内陆河流域干旱演化模拟评估及风险调控技术综述

除上述干旱及其风险研究外，本书还涉及生态干旱和风险管理技术手段方面的相关研究。国内外对生态风险及生态安全方面的研究成果丰富，特别是西北地区绿洲生态安全研究，可为生态干旱及其风险研究提供一定的借鉴；流域三维虚拟现实技术作为数字流域研究的技术手段，已在水情和工程管理等方面得到了较广泛应用，可为干旱评估及干旱风险管理综合平台建设提供技术支撑。

1.3.5.1　生态风险研究

1.生态风险及其评价

对于生态风险及其评价，不同的专家学者从不同的角度有不同的理解。钟政林［77］认为，生态风险指一个种群、生态系统和整个景观的正常功能受到外界胁迫，从而在目前和将来减小该系统内部某些要素或其本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值的可能性。李自珍、韩丽等［78，79］认为，生态风险可定义为一个特定生态系统中所发生的不理想事件的概率及其后果的严重性，定量上可用风险函数R=f（P，C）表示，其中：P为不理想事件发生的概率，C为该事件产生的不利后果。许学工等［80］认为，生态风险评价是利用环境学、生态学、地理学、生物学等多学科的综合知识，采用数学、概率论等量化分析技术手段来预测、分析和评价具有不确定性的灾害或事件对生态系统及其组分可能造成的损伤。毛小苓等［81］认为生态风险评价的重点在于评估人为活动引起的生态系统的不利改变，生态风险评价还要提供各种信息，帮助决策者对可能受到威胁的生态系统采取相应的保护和补救措施，最终为风险管理提供决策支持。

在积极吸纳各相关学科、领域的研究成果基础上，生态风险评价方法由最初的单因子评价发展为多因子分析，由最初定性的简单描述发展为现在定量的精确判断。目前，生态风险的评价方法主要有数学模型法、生态模型法、景观生态模型法、数字地面模型法等［82］。由于评价标准、方法和风险因子不同，不同区域的生态风险评价很难具有可比性。

2.生态安全与风险的关系

生态安全与生态风险的关系可以用图1.1来表示。

图1.1　生态安全概念构成要素

生态风险是生态安全的一个方面，生态处于安全状况并不意味着没有风险的存在，脆弱性是生态安全的核心内容。目前生态安全研究主要集中在生态安全评价方面，生态安全评价技术与方法体系中的一项重要内容就是生态脆弱性的分析与评价，即生态风险评价内容之一。

脆弱性分析和评价研究的主要内容是要建立脆弱性评价指标和评价方法，生态终点的选择也是脆弱性评价的一部分。生态终点是指在具有不确定性的风险源作用下，风险受体可能受到的损害，以及由此而发生的区域生态系统结构和功能的损伤［80］。肖笃宁等［83］认为，生态安全研究在选择生态终点时，除了要考虑关键性的生态系统要素如某个关键性物种外，更要从系统功能出发，选择那些具有重要生态意义的受胁迫的生态过程如流域中的水文过程。干旱内陆河流域生态脆弱区的生态安全分析应以生态水文过程为核心［84］，研究水循环过程与生态系统完整性、稳定性的相互关系，保证生态过程的连续性以及生态系统健康和服务功能的可持续性。

1.3.5.2　绿洲生态安全研究

绿洲（Oasis）指存在于干旱区、以植被为主体、具有明显高于其周边环境的第一性生产力、依赖外源性自然水源存在的生态系统，《辞海》将其定义为“荒漠中水草丰美、树木滋生、宜于人居住的地方”。贾宝全［85］从景观生态学的视角，将绿洲定义为：在干旱气候条件下形成、在荒漠背景基质上发育、以天然径流为依托、具有较高第一性生产力、以中生或旱中生植物为主体植被类型的中、小尺度非地带性景观。即判别绿洲有三个条件：干旱气候、荒漠基质背景、依赖径流。绿洲不是一个简单的地理单元，而是一个包含了存在于其中的所有生物的生态系统，既包括林草、水域、湿地等天然生态系统，也包括农田系统、城镇村庄等人工生态系统，因此，以人类活动为标志，可将绿洲大致分为天然绿洲和人工绿洲。(www.xing528.com)

