严登华 ，卢亚静 ，秦天玲 ，史婉丽 ，翁白莎 ，宫博亚

（1.中国水利水电科学研究院水资源所，100038，北京；2.北京市水科学技术研究院防灾减灾所，100044，北京）

高寒区水土资源联合调配的若干关键问题

严登华1，卢亚静2，秦天玲1，史婉丽1，翁白莎1，宫博亚1

（1.中国水利水电科学研究院水资源所，100038，北京；2.北京市水科学技术研究院防灾减灾所，100044，北京）

高寒区独特复杂水问题的关键成因是“人地争水”和“人水争地”未能得到有效解决，亟需创新水土资源联合调配理论与方法。在传统方法基础上，系统梳理了高寒区水土矛盾及其成因，提出水土资源内涵，剖析水土资源的相互作用机理；构建高寒区水土资源联合调配的技术框架，并详细阐述高寒区复合系统生态需水过程评价与整合、基于水的生态服务功能的坡面系统用地评价、基于生态环境功能区划的河道系统用地评价、基于低碳发展模式的高寒区水资源合理配置和面向水安全及生态安全的高寒区水土资源联合调配等关键技术。高寒区水土资源联合调配技术将为山水林田湖生命体维系、生态用地红线确定和最严格水资源管理提供技术支撑。

水土资源；联合调配；高寒区

自20世纪90年代以来，Paudyal等、Jensen和Das等开发了线性回归模型、系统学模型、多种水土资源优化调控模型等多项模拟技术。与单项研究相比，目前国内外关于水土资源相结合的优化利用研究较少，且缺少系统、完善的水土资源优化调控理论与技术。在系统分析水土矛盾成因机制的基础上，以“自然—社会”二元驱动下的水循环及其伴生过程为主线，识别高寒区水土资源的相互作用机制，剖析高寒区水土资源调配过程中面临的关键技术问题，以期为高寒区水土资源保护和生态文明建设提供科学依据和技术支撑。

一、高寒区复杂水土矛盾成因

高寒区一般指海拔较高、气候寒冷的地区。我国高寒区包括整个青藏高原，以及甘肃、内蒙古和新疆的高山地区，是我国大江大河的源头区和重要的生态屏障区，同时又处于气候条件敏感、生态环境脆弱和经济发展水平较低的区域，其水土矛盾成因具体如下：

1.冰川融水变化，导致径流量突变

高寒区脆弱生态系统的诸多生态环境因子处于临界阈值状态，气候变化的微小波动也会产生强烈的响应。气候变暖导致冰川加剧融化、湖泊扩张，以冰川融水补给的河流流量增加，造成中下游洪水频繁发生；反之，冰川退缩，高寒区的水资源时空分布和水循环过程发生改变，导致以冰川融水补给为主的河流流量减少，严重影响区域枯水期的供水保障程度。

2.“二元”土壤沙化，导致调蓄能力降低

气候条件以高寒缺氧、干旱少雨为主，雪山连绵，地貌类型为丘陵与平原相间分布，河谷平原区分布着深厚的海相沉积物覆盖层，土壤垂直结构明显。“二元”土壤结构（壤土层和砂砾层）导致土壤对降水的调节能力有限，水直接进入砂砾石层，在这一层水分运移速度快，极易引发河道洪水，加剧山洪灾害的发生。

3.草地水源涵养能力降低，导致生态退化严重

植被覆盖率相对较低，且生长缓慢。草地的水源涵养能力降低，这是由于冻层中的融水直接流失，导致草地没有水分供养，生长状态差；而草地退化，加速土壤流失，对土壤的保护功能下降；地表土层受到外营力作用增大，导致区域内的土地沙化和山洪威胁，进一步加剧河道水沙过程的改变。同时，草地退化后使得土壤受到风力侵蚀的作用增大，也是沙尘暴的主要来源地。

4.城镇化进程加快，区域水安全问题加剧

区域水循环及其伴生过程严重失衡，在传统水问题尚未得到有效遏制的情况下，新的水土资源问题不断呈现。在城镇化进程加快的叠加影响下，冻土退化进程加快，导致城市内涝频发，对高寒区的居民饮水安全造成严重的威胁，流域生态环境也进一步恶化。区域内多种水土问题交织并存，叠加和累积影响也日益严峻，引发极值事件频繁发生。

二、高寒区水土资源相互作用机理

1.水土资源内涵

图1 水土资源系统

在水土资源联合调配中，“水”指水资源，“土”指土地利用/地表覆被。在“自然—社会”二元水循环系统中，社会经济、水资源、土地资源三者既相互依存又相互影响（图1）。水资源的构成和分布变化会影响水资源的有效性，进而影响土地利用格局，土地利用格局的变化也会导致水循环过程的改变，从而影响水资源构成和分布，也会影响极端水文事件的特性。

