兰州生态环境建设的主要用水措施

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研究区概况

兰州市地处中国黄土高原、青藏高原和蒙新高原的过渡地带，属中国黄土高原的最西端，为甘肃黄土高原陇中北部黄土丘陵、河谷盆地类型区。降水稀少，气候干旱，属于北温带半干旱大陆性季风气候［16］，林草覆被率低、植被稀疏、群落单纯［17］，生态环境非常脆弱［18］。兰州市年平均气温9．8℃，1月平均温度－5．3℃，7月平均温度22．4℃，多年平均降水量311．7mm，最大年降水量546．7mm，最小年降水量155．3mm，降水主要集中在7—9月，占全年降水量的60％以上，年蒸发量1446．4mm，年日照时数2424h，无霜期186d。由于深居内陆，远离海洋，且不少山脉走向与来自海洋的暖湿气流相垂直，致使暖湿气流不易到达，降水机会稀少。总体气候特点是干燥寒冷，冬季长，温差大，降水量少且分布不均，蒸发量大，日照强［19－20］。兰州市南北两山地跨兰州市辖区内的城关区、七里河区、安宁区、西固区、榆中县、皋兰县和永登县，东西长60km，南北宽5～50km。研究区范围在35°53′18″—36°33′56″N，103°21′04″—104°00′38″E之间（图1）。在该研究区中，经国家发展计划委员会批复的南北两山绿化造林一期工程建设面积为220km2［21－22］。兰州南北两山环境条件分异，南部高山地区有天然森林分布，中部有大面积黄土丘陵，北部为荒漠草原区［23－25］。中国工程院专家组在其向国务院提交的《关于西北地区水资源配置、生态环境建设和可持续发展战略研究汇报》中指出“年降水量在400mm以下的地区，应明确规定以灌、草为主的植被建设方向，并充分利用草原生态系统的自我修复能力”。因此，南北两山的自然条件不适宜森林的生长，也不适宜于进行大面积的人工造林。综合考虑经济、生态和管理等多方面因素，通过适度灌溉和依靠天然降雨开展植树种草，是绿化兰州南北两山、改善兰州生态环境的重要途径［26］。虽然已有研究人员提出可通过集雨、补灌和保水技术改善兰州南北两山的植被盖度，但是并没有定量地给出各种技术的使用依据和使用措施，如在哪些区域集雨、哪些区域补灌、补灌的时间和水量。针对以上问题，通过提出一种决策支持模式，为管理层提供决策依据，以解决兰州南北两山生态环境建设中的用水措施问题。

决策支持模式

针对生态环境建设的决策支持问题，提出了构建“决策支持系统＋专家知识”的模式（图2）。研究初期先根据研究区内的地理环境特点、气候特征、植被生态特征、区域经济特征等内容构建基础地理数据库、植被生长参数数据库、模型库、方法库等，并建立生态规划决策支持系统。然后根据不同的生态建设情景，通过系统运行，给出相应的生态建设方案。最后，结合当地的专家经验知识及经济发展需求，制定最终的决策方案。决策支持模式的基础是建立自然环境数据库和生态数据库。自然环境数据库中的数据经过GIS空间处理后作为模型的输入参数参与计算，通过模型的运行获取生态规划的理论场景。模型在进行模拟时还需要生态数据库提供植物物理参数支持，通过建立生态数据库，可以限定模型运行的条件和阈值，例如适宜植被生长的最低生物温度、最高海拔以及植被最低蒸发量、需水量等条件。通过植被生态数据库中参数的限制，模型能够更好地模拟研究区的生态场景。相关专家或部门在制定生态建设决策方案时可以参考模型模拟出的生态规划理论场景，并根据已有的经验知识，制定决策方案。生态规划决策方案集中的决策方案也可以作为影响因素之一参与到下一阶段的生态环境演替中，最终得到理想的生态建设决策方案。

实例与讨论

决策支持系统构建在充分研究了生态环境建设的理论基础和决策支持模式后，初步建立了兰州南北两山生态环境建设决策支持系统（图3）。通过该系统，能够为兰州南北两山地区的生态建设提供优化的具体规划方案，提出规划建议，评估与展示生态建设的成果等。根据兰州南北两山生态环境建设决策支持系统的业务需要，设计实现如下6项基本功能，分别为数据管理、数据显示、环境要素空间处理、生态参数设置、生态规划模拟和数据输出功能。1）数据管理功能：建立数据库，存储与管理基础地理信息数据和植被物理参数。2）数据显示功能：实现地图的浏览以及属性信息查询与统计。3）环境要素空间处理功能：环境要素空间处理包括气候要素处理、地形要素处理、土壤要素处理。4）生态参数设置功能：生态参数设置功能用于管理生态建设所需的植物种的生态物理参数。5）生态规划模拟功能：生态规划模拟的主要功能是利用常用的生态学模型根据系统提供的数据进行植被模拟，得出不同场景的生态规划和规划情景下的生态需水计算等功能。在模型库中提供若干生态规划模型供用户选择，用户在进行生态规划模拟时可以选取最适合于本地区的模型。6）数据输出功能：数据输出功能包括输出矢量数据、输出栅格数据和输出综合地图。