绿洲生态安全分析主要从景观角度分析景观退化和生态风险，绿洲景观格局、形态及分布、绿洲景观指数分析、绿洲演化驱动因素分析等是干旱区生态安全研究的重要内容。一些学者将景观生态格局与过程、尺度与空间异质性、斑块-廊道-基质模式、等级结构理论等基本理论与绿洲地域特征相结合，对绿洲的概念、特性加以重新定义和阐述，为干旱区绿洲研究开辟了许多新思路和方法。关于绿洲演化、绿洲系统稳定性与未来发展规模等方面，中科院寒区旱区环境与工程研究所、中国科学院新疆生态与地理研究所、新疆大学的干旱生态环境研究所和资源与环境学院等单位已开展了不少研究。

1.绿洲演化

绿洲的发展是水土资源和社会经济发展共同作用的结果，其中水资源是其最重要的制约因素。在时间尺度上，绿洲的发展经历了以牧为主、半农半牧、以农为主三个发展时期；在成因上，主要分为三种类型：人为干扰引起的、气候波动引起的和地质构造活动导致的绿洲演变［86］，其中人为干扰无论在空间上还是时间上对绿洲演变都起到主要作用。人为干扰变化迅速且具有不确定性，成为影响绿洲演变的调控因素，同时也是干预绿洲演变、实施有序管理的重要途径［86，87］。方创琳等［88］从地理学、生态学等角度研究绿洲演变规律，从水资源的决定性作用出发，探讨水的变迁对绿洲稳定性的影响。

干旱内陆河流域景观格局的动态演变实际上是在大的环境变化和人类活动共同作用下绿洲区土地利用/土地覆被变化的结果，因此，可通过分析干旱区景观格局的演替规律来揭示人类活动和绿洲景观格局变化的关系，以评价绿洲生态安全状况［89，90］。如王根绪等［91］以黑河下游额济纳荒漠绿洲为研究对象，利用20世纪80年代和90年代两期景观生态资料，对景观空间格局及其变化进行了分析，认为水资源对干旱区景观格局的影响最大，河流廊道是干旱区荒漠绿洲的主要生态流，河流廊道的变化是导致干旱区景观空间格局变化的驱动力。角媛梅等［92］基于景观类型空间邻接的生态安全评价分析初步反映了绿洲景观受沙漠化和盐渍化的威胁程度。

2.绿洲稳定性

稳定性自20世纪50年代由MacArthur提出以后，各国生态学家从不同角度对其进行概念化，先后出现了恒定性（constancy）、持久性（persistence）、惯性（inertia）、弹性（elasticity）、周期稳定性（periodic stability）和轨迹稳定性（trajectory stability）等描述和表征生态系统稳定的概念。20世纪70年代May［93］指出生态系统的特性、功能等具有多个稳定态，稳定态之间存在“阈值和断点（thresholds and breakpoints）”。马世骏［94］认为，生态系统发育到一定阶段后出现稳定状态，稳定状态的一般含义是在一个连续体系内不出现暂短时间的明显变化，它是一个动态、多维的概念，是一定尺度下的稳定。多数研究者［95-100］认为，稳定性包含两个方面的内容：①系统保持现状的能力，即抗干扰的能力；②系统受到干扰后的恢复能力。基于这一共性认识，柳新伟［101］进一步给出生态系统稳定性的定义，即不超过生态阈值的生态系统的敏感性和恢复力。

