如何预测评估生态环境？

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：水生生态系统的改变。正向与反馈的复杂组合和长期作用造成的各种自然生态环境的变化。调水使缺水地区的生态环境和人类生存环境大为改善，出现最多的积极的自然生态环境效益。除了调水工程直接影响自然生态环境的评估外，调水后果的预测评估应当包括水文循环和生态环境所有要素状况的长期预测，并以此为背景建立一个系统并使其发挥作用。

大家知道，在水循环过程中，地球上各种形式的水是相互联系的。因此，水循环任何要素（例如河川径流）的任何改变都应当反映在其他因素上：反映在地表蒸发上和水分循环上、地层储水量上、内河水域上、海洋上和水面蒸发上。此外，水资源、地区湿度与热资源有一定的平衡关系，而它们的相互关系决定了存在于地球上的自然区域和自然景观多种多样。由此可以得出，大型跨流域特别是跨地区的调水工程应当在某种程度上反映在它所涉及的河流和湖泊的水文情势上，甚至通过因果关系链影响自然环境的某些组分。

大型调水工程对自然条件和生态环境体系的影响序列可以用以下形式来表达。

（1）由于实施调水而兴建的水工建筑物使河流和湖泊的水文情势和水质改变，形成新的人工水文地理网（输水和灌溉渠道）。

（2）水生生态系统的改变。

（3）水文地理网的改变和灌溉对调水系统集水区地下水的情势、平衡和水质的作用。

（4）地下水情势和水质的改变对集水区的水盐平衡、表土层、植被、地表生态系统的影响。

（5）调水河流所涉及的海湾和海洋沿岸区水文情势和咸淡水平衡的变化。

（6）在调水系统集水区内和海洋水面范围内上述变化对气象条件和水循环的影响。

（7）正向与反馈的复杂组合和长期作用造成的各种自然生态环境的变化。

美国（加利福尼亚州）、巴基斯坦、印度的大型调水工程的运行经验，20世纪70～80年代加拿大东部跨流域调水工程的实施，以及1976～1985年间，苏联广泛进行的从多瑙河、北方河流及西伯利亚河流调水对生态环境影响的综合研究，可以阐明调水对取水区、输水区和用水区可能产生的自然生态环境的后果（表8-1）。

当然，除表8-1中所列的后果之外，调水可能还有别的后果。此外，后果本身可能表现为不同的程度，有时带有不同的标志。这取决于调水地区的自然地理条件、调水量、实现取水、输水和在用户之间配水的水工建筑物的形式。因此，对于每一个实现水资源区域再分配的具体工程的特征段来说，可以建立自己的后果示意图。

从表8-1中我们可以看出，调水的这些后果有些对生态环境有利，有些对生态环境不利。所谓有利的是指其系统能量和物质输出输入平衡，结构和功能稳定，并能自我调节恢复到稳定状态——环境和生态平衡状态。当调水的某些作用超出了生态系统某些自动调节能力的界限，调节就不再起作用，从而使系统受到改变、伤害乃至破坏——生态平衡失调。

表8-1　水资源区域再分配对取水区和输水区及用水区自然环境和生态系统的作用形式［1］

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任何调水工程都可以实施从多水地区向缺水地区供水，把水调到十分需要水的地方或者用水可以获得更大经济效益的地方。显然，在这样的调水针对性下，用水区应该获得最大的社会经济效益。调水使缺水地区的生态环境和人类生存环境大为改善，出现最多的积极的自然生态环境效益。灌溉改造了荒漠地区，增加了土地产量，改变了区域水盐平衡状况即水土资源组合平衡状况，使其结构和功能趋于稳定等。但是，不合理的灌溉、灌溉过量、地下水排放不充分、会在许多情况下引起土壤状况恶化，导致盐渍化、沼泽化、侵蚀和退出肥沃土地的轮作，这在灌溉用水区是最危险和最常见的调水不良后果；更为严重的是容易产生和传播寄生虫和水生物病害。

在供水河流流域也出现一系列积极的自然生态变化，其中包括减少河滩过度侵蚀，减少沿河区域沼泽化，调节洪水和防止灾难性的水灾，改善娱乐条件。这里最受损害的是鱼类种群，特别是最易受损伤的鱼种。

