沈志強(qiáng)，盧 杰，華 敏，方江平

(1.西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079)

水資源問題是21世紀(jì)人類面臨的重要資源問題之一。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，人類社會的生存面臨著淡水資源短缺、水質(zhì)惡化和全球變暖等一系列全球性環(huán)境危機(jī)的威脅[1]。為了應(yīng)對當(dāng)前人類社會出現(xiàn)的環(huán)境危機(jī)，人們結(jié)合其他相關(guān)學(xué)科，把生態(tài)學(xué)和水文學(xué)的基礎(chǔ)理論和研究方法進(jìn)行融合，提出了生態(tài)水文的概念，以期減輕全球性的環(huán)境危機(jī)對人類社會的威脅。Ingram在1987年首次提出生態(tài)水文學(xué)的概念，1992年在都柏林國際水與環(huán)境大會上正式提出了生態(tài)水文學(xué)(eco-hydrology)概念，此后各國的學(xué)者開始重視對生態(tài)水文學(xué)的研究，使得生態(tài)水文學(xué)得到快速的發(fā)展并且成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2,3]。

生態(tài)水文學(xué)是生態(tài)學(xué)與水文學(xué)的交叉學(xué)科，但目前尚未形成統(tǒng)一完整的定義。其研究的核心問題是生態(tài)過程與水循環(huán)過程之間相互作用機(jī)理，研究的理論基礎(chǔ)主要是研究植物和水分之間的關(guān)系，研究對象包括旱地、濕地、河流、湖泊和森林等生態(tài)系統(tǒng)。它的提出不僅能夠?qū)崿F(xiàn)人們對水資源的可持續(xù)利用，并且對于人類社會生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與發(fā)展起到促進(jìn)作用[4,5]。

1 生態(tài)水文學(xué)的學(xué)科發(fā)展歷程

1.1 生態(tài)水文學(xué)的萌芽孕育階段

這一時期主要是20世紀(jì)50年代到80年代。其主要的特點(diǎn)是生態(tài)學(xué)、水文學(xué)相互獨(dú)立平衡的發(fā)展，并且各學(xué)科發(fā)展已經(jīng)成熟，具有可靠的理論基礎(chǔ)和相對完善的研究方法體系。并且在此期間，已經(jīng)開始提出融合生態(tài)學(xué)和水文學(xué)兩個學(xué)科的概念，并得到初步發(fā)展，這一時期的發(fā)展為生態(tài)水文學(xué)的出現(xiàn)提供了理論依據(jù)。其中，對一些基本科學(xué)問題的研究為生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。如Odum在20世紀(jì)50年代發(fā)表了對河源能量預(yù)算基本問題的研究，對以后河流生態(tài)系統(tǒng)的模擬研究奠定了理論基礎(chǔ)；而到了20世紀(jì)70-80年代，明確提出了河流生態(tài)學(xué)的概念并且進(jìn)行了關(guān)鍵性理論研究，為生態(tài)水文學(xué)的出現(xiàn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。緊接著出現(xiàn)的河流連續(xù)體概念、序列不連續(xù)體概念、洪水脈動概念和河流生產(chǎn)力模型則進(jìn)一步為生態(tài)水文學(xué)的產(chǎn)生創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

本階段的研究特點(diǎn)是以河源能量平衡計(jì)算基本理論為依據(jù)，研究天然河流系統(tǒng)中的淡水資源以及生物資源的時空分布格局和內(nèi)在聯(lián)系，并且提出了一系列新的概念，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域淡水資源和生物資源的可持續(xù)利用奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2 生態(tài)水文學(xué)概念的提出和學(xué)科初期的研究探索階段

這一階段主要是20世紀(jì)90年代，前期一系列新概念的提出為生態(tài)水文學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，1992年在都柏林國際水與環(huán)境大會上正式提出了生態(tài)水文學(xué)的概念。在生態(tài)水文學(xué)學(xué)科的發(fā)展初期，濕地生態(tài)系統(tǒng)的水文和生態(tài)過程成為各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。如在Ingram[7]對蘇格蘭泥炭地的生態(tài)水文過程進(jìn)行研究之后，Bragg利用模擬的方法對蘇格蘭一個上升濕地抽取泥炭的生態(tài)水文過程進(jìn)行了模擬；Jansen和Hensel等分別對平坦?jié)竦睾吞烊粷竦刂械纳鷳B(tài)水文過程進(jìn)行了研究，并且開始嘗試?yán)眯碌哪Ｐ头椒▽竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)和水文過程進(jìn)行模擬。

在本階段的研究特點(diǎn)是：一方面，各國的研究者們開始對生態(tài)水文學(xué)的研究框架和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的探討和計(jì)算，并且取得了很大的進(jìn)展。另一方面，開始考慮采用建立模型的方法對生態(tài)水文學(xué)的生態(tài)和水文過程進(jìn)行模擬。這一階段生態(tài)水文學(xué)研究最大的進(jìn)展就是更加重視生態(tài)水文學(xué)研究過程中的難點(diǎn)與尺度問題，并且開始考慮其他因素所帶來的影響，如氣候的變化。

