干旱区流域生态水权界定技术，遥感助力水资源管理

基于遥感的干旱区生态水权界定技术体系研究索建军(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)摘要：本文提出生态水权是基于可持续发展与当前社会、经济与技术条件的最佳生态用水权益。水 资源是对人类社会、经济和生态发展具有效用的水分。基于生态水权和水资源新理念以及景观生态和遥感 新理论与技术，建立干旱区流域生态水权界定技术体系。利用多期遥感数据和技术体系对新疆白杨河流域 生态水权进行界定示范，研究促进了新疆白杨河流域用水主要矛盾解决和生态保护，开辟了遥感应用新领 域，研究为基于ET开展科学、严格的现代水资源规划管理提供了关键技术。关键词：遥感；干旱区；流域；生态水权 1背 景气候干燥、水资源匮缺是干旱地区的基本特征和问题，是干旱区各类矛盾的根源。社会 经济发展挤占生态用水，导致生态持续退化，进而危及社会经济稳定发展。在全球气候变暖 大背景下，各种极端气象过程发生频率和波动性加大，这将进一步加剧干旱区用水矛盾。水资源是国家基础性资源，生态水权界定是有效保障干旱区生态用水、监测评价生态保 护措施效能的前提。仅进行流域生产、生活水权界定，不进行生态水权界定，是不完备的流 域水权划分，结果必然会造成生态水权被挤占。依托遥感、尤其是国产遥感卫星，开展生态 水权界定研究和监测，不但可以促进水利技术的跨越发展，同时也将极大地促进我国对地观 测系统完善与发展。目前国内外生态耗水需水计算预测尚无系统成熟的理论技术体系，生态耗水需水概念模 糊、指标多、缺乏统一标准；计算结果与实际存在较大偏差。为应对全球气候变化和实现可 持续发展，需要借用目前国际上先进的基于ET的新型水资源规划管理模式，开展科学与严 格的水资源管理。需要开发与现代管理配套的生态耗水需水计算预测技术体系，有效解决生 态用水与水资源形成区存在空间异位问题、生态用水计算存在重复计算问题和时空异质问题 等，提高生态水权界定的客观准确性与合理性。科学准确地界定生态水权，具有深远的理论探索和实践意义，将极大地促进水利科技进 步，拓展遥感应用空间，同时对于维护安定团结、创建和谐社会，保障国家利益十分重要。 2生态水权生态水权指基于可持续发展与当前社会、经济与技术条件的最佳生态用水权益。包括生 态的水质与水量双重权益。由生态类型、区位、功能以及需水类型、数量和需水过程等指标 集合构成。生态水权和通常所说的生态需水不同之处在于：生态水权是考虑社会、经济与技 术前提条件下的最优生态需水，不是单从生态角度提出的生态需水，是特定时期生产、生活、 生态用水需求最佳平衡状态上的生态需水。生态水权强调何种生态类型、何处、何时、达到 何种生态功能以及为此需要的水资源类型、数量与过程，生态水权是这些要求的集成统一体 与抽象表达。生态水权考虑生态与其环境综合需水，而非单指生态需水。生态水权涉及自然 生态水权和人工生态水权。关于生态水权在本文之前业界已有所提及，但大多没有进行深入阐述。虽然少数文献对 生态水权进行了解释，但只是针对性质相对单一的特殊区域(如绿洲区、农业区)的生态水 权，没有针对全区、全流域进行系统的生态水权研究。研究虽然也涉及到水资源类型、数量、 功能等概念，但仅局限于经济社会水权分配，没有涉及到自然生态水权，其中的水资源范畴 仅局限于狭义水资源。本文所指的生态水权是基于广义水资源范畴下的生态水权。广义水资 源指对人类社会、经济和生态发展具有效用的水分。生态水权研究应基于生态演变、社会经济与技术变化及发展目标进行研究，不应仅局限 于宏观定量研究、生态需水若干单项指标研究、最低生态需水研究等。国内外生态耗水需水 研究虽然已取得许多成果，但为某种目的，有些仅以最低标准配置生态用水，有些过分扩大 生态用水，不考虑实现的可能性。有些基于不完整信息，没有统一的数据基础，结论大相径 庭。有些提出的生态需水十分模糊。这些都给实际分配控制带来不可逾越的障碍。干旱区生 态退化的本质问题是生态水权被挤占，为了解决这一根本问题，应将生态耗水需水研究上升 到生态水权层面，开展区域、流域生态水权研究。 3生态水权界定理论与技术生态水权界定涉及多学科，没有那一种理论可以完全解决，需要基于多种理论和技术开 展研究。本文利用水资源管理学、景观生态学、3S技术等新理论与技术，基于广义水资源、 水文循环、水量、水热及水土生态平衡等传统理论，开展生态权界定研究。 3．1景观生态学景观生态学研究生态与环境综合体特性，通过研究镶嵌体的组成要素和格局，研究景观 生态功能，通过研究组成及格局变化，研究景观演变与演替。干旱区景观格局、功能主要受 水资源条件支配。景观生态与流域水文过程密切相关，水资源配置变化驱动景观生态耗水和 土地利用变化，进而驱动景观生态格局变化，格局变化驱动景观生态功能变化并影响水资源 配置。