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流域治理工程的實(shí)施永久性地改變了區(qū)域下墊面，會(huì)產(chǎn)生廣泛和深遠(yuǎn)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，這些效應(yīng)不但貫穿于治理工程的整個(gè)生命周期，還延及久遠(yuǎn)；治理工程運(yùn)行過程中還會(huì)出現(xiàn)新的或意想不到的生態(tài)環(huán)境問題，有的甚至?xí)＜肮こ痰膲勖蛴绊懢C合效益的發(fā)揮。

 

縱觀全球發(fā)達(dá)國家的流域治理過程，流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出 “U” 字形關(guān)系。在流域發(fā)展的早期，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為粗獷型，常常伴隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，而到了流域經(jīng)濟(jì)初步發(fā)展階段，生態(tài)環(huán)境的惡化就會(huì)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的主要因子(“U” 字形的底部)，這個(gè)時(shí)候必須(也有能力) 進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的治理，使流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境共同發(fā)展，走上一條流域可持續(xù)發(fā)展的道路。

 

2006 年海河流域正處于“U” 字形的最底部，經(jīng)濟(jì)社會(huì)已經(jīng)發(fā)展到了一定水平，人均GDP 超過2 萬元，但生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展嚴(yán)重不相協(xié)調(diào)，流域的可持續(xù)發(fā)展需要盡快沖出“U” 字形谷底。生態(tài)環(huán)境意識(shí)的不斷增強(qiáng)，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，使得海河流域已經(jīng)進(jìn)入以可持續(xù)發(fā)展和人水和諧為目標(biāo)的流域管理新階段，因此需要把握南水北調(diào)工程為流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供的良好契機(jī)，恢復(fù)流域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)人與自然的和諧。

 

2007 年啟動(dòng)的中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目課題“海河流域治理工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)遙感監(jiān)測與評(píng)估” (KZCX1-YW-08-03)，也得到了世界銀行全球環(huán)境基金(GEF) “海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目” 的資助，該項(xiàng)目力圖通過典型重大工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究、定量監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)，對(duì)影響重大工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的諸多要素進(jìn)行定量化監(jiān)測和綜合評(píng)估，形成重大工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測與評(píng)估技術(shù)體系，為國家和行業(yè)部門提供準(zhǔn)確可靠的實(shí)時(shí)信息與輔助決策方案，為其他重大工程的監(jiān)測評(píng)估開展先期研究。

 

流域治理工程評(píng)估是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，流域治理工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)本身具有的復(fù)雜性(宏觀、多尺度、動(dòng)態(tài)、滯后、直接、間接、短期、長期、顯性、隱性、交叉復(fù)合等)，使得監(jiān)測評(píng)估具有很大難度。流域治理的直接效應(yīng)是改變流域水系水資源分配格局，但間接效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致城鎮(zhèn)化發(fā)展、水系統(tǒng)退化、濕地消失等；還將對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)或區(qū)域氣候產(chǎn)生影響，帶動(dòng)區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展或居住環(huán)境改變，構(gòu)成了明顯的交叉復(fù)合特點(diǎn)；地下水位恢復(fù)可減少地下漏斗和地面沉降，也可能導(dǎo)致土壤鹽堿化、沼澤化和潛育化；對(duì)流域治理重大工程開展跟蹤評(píng)估或后評(píng)估可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、提出對(duì)策，將工程負(fù)面效應(yīng)降到最低，且正面效益發(fā)揮到最大，這對(duì)實(shí)現(xiàn)流域治理綜合效益的長期持續(xù)發(fā)揮至關(guān)重要，也可以從中吸取教訓(xùn)，為其他流域開發(fā)提供借鑒作用，避免相同的問題再次發(fā)生。

 

▲ 海河流域濕地可恢復(fù)適宜性評(píng)價(jià)分析等級(jí)分布圖

 