1.3 以實(shí)踐為基礎(chǔ)的生態(tài)水文學(xué)的研究發(fā)展階段

這一階段主要是指20世紀(jì)90年代中期及以后，本階段生態(tài)水文學(xué)研究面臨的最大問題就是如何平衡生態(tài)學(xué)和水文學(xué)在水資源問題研究中過程中存在的分歧，以及如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)學(xué)和水文學(xué)兩個學(xué)科在時空尺度上的匹配并且實(shí)現(xiàn)“無縫整合”。本階段最具代表性的生態(tài)水文學(xué)的研究進(jìn)展是UNESCO/IHP-V2.3、2.4(1995-2001)執(zhí)行的生態(tài)水文過程專項(xiàng)研究。該專項(xiàng)研究對生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。

本階段各國學(xué)者開始分別對森林、草地、濕地、河流等生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行了專門的研究。一方面，開始對水文過程中水文格局變化所帶來的生態(tài)效應(yīng)以及尺度效應(yīng)進(jìn)行研究；另一方面，對與生態(tài)水文學(xué)相關(guān)的模型和制圖也進(jìn)行了探索。這一階段生態(tài)水文學(xué)研究的重點(diǎn)是對水文過程中水文格局變化所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)方面[8,9]。

2 生態(tài)水文學(xué)的研究內(nèi)容

2.1 森林生態(tài)水文過程

1948年，Kittredge首次提出了森林水文學(xué)的概念，他把森林對水影響的重要方面(包括河流、降水、洪水和土壤水)單獨(dú)地稱為森林水文學(xué)，他的提出受到了各國學(xué)者的重視并且進(jìn)行了更深入的探討，促進(jìn)了森林水文學(xué)的發(fā)展。

經(jīng)典森林水文學(xué)的研究內(nèi)容包括森林水分循環(huán)的整個過程[6]，即對森林水分的各項(xiàng)水文氣象要素進(jìn)行測定，并且對于降水在森林中的再分配以及森林的水文效應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)研究。其具體的研究內(nèi)容包括大氣降水(降雪、降雨等)、森林截留、下滲與滲透、蒸發(fā)散、土壤水分、森林流域徑流、流域水文模型的模擬、水質(zhì)測定等，由于森林水文學(xué)的研究涉及多個不同的學(xué)科，因此，對森林水文學(xué)的研究要采用小流域綜合試驗(yàn)與水量平衡研究相結(jié)合的研究方法。

2.2 濕地生態(tài)水文研究

20世紀(jì)90年代Wassen等學(xué)者認(rèn)為生態(tài)水文學(xué)是一門能夠更好地理解濕地生態(tài)系統(tǒng)自然發(fā)育以及幫助評價濕地生態(tài)系統(tǒng)價值、保護(hù)和恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用學(xué)科。

濕地生態(tài)水文研究的主要內(nèi)容包括對濕地水文循環(huán)過程研究、濕地水文情勢研究以及濕地水量平衡研究。其中濕地的生態(tài)過程、濕地的水過程以及水系統(tǒng)等方面已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

2.3 旱地生態(tài)水文研究

John Wain-wright、Mark Mulligan和John Thornes論述了旱地的生態(tài)水文過程。他們研究了旱地植物如何應(yīng)對比較少而且又無規(guī)律的降水量以及植物對旱地徑流的影響?？臻g上，對旱地大尺度條件下大氣傳輸(SVAT)-植被-土壤與旱地小尺度過程的相互之間的影響進(jìn)行了討論。時間上，從氣候變化的角度出發(fā)，對地中海地區(qū)植被演化的問題進(jìn)行了討論。

目前旱地生態(tài)水文學(xué)的研究主要集中在：小尺度上不同時間植被對氣候變化的影響；不同區(qū)域尺度上的植被對干旱區(qū)徑流和侵蝕的影響；大尺度上大氣水汽傳輸-土壤-植被與小尺度的生態(tài)水文過程之間的相互影響；對土地退化和荒漠化的水文學(xué)機(jī)制進(jìn)行描述以及建立全球變化的反饋機(jī)制模型；對地中海植被隨氣候變化的演化過程進(jìn)行研究。

2.4 流域生態(tài)水文研究

流域主要是指由分水線所包圍的河流集水區(qū)，如河流、湖泊等。其主要的研究內(nèi)容包括：流域生態(tài)水文過程與功能的研究以及生態(tài)水文模型的建立。