2.水资源对土地资源的作用机理

高寒区自然水循环中降水、地表水、土壤水和地下水的转化过程，直接影响土地利用/地表覆被。在气候变化背景下，气温和有效降水会改变区域内植被的生长态势、初级生产力等。地表水主要以冰川融水和降水为主要补给来源，直接影响天然植被的规模和布局。平原区土壤水与地下水的频繁交换，对区域天然植被的根系生长产生直接影响，进而影响其长势及空间分布。高寒区的水资源分布情况，也影响着区域内社会经济的发展，进而对社会水循环的各个过程产生影响，引起生产生活用地的规模、构成和布局变化。此外，区域内水资源的可控性和再生性，也对人工生态用地的规模和布局起到主导作用。

3.土地资源对水资源的作用机理

就坡面而言，土地资源分布及其地表覆被的变化，影响着蒸腾蒸发、冠层截留量和地表储流与入渗过程，从而影响坡面产流过程；地表覆被变化会导致坡面糙度的变化，从而影响汇流过程。就河道而言，河滨带、湿地等生态用地会改变河道糙度，进而影响水流的演进，从而对河道汇流产生影响。高寒区近地层冷热交换更为频繁，地表覆被的时空变化会影响到近地层能量流动过程，进而驱动水循环大气过程的变化。植被根系等的变化，对土壤的水力学特性产生影响，进而影响水循环的土壤和地下过程。就极端洪水事件而言，地表覆被较高的区域，植被冠层截留量、地表洼地储流量均较大，直接导致洪水过程“平稳化”，历时增加、洪量减小、洪峰减弱。

三、高寒区水土资源联合调配技术框架

以“自然—社会”二元水循环及其伴生过程为主线，以生态水文相互作用机制为核心，以原型观测实验、室内控制实验、数值模拟模型、地理信息系统为关键支撑，按照“资料收集—生态水文作用机制辨识—生态需水与生态用地评价—水土资源联合调控”的总体思路开展工作，见图2。

图2 水土资源联合调配的总体技术框架

四、高寒区水土资源联合调配关键问题

基于生态水文作用、水土资源的耦合作用、碳水耦合和片水—断面水的整合机理，综合运用系统动力学和具有物理机制的分布式生态水文模拟技术，构建了高寒区水土资源联合调配技术，具体如下：

1.高寒区复合系统生态需水过程评价与整合

从空间整合来说，基于坡面河道、上下游、左右岸的水力联系，生态需水整合重点包括河道 “断面水”和坡面“片水”两个层面。一是围绕河道生态需水，也就是“断面水”整合开展，结合河道上下游的水文水力联系，确保不同断面的生态需水过程都能得到满足；二是考虑到坡面系统的生态需水，即“片水”，将片水与断面水进行整合。从时间整合来说，整合成果既能满足全年生态需水总量的要求，又能满足月过程的需水要求；同时，克服传统月尺度规模乘以定额模式的不足。考虑到高寒区水库群调度过程，需要根据区域总体生态功能区划及生态保护目标，结合水循环空间分布特征、水资源调度节点位置及生态分区，确立生态需水计算单元及生态目标；然后系统识别各计算单元的生态水文作用机制，并评估各单元各类型的生态需水过程；最后通过河道汇流追迹计算与迭代，获得各调度节点上不同生态情境下的径流需求过程。

2.基于水生态服务功能的高寒区坡面系统用地评价

土地资源的配置分两个层次，首先是“三生”空间的配置，其核心是要留出合理的生态空间，其次是对不同类型的生态空间进行精细化配置。对于坡面系统的生态用地，重点是围绕坡面生态安全所需的生态服务功能展开评价，合理布局天然林草以及湿地。以关键生态水文过程为基础，建立直接和衍生两层评价体系，科学评价水的直接生态服务功能和主体衍生生态服务功能，进而确定坡面系统不同类型用地的规模、构成和格局；在高寒区，重点评价对象是坡面生态用地。其中，水的直接生态服务功能评价指标包括基础功能指标 （提供生物量固碳释氧、物质迁移转化、植物更新演替、维护生物群落多样性）、调节生境功能指标（调节气候、净化空气、调节水文、涵养水源、提供栖息地）和维系景观功能指标；水的衍生生态服务功能评价指标主要为经济社会功能指标，包括输出产品、提供居民生活供水、提供产业用水、文化休闲及水能等。

3.基于生态环境功能区划的高寒区河道系统用地评价

河道系统的用地评价重点围绕河流的生产和生态功能展开，核心是保护河滨带和防护性的林草地与湿地，以确保自然型河道得到维系。按照选择性、协调性、前瞻性和可调控性的原则，进行河流生态与环境功能分区，流域不同河段的生态环境功能不同，应分区分段确定所需要的生态用地规模，以保证划分成果的科学性和实用性。在高寒区，对于具有水源涵养、饮用水水源保护功能的河段，可以通过划定缓冲区的方法确定生态用地；对于开发利用区，重点应放在对现存生态用地的保护以及生态用地格局的调整上。

