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沈彦俊:黄河流域生态环境保护与水资源可持续利用
发布日期:2019-01-10 来源:民主与科学杂志社
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提要:黄河最突出的生态环境问题是源流区脆弱的生态及其退化风险、上游灌区节水与水盐平衡的矛盾、中游严重的水土流失和下游不断抬升的河床。快速增长的社会经济需水以及水沙情势变化,对黄河流域生态环境保护和生态文明建设提出更多新的挑战。

 

随着自然环境的变化和人类社会经济的发展,黄河流域的生态环境也正经历着巨大的变化,水资源、水环境、水生态问题和各种矛盾日益突出。从流域整体来看,上游植被退化、中游水沙锐减、下游用水紧张、河口三角洲退缩等,成为黄河流域面临的新问题,对流域的生态文明建设和可持续发展提出新的挑战。以下从气候和社会经济变化两个方面出发,基于流域水循环和生态水文学原理,对黄河流域面临的主要生态环境问题进行粗线条的梳理和解读,以求为该流域的生态环境保护和可持续发展路径选择提供参考。

黄河流域水土资源概况及近期气候变化背景

由于河水泥沙含量大,黄河历史上曾发生过多次改道。黄河东出洛阳后,下游河道发生大幅度摆动,冲击形成华北平原,入海口位置北至天津,南达连云港以南。黄河流域的多年平均降水量为450毫米,多年平均径流量560亿立方米,年输沙量16亿吨。由于水资源管理粗放,在上世纪末期曾经历多次断流,1997年下游最长断流日数曾高达226天。

黄河流域的总人口约为1.13亿,有效灌溉面积751万公顷。目前,流域粮食产量占我国粮食总产量的11%,对保障国家粮食安全起到重要作用。随着经济发展,流域取用水量也发生巨大增长,据《黄河流域水资源公报》显示,偏丰水的2003年(降水距平+24%),流域的总取水量430亿立方米,其中地表水为300亿立方米,总耗水量为336亿立方米,地表水消耗243亿立方米;平水年的2013年(降水距平+8%),总取水量增长到530亿立方米,地表水为404亿立方米,总耗水量为430亿立方米,地表水消耗330亿立方米。取水量和耗水量都有显著增长,为流域水资源的管理和生态环境保护带来较大挑战。

黄河流域地跨多个气候区,处于青藏高原的源流区,受气候变化影响显著。半个多世纪以来,以增温和降水增多为特征的气候变化使源流区冰冻圈发生巨大变化,主要表现为冰川融水增多和冻土层融化加速。伴随增温的影响,该区域虽然在局部地区出现沙化现象,但整体上植被生长趋好、耗水增多,因而源流区产水量呈现减少趋势。兰州以下的上游地区,灌溉农业发达,水电和灌溉的发展对黄河水资源影响增大,主要体现在河流水文受闸坝调节和农业灌溉的影响上,面临的主要问题是灌区节水与水盐平衡的矛盾。自头道拐到花园口的中游黄土高原地区是黄河泥沙最主要的来源区,过去40多年的水土流失治理和大小型水库建设,对水量和泥沙都起到极大的削减与拦截作用。花园口以下的下游地区,黄河来水量极小,主要起到将水沙输移入海和为下游引黄灌区提供灌溉水源的作用。相关的科学研究表明,气候变化和人类活动对黄河水文水资源影响的贡献率在上、中、下游有显著的不同。在上游地区,气候变化影响占主导作用,贡献率可达75%以上;在中游地区,气候变化的影响降为40%;而在下游地区,则主要受人类活动的影响,气候变化的影响仅为1%左右。

近期,在社会经济取用水量快速增加的同时,黄河径流量和输沙量都呈显著减少趋势。目前,黄河的年输沙量仅3亿吨左右。黄河最突出的生态环境问题是源流区脆弱的生态及其退化风险、上游灌区节水与水盐平衡的矛盾、中游严重的水土流失和下游不断抬升的河床。快速增长的社会经济需水以及水沙情势的变化,对黄河流域的生态环境保护和生态文明建设提出更多新的挑战。

