黃河流域水問題發展態勢、癥結及綜合應對

王慧亮 秦天玲 嚴登華

摘 要：黃河流域生態保護和高質量發展已經成為國家重大戰略，而黃河水問題是影響黃河治理與保護的主要因素之一，辨析黃河流域水問題并給出應對策略成為亟待解決的科學問題。從水沙關系、水資源利用、水生態環境和水土資源等4個方面剖析了黃河流域現階段存在的主要水問題，并分析了其發展態勢，認為黃河流域水問題的癥結在于水土資源功能不協調、水資源調配忽略“點-線-面”關系以及水資源管理存在地下水與地表水管控分離等3個方面。最后從“富自然-功能協調”流域的角度提出了應對黃河流域水問題的主要思路，建議從水土資源聯合配置、立體水網構建、精準水沙調控和智慧監管體系完善等4個方面系統應對黃河流域水問題。

關鍵詞：水沙;水土資源;富自然-功能協調流域;黃河流域

中圖分類號：X22;TV213.4;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.020

Abstract：Ecological conservation and high-quality development of the Yellow River Basin have become a major national strategy and the water issue is one of the main factors affecting the harnessing and protection of the Yellow River. This paper analyzed the main water problems in the Yellow River Basin at the present stage from the four aspects of water-sand relationship， water resources utilization， water ecological environment and soil and water resources and analyzed the development trend of the water issue in the Yellow River Basin. The crux of the water issue in the Yellow River Basin is the disharmony of water and soil resources and neglecting the “point-line-surface” relationship in water resources allocation and the separation of groundwater and surface water control in water resources management. Finally， from the perspective of "nature-function coordination"， this paper put forward the main ideas to deal with the water issues in the Yellow River Basin and proposed to systematically deal with the water issues in the Yellow River Basin from four aspects of joint distribution of water and soil resources， construction of three-dimensional water network， precise water and sediment regulation and improvement of intelligent supervision system.

Key words： water-sand relationship; water and soil resources; nature-function coordination basin; Yellow River Basin

黃河發源于青藏高原，流經青海、四川、甘肅等9省（區），是中華民族的母親河，是中華文明的重要發源地。黃河寧，天下平。黃河既構成了我國北方重要的生態屏障，也是我國重要的經濟地帶和打贏脫貧攻堅戰的重要區域。2019年9月18日，在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上，黃河流域生態保護和高質量發展上升為國家重大戰略[1]。黃河水沙關系不協調、水旱災害頻發、水資源供需矛盾等水問題突出，成為影響黃河治理和保護的主要因素。鑒于此，辨析黃河流域水問題、把脈其癥結所在、提出應對策略，成為社會關注的熱點[2]。筆者梳理了黃河流域現階段存在的主要水問題，并研判其發展趨勢，進而提出黃河水問題的綜合應對策略，以期為黃河流域治理和保護提供科學依據。

1 黃河流域水問題及成因診斷

1.1 水沙關系不協調，水患災害頻發

黃河屬于多泥沙河流，水沙關系不協調是黃河的典型特征之一，其主要表現在“水少沙多”和“水沙異源”兩個方面[3]。黃河流域多年平均天然徑流量為535億m3，主要來自蘭州以上區域的冰川和降雪融水，其占全河的62.0%，而該段來沙量僅占全河的7.5%。黃河泥沙主要來自頭道拐與潼關之間，其來沙量占全河的91.0%，而來水量僅占全河的28.5%[4]。黃河流域來水來沙量在空間上呈現不均勻性，中游水土流失嚴重導致中下游河床淤積嚴重。黃河下游地上懸河長達800 km，其中299 km的游蕩型河段河勢未被完全控制[1，5]。另一方面，黃河流域水沙年內和年際變化劇烈[6]。水沙調控能力不足是黃河流域長期面臨的主要問題，導致黃河流域旱災和水災頻繁發生。

1.2 水資源開發利用強度大，競爭性用水矛盾突出

黃河流域水資源量僅占全國的2%，人均水資源量僅為408 m3，不足全國平均水平的1/5，卻承擔著向全國15%耕地和12%人口供水的任務[7]。據統計，黃河流域水資源開發利用率已接近80%[3]，遠遠超過一般流域40%的生態警戒線，而且平原區地下水開采量已經占可開采量的81.1%[8]，是我國十大一級流域片區中水資源開發利用程度最高的。中上游地區礦產資源開發改變了地下水與地表水之間的水力學關系，水循環失調，水污染嚴重[9]。水資源開發程度高導致天然水循環過程被人工水循環過程大幅取代，引發流域生態環境系統與社會系統之間、各省區之間、流域上中下游之間、干支流之間以及流域內與流域外之間用水矛盾突出[10-12]。

