【大咖讲坛】中国科学院院士刘昌明分享生态文明建设的顶级智慧(干货)

【编者按】生态文明建设关乎人类未来的生存与发展,作为现代化尚需深入推进的发展中国家,中国生态文明建设面临着十分严峻的形势,我们要在生态文明建设上奋发有为,需要来自顶尖智慧之光的指引,需要从科学顶峰上汲取生态文明建设的力量。为此,我们特别邀请铁汉生态高级顾问中科院、工程院院士组成智囊团,开设系列大咖讲坛,让你近距离感受“院士智慧”,以更宽的视野建设美丽中国,用匠心守望绿色明天。今天你将首先聆听到的是刘昌明院士关于水生态与生态水文学理论与应用研究问题简述。

▲海南海口东西湖治理

高级顾问


刘昌明:

中国自然地理水文水资源方向研究领域的倡导者与开拓者

中国科学院院士

中国科学院水问题联合研究中心主任

研究领域:水文水资源


本期课题

关于水生态与生态水文学理论与应用研究问题简述


一、概论


▲贵州长顺麻线河河道治理


生态系统一般则包括了生命体和非生命的物质与能量,后者包括了光热、水土、空气等等。研究水与生态系统的关系,是生态水文学的核心内容。水是生命之源、生产之要、生态之基,水是非生命物质,又是生命物质与生命活动所不可或缺的要素,其存在与循环状态可改变生命所依存与发展的空间,对生态系统既有正向促进作用,也有负向破坏作用。因此,水及水文循环对生态系统及其重要,与生态系统的关系与影响具有多样性。在人类世,我们研究生态的目的最核心的是研究人类与自然的相互作用与关系,认知人类与自然和谐;研究水生态和生态水文的核心目的追求人与水的和谐,实现人类的可持续发展。一般说对于洪水要特别强调人与水和谐。在一定的意义上讲。人类生活与生产(人居)活动的空间就是人居环境。显然在人类之前其原来无生活生产活动的自然环境也就是原生态。在这种情况下,我们可以认为对生态系统的认识可以视其为大自然,简言之,生态就是大自然。限于篇幅,本文试图仅从基础理论与应用基础研究的若干方面提出问题,而不予详细展开论述。


二、生态过程的水循环的基础理论研究


▲海南海口龙珠湾治理


1. 水循环与生态水文关联,深入和系统地研究降水-蒸发、蓝水绿水转化以及植被(土地覆被)的水循环调控机理;

2. 水循环驱动下的化学元素(污染物质)溶移与生物地球化学过程,特别是多维的面源物质模型的建立与应用;

3. 水循环作用下地表物质(泥沙)的搬运与沉积,常态(流水)地貌的塑造过程,如水土流失,河流功能变化等。发展生态地貌学(Eco-geomorphology)的研究;

4. 水与生态系统的关系,知之甚少,世界大多数河流尚未确立生态维护目标。难以实现人-水和谐.

5. 目前我国在生态需水量的研究进行了大量卓有成效的研究,但是方兴未艾。多数研究限于年生态需水量的估算,对水生态中的水的动力过程与动态研究不足,缺乏对具有重要生态意义的水位、流速及水道与水生态关系的研究,很少考虑鱼类洄游流速要求与输沙需要的流速等问题。涉及河道生态基流的 e-flow研究也有待深入。

6. 在环境污染的流域既要考虑生态水量还要其水质。应把水生态需要的水量与水质结合起来同时研究,通过流域的“径污比”按生态水质的设定指标确定生态需水的水质来维护水生态系统的健康。


三、生态需水量研究若干术语定义问题的商榷



▲郴州西河湿地公园及生态治理工程


生态水文学是发展中学科。许多术语还没有统一的认识。我们提出以下的定义,只能是商榷。

1.生态需水:在现状和未来特定目标下,维系给定生态、环境功能的水量。

2.生态用水:现状和未来特定目标下,维系给定生态环境功能的实际发生的用水(引水和提水)量。

3.生态耗水:对水资源而言,是在维系现状和未来特定目标生态功能用水过程中散失的水量。要讲蓝水-绿水的转化。

4. 生态供水:提供维系现状和未来特定目标生态功能的降水性和径流性(包括地下径流)的水量。

5. 最小生态需水量:“三生(生活、生产与生态)”用水竞争条件下,保护生态系统基本功能的阈值,或者说必要生态用水量是维系给定生态系统环境功能的一种水量或最小阈值。

6. 生态基流:是由稳定地下水源补给河流的基本流量,保持枯水期或无雨时河道的水流,维持水生物生存与水道及岸带的生境。

7. 最大流量生态用水:指靠汛期河流泛滥繁衍的河岸与洪泛区的生态系统用水以冲刷河床的挟沙水量,维持水道健康,可称为为“生态洪水”。

8.生态系统的总用水量:包括:生态系统耗散水量;生态系统蓄水量与;生态系统退水量。

9. 生态耗散水量、生态蓄水量与生态退水量关系:

  生态蓄水量=生态用水量-生态耗水量-生态退水量。

10. 生态需水量水质标准:不危害水生态系统发育给定的水质类型。


四、全球变化下水循环与水生态与生态水文响应的研究


▲海南海口东西湖治理


变化环境影响水生态的科学问题很多,除了气候变化影响,日益增长的人类活动,种类繁多、规模空前:各种社会经济用水与土地覆盖利用(LUCC)影响的问题还有待解决,特别是如何确切区分气候与人类活动对水循环与水生态变化的叠加作用仍是一个难题。包括:

(1)气候变化对水资源与水生态的影响机制复杂性,如蒸发悖论的问题。

(2)水资源与水生态对气候变化响应的地理区域分异性,包括遍历论问题。

(3)水资源与水生态对气候变化响应机制的非线性质。

(4)水资源极值/旱涝频率对水生态响应的增益性。

(5)GCMS对未来气候变化的预测具有条件性,称为情景(Scenarios),如何通过集合计算预测,提高可信度,是有待解决的问题。

(6)厄尔尼诺与拉里拉现象对水循环与水生态变化的影响问题。

(7)气候变化尺度效应与生态响应研究的问题,降尺度与升尺度计算技术问题尚待进一步的深入研究。


五、基于良性水循环的水资源综合管理与水生态系统保护的管控技术


云南滇池湿地治理


水生态系统维护与生态水文学属于生态学与水文学的交叉学科,在很大的程度上偏向水文水资源研究领域。理念上更多的涉及人-水和谐、水资源开发利用。生态系统的维护,纳入了水资源的综合管理。有关的问题广泛,涉及以下技术:

1.水资源利用的动态监测、干旱/洪涝灾害监测、评价与预警技术;

2.水资源监测评价的同位素技术;

3.水资源循环再生利用及安全性评估技术;

4.农业高效用水与节水技术(生物节水、非充分灌溉技术);

5.城市雨水利用与洪水资源化技术;

6.工业水污染处理与控制以及工业节水技术;

7.城市污水处理与回用技术;

8.农村面源污染监测与防治技术;

9,地下水回灌及受污染地下水修复技术;

10.水体富营养化防控技术;

11.突发性水环境事故预警与应急技术;

12.水土保持与生态建设综合技术体系;

13.生态需水定量评估及生态需水调配技术;

14.海水、微咸水、污水等非常规水资源综合利用技术;

15.数字流域模型/分布式流域水文模型生态蓄水量采用卫星水文遥感与地理信息系统以及全球定位系统将是主要的手段。;

16、解决资料稀缺的参数问题。海量“3S”监测数据挖掘与同化技术等。


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