1 西北地区的自然地理条件、水资源分布特点与生态环境问题

西北地区包括陕、甘、宁、青、新五省区全部和内蒙西部，总面积334万km2。本区位于欧亚大陆中心，区内起伏多山，构成高山、高原、盆地交错分布的地貌组合单元。由于四周远离海洋和高山高原的环绕阻隔，使境内的降水量少且分布不均。山区截获较多水汽，降水比较丰富，相应植被发育较好。平原区降水少，且由东南向西北逐渐递减，到盆地中心只有几十毫米，形成植被非常稀疏的沙漠和戈壁，但是源于山区的径流注入盆地，沿盆地四周形成在干旱区内人类赖以生存的绿洲。

西北地区的生态环境问题主要为：①中上游用水过量致使下游河湖萎缩和天然植被退化；②过度开荒、放牧、樵采等加剧了水土流失和土地沙化；③不合理灌溉引起土壤次生盐碱化；④水污染严重，水质恶化；⑤过量开采地下水导致植被退化，并使地下水的矿化度升高、土壤盐化。

这些生态环境问题都直接或间接与水资源有关，随着人口增长和经济发展，国民经济需水与生态环境需水成为水资源开发利用和生态环境保护的矛盾焦点。因此，合理量化生态需水是西北水资源优化配置亟待解决的问题。

2 国内外关于生态需水的研究概况

Covicgh[1]（1993）强调了在水资源管理中要保证恢复和维持生态系统健康发展所需的水量。Gleick[2]（1996）明确给出基本生态需水（basic ecological waterrequirment）的概念框架，即提供一定质量和一定数量的水给天然生境，以求最小化地改变天然生态系统的过程，并保护物种多样性和生态整合性。汤奇成[3]（1995）以新疆地区为背景，论述了生态环境用水的必要性，并界定了生态环境用水量的计算范围，即生态环境用水一是指对一些重要的湖泊进行补水，不主张对干旱区所有萎缩和干涸的湖泊一律进行补水，如罗布泊、台特马湖等；二是人工造林及人工草场的用水量，以土地沙漠化的面积不再扩大为原则。

关于生态需水的计算方法，Gleick建议水资源管理应当基于合适的模型，依据最新信息给出决策意见。Whipple[4]指出流域内应当协调解决环境需水与国民经济需水的矛盾，并建议用先进的计算机技术进行基础分析和系统模拟。陈昌毓[5]从生态平衡的角度出发，确定河西走廊各市、县绿洲和农田的生态需水量分别为400～500mm和450～650mm。

考虑生态因素的水资源管理模型比较典型的是SWAT[6]（Soil and Water Assessment Tool），模型将流域划分成于流域或网格单元，在每一个单元以水平衡方程偶合泥沙、面源污染物子模型，用控制结构（command structure）或DEM高程模型实现水和污染物在网格单元之间的运移方向，从而预测水、泥沙、农业化学物质在大型封闭流域的影响。另外，对生态需水的计算有一定的借鉴作用的水文模拟模型，比较有代表性的有SVAT[7]、VIC-2L[8]等。