输水时，一般都使得调水线路沿线地区的供水增加，这在很大程度上促进了它们的社会经济发展。这里对自然环境的主要负面影响是调水线路附近土地的淹没或干涸（取决于输水与地下水相互关系的性质）。保持调水水质和水量，消除各种致病微生物和细菌与水一起输送的可能性（调水的效益最终取决于这一点）是最最重要的问题。为了最大限度地防止河槽变形的发展，以及冬季的冰塞和冰坝，维持土渠的设计过水能力，选择最佳的地形和水力参数是个专业问题。

对自然生态环境最严重的负面影响一般是在调水工程的施工期和其运行的头几年。在这个期间，渠道、水库的水量损失最大，破坏了自然景观、地表水和地下水的平衡。随着时间的推移，随着渠道底部和水库库底的淤积、渠槽变形的稳定以及各种反馈和补偿因素的作用，调水系统对自然生态环境的负面作用可能减少。但是，在从事调水的生态后果预测和研制各种自然保护措施时必须明白，对自然生态环境的任何长期和单向作用是一系列不可逆转和难以逆转后果的原因。特别是像水道和水域富营养这种很少研究但相当普遍的现象。

由上述可见，调水工程对生态环境的影响是深远而复杂的。现代科学技术应当研究如何充分发挥调水的有利作用，怎样防止或减少调水的不良后果，也就是说怎样用现代科学技术来评价和预测调水工程对生态环境的影响。

除了调水工程直接影响自然生态环境的评估外，调水后果的预测评估应当包括水文循环和生态环境所有要素状况的长期预测，并以此为背景建立一个系统并使其发挥作用。这种预测就其实质应当是多方案和以水利发展的不同“版本”和可能的人为改变气候为基础。

简单的逻辑表明，调水工程的不同方案、许多经济部门的发展趋势、水资源和自然环境的状况、调水量和调水工况等的多种组合的失败是必然的，巨大计算量的实施只能根据总体水利系统的模型试验以及它所涉及的生态和社会经济过程和在电子计算机上的模型数值解。但是很显然，由于评价的多标准性，这种复杂问题的解用一个模型是不可能的。而应用系统分析原理，研制在仿真和最佳工况下工作的相互关联和相互校正的综合模型是比较现实的。原苏联在建立国家统一水利系统［6，7］的科学依据的研究过程中，沃罗帕耶夫Г.В.等人曾研制出了这种综合模型（图8-1）。

图8-1示出了模型系统的结构。输入水源分布情况和特点的信息，输入水体生产的布置资料，输入所有用户对水资源的需求情况，以及输入水利设施的布置情况和特点，通过运算，模型保证输出水利设施（控制枢纽）和水利对象的工作状况的资料。这样获得的信息对建立和解决自然生态环境不同作用过程的区域模型和水循环与气候的统一模型是个起点（图8-1B区）。模型系统的B区是区域和局部的仿真模型，它们模拟大自然的作用过程与规律，可以输出调水工程的预测后果。这个区和其他区的所有模型之间存在着复杂的正向关系与反馈，给出了能校正所取得结果的可能性。

图8-1所示的模型系统是根据原苏联组织水资源区域再分配问题的研究而编制的，但是这个模型系统没有实际实施过。没有进行这种规模的模型试验的主要原因如下：一方面，没有必需的资料、缺少所需要的原始数据库，许多自然地理过程及其相互关系研究得很少，没有制定出远景自然环境状况可靠的预测方法，没有综合的自然生态标准来评价解决这种复杂水利问题的哪种方案的优劣，以及没有组织过大量科研单位参加这种系统的综合研究的组织经验。另一方面，虽然沃罗帕耶夫Г.В.等人有心继续研究并在积累和收集必要的资料，但稍后在原苏联开展的调水大论战，几乎使其陷入牢狱之苦，他还能再干下去吗？后来苏共中央和部长会议通过了“暂停决议”，再后来苏联解体。所以，这项研究在原苏联和现今的俄罗斯仍然停留在原有水平。

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图8-1　研究和评价水资源区域再分配影响自然生态环境的
 数学模型系统