4.基于低碳发展模式的高寒区水资源合理配置

基于低碳发展模式的水资源合理配置技术，将区域社会经济系统作为碳“源”、生态系统为碳“汇”，基于二者与“自然—人工”水循环的相互作用关系构建碳水耦合概念系统，细化配置单元中的生态用地单元，绘制区域碳水耦合系统网络图；利用碳水耦合模型模拟碳/水循环要素，结合野外试验，在系统网络图指导下定量化识别碳水耦合机制，即社会经济系统 “用水—碳排放”和生态环境系统“用水—碳捕获”的定量关系，预测未来需水量和碳排放量，并结合水利工程布局与运行调度和水资源开发利用情况，构建不同规划水平年的水资源合理配置方案集；采用基于低碳发展模式的水资源合理配置模型，对各方案进行模拟，对比模拟结果，提出推荐方案。

5.面向水安全和生态安全的高寒区水土资源联合调配

首先，定量化识别水循环各要素、景观格局和植被覆盖度的演变特征，并结合统计学方法和室内控制实验，对水土资源耦合机制进行识别；以生态安全和水安全为目标，基于Vensim模型构建水土资源联合调控的系统动力学模型，供水侧主要为地表水、地下水、生态调蓄水量，需水侧主要考虑生活需水、生产需水、牧业需水、生态需水，土地资源主要考虑生产用地、生活用地和人工牧草地及生态用地类型，环境系统考虑流域内氨氮、COD和污水排放量；设置自然延续型、增源型、产业结构调整型、综合型和联合型等5种不同的调控方案进行仿真模拟，通过对社会经济、水资源、土地资源、生态环境等多方面指标的综合评价，遴选出最优方案，提出工程与非工程等保障措施。

五、结 论

高寒区“山水林田湖”生命体维系的核心是水土资源的优化配置，土地资源的配置是载体，水循环是纽带。基于过程的生态需水评价与整合技术、基于水的生态服务功能和生态环境功能区划的生态用地评价及预估技术，不仅为用地配置提供了支撑，还实现了用地与用水的协调。通过水土资源的优化配置，进一步明确坡面和河道生态需水的类型、构成和过程，为“三条红线”的用水总量控制提供了技术支撑。

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Several key issues for the united allocation of water and soil resources in alpine region

Yan Denghua，Lu Yajing，Qin Tianling，Shi Wangli，Weng Baisha，Gong Boya

The key reason of the unique complex water problems in the alpine region is that the “striving water between human and land” and the “striving land between human and water” were not solved.It is urgent to innovate the theory and method of united allocation of water and soil resources.Based on the traditional methods,the contradiction between water and land in the alpine region and its causes will be systematically investigated and the connotation of water and soil resources will be put forward.The interaction mechanism of water and soil resources will be analyzed and the technical framework of the united allocation of water and soil resources in the alpine region will be constructed.It involves with five key technologies,includingthe evaluation and integration of ecological water requirement process in composite system of alpine region,evaluation of the land use in hillslope system based on the ecological service function of water,evaluation of the land use in river system based on the eco-environment function regionalization,the rational allocation of water resources in alpine region for the Low-carbon development mode,the united allocation of water and soil resources towards water security and ecological security in alpine region.The integrated allocation of water and soil resources in the alpine region will provide direct support for the conservation of the“mountain-waterforest-field-lake community life body”,the determination of ecological red line and the most stringent water resources management.

water and soil resources;integrated regulation;alpine region

TV213.4

B

1000-1123（2017）17-0027-04

我国青藏高原地处高寒区，海拔高、地理条件复杂，属于气候变化的敏感区域；也是我国乃至世界最为重要的生态功能区之一，在维持生态系统平衡、保护生物资源及其多样性、保护水资源与水生态、调节气候及观测气候变化等方面发挥重要的作用。作为国际研究的热点区域，高寒区的生态环境建设，不仅关乎青藏高原生态质量状况，甚至还会影响我国以及整个东南亚地区生态系统的结构安全稳定，在国家生态安全战略格局中发挥重要作用。然而20世纪80年代以来，随着气候变暖以及人类活动影响加剧，高寒区出现湖泊湿地萎缩、草地退化、水源涵养能力减退、生物栖息地破碎化、生物多样性降低等突出生态环境问题。

我国高寒区生态环境问题的关键成因是“人水争地”和“人地争水”矛盾未能得到有效解决。传统研究中，水资源的配置和土地资源的配置互为边界，土地资源的开发利用又会对水循环和水资源产生影响，很难系统地解决竞争性用水和用地的问题。为解决上述矛盾与问题，亟需创新高寒区水土资源联合调配的理论与方法。

2017-08-15

严登华，副所长，教授级高级工程师，主要从事气候变化与水资源综合应对研究。

国家自然科学基金重点项目“那曲流域水源解析及气候变化的响应”（编号：91547209）；国家重点研发计划项目“陆地-水文耦合模式构建与全球陆地水资源演变趋势预测”（编号：2016YFA0601503）。

责任编辑 轩 玮