3 植被生长需水的区域分异规律及生态需水的概念和分类

3．1 植被生长需水的区域分异规律

水是西北地区决定植被分布的关键因素，以地带性理论与径流形成原理分析植被生长需水规律，可以认为：①地带性植被是靠降水中不形成径流的水来维持生命，这部分水不受水资源开发利用的影响。其中，荒漠植被，盖度1％～25％（草原化荒漠区可达30％），分布在年降水小于200mm的地区，降水几乎不产流，因此地带性荒漠植被生长几乎全部消耗每年不足200mm的降水；荒漠草原与典型草原植被，盖度20％～60％，分布在年降水200～450mm的地区，年径流深5～50mm，而且位于高原，土层深厚，几乎不形成地下径流，因此地带性荒漠草原与典型草原植被生长需水为每年200～400mm；地带性森林草原和森林植被，盖度大于50％，分布区年降水大于450mm，森林能够截留降水形成地下径流，在本次研究的范围内地带性森林需水大约每年400mm多，不会超过550mm。②非地带性植被的生长需水除当地降水以外还有径流，这部分水受水资源开发利用的影响。其中，荒漠区的非地带性植被有乔木林、灌木林、草甸和沼泽，除盐生荒漠草甸外，盖度一般大于30％，植物生长主要靠地下水支撑。地下水埋深小于2．5m的最适植物群落是湿生的芦苇，埋深在2．5～3m的最适植物群落是以罗布麻、甘草为优势种的草甸植被，埋深在3～3．5m的适宜植物群落有胡杨林，在3．5～4m的适宜群落有柽柳，同时3～4m的埋深范围也是以骆驼刺等植物为优势种的荒漠化草甸的适宜区。荒漠草原和典型草原区的非地带性植被主要是沼泽、草甸和乔木林，植被盖度大于50％，靠当地降水和径流支撑。森林草原与森林区的非地带植被有沼泽，需要足够的径流维持。

3．2 生态需求的概念与分类

生态需求是指为维护生态系统稳定，天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。这里需要补充，①对于没有植物作为第一性生产力的系统需水，如河流冲沙、稀释污染物、控制地面沉降等所需要的水，按照传统定义并保持与环境容量概念一致，仍称为环境需水。②生态需水指未来某时段内所消耗的水量，研究现状时称为生态耗水。

生态需水的类型划分，根据水源截然不同的形式分为可控生态需水和不可控生态需水。可控生态需水是指非地带性植被所在系统天然生态保护与人工生态建设消耗的径流量（可作为狭义生态需求），不可控生态需求是指地带性植被所在系统天然生态保护与人工生态建设消耗不形成径流的降水量。从生态系统形成原动力的不同又分为天然生态需水和人工生态需水两大类，天然生态需水是指基本不受人工作用的生态所消耗水量，包括天然水域和植被需水；人工生态需水是指由人工直接或间接作用维持的生态所消耗水量，包括用于放牧和防风的人工林草所需水量、维持城市景观所需水量、农业灌溉抬高水位支撑的生态需水量以及水土保持造林种草所需水量等。生态需水的分类见表1。

4 基于遥感与GIS技术的区域生态需求计算方法

4．1 利用遥感和GIS技术进行生态分区

为了能在空间上反映出生态需水的分异规律，有必要从区域自然地理范围反映气候因素（温度和降水）作用下的西北生态本底；从一定尺度的生态系统反映非气候性水文因素（径流）和人类活动改变了的水文因素对生态的作用；再从土地利用单元一级的范围反映不同水分条件对生态影响的性质和程度。为了统一并且代表研究方向的性质，称之为一级、二级和三级生态分区。

一级生态分区是以区域自然地理的主导分异因素来反映地带性规律，包括山区、平原或高原荒漠区、平原荒漠草原和典型草原区、平原森林草原和森林区。分区界线的确定依据反映地貌的高程等值线和反映地带性植被分异特征的年降水等值钱。分区所用的背景资料是1∶100万数字高程图和多年平均降水等值线图。利用GIS技术将底图通过投影转换、编辑来实现分区，见图1。

二级生态分区是在一级生态分区的基础上，展示径流和人类作用下的生态景观。分区类型见表2。分区图的实现是从土地利用图进行综合信息来完成的。这样做的必要性是土地利用图不能反应生态需水的分异规律。利用GIS技术，从1∶10万的土地利用数字地图中分别提取反映“人类活动”和“径流作用”因素的土地利用类型，根据其轮廓趋势作图，然后根据“人类活动”区、“径流作用”区以及“一级生态分区”的隶属关系，用叠加分析（overly）来实现，见图2。

三级生态分区是以土地利用单元反映群落水平的生态景观，分为耕地（水田、旱地）、林地（有林地、灌木林、疏林地、其他林地）、草地（高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地）、水域（河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地、滩涂、滩地）、城镇工矿居民用地（城镇用地、农村居民点、其他建设用地）、未利用土地（沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地、其他）6个一级类型和25个二级类型。土地利用图，是以90年代的TM遥感影像为基础资料，由中科院地理所于“95攻关重中之重项目”完成，比例为

