基于系統(tǒng)耦合及3S 技術(shù)的區(qū)域水土資源耦合模式的研究進(jìn)展

姚 健

（山西應(yīng)用科技學(xué)院，山西 太原 030062）

水土資源是區(qū)域社會(huì)與經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展、包括工業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等過程中最為關(guān)鍵的重要資源[1]，也是人類得以生存與發(fā)展非常重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于水土資源不同區(qū)域及其生態(tài)環(huán)境背景下的耦合方式的不同，從而構(gòu)成了不同的水土耦合景觀現(xiàn)狀，區(qū)域水土資源之間的耦合程度的高低，往往直接對(duì)該地區(qū)的人類生活模式及其生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的影響[2]。隨著我國中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展，人類的生產(chǎn)與生活等基本活動(dòng)對(duì)區(qū)域資源分布格局的影響也在逐步加深，不合理的資源開發(fā)利用模式直接會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)景觀造成破壞，從而造成水土資源生態(tài)格局的不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)了一系列諸如土地侵蝕與退化、水土流失等環(huán)境負(fù)效應(yīng)。國內(nèi)外諸多研究工作者已經(jīng)對(duì)不同方面進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)于解決水土耦合問題具有一定的指導(dǎo)意義[3]。但是，在以往的研究工作中，基于小尺度和干旱荒漠流域的水土資源耦合模式的研究則較少[4]。基于水資源是各行業(yè)發(fā)展的制約條件，故將水土資源有機(jī)結(jié)合起來，對(duì)土地資源利用進(jìn)行空間調(diào)整，提高水土資源的耦合程度，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源的和諧發(fā)展。

1 基于“系統(tǒng)耦合”的水土資源配置研究

關(guān)于“耦合”的概念，最初由物理學(xué)提出，后來被其他學(xué)科所引用。其中“耦合”二字，是指兩種或兩種以上系統(tǒng)要素之間相互作用、演變及其最后發(fā)展的結(jié)果[5]。從事物的正反兩方面來講，耦合與相悖是互為相反的生態(tài)過程，二者在生態(tài)位、時(shí)間位與空間位3 個(gè)方面共同作用，耦合是系統(tǒng)要素間能夠保持緊密依存、互相促進(jìn)與再生的關(guān)系，最終強(qiáng)化系統(tǒng)的生態(tài)功能，相悖則在系統(tǒng)要素之間表征為互相干擾與排斥、相互破壞關(guān)系，最終表現(xiàn)減弱系統(tǒng)的生產(chǎn)及生態(tài)功能[6]。

水土資源作為資源體系中的兩個(gè)系統(tǒng)要素，具有耦合及相悖雙重效應(yīng)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是包含了能量流轉(zhuǎn)、物質(zhì)流轉(zhuǎn)、信息流轉(zhuǎn)與交匯的耦合生態(tài)系統(tǒng)。區(qū)域水土資源配置在考慮時(shí)間與空間布局的基礎(chǔ)上，還要考慮區(qū)域自然景觀生態(tài)等其他諸多因素。水土耦合關(guān)系研究，即是在生態(tài)格局相對(duì)穩(wěn)定和安全的前提下，依據(jù)水土資源在時(shí)空尺度異質(zhì)性和資源可持續(xù)發(fā)展與再生原則，通過各種干預(yù)及先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)區(qū)域有限的水土資源進(jìn)行耦合效應(yīng)的合理化增大和景觀生態(tài)規(guī)劃，目的在于維持土地與水資源生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡，在資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ)上，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)綜合效益最優(yōu)化。

2 基于模型及RS/GIS 技術(shù)的水土耦合關(guān)系

國內(nèi)外學(xué)者在水土資源耦合關(guān)系方面從早期定性研究逐漸發(fā)展為應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量研究，主要包括基于系統(tǒng)工程理論的耦合模型，諸如“首都圈”防沙治沙和水土資源優(yōu)化配置的灰色顯性規(guī)劃模型[7]；其次是基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的耦合模型，如根據(jù)生態(tài)水文學(xué)、生態(tài)學(xué)及植物生理學(xué)等相關(guān)學(xué)科及方法建立的生態(tài)用水量估算模型[8]。相關(guān)學(xué)者將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)工程理論結(jié)合，建立了綠洲-山地-荒漠耦合機(jī)制及其顯性規(guī)劃模型[9]。通過對(duì)黃土丘陵區(qū)監(jiān)測資料，在Arcview 環(huán)境下對(duì)不同層次土壤水資源量的月動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)土地利用演變的情景模擬，探索了農(nóng)林草地利用格局改變后土壤水資源量的響應(yīng)程度。國外學(xué)者利用現(xiàn)有模型針對(duì)城市邊緣水土資源耦合關(guān)系研究，構(gòu)建了agent 模型[10]。

3 區(qū)域土地利用/覆被變化的環(huán)境效應(yīng)分析

土地利用及覆被變化是人類生產(chǎn)建設(shè)、生存發(fā)展等活動(dòng)對(duì)區(qū)域環(huán)境改變、生態(tài)格局變化的直接體現(xiàn)。土地利用模式通常是通過改變區(qū)域土地覆被來影響區(qū)域環(huán)境。土地覆被對(duì)氣候、生物化學(xué)循環(huán)、水土、水沙耦合及其相互作用有著非常重要的影響。近年來，諸多學(xué)者對(duì)區(qū)域土地利用導(dǎo)致土地覆被變化而產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)問題的研究日益劇增，多數(shù)研究的主要方向，主要包括對(duì)區(qū)域下墊面的水資源環(huán)境與土壤環(huán)境的影響機(jī)制等問題。