然而，流域治理工程的評(píng)估涉及的區(qū)域大、時(shí)間長，需要從深層面剖析生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的復(fù)雜性、累積性和異質(zhì)性，因此數(shù)據(jù)支撐是一個(gè)大問題。為了實(shí)現(xiàn)流域治理工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)定量監(jiān)測、評(píng)估與預(yù)警，需要構(gòu)建遙感與生態(tài)學(xué)相結(jié)合的評(píng)估方法體系。21 世紀(jì)以來，隨著對(duì)地觀測數(shù)據(jù)的爆炸性增長和廣泛應(yīng)用，人類實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球的多尺度、全方位的立體觀測，海量多源遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品給資源環(huán)境監(jiān)測帶來了極大的便利，為流域治理工程評(píng)估提供了豐富的數(shù)據(jù)源，為資源環(huán)境問題的發(fā)現(xiàn)提供了新途徑。

 

充分利用海量多源遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，開展流域治理工程評(píng)估，主要包括五個(gè)方面的內(nèi)容：

 

▌ 一是下墊面和水文生態(tài)參量的時(shí)空格局變化。著重從土地覆被變化、河流變遷、濕地變化、不透水面變化及植被覆蓋度等方面闡述不同時(shí)期水利治理工程、城市及城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)及生態(tài)建設(shè)工程的直接效應(yīng)。

 

▲ 海河流域2000 ~2015 年植被地上生物量變化量分布圖

 

▌二是從流域耗水角度重新認(rèn)識(shí)流域水資源管理的現(xiàn)狀及存在問題。從水循環(huán)要素，即蒸散發(fā)、降水、徑流和地下水四方面分析水文參量的時(shí)空格局變化過程，結(jié)合生態(tài)參量變化，分析流域現(xiàn)狀水資源可消耗量，評(píng)估土地覆被格局對(duì)水資源可消耗量的影響，為水資源三條控制紅線中的“總量控制”紅線管理提供服務(wù)；通過對(duì)灌溉需水量的研究，分析以地下水源為主的地區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)對(duì)地下水利用的影響；通過對(duì)平原區(qū)水分生產(chǎn)率的分析，重新認(rèn)識(shí)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)效益的現(xiàn)狀及存在問題；從耗水角度，分析評(píng)價(jià)現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)的節(jié)水潛力空間，發(fā)現(xiàn)目前節(jié)水存在的誤區(qū)，認(rèn)識(shí)到節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展面臨“節(jié)水” 與“糧食安全”權(quán)衡的艱巨任務(wù)。

 

▌三是針對(duì)流域重要的生態(tài)建設(shè)工程——水土流失治理工程，通過土壤侵蝕量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征分析，評(píng)價(jià)流域特別是密云和官廳兩庫上游地區(qū)水土流失治理工程的成效，并提出治理控制的對(duì)策與措施建議。

 

▲ 官廳水庫上游土壤侵蝕因子及侵蝕風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

 

▌四是進(jìn)行人類活動(dòng)特別是水利工程建設(shè)對(duì)水系統(tǒng)影響的定量評(píng)價(jià)，面對(duì)流域水資源嚴(yán)重短缺的危機(jī)提出適應(yīng)性對(duì)策及建議，并且著重針對(duì)濕地的恢復(fù)提出建議。

 

▌五是綜合各個(gè)方面的評(píng)價(jià)結(jié)果評(píng)估流域的活力，把握南水北調(diào)工程和城鎮(zhèn)化建設(shè)提供的機(jī)遇，從人水和諧角度，提出變化環(huán)境下恢復(fù)流域活力的空間結(jié)構(gòu)調(diào)整措施，為海河流域快速?zèng)_出“U” 字形谷底、實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，并為南水北調(diào)工程的跟蹤評(píng)估做好準(zhǔn)備，為其他流域管理提供借鑒。

 

▲ 海河流域活力指數(shù)變化率

 

《海河流域治理工程生態(tài)效應(yīng)遙感監(jiān)測與評(píng)估》（吳炳方等編著. 北京：科學(xué)出版社，2019. 8）是上述兩個(gè)項(xiàng)目部分研究成果的總結(jié)，與《流域遙感》 構(gòu)成姊妹篇，重在利用土地覆被、水文參量等的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品開展流域治理工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)估，包括地表蒸散發(fā)、地表溫度、葉面積指數(shù)(LAI)、生物量、土地覆蓋、灌溉耕地、種植結(jié)構(gòu)、水利工程數(shù)量/ 狀態(tài)/ 功能及其布局、河道及水面變化、地表河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、濕地分布、濕地結(jié)構(gòu)、地表硬化率、城鎮(zhèn)化速率，以及公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施分布等。