潘晓玲［102］通过讨论绿洲蒸散与局地气候、植被覆盖、作物生理生态指标、下垫面之间的相互关系，指出绿洲的稳定性与这些因素的相互作用密切相关。周跃志［103］指出绿洲稳定性是具体尺度下的相对概念，提出了绿洲稳定性的多维多层尺度类型体系与尺度间的相互转化关系，并在生态系统尺度上多层次分析回答了绿洲稳定的概念、内涵、作用机理等基本问题。邓永新等［104］用系统动力学方法模拟了由人工绿洲、天然绿洲和水资源及其相关因子构成的复杂系统，对模型运行结果进行了回归分析，建立了合理的人工绿洲规模与水资源开发规模及利用水平之间的相关关系，进而对叶尔羌河平原绿洲的人工绿洲规模进行了预测。李并成［105］认为，绿洲随着水源的变化而迁移，若水资源量无大的变化，则绿洲的规模就不会发生大的改观。姜逢清等［106］从资源、环境与生态的角度提出了绿洲规模阈值，并建立了预警指标体系。王兮之等［107］对荒漠—绿洲景观类型进行分类并形成策勒绿洲的景观分类图，从斑块、类型和景观三个水平上详细计算了70多种相应的参数和景观指数，定量揭示了策勒绿洲的景观分布格局与类型特征。罗格平等［108］在景观尺度上，从绿洲景观多样性、景观廊道的复杂性以及土地利用及其生态环境效应等方面探讨了绿洲景观稳定性的内涵，通过制作和比较三工河流域1978年、1987年和1998年三期景观分类图，分析了绿洲变化与人类活动的关系［109］。汤发树［110］等利用文献［109］所用资料及土壤、水文与社会经济数据，分析了表征影响因子对区域土地利用空间格局的影响程度，得到全区土地利用变化的主要驱动因素为人口和经济，主要限制因素为土壤肥力和地下水埋深。李新琪［111］根据Markov模型与CA模型的特点，将二者结合形成CA-Markov预测模型，利用该模型模拟和预测了新疆艾比湖流域景观格局的空间变化。

这些研究从20世纪90年代开始，在理论和实践方面对新疆绿洲的分类、演变、规模进行了探讨，并取得了大量的研究成果，但这些研究一方面定量研究不多，另一方面，多从景观生态学单个或多个指标方面进行分析，没有对绿洲的稳定性进行整体综合评价。由于生态系统在结构、功能上的复杂性及在时空上的动态变化，加上稳定性表达的多样化，使得生态系统稳定性的度量变得非常困难。著名生态学家Odum［112］依据系统的结构功能和能量流状态提出了生态系统稳定的22项指标；马世骏、王如松［113］于1984年提出将社会、经济、自然三个方面结合起来评价生态系统稳定性，并给出了考虑区域可持续发展下生态保护或目标恢复的思路；1994年Andren［114］有关生境破碎化一文的发表，再次引起生态学者及生态管理者对生态阈值的兴趣和广泛关注；徐明等［115］通过建立分室模型的能量流模型，研究农业生态系统的稳定性及其动态；动物生态学家用动物在干扰前后种群密度的变化表达动物群落的稳定性［116］，植物生态学家用干扰前后物种的组成、频度、盖度、丰富度、生物量变化进行群落稳定性测度［117，118，119］；但至今仍没有一个统一的指标来表达生态系统的稳定性［100］。

1.3.5.3　流域三维可视化研究

信息是21世纪的重要资源，信息系统集成是当前地球科学和信息技术发展的一个重要趋势［120］。水利信息化，尤其是数字流域的建设，要充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，包括水利信息的采集、传输、存储和处理等。另外，虚拟仿真技术及其衍生出的虚拟地理环境技术，能够在计算机上给出与真实世界相对应的虚拟环境，开辟了人类对世界认知的新方式，有着广阔的应用前景；目前已投入应用的典型实例有虚拟军事演习、航空训练、虚拟设计与制造、医学三维重建、虚拟空间会议、科学计算可视化中的虚拟风洞以及一系列高科技娱乐设施等。将虚拟仿真技术引入数字流域研究，以更先进的手段进行流域水资源综合管理，保证水资源的可持续发展成为信息时代的发展趋势。以“数字清江”“数字都江堰”“数字黄河”“数字长江”“数字黑河”“南水北调工程”等重大工程为依托，国内许多学者研究了虚拟仿真技术在流域中的应用，取得了丰硕成果。