1.3 生態環境脆弱，生態退化與水環境惡化嚴重

黃河流域荒漠化和沙化土地分布集中、水土流失嚴重、水沙關系不協調和水資源短缺等問題并行存在，流域生態的自然屬性被嚴重破壞，生態系統服務功能單一化，景觀破碎化較為嚴重，使黃河流域成為生態脆弱、敏感性極高的地區[13]。河源區草場退化和湖泊干涸問題凸顯，中游水土流失沒有得到有效控制，下游區域河槽淤積與黃河三角洲濕地退化并存[7]。據統計，黃河流域湖泊濕地面積從1980年的2 702 km2降到2016年的2 364 km2，多種水生生物因水量生境萎縮面臨絕跡[14]。黃河流域生態基流滿足程度達到優和良的斷面僅占調查總斷面的1/4，大部分斷面存在生態水量不足的問題，汾河、延河、無定河、窟野河等先后出現季節性斷流[15]。適宜的水域空間、流量、流速和水位是保障河流生物多樣性的必要條件[10]，生態流量的不足加劇了黃河生態的退化和流域水環境的惡化。

1.4 水土資源空間不匹配，水量分配方案適應性降低

黃河流域水資源匱乏，時空分布不均，水資源在空間上與社會經濟發展格局不匹配[16]。黃河上游為水源涵養區，是黃河重要的水源補給區，而中下游為用水剛性需求區，水源與用戶異位[11]。近年，蘭州—西寧、寧夏沿黃經濟區、關中—天水、呼包鄂榆、關中平原城市群、太原城市群和中原經濟區等城市群迅速發展，各省區GDP占流域GDP的百分比發生了變化，與1980年相比，甘肅、山西和青海等省區的比例有所降低，內蒙古、河南、陜西、山東、寧夏等省區的比例有所提高[17]。另一方面，農業用水比例不斷下降，工業用水和生活用水比例不斷上升[18]。總體來說，流域社會經濟發展程度和速度不一致改變了黃河流域的用水格局，流域用水彈性、用水結構和效率發生了較大變化[19]，“八七”分水方案適應性降低[8，18]。

2 黃河流域水問題發展的新態勢

2.1 來水來沙銳減但時空減幅不同步，水沙調控面臨新問題

黃河水量主要來自于上游，沙量主要來自于中游，潼關站控制91%的流域面積，控制徑流量和泥沙量分別為90%和100%。據胡春宏等研究，近70 a來，黃河干流年徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢，黃河徑流突變發生在1985年左右，水量減少主要集中在頭道拐以上，而沙量在2011年銳減，沙量減少區間則主要集中在頭道拐和潼關之間[4]。來水來沙銳減但時空減幅不同步，黃河水沙異源的空間格局持續存在，同時黃河流域汛期輸沙流量持續時間和相應水量大幅減少以及水沙變化與水利工程建設的協同效應，使得水沙調控面臨新的問題。

2.2 控制水資源開發利用強度勢在必行，水資源供需矛盾加劇

加強黃河流域生態保護和高質量發展，其首要任務是控制水資源開發利用強度，減緩社會水循環對自然水循環的干擾[3]。但是流域經濟發展與生態環境改善的剛性需水仍會增長，城鎮化進程和工業化進程的發展，使得流域生活需水保持增長趨勢，工業需水逐漸達到峰值[18-19]。另一方面，隨著黃河流域在保障國家糧食安全中的作用凸顯，糧食安全用水需求下的農業用水不會大幅壓縮[3]。可見，未來流域用水總量仍會保持一定的剛性增長，控制水資源開發利用會影響社會經濟用水，加劇社會經濟用水的供需矛盾。

2.3 上下游濕地退化，中游生態退化與過度生態修復并存

上游濕地“脫水”導致鼠類活動猖獗，密度及數量大增，同時大量的鼠洞打通了潛水蒸發的通道[20]，加快了濕地的萎縮和退化，嚴重削弱了徑流的形成;下游河口地區水鹽不協調，濕地退化嚴重[21];隨著新時期治黃方略的推進，黃河中游堅持不懈地鞏固和實施水土保持與溝壑治理工程，生態修復取得明顯成效，然而局部地區水土保持過度對河道及其生態系統產生嚴重的負面影響[22]，中游生態退化與過度生態修復并存是黃河水問題新的發展態勢之一。