水文過程與生物動態(tài)之間的關(guān)系是流域生態(tài)水文過程與功能研究的核心內(nèi)容。研究水文機(jī)理以及流域生態(tài)系統(tǒng)與水文過程耦合關(guān)系已經(jīng)成為當(dāng)今水文科學(xué)的前沿問題。

2.5 城市生態(tài)水文研究

城市水文研究開始于20世紀(jì)60年代的歐美等國，屬于一個比較年輕的學(xué)科，在其發(fā)展過程中，許多學(xué)者對其進(jìn)行過相關(guān)研究與探索，美國德呂爾列出了城市水文研究在1850-1981年間研究工作的大事件表。麥克菲森進(jìn)一步把其劃分為三個階段：孕育階段(1850-1966年)，對城市某一地區(qū)進(jìn)行研究，部分解決城市水文問題；研究階段(1967-1974年)，研究并提出綜合性模擬模型，如SWMM、STORM等，這一時期是城市水文學(xué)研究發(fā)展最快的時期；推廣應(yīng)用階段(1975年以后)，城市水文研究已經(jīng)成熟，能夠驗(yàn)證并修訂模型，使其更加貼近客觀實(shí)際，提高了模型的精度與應(yīng)用。

目前城市生態(tài)水文的研究主要集中在：城市化對水循環(huán)過程影響，包括對降水、蒸發(fā)等方面的影響；對洪澇災(zāi)害的影響，城市不透水面積擴(kuò)大，洪水徑流量增大，易增大洪災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)；城市化對水生態(tài)系統(tǒng)的影響，包括對河流生態(tài)、河網(wǎng)水系及水土流失的影響，隨著城市的發(fā)展，容易改變水環(huán)境；城市化對水資源的影響，包括對水量、水質(zhì)等方面的影響。

3 生態(tài)水文模型

水文模型是研究水文規(guī)律，對水文過程進(jìn)行概化描述，從而對水資源的合理配置提供科學(xué)方法。對水文模型的研究已經(jīng)成為當(dāng)今的一些研究熱點(diǎn)，其在水資源的合理開發(fā)利用等方面發(fā)揮著巨大的作用。生態(tài)水文模型通過生態(tài)水文模擬，可以定性分析生態(tài)水文響應(yīng)的變化并進(jìn)行定量研究，是揭示生態(tài)水文過程的模型。目前常用的生態(tài)水文模型見表1。其中，SHE模型適用于流域尺度，而TOPOG適用于小流域尺度；SWIM適用于中尺度；SWAT適用于大尺度；SVAT適用于各尺度；而DEMNAT-2則適用于全國與區(qū)域尺度。對集總式水文模型與分布式水文模型的研究較多。

表1 生態(tài)水文模型及其應(yīng)用Table 1 Select eco-hydrological models and their application field

(1)集總式水文模型。集總式水文模型在模型的輸入和輸出之間加入了流域內(nèi)的水文過程對流域水文的影響，對系統(tǒng)中植被截留、土壤入滲、土壤及地表徑流以及坡面匯流的過程進(jìn)行精確計(jì)算，能夠?qū)α饔虻膹搅鬟^程進(jìn)行模擬。但是其無法體現(xiàn)流域的空間異質(zhì)性，對流域內(nèi)局部地區(qū)人為因素的干擾也無法進(jìn)行模擬和預(yù)測，也不能很好的體現(xiàn)水文過程。

(2)分布式水文模型。分布式水文模型考慮了植被、土壤、地貌等自然要素對流域水文過程的綜合影響，把流域分成一系列的子單元，認(rèn)為每個單元內(nèi)部的自然要素是相對一致的，并且詳細(xì)考慮了各個單元之間的水分流動和交換過程。分布式水文模型能夠?qū)ι鷳B(tài)過程與水文過程耦合，能夠更加微觀對水分循環(huán)過程進(jìn)行研究，但是比集總式模型需要更多的數(shù)據(jù)輸入，很難進(jìn)行校正與推理。有研究認(rèn)為把水文機(jī)理模型和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合后建立的分布式水文模型將是21世紀(jì)生態(tài)水文學(xué)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

4 生態(tài)水文學(xué)在中國的發(fā)展?fàn)顩r

我國對于生態(tài)水文學(xué)的研究起步比較晚，最早是在21世紀(jì)之后才開始的，其中王根緒等(王根緒等，《生態(tài)水文科學(xué)研究的現(xiàn)狀與展望》)最先開始進(jìn)行生態(tài)水文學(xué)的相關(guān)研究工作。目前，國外已經(jīng)對生態(tài)水文學(xué)及地表生態(tài)水文格局進(jìn)行了廣泛與深入研究，但是我國對生態(tài)水文學(xué)的研究主要集中在在森林，干旱/半干旱地區(qū)以及濕地等區(qū)域，研究的區(qū)域有限，局部領(lǐng)域研究較多。并且學(xué)科的基礎(chǔ)研究還比較薄弱，其理論框架和方法體系尚未完全建立，因此，我國應(yīng)該加強(qiáng)對生態(tài)水文學(xué)的研究，以期為我國人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

