基于系统耦合及3S 技术的区域水土资源耦合模式的研究进展

姚 健

（山西应用科技学院，山西 太原 030062）

水土资源是区域社会与经济和谐发展、包括工业及农业生产等过程中最为关键的重要资源[1]，也是人类得以生存与发展非常重要的物质基础。由于水土资源不同区域及其生态环境背景下的耦合方式的不同，从而构成了不同的水土耦合景观现状，区域水土资源之间的耦合程度的高低，往往直接对该地区的人类生活模式及其生态环境的和谐发展产生较为深远的影响[2]。随着我国中西部地区经济转型发展，人类的生产与生活等基本活动对区域资源分布格局的影响也在逐步加深，不合理的资源开发利用模式直接会对区域生态景观造成破坏，从而造成水土资源生态格局的不稳定，进而出现了一系列诸如土地侵蚀与退化、水土流失等环境负效应。国内外诸多研究工作者已经对不同方面进行了大量的研究工作，对于解决水土耦合问题具有一定的指导意义[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资源耦合模式的研究则较少[4]。基于水资源是各行业发展的制约条件，故将水土资源有机结合起来，对土地资源利用进行空间调整，提高水土资源的耦合程度，最终实现区域资源的和谐发展。

1 基于“系统耦合”的水土资源配置研究

关于“耦合”的概念，最初由物理学提出，后来被其他学科所引用。其中“耦合”二字，是指两种或两种以上系统要素之间相互作用、演变及其最后发展的结果[5]。从事物的正反两方面来讲，耦合与相悖是互为相反的生态过程，二者在生态位、时间位与空间位3 个方面共同作用，耦合是系统要素间能够保持紧密依存、互相促进与再生的关系，最终强化系统的生态功能，相悖则在系统要素之间表征为互相干扰与排斥、相互破坏关系，最终表现减弱系统的生产及生态功能[6]。

水土资源作为资源体系中的两个系统要素，具有耦合及相悖双重效应。农业生态系统是包含了能量流转、物质流转、信息流转与交汇的耦合生态系统。区域水土资源配置在考虑时间与空间布局的基础上，还要考虑区域自然景观生态等其他诸多因素。水土耦合关系研究，即是在生态格局相对稳定和安全的前提下，依据水土资源在时空尺度异质性和资源可持续发展与再生原则，通过各种干预及先进的技术手段，对区域有限的水土资源进行耦合效应的合理化增大和景观生态规划，目的在于维持土地与水资源生态系统的相对平衡，在资源可持续利用的基础上，达到经济、社会、生态综合效益最优化。

2 基于模型及RS/GIS 技术的水土耦合关系

国内外学者在水土资源耦合关系方面从早期定性研究逐渐发展为应用数学模型进行定量研究，主要包括基于系统工程理论的耦合模型，诸如“首都圈”防沙治沙和水土资源优化配置的灰色显性规划模型[7]；其次是基于系统动力学理论的耦合模型，如根据生态水文学、生态学及植物生理学等相关学科及方法建立的生态用水量估算模型[8]。相关学者将系统动力学与系统工程理论结合，建立了绿洲-山地-荒漠耦合机制及其显性规划模型[9]。通过对黄土丘陵区监测资料，在Arcview 环境下对不同层次土壤水资源量的月动态变化进行统计，通过对土地利用演变的情景模拟，探索了农林草地利用格局改变后土壤水资源量的响应程度。国外学者利用现有模型针对城市边缘水土资源耦合关系研究，构建了agent 模型[10]。

3 区域土地利用/覆被变化的环境效应分析

土地利用及覆被变化是人类生产建设、生存发展等活动对区域环境改变、生态格局变化的直接体现。土地利用模式通常是通过改变区域土地覆被来影响区域环境。土地覆被对气候、生物化学循环、水土、水沙耦合及其相互作用有着非常重要的影响。近年来，诸多学者对区域土地利用导致土地覆被变化而产生的环境效应问题的研究日益剧增，多数研究的主要方向，主要包括对区域下垫面的水资源环境与土壤环境的影响机制等问题。

3.1 土壤环境效应

土地利用及覆被变化是区域土地资源利用模式的直接表现，对土壤环境的负效应主要表现在对土壤质量的影响，主要包括土壤生产力下降、土壤环境系统结构破坏、土壤养分流失等问题，随着土壤环境格局的破坏与失衡，则会产生不同形式的土壤功能及机理的退化，如土壤盐渍化、过度酸碱化、土壤物理退化等。国际上对土壤退化影响的研究主要有：从土壤退化的内部因素及外部因素等综合角度，对土壤退化原因及程度进行分级评价。部分学者通过对区域土壤环境现状，通过预测模型等手段，对未来土壤环境优劣进行模拟预测。

3.2 水环境效应

水资源环境是指区域水质、水量、水循环以及水资源可持续利用等综合问题。从系统耦合的角度出发，研究区域土地覆被及利用方式对水环境的影响机制已经成为当今水文研究的重点方向。区域土地利用及覆被变化首先对区域土壤环境产生的效应机制，在时空尺度上则会对区域水环境造成影响，如不合理的施肥及过度使用化学农药等，大量的化学及营养元素则会对区域水质产生影响，造成水体污染。又如区域土壤侵蚀，则会影响水体中悬浮物与沉积物的含量。由于不同的土地利用与土地覆被类型对降水的自然调节的作用不同，因而土地覆被及利用的基本方式，不但导致区域水资源总量的变化，而且还会改变区域水循环的方式。不同的土地利用类型会产生不同的水分循环特征，城市用地的扩展会减少水分的存留和下渗，加大了地表径流量，甚至会产生汛情及洪灾发生的频率。

土地覆被及利用方式对水质、水量等的影响已经成为人为破坏水土环境的重要原因，在点源污染逐渐得到控制和治理后，水体非点源污染及大时间尺度上的水环境恶化问题仍没有明显的改善。这也要求了我们研究工作者在以后的研究过程中，主要注重对非点源污染的治理及区时间尺度污染的模拟和预测等方面。在研究方法上，在传统的监测、取样及实验分析等手段基础上，注重对水资源恶化的未来预测模型的构建，多元数据及3S 技术的辅助。在国际上，利用实测数据建模精度高，对水文水质监测、采样等也较为系统。国内的水文检测项目较少，时间尺度较短，忽略了水文过程的复杂性，对水文资料的获取也十分有限，而较多水文模型则需要有较长时间序列的资料，因而，利用3S 技术结合分布式水文模型，对区域水文水环境进行模拟则成为了一个新的发展方向。

由于地区在长期发展过程中对水资源的承载能力考虑不充分等因素，导致了干旱区水资源供需矛盾加深，土地利用格局不断改变，水土耦合景观不断发生着变化等一系列资源负效应，对水土资源的可持续利用造成了一定程度的消极影响。因此通过区域水土资源耦合方式进行研究建模，以及基于现有资源利用模式下的环境效应进行分析评价等，有助于科学合理的开发水土资源，这对于有效缓解区域水土资源供需矛盾现状，实施生态建设与环境保护战略，维护区域社会及经济稳定、可持续发展具有十分重要的意义。