2.4 氣候變化導致水土資源尤其是水資源的不確定性加劇

溫升背景下的凍融過程變化導致上游水源涵養特性發生顯著變化[23]。最近20 a來，黃河源區出現暖濕化現象，導致降水偏多、徑流量增加，但研究表明這一現象可能只是西北地區百年、千年尺度干旱化趨勢的周期性震蕩，暖濕化現象造成冰川退縮和凍土融化，未來可能會造成徑流的斷崖式減少[3]。另一方面，黃河源區的生態系統出現了普遍的干旱化趨勢[24]。年度間、季節性的泉眼干涸、溪水斷流，湖泊濕地萎縮、草皮低矮、融凍剝離，局部地區土壤旱化問題嚴重。可見，氣候變化導致水土資源尤其是水資源的不確定性進一步加劇，適應性調控難度加大。

3 黃河流域水問題的癥結

水循環及其伴生的水生態過程、水環境過程和水沙過程等是造成水問題的根源，黃河流域水問題歸根結底是流域水循環分項或者伴生過程的失衡和失調[25]。隨著人類文明的發展，長期以來，黃河流域水土資源的自然屬性被大幅削弱，“山水林田湖草濕”不協調，水-土-沙失衡、失調和失控，其癥結可以歸納為①水在一定時間內沒有到它應該到的地方;②土地在一定時間內沒有生長它應該生長的生物;③泥沙在一定時間內沒有隨水循環到它應該去的地方;④營養物等資源沒有存儲到它應該存儲的地方。也就是說，造成水問題的原因是管控中出現了問題。

3.1 水資源與土地資源互為邊界，未能融合兩者的互饋作用

流域是以水為媒介，由水、土、大氣等自然要素和人口、社會、經濟等人文要素相互關聯、相互作用而共同構成的“自然-社會-經濟”復合系統。水資源分布影響社會水循環的各個環節，能夠引起生產和生活用地布局及規模的變化，進而影響流域社會經濟發展。反過來，土地資源及地表覆蓋的變化影響到水循環的蒸發、水汽輸送、產流與入滲等各個環節，進而影響水資源的分布[26]。水資源與土地資源存在相互反饋機制，而目前流域實際管控中，往往將水資源與土地資源互為邊界，未能融合兩者的互饋作用，導致水土資源“功能不協調”，引發了“水在一定時間內去了其不該去的地方”“土地在一定時間內沒有生長其應該生長的生物”和“泥沙在一定時間內沒有隨水循環到它應該去的地方”，造成水資源供需矛盾和水沙關系不協調。

3.2 以“河-湖-庫”為核心的“點-線”結合方式進行水資源調配，未能融合坡面與河道之間的水力聯系

解決黃河水問題需要坡面工程與河道工程相結合。坡面工程主要是水土保持和水源涵養林建設，其核心是對坡面水沙過程進行調節。坡面工程有助于控制入黃泥沙，緩解黃河“沙多”的矛盾，但也會導致“減水”的效果[3]，坡面工程的過度減沙和保水在局部地區已對河道及其生態系統產生了重大影響;河道工程主要包括水庫與堤防建設，其核心是對河道匯流過程進行調整，實現水資源的優化配置與調控[28]。目前流域水資源管理多以“河-湖-庫”為核心的“點-線”結合方式進行水資源調配，忽略了坡面與河道之間的水力聯系，導致水資源調配存在“末端治理”弊端，使坡面和河道工程的布置未能有機銜接，導致部分河道工程未能充分發揮其設計功能，使水利工程等灰色基礎設施對水資源調配和水沙過程的調節性能不足。

3.3 地表水與地下水的分離管控，未能融合地表水與地下水的相互作用

天然水循環過程包括大氣、地表、土壤和地下等要素過程，是地表-土壤-地下相聯合，坡面-河道相制約的一個三維模式[27]。其中，植被、土壤、地下含水層等地理要素（綠色基礎設施）對水資源具有調節作用，植被根系等的變化均會影響水循環的土壤和地下水過程。然而，黃河流域多年來地表水與地下水分離管控，未能融合地表水與地下水的相互作用，導致水資源管理存在“過程分離”現象，出現水資源開發程度高、超采地下水、嚴重的濕地萎縮等一系列生態環境問題，加劇了流域生態環境的脆弱性。