1∶10万（见图3）。三级生态分区就是应用该土地利用图与二级生态分区图叠加分析形成。

4．2 生态分区与水资源分区的空间对应关系

水是生态系统中重要的环境因子，生态与水资源是同一空间存在的两个层面，二者相互作用、相互影响。

生态与水资源的空间对应关系可以通过生态分区与水资源分区的空间对应关系逐级分析（见图4）。

生态一级分区与水资源分区的空间对应关系，可以反映出流域的生态本底，即流域所处的地带性植被类型，如塔里木河流域的生态本底是荒漠，伊犁河流域的生态本底是草原。了解流域的生态本底，对流域生态的总体情况有一总的概念，不会盲目希望未来总体的生态情况发生根本性的改变。同时对于不同的生态本底，水资源开发利用考虑的生态问题有所侧重，比如在塔里木河流域，考虑比较多的是河湖萎缩和植被退化，当然也包括次生盐渍化，而在伊犁河流域，更多关心的是次生盐渍化或水污染。

生态二级分区与水资源分区的空间对应关系，可以反映出径流和人类活动对本底生态的改变。其中径流的存在才使荒漠的本底上有绿洲，使典型草原和荒漠草原的本底上才有建群种不是针茅类的草甸和森林。有人类的作用才有改变了自然生态结构的农田等人工生态。正是在这一级上的对应关系，才可以明确水资源开发利用对生态的影响范围，以及改变土地利用结构对径流的影响范围。

生态的三级分区与地下水埋深的空间对应关系，可以反映出在径流的作用区中不同地下水埋深支撑不同的群落类型或同一群落的不同状态，从而预测水资源开发利用对生物群落的改变。在这一级上的对应关系为流域规划、生态恢复等比较具体的管理工作奠定基础。

4．3 基于生态分区和流域水循环的区域生态需水计算

4．3．1 生态分区与水资源分区叠加分析确定流域各级生态分区的面积

通过叠加分析确定流域每一块土地面积及其隶属的生态分区，从而确定其生态需水类型。生态分区与生态需水类型的关系见表3。

4．3．2 从潜水蒸发和生物生产量确定生态耗水标准

对于单纯靠降水支撑的地带性植被，不可控生态耗（需）水用生物生产量及其水分利用率来确定；对于由降水和径流共同支撑的非地带性植被，其可控生态耗（需）水通过计算不同植被类型对应的潜水蒸发量来确定，不可控生态耗（需）水计算所在地区的降水直接利用量。

4．3．3 基于流域降水平衡和水资源平衡分析计算生态需水

降水平衡分析是以流域为单位研究不可控生态耗水（外流区包括经济）与水资源的对比关系。水资源平衡分析是以流域为单元研究可控生态耗水与国民经济耗水的对比关系。通过平衡分析不仅可以校正生态需水的计算结果，更重要的是从降水平衡分析可以直接计算出山丘区生态建设用水对水资源总量的影响；从水资源平衡可以协调生态需水与国民经济用水矛盾，以此调整生态保护、生态建设或国民经济发展规模。

5 面向可持续发展的生态保护与生态建设模式探讨

《环境与发展的里约热内卢宣言》和《21世纪议程》使人类对解决生态环境问题策略的认识从消极的环境保护发展到积极的生态建设。人类在强调保护生命资源对人类生存作用的同时，也鼓励“依据生态控制原理调节系统内部不合理的生态关系，提高系统的自我调节能力，在外部投入有限的情况下通过各种技术的、行政的和行为诱导的手段去实现因地制宜的持续发展[15]”。这一可持续发展的思想给出了处理受损生态系统或天然生态系统不合理部分的指导原则。可以根据生态系统的现状特征采取不同的管理对策，或恢复或改建或重建。

