水文模型。当前被广泛认可的有代表性的生态水文模型系统主要有SWAT模型、MIKESHE模型、SPLASH模型、DELFT模型等[6]。如何将水文学模型和生态学模型进行一体式紧密耦合以及能够进行高精度的模拟和预测，是当前生态水文学研究热点。

(4)生态水文修复。为了应对日趋恶化的自然环境问题，生态水文修复已经成为当前众多学者研究的热点之一。由于目前生态修复的评价指标并没有统一的衡量标准，因此需要建立一个合理评价指标体系。杨国宪利用遥感技术和地理信息系统技术对生态系统的影响因子进行空间时空叠加分析[13]，提出了具有可操作性的生态修复技术。

(5)注重长期定位研究。对生态水文学短期的研究并不能解决学科发展过程中存在的问题，只有开展长期的定位研究才能发现生态水文学规律，才能促进生态水文学长远的发展。目前长期定位研究的发展趋势是长期定位网络化。要把先进的自动化技术和计算机技术结合起来，对实地测得的数据利用网络信息建立数据库，采用生态梯度的耦合方法，以全面综合的分析在更大空间尺度上各类型生态系统的现状以及其发展的趋势和规律，为生态环境的恢复和改善提供科学依据和技术支持。

(6)更加注重城市生态水文研究。城市作为人类生活的主要场所与聚集地，要更加注重对城市生态水文的研究，以造福人类社会。在今后的研究中，要结合相关学科，充分利用现代技术手段(RS、GRS)与模型技术进行有效结合，加强对城市水循环过程与水生态响应机理的研究，以提高人类对水资源的可持续利用，建设生态城市，提高人们的生活健康水平。