4 黃河流域水問題綜合應對

4.1 總體思路

針對黃河流域水問題，可以歸納為在水資源管理中存在“功能不協調”“末端治理”“過程分離”等現象，建議基于建設“富自然-功能協調”流域[24]的基本模式綜合應對黃河水問題。

黃河流域的問題表象在黃河（點-線），根子在流域（面）[1]，從本質上說，黃河流域的水、沙均來自流域（面），應對黃河水問題的基本思路是：從流域生態完整性和高質量發展的角度，從“點-面”結合的一維管理模式向“點-線-面-體”相結合的立體水網管理模式轉變，從“狀態改變”理念向“狀態提升”理念轉變，更加注重“綠色（林、草等）、棕色（土壤）、藍色（地下水庫、地下蓄水層等）和灰色（各類水利工程）

”基礎設施對水循環的多過程調節作用。同時開展水土資源的聯合管控，從根子上維護“山水林田湖草濕”生命共同體，對水土資源的組合特性、利用效率與效益進行聯合評價與管控，實現多層級、多用戶、多階段、多目標的協同，滿足“既能支撐經濟社會發展，又能適應氣候變化，更能提質升級生態環境”的總體需求，各在其位、各司其職、功能協調。

4.2 關鍵任務

（1）水土資源聯合配置。以“山水林田湖草濕”系統為基礎，考慮水資源與土地資源的互饋條件，分析黃河流域水土資源系統，識別黃河水沙不協調的關鍵過程;揭示黃河流域水土資源協同演化機理，構建黃河流域生態水文模型;研究流域水土資源綜合承載能力，堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，把水資源作為最大的剛性約束，研究黃河流域水土資源聯合配置。以黃河流域水土資源協調發展為目標，配對水土資源，實現宜水則水、宜山則山、宜糧則糧、宜農則農、宜工則工、宜商則商的水土資源格局，解決黃河流域分水方案等問題。

（2）立體水網構建。以水循環為主線，在水土資源合理配置的基礎上，充分挖掘自然地理要素對水循環的調節作用，盡量減少人類對自然水循環的干擾，系統布設和規劃綠色、棕色、灰色和藍色基礎設施，充分發揮分類基礎設施的調控能力，提升流域的整體調節性能，實現地表-土壤-地下多層次、水質-水量-泥沙-水生態多要素的聯合調控，系統解決黃河流域水問題。

（3）精準水沙調控。充分結合水循環及其伴生的水沙過程的自然屬性特征，融合泥沙運動規律，結合各類土地資源和地表覆被在水沙調控中的作用，確定合理的減沙閾值;充分利用黃河流域梯級水庫，對水沙進行科學管理與聯合調控，解決小浪底水庫調水調沙后續動力不足的難題，協調水沙關系;充分發揮水沙調控體系的整體合力，完善水沙調控體系，進行流域尺度精準水沙調控。

（4）智慧監管體系完善。整合人工智能和大數據技術，完善智慧水網與智慧水務建設，構建智慧化監管體系，實施黃河大腦戰略，圍繞黃河水沙調控、水旱災害、水資源和水環境問題需求，突破水沙調控與水生態保護和水環境協同治理的基礎理論及關鍵技術，構建水資源節約集約利用、水生態水環境協調治理體系，實現多場景下黃河水問題應對的沙盤推演與實時模擬仿真。

5 結 語

（1）黃河流域水問題主要表現在水沙關系不協調、水患災害頻發，水資源利用強度大、水資源競爭性用水矛盾突出，生態環境脆弱、水生態與水環境惡化，水土資源空間不匹配、水資源分配方案適應性差等4個方面。

（2）黃河流域水問題歸根結底是流域水循環分項或者伴生過程的失衡和失調。未能融合水資源與土地資源的互饋作用、坡面與河道的水力學聯系以及地下水與地表水的相互作用是黃河流域水問題的主要癥結。

（3）建議基于“富自然-功能協調”流域理念，從水土資源聯合配置、立體水網構建、精準水沙調控和智慧監管體系完善4個方面應對黃河水問題。

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【責任編輯 張 帥】