根据西北地区生态系统的特点，对可持续生态环境保护与生态建设模式有这样几点认识：①关于内陆区天然水面的保护与恢复，以不影响湖区湿生植被以及以此为栖息地的鸟类、动物的稳定性为目标。不主张恢复已经彻底破坏的水域。③关于内陆区的植被建设，以恢复天然乔灌木为主。③关于人工绿洲区的生态格局，应当实行集约化管理，保证小而精的人工绿洲消耗必要的水分发挥最大的经济效益。④关于内陆区地带性植被的恢复，应严禁樵采等破坏活动，保证地带性荒漠植被的良性发展。⑤关于黄土高原的植被建设，实行小流域水土保持综合治理。⑥关于水环境污染，以水环境容量为约束，依法管理。⑦关于盐碱化防治，大力推广节水措施，防治大引漫灌等不合理用水。

6 西北重点地区生态需水

通过以上方法比较准确地计算西北现状的生态耗水，依据可持续发展的生态模式确定生态保护目标与生态建设规模，在此基础上预测未来近中期的生态需水。

西北地区的不可控生态活水主要是在黄河流域，以《全国生态环境建设规划》为生态建设的战略目标，黄河流域不可控生态需水增加42亿m3。

西北重点地区的可控生态需水（简称生态需水）如下：

新疆现状生态耗水392亿m3，其中天然生态耗水293亿m3，人工作用区灌溉抬高水位间接支撑的生态耗水99亿m3。2020年天然生态总需水294亿m3，总量与现状接近。

河西走廊的疏勒河流域现状生态耗水10亿m3，其中天然生态耗水8．2亿m3，2020年土地开发侵占天然绿洲或过度带50万亩，天然生态需水7．8亿m3，天然生态没有太大变化；黑河流域现状生态总耗水19亿m3，其中天然生态需水13亿m3，2020年开发土地非常有限，而且只在人工区内部，同时中低产田改造可节约人工区内部盐碱地耗水，增加大然生态的需水，预测天然生态需水14亿m3，使下游天然生态稍有改善；石羊河流域现状生态总耗水3．2亿m3，其中天然生态耗水1．4亿m3，2020年因从外流域引水，部分可供天然生态重建需水，预测天然生态需水3．6亿m3，比现状增加2．2亿m3，这将使下游民勤的生态重建有较充足的水源。

柴达木盆地自然环境恶劣，柴达木盆地现状生态总耗水46亿m3，其中天然生态耗水45．5亿m3，未来仍然维持盆地的生态平衡，天然生态需水基本不变。

宁夏水资源管理可控的生态现状总耗水10．6亿m3，其中天然生态耗水2．5亿m3。陕西靠水资源支撑的天然湿地等生态景观面积很小，生态需水非常有限。

7 讨论

西北地区生态需水研究是西北水资源合理配置与生态环境保护研究的核心问题。国内外对生态需水的研究都是刚刚起步。

本文基于植被生长需水的区域分异规律、用遥感和GIS技术进行生态分区、遵循水循环（水平衡）的生态需水计算方法，原理简单明确，受资料限制程度小，，不失为计算区域生态需水的有效方法。同时基于水循环的计算方法，使流域内降水分配、水资源的分配和转化都有一定的量化概念。但是该方法没有模拟地下水位的变化，使预测可控生态需水的精度受影响；而且没有进行地表水文模拟，使生态建设不可控生态需水的增加量不能精确预测。为了实现水土一体化管理，建议将采用模型进一步完善生态需水的计算方法。

本文将生态需水的概念界定为：为维护生态系统稳定，天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。强调天然生态保护旨在排除天然生态中不合理的部分（如耗水的天然盐碱地等），强调人工生态建设是为了从人工生态中排除直接与经济有关的需水。将生态需水的“水”范围界定在“降水”的尺度主要是考虑到土地利用变化对径流的形成影响比较大。

可持续发展的生态模式用“保护＋建设”代替单纯的“保护”，给出了解决问题的方向。但是保护与建设的规模应当基于生态系统本身的承载能力或环境容量，这是合理解决开发与保护矛盾的关键，这项内容还需要尽快研究解决。

水土保持生态建设主要是增加降水的利用，即增加不可控生态需水。