以“数字清江”为基础，华中科技大学开发了洪水演进模拟仿真系统，实现了流域地形及河床的三维可视化，有效地模拟了流域洪水的三维演进过程［121，122］。以都江堰为实例，清华大学王兴奎教授设计了“数字都江堰工程”的总体框架，探索了虚拟仿真技术在其中的运用［123］；张尚弘等［124］以都江堰虚拟现实系统构建为例，介绍了虚拟现实系统应用于流域模拟的关键环节，重点探索了多比例尺地形嵌套建模、水流模拟、场景模拟控制、多专题切换、工程设计仿真以及与外部数据库连接查询等问题的解决方法。在长江流域方面，张尚弘等［125］开发了以三峡坝区虚拟查询仿真系统和三峡与葛洲坝间梯级调度仿真系统；李月臣等［126］利用Erdas Imagine的Virtual GIS模块，集成多层数据，通过人机交互进行参数设定，实现了三峡库区的飞行模拟；黄健熙等［127］开发了基于MFC的荆江流域三维仿真管理系统，进行了荆江流域大面积精确三维地形建模，并通过加入水利设施模型数据及属性数据实现了属性信息的查询和分析功能；黄少华等［128］开发了乌江彭水水电站虚拟仿真系统，在该水电站的辅助设计和建设方面取得了很好的效果。在黄河三维虚拟仿真系统构建方面，王光谦等［129］基于VRMAP2.0和VB开发了黄河流域三维虚拟仿真漫游查询系统，实现了黄河流域的整体漫游；王军良等［130］以黄河下游河道地理数据为基础，开发了黄河下游交互式三维视景系统，通过GIS技术、虚拟三维技术，把黄河小浪底以下河段直观、形象、系统地装进计算机，形成河道、堤防、工程的三维景观；刘桂芳等［131］开发了黄河河南段虚拟仿真系统，给出了包括数据源、三维仿真地形库、模型库和虚拟实现四大模块的系统建设方案，并探讨了系统构建的关键技术。

在调水工程的运行和管理方面，纪良雄等［132］实现了南水北调工程仿真系统三维视景子系统，并通过压缩DEM数据和使用缩微模型方式来减少场景的数据量；刘建民等［133］研发了南水北调中线工程三维仿真系统，张尚弘等［134］将整个中线工程及周边地形地貌在计算机上进行了虚拟再现，采用两级地形三级纹理分块动态载入的方法解决了大地形调度的问题；胡孟等［135］构建了南水北调中线北京段输水系统三维虚拟仿真系统。在黄土高原研究方面，王道军等［136］研究了黄土高原农业景观中多级环状水平梯田为微地貌的三维形态建模方法与技术流程；纪翠玲等［137］应用分形方法对黄土高原地貌形态进行模拟，取得了较好效果；李世华等和李壁成等通过三维地形模型的构建、纹理映射和实时动态立体技术开发了小流域虚拟现实景观［138，139］；段军彪等［140］实现了黄土丘陵沟壑区康家沟小流域地形具有交互性和真实感的三维模拟。在黑河流域研究中，王雪梅等［141］利用Erdas Imagine的Visual GIS模块实现了黑河流域的三维飞行模拟；甘治国等［142］利用VRMAP三维开发平台构建了黑河流域虚拟仿真系统，建立了黑河流域的虚拟场景并完成了查询浏览等相关功能。

除此之外，针对不同的流域和应用目的，很多学者对虚拟现实技术在流域中的应用进行了大量探索和研究。黄文波等［143］基于Vega Prime三维视景软件包开发了密云官厅水库上游流域仿真系统；江辉仙等［144］应用VRGIS技术建立了水土流失三维仿真系统；胡少军等［145］构建了宝鸡峡杨凌二支渠渠系仿真系统，真实再现了宝鸡峡渠的景观；宋洋等［146］研究了基于VR的水电站调度三维图形仿真。