5 生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展趨勢

(1)生態(tài)水文學(xué)機(jī)理研究。生態(tài)水文學(xué)是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)的交叉學(xué)科，生態(tài)水文學(xué)研究最大的問題就是如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)學(xué)和水文學(xué)兩個學(xué)科的“無縫整合”以及如何平衡好生態(tài)學(xué)和水文學(xué)在水資源研究中的分歧，為將來統(tǒng)一生態(tài)水文學(xué)的概念奠定理論基礎(chǔ)。要對生態(tài)水文學(xué)的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，首先要對學(xué)科研究的術(shù)語進(jìn)行嚴(yán)格的定義。其次，不同尺度條件下的研究內(nèi)容要有不同的研究目的。解決多尺度生態(tài)水文過程中尺度轉(zhuǎn)換將會是未來生態(tài)水文學(xué)研究過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[10-12]。

(2)尺度問題。尺度問題不僅是生態(tài)學(xué)和水文研究過程中最大的障礙，同時也是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)耦合研究過程中最大的障礙。尺度轉(zhuǎn)換，特別是尺度放大問題是水文學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。如何把小尺度的研究成果應(yīng)用到大尺度上以及不同界面間的耦合研究將會是各國學(xué)者研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(3)模型的建立。實(shí)現(xiàn)生態(tài)水文學(xué)長遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵是要建立生態(tài)水文模型。當(dāng)前被廣泛認(rèn)可的有代表性的生態(tài)水文模型系統(tǒng)主要有SWAT模型、MIKESHE模型、SPLASH模型、DELFT模型等[6]。如何將水文學(xué)模型和生態(tài)學(xué)模型進(jìn)行一體式緊密耦合以及能夠進(jìn)行高精度的模擬和預(yù)測，是當(dāng)前生態(tài)水文學(xué)研究熱點(diǎn)。

(4)生態(tài)水文修復(fù)。為了應(yīng)對日趨惡化的自然環(huán)境問題，生態(tài)水文修復(fù)已經(jīng)成為當(dāng)前眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。由于目前生態(tài)修復(fù)的評價指標(biāo)并沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此需要建立一個合理評價指標(biāo)體系。楊國憲利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對生態(tài)系統(tǒng)的影響因子進(jìn)行空間時空疊加分析[13]，提出了具有可操作性的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

(5)注重長期定位研究。對生態(tài)水文學(xué)短期的研究并不能解決學(xué)科發(fā)展過程中存在的問題，只有開展長期的定位研究才能發(fā)現(xiàn)生態(tài)水文學(xué)規(guī)律，才能促進(jìn)生態(tài)水文學(xué)長遠(yuǎn)的發(fā)展。目前長期定位研究的發(fā)展趨勢是長期定位網(wǎng)絡(luò)化。要把先進(jìn)的自動化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，對實(shí)地測得的數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)信息建立數(shù)據(jù)庫，采用生態(tài)梯度的耦合方法，以全面綜合的分析在更大空間尺度上各類型生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及其發(fā)展的趨勢和規(guī)律，為生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和改善提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

(6)更加注重城市生態(tài)水文研究。城市作為人類生活的主要場所與聚集地，要更加注重對城市生態(tài)水文的研究，以造福人類社會。在今后的研究中，要結(jié)合相關(guān)學(xué)科，充分利用現(xiàn)代技術(shù)手段(RS、GRS)與模型技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，加強(qiáng)對城市水循環(huán)過程與水生態(tài)響應(yīng)機(jī)理的研究，以提高人類對水資源的可持續(xù)利用，建設(shè)生態(tài)城市，提高人們的生活健康水平。

6 結(jié) 語

生態(tài)水文學(xué)是在全球日益惡化的生態(tài)環(huán)境背景下產(chǎn)生的，作為一門年輕的學(xué)科，雖然目前尚未形成完整統(tǒng)一的理論框架和方法體系，但是它的出現(xiàn)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。其以生態(tài)水文過程為基礎(chǔ)，對水環(huán)境系統(tǒng)的演化和演變進(jìn)行研究，以期能夠解決水環(huán)境存在的問題并且實(shí)現(xiàn)人類社會對水資源的可持續(xù)利用[4]。

就我國而言，生態(tài)水文恢復(fù)研究將會成為我國未來研究的重點(diǎn)。由于我國地域面積廣大，地貌類型復(fù)雜多樣，生態(tài)環(huán)境脆弱，并且水環(huán)境問題十分嚴(yán)峻。因此我國必須要加強(qiáng)對生態(tài)水文學(xué)的研究，同時要加強(qiáng)區(qū)際和國際間的合作與交流，為我國實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處提供理論和技術(shù)支持。

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