 

這兩個(gè)項(xiàng)目早在2011 年就已經(jīng)驗(yàn)收，但時(shí)至今日我們才組織編寫本書。項(xiàng)目提出的評(píng)估方法需要以論文的形式陸續(xù)發(fā)表，持續(xù)了很長時(shí)間，這是編寫工作延遲的原因之一，但更為關(guān)鍵的是流域治理工程的評(píng)估需要長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的支撐，數(shù)據(jù)序列越長，越能揭示生態(tài)效應(yīng)，為此我們花費(fèi)了大量的時(shí)間準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，形成了覆蓋全流域的長時(shí)間序列數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)則延長到2015 年。

 

未來隨著云服務(wù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，我們無需將大量數(shù)據(jù)下載到本地進(jìn)行處理，只需將分析處理后的最終結(jié)果提取或下載到本地分析使用，從而擺脫了運(yùn)算、存儲(chǔ)能力的限制，大大提高了監(jiān)測和評(píng)估的效率，并可以采用更長的時(shí)間序列、更高的空間尺度對(duì)地表生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測分析，到時(shí)候流域治理工程的評(píng)估就不需花費(fèi)這么長的時(shí)間了。

 

本書從遙感與地面結(jié)合的角度開展流域治理工程的生態(tài)效應(yīng)評(píng)估，這是一項(xiàng)新的嘗試，敬請(qǐng)讀者和有關(guān)專家批評(píng)指正。

 

《海河流域治理工程生態(tài)效應(yīng)遙感監(jiān)測與評(píng)估》一書是“海河流域治理工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)遙感監(jiān)測與評(píng)估” 課題成果的總結(jié)，是參與該項(xiàng)目的中國科學(xué)院遙感、生態(tài)、水資源等領(lǐng)域科研工作者集體智慧的結(jié)晶。該項(xiàng)目是我主持中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工作時(shí)組織實(shí)施的，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程進(jìn)行了長期的跟蹤，并對(duì)項(xiàng)目取得的豐碩成果感到欣慰。更難能可貴的是，即便在項(xiàng)目驗(yàn)收后，吳炳方博士及其團(tuán)隊(duì)仍然持之以恒，用新方法與新技術(shù)持續(xù)開展深入探索，總結(jié)凝練，進(jìn)一步揭示了流域治理工程的生態(tài)效應(yīng)、響應(yīng)過程與機(jī)制，并創(chuàng)新性地提出了基于耗水的流域水資源綜合管理方法，為流域水資源合理規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

 

中國科學(xué)院院士

2019 年7 月9 日

  

本文摘編自 《海河流域治理工程生態(tài)效應(yīng)遙感監(jiān)測與評(píng)估》（吳炳方等編著. 北京：科學(xué)出版社，2019. 8）一書“前言”“第1章 概述”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

 

ISBN 978-7-03-061891-7

責(zé)任編輯：劉浩旻 韓 鵬 姜德君

 

本書是圍繞海河流域，利用近45 年(1970 ~ 2015 年) 的土地覆被、治理工程、水文參量等遙感監(jiān)測產(chǎn)品，針對(duì)流域治理工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析與評(píng)估等研究工作成果進(jìn)行的系統(tǒng)總結(jié)。全書共分7 章：第1 章介紹了海河流域治理工程概況及本書編撰的目的；第2 章介紹了近45 年來流域土地覆被空間格局的變化特點(diǎn)并著重對(duì)濕地、水面面積、不透水面及植被覆蓋度等下墊面參量時(shí)空變化特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)；第3 章介紹了流域降水、蒸散發(fā)、徑流及地下水等水文參量的時(shí)空變化特征；第4 章介紹了流域耗水管理理念在海河流域?qū)嵺`的重要研究結(jié)果；第5 章介紹了流域特別是密云和官廳兩庫上游水土流失治理工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；第6 章介紹了流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)特征分析成果；第7 章介紹了流域活力評(píng)估的方法和措施。