实例讨论采用位于研究区内的常规气象站及气象部门增设的气象站共70多个站的多年观测资料（主要是气温、降水），结合当地的地形气候等特征，通过空间插值构建高空间分辨率、高精度的降水、气温、生物温度的多年平均值的空间分布数据（图4A，B）。DEM数据采用美国国家航空航天局（NASA）的AS－TERGDEM数据，空间分辨率为30m。在此基础上，将构建的基础数据输入模型，在本实例中选取模型库中的Holdridge生命地带模型［27］，模拟长期气候条件下的植被类型分布格局（图4C）。从图4C中可以看出，在无人类活动干扰的长期气候条件下兰州市南部地区具备出现常绿针叶林、稀疏林地、灌木林等森林环境的条件，但是研究区内的其他大部分地区只适合存在典型的干旱、半干旱草原。所以，人工生态环境建设要结合不同区域的气候特点分而治之。在气候条件中，水分是植被生存、生长的首要条件，对地处黄土高原西端较干旱的兰州地区来说，水分条件显得尤为重要，而降水是该地区天然植被生长所需水分的惟一来源。因此，增大降水的利用效率以及在降水少的地区施行人工灌溉成为半干旱区人工生态环境建设的重要措施。南部山区多年平均降雨量大于400mm，可以达到生长森林环境的条件。但是，由于该地区山高坡陡和黄土高原的特殊土质等原因导致雨水极易流失，天然灌溉水量大大减少。针对此，提出在南部山区施行人工集雨，集雨措施主要有鱼鳞坑、水平沟、梯田等，通过集水保水使雨水不出山。模拟结果显示施行集雨措施后南部山区常绿针叶林和稀疏林地面积增大（图4D）。在集雨措施基础上实行人工封育保护，禁止砍伐、破坏，排除人类活动的干扰，使南部山区森林环境逐步步入良性发展的演替过程。如图4A和C所示，降雨量小于400mm的地区在长期气候条件下植被覆盖类型为典型草原，而不会出现林地景观类型。所以，若想达到绿化效果必须采取人工灌溉。在施行人工适当灌溉的同时，配合选取合适的耐旱树种。图4E、F、G所示为灌溉量分别为150mm、200mm、250mm时模型模拟的植被类型。从图中可以看出，当灌溉量为150mm时两山绿化范围内北部区域仍然达不到生长稀疏林地的要求，当灌溉量为200mm时两山绿化范围内全部达到生长常绿针叶林和稀疏林地的要求，当灌溉量继续增加至250mm时两山绿化范围内的植被覆盖类型与灌溉量为200mm时的植被覆盖类型一致。考虑经济因素和节约用水因素，提出两山绿化范围内人工灌溉量控制在200mm时即可达到绿化要求，两山绿化范围内可出现常绿针叶林和稀疏林地的森林景观类型，如图4F所示。在进行大量研究之后，提出如下两项生态环境建设措施：①在年平均降雨量大于400mm的地区进行人工集雨。②在平均降雨量小于400mm的地区进行人工灌溉，灌溉水量相当于200mm降雨。综上所述，兼顾当地的生态、经济、人文因素，在多方面参考专家经验知识的基础上，最终提出了兰州市南北两山生态环境建设植被分布格局规划（图4H），供决策者参考。

结语

干旱、半干旱地区的生态环境建设一直都备受重视，该文针对生态环境建设的决策困境，探索生态环境建设的决策支持模式。在兰州市南北两山生态环境建设决策的应用中，通过决策支持模式支持系统的运行模拟，提出了兰州市南北两山生态环境建设的主要用水措施，形成了兰州市南北两山生态环境建设规划图，从而证实了干旱、半干旱区生态环境建设决策支持模式的可行性。

作者：尹振良肖洪浪邹松兵陆志翔许宝荣王万鹏钟芳单位：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所内陆河流域生态水文重点实验室兰州大学资源环境学院兰州市南北两山环境绿化指挥部