20世纪80年代，苏联在这个总课题范围内，曾研制了大量的用于解决各种主课题和子课题的模型。专家们在北水南调工程环境影响评估中，增设想采用分段网络法，即把从北方河流至伏尔加河和从西伯利亚河流至中亚的调水沿线有关地区划分为7个区段，绘出每一区段与调水有关的环境因素及相互关系的网络图，对调水系统各单个环节（河流、湖泊、河口、海洋沿岸段、逆河道、渠道、水库）、液体和固体径流、水流、水质、冰雪融冻的形成过程、造床过程、水循环和气候的形成过程进行生态系统模型试验和水利模型试验，然后分析各单项影响并进行综合评估。这种方法的优点在于把复杂的系统分解成为相对简单的子系统，对特大型跨流域调水工程进行环境影响评估较为适用。可惜由于后来的大论战及其他一些原因，这项研究没有完成，没有把这些模型彼此联系在一起，甚至在同一个调水系统范围内也没有结合在一起。

现在，各种水利系统以及与之有关的过程在美国、加拿大、墨西哥、澳大利亚、印度以及许多欧洲国家，特别是英国和荷兰获得了最广泛的发展。在上述国家，在应用生态地理研究范围内，模型试验已达到了相当的成就。但是国外所研制的绝大部分模型首先是解决调水系统的管理问题和选择最经济合理的调水方案，很少用于研究和预测调水对自然生态环境作用过程的影响。

美国的跨流域调水工程从规划、论证、设计到运行管理的各个环节，都不惜投入大量的财力与人力，对调水工程的环境影响进行广泛而深入细致的分析研究，并且制定各种有效的对策措施，防止和处理目前或者将来可能出现的各种不利影响，实现调水工程的最佳环境效益。在美国加利福尼亚州调水工程环境影响评估中［8］，根据不同方面对环境的影响，把跨流域调水影响范围划分为蓄水区、蓄水区下游、输水渠道沿线和用水区等四个不同的部分，然后分别按其影响鉴别、影响预测和影响估算三个方面进行分区的和综合的环境评估。特别是对于加利福尼亚州水道对旧金山湾的水质和鱼类资源的影响问题，曾经研制了一系列数学模型、物理模型和生物过程模型，并进行了大量的室内模型试验。前几年，根据模型试验研究结果，在旧金山湾新建了洛斯瓦克罗斯水库。根据最新资料，该水库达到了改善水质和提高供水可靠度的目的，从而缓解了调水工程对旧金山湾生态环境的影响。

加拿大用模型研究了魁北克省伊斯特梅恩河、卡尼亚皮斯克河和拉格朗德河流域的大型调水工程和水力发电工程的可能后果。然后，根据在这个地区所组织的监测研究结果，研制出专用的生态模型。

英国用数学模型试验评估了所设计的调水工程对其水化学和生物情况的影响。

可以逻辑性地用数学形式把多个环节、关系和规律联系在一起并在电子计算机上反复试验以求出近似解。在把这种模型试验看做是大型水利系统最有效的研究方法时，必须牢记在大多数情况下自然本身的关系和规律还远没有深入研究。

也就是说，在水文气象理论领域内还有非常广泛的问题——从综合的工程计算到水文循环所有要素的超长期预测、监测原则的研制以及调水地区水资源的管理和水文地质情况等需要深入研究。实际上，在这些研究中应该利用所具有的一切标准和非标准水文气象的计算和预测方法也未必有错。

另一方面，总结国外多年进行的水工建筑物对自然生态环境的影响和作用过程的研究表明，全面地了解、控制和可靠地预测大型跨流域调水系统的主要工程项目与自然环境的相互作用，不系统地收集原体观测资料是不可能的。因此，在调水工程影响的区域内，对自然环境的监测是最紧迫的问题。在美国、原苏联、加拿大、印度、巴基斯坦等国家，对一些大型调水工程，都组织和布置了缜密的生态环境监测网，系统地观测和收集了生态环境发生变化的原体观测资料。

最基本的问题是制定相应的观测大纲和建立密集的专用环境监测站。在所提出的控制结构中，主要的支撑是取样阐明发生在调水系统本身的项目（主要是水库）上、在其作用区内和作用区之外生物和非生物随时变化的相互关系。通过取样确定作为水域状态的非生物指标，选取水的颜色、透明度、含沙量、水温、pH值、溶解氧、磷、氮、碱和其他一系列化学物质的含量。生物特性是根据水域产量、浮游生物量、水底生物量和鱼类资料建立的。监测大纲的调整、完善用模型试验进行。

如何预测评估生态环境？

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