黄河中游的水沙变化及其未来趋势

过去40年间,国家在黄河中游地区实施了前所未有的水土流失治理工程,遥感监测结果显示,潼关以上的渭河流域林草覆盖度自1978年以来显著增加。2010年前后,黄河水利委员会对黄土高原50余处地点进行无人机拍摄,相比于上世纪80年代中期的航拍照片,植被覆盖度大幅度增加,曾经的荒山荒坡都被繁茂的植被覆盖。坡耕地的梯田化、护坡工程和大量不同规模的淤地坝等水保措施都发挥了显著的水土保持效应。以陕西省绥德县韭园沟为例,1984年,两道淤地坝都蓄积径流,呈现中型塘坝的景观;而2010年,则成为完全淤满的坝地,呈现一片农田景象,周边山坡的植被也很繁茂。黄土高原发生的这些植被变化显示生态明显好转,水土流失治理工程获得了显著的保水保沙效果。科学观测数据也表明,当小流域林草覆盖度增加时,地表径流量呈现明显的减小趋势,而地下径流则随植被覆盖增加而增加,一定时期内河流的总径流量会呈现减小趋势;而侵蚀产沙指数则随着地表植被覆盖度的增加呈更剧烈的减少。

除水土保持措施发挥的生态效应外,叠加上近20多年来社会经济发生的巨大变化,如乡村青壮年劳动力进城务工和农村能源从薪柴转变为煤炭等因素,曾经的薪柴砍伐和坡地耕种等人类活动大量减少,这些都使植被覆盖发生明显好转。此外,黄土高原地区在过去30多年间的年降水量也呈现不显著的降低趋势,对该区域产流和产沙的减少也有一定影响。

对于未来黄河中游地区的水沙情势,我们可以参考Kuczera曲线进行简单分析预测。生态水文学家Kuczera曾以1939年澳大利亚森林大火后墨尔本附近8个小流域为例,分析了径流对植被恢复过程的响应,发现桉树再生25~30年时流域产水量减少50%左右,约在40年后达到最小径流量,之后产水量才缓慢恢复到火灾前水平,这个时间跨度长达80~100年。这是生态水文学中一个著名的关于植被生长发育影响流域产流量的例子。该观测流域火灾前的平均径流深是883毫米,属于湿润气候条件,而黄土高原地区的径流深均低于200毫米,属半干旱到半湿润气候区,植被生长缓慢。据此推测,这种自上世纪80年代开始的水土保持工程和2000年前后开始的退耕还林还草工程,需要更长的时间才能达到植被的最大生物量。因此,随着植被的进一步恢复生长,至少在未来10~20年内,黄土高原的产流量和产沙量仍会继续减小。

根据上述分析可见,中游地区整体上植被明显好转,面源侵蚀大幅度减轻,重力侵蚀也在减弱,径流量和产沙量在近期一段时间仍会大概率地继续减少。这些变化一方面会使下游水资源量减少,影响到豫鲁两省的社会经济用水,造成下游引黄灌区农业用水的紧缺,可能会对国家粮食安全造成一定程度的影响;另一方面,河流输沙量进一步下降,入海泥沙量减少,对三角洲和河口地区的生态将造成负面影响,并且将使下游河床进一步被冲刷侵蚀,增加下游引黄灌区的取水成本。

黄河上游灌区的节水和水盐平衡问题

在中游产水减少的大背景下,通过上游灌区节水来增加流域可利用水资源量成为一个值得探讨的途径。黄河上游地区除青海的一些小型灌区外,主要有宁夏灌区和河套灌区,按照“八七”分水方案,目前宁夏每年的用水指标为40亿立方米,内蒙古的用水指标为58.6亿立方米,均为净耗用水量。两个区的农业灌溉均占总用水量的80%以上,灌溉定额大,具有较大的节水潜力。然而,由于节水灌溉技术和信息化管理尚不完备,节水和排盐缺乏科学有效的技术手段和管理途径,目前该区域农业节水潜力的进一步挖掘面临较大困难。

以河套灌区为例,该灌区地处半干旱与干旱区交接地带,年降水量仅186厘米,若无灌溉将是一派荒漠景象。由于黄河水的及时灌溉,目前该灌区已是我国第三大灌区,成为我国西部地区最大的绿洲之一,农作物总播种面积超过1000万亩,以种植食葵、小麦和玉米为主。河套灌区从磴口县的三盛公水利枢纽取水,通过几条干渠进入农田,灌区排水经北部的总排渠汇入乌梁素海,经过湿地的净化后排入黄河。