3.1 土壤環(huán)境效應(yīng)

土地利用及覆被變化是區(qū)域土地資源利用模式的直接表現(xiàn)，對(duì)土壤環(huán)境的負(fù)效應(yīng)主要表現(xiàn)在對(duì)土壤質(zhì)量的影響，主要包括土壤生產(chǎn)力下降、土壤環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞、土壤養(yǎng)分流失等問題，隨著土壤環(huán)境格局的破壞與失衡，則會(huì)產(chǎn)生不同形式的土壤功能及機(jī)理的退化，如土壤鹽漬化、過度酸堿化、土壤物理退化等。國際上對(duì)土壤退化影響的研究主要有：從土壤退化的內(nèi)部因素及外部因素等綜合角度，對(duì)土壤退化原因及程度進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。部分學(xué)者通過對(duì)區(qū)域土壤環(huán)境現(xiàn)狀，通過預(yù)測模型等手段，對(duì)未來土壤環(huán)境優(yōu)劣進(jìn)行模擬預(yù)測。

3.2 水環(huán)境效應(yīng)

水資源環(huán)境是指區(qū)域水質(zhì)、水量、水循環(huán)以及水資源可持續(xù)利用等綜合問題。從系統(tǒng)耦合的角度出發(fā)，研究區(qū)域土地覆被及利用方式對(duì)水環(huán)境的影響機(jī)制已經(jīng)成為當(dāng)今水文研究的重點(diǎn)方向。區(qū)域土地利用及覆被變化首先對(duì)區(qū)域土壤環(huán)境產(chǎn)生的效應(yīng)機(jī)制，在時(shí)空尺度上則會(huì)對(duì)區(qū)域水環(huán)境造成影響，如不合理的施肥及過度使用化學(xué)農(nóng)藥等，大量的化學(xué)及營養(yǎng)元素則會(huì)對(duì)區(qū)域水質(zhì)產(chǎn)生影響，造成水體污染。又如區(qū)域土壤侵蝕，則會(huì)影響水體中懸浮物與沉積物的含量。由于不同的土地利用與土地覆被類型對(duì)降水的自然調(diào)節(jié)的作用不同，因而土地覆被及利用的基本方式，不但導(dǎo)致區(qū)域水資源總量的變化，而且還會(huì)改變區(qū)域水循環(huán)的方式。不同的土地利用類型會(huì)產(chǎn)生不同的水分循環(huán)特征，城市用地的擴(kuò)展會(huì)減少水分的存留和下滲，加大了地表徑流量，甚至?xí)a(chǎn)生汛情及洪災(zāi)發(fā)生的頻率。

土地覆被及利用方式對(duì)水質(zhì)、水量等的影響已經(jīng)成為人為破壞水土環(huán)境的重要原因，在點(diǎn)源污染逐漸得到控制和治理后，水體非點(diǎn)源污染及大時(shí)間尺度上的水環(huán)境惡化問題仍沒有明顯的改善。這也要求了我們研究工作者在以后的研究過程中，主要注重對(duì)非點(diǎn)源污染的治理及區(qū)時(shí)間尺度污染的模擬和預(yù)測等方面。在研究方法上，在傳統(tǒng)的監(jiān)測、取樣及實(shí)驗(yàn)分析等手段基礎(chǔ)上，注重對(duì)水資源惡化的未來預(yù)測模型的構(gòu)建，多元數(shù)據(jù)及3S 技術(shù)的輔助。在國際上，利用實(shí)測數(shù)據(jù)建模精度高，對(duì)水文水質(zhì)監(jiān)測、采樣等也較為系統(tǒng)。國內(nèi)的水文檢測項(xiàng)目較少，時(shí)間尺度較短，忽略了水文過程的復(fù)雜性，對(duì)水文資料的獲取也十分有限，而較多水文模型則需要有較長時(shí)間序列的資料，因而，利用3S 技術(shù)結(jié)合分布式水文模型，對(duì)區(qū)域水文水環(huán)境進(jìn)行模擬則成為了一個(gè)新的發(fā)展方向。

由于地區(qū)在長期發(fā)展過程中對(duì)水資源的承載能力考慮不充分等因素，導(dǎo)致了干旱區(qū)水資源供需矛盾加深，土地利用格局不斷改變，水土耦合景觀不斷發(fā)生著變化等一系列資源負(fù)效應(yīng)，對(duì)水土資源的可持續(xù)利用造成了一定程度的消極影響。因此通過區(qū)域水土資源耦合方式進(jìn)行研究建模，以及基于現(xiàn)有資源利用模式下的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)等，有助于科學(xué)合理的開發(fā)水土資源，這對(duì)于有效緩解區(qū)域水土資源供需矛盾現(xiàn)狀，實(shí)施生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略，維護(hù)區(qū)域社會(huì)及經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。