基于景观生态学理论，准确界定生态类型、区位、格局，可以有效解决生态用水对象 模糊、水资源合理配置与生态功能耦合模拟等关键问题。 3．2水量平衡原理水量平衡原理是研究干旱区生态水权的基本原理。在水文循环中，任一区域、任一时间 输入水量与输出水量之差与其水变化量满足水量平衡。在生态水权界定中，需要研究蒸散、 降水、广义水资源、狭义水资源、地表水等在内的多形式、多层次水平衡关系。 3．3水热平衡原理水分在景观生态的物质循环和能量流动中，既是物质循环的一部分，又是其他物质和能 量运转的载体。水分在热能的驱动下，通过蒸腾、蒸散作用进入大气，并维持界面能量平衡。 利用热平衡原理，基于遥感数据可以反演界面蒸散量。 3．4 3S技术流域生态水权界定和监测，需要以海量数据为基础，集成多种分析反演模型，经过一系 列分析计算与验证完成，3S技术是进行生态水权界定研究的支撑平台。生态水权界定和监测需要对流域大量的遥感数据、水资源数据及生态环境信息等进行化 处理、集成分析、数据可视力显示，GIS是最佳工具。遥感可为生态水权界定、决策者和用水户提供直观、客观、共同认可的基础数据。是清 晰界定生态类型、区位、功能以及反演生态与环境参数等的基础数据。基于遥感界定生态水 权，可以实现基础数据的统一、提高结果的一致性与可接受性。 4生态水权界定技术体系 4．1技术思路(1)研究干旱区生态水权界定方法理论，为技术体系开发，提供理论支持。(2)开发基于遥感的干旱区生态水权界定技术体系，主要包括景观生态区划、ET计算、 耗水计算、生态环境评价、水资源优化等模型或指标体系，为水权界定提供计算方法。(3)基于遥感数据，开展流域生态水权界定应用示范。科学界定流域生态水权，研究 探索生态水权界定业务化服务体系，为广泛开展生态水权界定提供技术平台。见图1。图l技术思路 4．2总体架构干旱区流域生态水权界定技术体系包括3类8种关键技术方法和9大关键技术环节。3类8种关键技术方法指：①基于遥感的流域景观生态区划技术方法，②基于遥感的流 域景观耗水需水反演预测技术方法，③基于景观生态的水资源优化配置技术方法，每类包含 的关键技术方法见图2。9个关键技术环节指：①基础数据获取与复合分析、②景观生态区划、③景观格局动态 演变研究、④生态耗水现势反演研究、⑤生态耗水历史过程动态演变研究、⑥生态需水预测、 ⑦生态质量及稳定性动态定量分析、⑧“可视化”方案优选和⑨协商与信息集成。从基础数 据获取与复合分析开始，依次经过景观生态区划、景观格局动态演变研究等，到协商与信息 集成结束。每个环节完成相对单一内容，各个环节之间相互支持，形成有机整体。各环节关 系见图3。各关键环节任务及目的如下：①础数据获取与复合分析。获取研究区历史研究成果、气象与水文监测资料和遥感资 料，并进行野外工作，利用GIS进行资料整理归类和初步分析，为其他环节准备数据。②景观生态区划。基于景观生态学理论，对流域进行景观生态区划，界定景观生态类 型、区位(空间位置和范围)、功能。为基于景观生态类型，研究流域土地利用、生态耗水 与需水、生态环境状态变化以及水资源优化配置等服务。③景观格局动态演变研究。基于遥感信息，反演流域土地利用历史动态过程。以景观 266 生态类型为单元，评价分析流域景观生态格局动态过程特点及趋势，筛选生态保护对象、确 定生态保护目标。④生态耗水现势反演研究。基于高时间分辨率、中低空间分辨率遥感数据，反演流域 蒸散ET分布。利用生态耗水需水计算预测指标体系，计算分析流域景观生态现势生态消耗 的广义水资源、水资源、可控水资源、地表水资源和地下水资源等，并研究其时空分布特点， 为确定需水定额和评价规划水平年生态需水服务。⑤生态耗水历史过程动态演变研究。基于多期遥感数据，反演流域生态耗水历史动态 过程，分析演变特点及趋势，为确定需水定额和评价规划水平年需水服务。遥感数据、水文、气象、土地、地理等数据上上(1)流域景观生态区划技术方法l ，I景观生态类型、广——…I反穑与动能①流域景观生态空间及属性交替分类方法、 ，i㈩流域景麓生态耗水需水反演翻技术方法}d耗水及理论篙水①平流干旱模型建模②景观生态耗水需水计算预测指标体系③相对绿量比值系数法④遥感水平衡生态需水预测方法1r1最优需水(3)基于景观生态的水资源优化配置技术方法}===爿①景观生态质量定量分析技术②景观生态稳定性定量分析技术③“可视化”方案优选技术等生态水权图2 干旱区流域生态水权界定技术体系关黻术方法关系图圈3 干旱区流域生态永权界定技术体系9大关键技术环节关系图⑥生态需水预测。基于生态耗水现势反演、生态耗水历史过程动态演变以及景观格局 动态演变等研究，利用遥感水平衡生态需水预测方法，确定流域景观生态规划水平年需水 定额，预测流域景观生态需水。⑦生态质量及稳定性动态定量分析。基于生态耗水现势反演、生态耗水历史过程动态 演变以及景观格局动态演变等研究，利用景观生态质量和稳定性定量评价指标，定量反演流 域景观生态质量、稳定性变化历史过程，分析其