河套灌区的节水需要整体考虑节水与生态的问题,主要是水盐平衡问题。1997年黄河下游发生最长时间和最长河段的断流后,自1998年实行黄河水量统一调度,严格执行“八七”分水方案。河套灌区实施了一系列节水改造措施,包括干渠和支渠的渠道衬砌、水价改革、水权转换等,取得了较好的节水效果。灌溉水有效利用系数从1986年的0.305提高到2012年的0.409;与此同时,高耗水的小麦种植面积从1997年的379万亩缩减到2013年的63万亩,葵花和玉米的种植面积大幅增加;通过渠道改造和种植结构调整,河套灌区的单位面积灌溉量从1990年代末的每公顷11000立方米下降到目前的约7000余立方米。但另一方面,河套灌区的灌溉面积也伴随着节水的提升快速增加,因此,灌区总的引水量并未明显减少。

伴随节水而来的是盐分累积问题,这也成为灌区可持续发展的一大隐忧。目前,灌区年引黄水量为50亿立方米,按照取水口的平均盐分含量每升0.5 克计算,每年输入灌区的盐分为250万吨;年均排水量3亿立方米,排水平均盐度每升4.0克,则年排入乌梁素海的盐分总量为120万吨,因此,每年约有130万吨的盐分累积在灌区内。这些盐分或储存在灌区的深层土壤、地下水中,或富集在区内微地形较高的荒丘地带,对灌区土壤生产力的可持续性和生态安全造成极大威胁。究其根源,在于对灌区水循环和水盐平衡缺乏整体认识,对生态系统响应节水的机理认识不足,对农业-水-生态的协同发展和优化管理缺乏系统管理等。

黄河流域水资源可持续利用和生态文明建设的对策建议

针对以上分析和认识,对黄河流域水资源可持续利用和生态环境保护提出如下几条建议:

1. 面对流域整体缺水形势和经济社会进一步发展需求,应将节水优先作为流域水土资源综合治理的最基本原则。流域的生态保护与可持续发展需从全局和长远出发,考虑不同区段的水生态功能和生产功能,合理制定水管理政策。如源流区借助三江源国家公园建设契机,将区内牧民进行异地搬迁安置,降低三江源区的畜牧业生产功能,仅保留少量的畜牧业以维护当地的传统文化和畜牧业景观,使该区域的生态植被尽快恢复,发挥高原水塔的生态功能;上游灌区进一步大力推行节水农业,考虑水、沙、盐的变化规律,采取跨季节和年际的综合调控,生长季采取工程和农艺的节水技术大力节水,非生长季,充分发挥好秋灌的生态作用,进行灌区洗盐,以维持灌区水盐平衡和可持续的生产力。

2. 对于中游地区,黄土高原的水土保持和生态治理需要考虑其长期效应。黄土高原目前的植被情况总体上是好转的,根据生态水文学原理的预测,短期(10~20年)内产水量和产沙量仍会进一步减少。一方面,应充分研究论证,评估水沙双减对黄河下游及河口地区的综合影响,合理制定应对策略;另一方面,中游黄土沟壑区建设的大量淤地坝因农村青壮劳动力的外迁,大多疏于管理,应建立管理和维护机制,以防范在极端降雨时发生垮塌和大面积土沙流出的风险。

3. 应尽快改革流域水量分配制度,探索动态的分水协商机制,建立科学的生态补偿和水权转让制度,实现全流域水资源生态效益和经济效益的最大化。

4. 综合来看,目前对黄河流域水沙和水盐问题的认识仍有局限性,支撑重大政策的科学和理论依据不足,尤其是在涉及一些长期效应的预测方面缺乏科学的数据支撑。建议国家加大对黄河流域水-沙-盐传输转化规律和水文-农业-生态协同发展理论方面的科学研究投入,提升对流域水沙关系、水沙与河道和河口生态安全的关系、灌区节水-生产力-水盐平衡等关系的科学认识,为更科学合理地进行流域综合管理和实现生态文明发展路径提供理论保证。

致谢:黄河水利委员会刘晓燕副总工,内蒙古农业大学张圣微、屈振江、史海滨教授,中科院地理所李发东研究员。

(沈彦俊:中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心研究员。本文发表于《民主与科学》2018年第6期)