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环境科学方法创新是环境科学发展的前提,流域与区域水资源问题是目前环境科学研究的热点之一,流域生态环境需水方法研究对环境科学方法的研究具有重要意义。本文运用文献调查、科学研讨和专家问卷等方式,采用配额抽取法和特尔菲法,对24位不同学科背景、不同单位、不同年龄阶段和不同职称专家进行调查问卷,初步搭建了流域生态环境需水方法理论框架,确定研究维度。从学科维度、空间维度和方法维度分别阐述流域生态环境需水方法:学科维度划分为水文学方法、水力学方法、生态学方法、综合法和其他方法5个子维度;空间维度划分为旱地生态系统、河道生态系统、湖泊湿地生态系统和河口生态系统4个子维度;流域生态环境需水方法维度从科学方法论层面分为选题方法、观察方法、实验方法、逻辑推理方法和科学思维方法5个子维度,并归纳不同维度方法发展的趋势和特点,搭建流域生态环境需水方法体系。主要结论如下:
(1)不同研究维度的重要性顺序为:方法维度(46%)>学科维度(33%)>空间维度(12%)>程序维度(8%),流域生态环境需水方法体系内容应从学科维度、空间维度和方法维度三个层面构建。
(2)学科维度中各子维度方法数量大小顺序为:水文学方法(31%)>生态学方法(28%)>其他方法(21%)>综合法(8%)。水文学方法适用范围较广,方便快捷,但计算结果不精确;水力学方法简单,但体现不出季节性;生态学法理论依据较为充足,但操作复杂;整体功能法具有实际应用意义,但耗时较长。采用不同学科方法计算同一研究区域的生态需水量所得结果相对标准偏差均大于0.25,说明不同学科方法计算所得结果差异性较大。在选取计算方法时应根据研究流域的主要环境问题和生态目标,选用适当的计算方法。针对泥沙较多的河流建议采用环境功能设定法;以保护生物为目标的需水研究建议采用生境模拟法法和水力学方法;针对污染较严重和生态退化的河流,建议采用计算结果偏大的方法;在北方干旱和缺水地区,建议采用首先满足最小生态需水量,将生态功能法与综合法相结合,设定不同时间和空间的目标,划分等级计算最小、.中等和适宜的生态需水量为管理者科学决策提供定量的科学依据。
(4)空间维度中河道生态系统需水量计算方法较多,河口生态系统需水量计算方法较少,湿地和河口生态环境需水研究是重点和热点。不同生态系统的主要需水组成不同,空间维度需水有重复和兼容现象,在实际研究中需要考虑上、中、下游纵向流域空间的异质性以及消耗型需水和非消耗型需水的兼容性。
(5)方法维度中逻辑推理方法是核心,科学思维方法是工具。逻辑推理方法贯穿于流域生态环境需水研究的各个环节。不同科学方法在流域需水研究中使用频率的投票比例顺序为:分析方法(21%)>科学思维(19%)>实验方法(16%)>归纳方法(15%)>比较方法(14%)>观察方法(12%)。说明在不同研究阶段的科学方法重要性不同,在流域生态环境需水研究中,分析方法使用频率最高,科学思维其次。
(6)自20世纪40年代以来,流域生态环境需水方法在学科维度层面具有三大演变趋势:从单学科分析向多学科综合发展、从局部过程向全流域水文循环过程发展、从传统技术向数字流域技术发展;在空间维度层面呈现从单维度空间模块向全流域复合生态系统发展、从局部过程分析向多时空尺度相结合发展的趋势;在方法维度层面具有实践活动与科学方法相结合、逻辑推理与科学思维相结合和还原论与整体论相结合的方法论特点。
(7)环境科学方法研究应从学科维度、问题维度和方法维度三个方面联合构建,分层次、分阶段提炼环境科学方法的独有特点,注重具体方法与方法论的有机结合。