黃河流域生態環境問題系統識別與展望

李海生

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.國家黃河流域生態保護和高質量發展聯合研究中心，北京 100012

黃河是我國重要的生態屏障和生態廊道，更是橫跨東、中、西部的重要經濟區和能源基地[1]，黃河流域生態保護和高質量發展是事關中華民族偉大復興的千秋大計.黨的十八大以來，習近平總書記走遍了黃河上中下游9 省區，親自謀劃、親自部署、親自推動黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略，對黃河流域生態保護治理作出系列重要部署，發出“讓黃河成為造福人民的幸福河”的偉大號召.近年來，黃河流域生態保護治理工作取得顯著成效.2022年黃河流域達到或優于《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002) Ⅲ類水質的斷面比例達到87.5%，干流首次全線達到Ⅱ類水質；截至2022 年，黃河流域累計初步治理水土流失面積26.88×104km2，“三北”工程重點治理的毛烏素、科爾沁、呼倫貝爾三大沙地全部實現了沙化土地的逆轉，年入黃河泥沙減少4×108t[2]；三江源自然保護區生態保護和建設工程實施后，三江源退化草地面積減少2 302 km2，水源涵養量由197.6×108m3提高到211.8×108m3[3]；黃河流域橫向生態補償協議、重點河湖生態流量保障、水資源消耗總量和強度雙控體系以及固體廢物傾倒排查整治等管理體系逐步完善.

黃河流域地理環境和人水關系十分復雜，在高強度人類活動干擾和氣候變化多重影響下，仍面臨水環境污染、生態流量不足、生態系統退化、水土流失等復雜系統問題，流域生態環境保護形勢依然嚴峻.本文基于國家黃河流域生態保護和高質量發展聯合研究項目(第一期)階段性研究成果，初步解析了新時期黃河流域突出生態環境問題短板，研究提出了進一步加強黃河流域生態保護治理的對策與展望，旨在對黃河流域生態環境問題形成整體系統的認知和科學準確的判斷，為黃河流域生態保護治理科學決策和精準施策提供參考.

1 黃河流域水環境問題

1.1 水環境質量狀況

近年來，黃河流域水環境質量呈持續向好態勢，2013-2022 年，黃河流域達到或優于GB 3838-2002Ⅲ類水質的斷面比例由58.1%提高到87.5%，劣V 類水質的斷面比例由16.1%降至2.3%.但總體來看，黃河流域水環境質量差于全國，2022 年達到或優于Ⅲ類水質的斷面比例比全國低0.4 個百分點，劣V 類水質的斷面比例比全國高1.6 個百分點，涑水河、四道沙河、黃甫川等部分支流仍存在劣V 類水質的斷面.黃河流域水污染物排放源主要為農業源和生活源，從黃河流域污染物排放強度來看(見圖1)，黃河流域COD、氨氮單位GDP 排放強度均高于全國水平，總氮、總磷單位GDP 排放強度略低于全國水平.

圖1 黃河流域9 省區2021 年主要污染物排放強度Fig.1 Emission intensity of major pollutants in nine provinces (autonomous regions) of the Yellow River Basin in 2021

1.2 農業農村污染

黃河流域上、中、下游分別地處我國西、中、東部地區，受“高、寒、旱”典型地區特殊氣候條件、經濟承受能力、人口聚集度等影響，上、中、下游農村生活污水治理水平差異明顯，部分地區農村生活污水治理進度較為緩慢.2021 年黃河流域農村生活污水治理率為25%，其中上、中游地區農村生活污水治理率分別為19%、18%，下游達到58%，上、中游地區農村生活污水治理率與“十四五”治理目標要求仍有差距[4]，存在管網建設不完善、處理模式不合理、處理設施與實際需求不匹配、設施運維效率低、經費保障不足等問題[5].黃河流域是我國農業經濟開發的重點地區，包括青藏高原和內蒙古高原主要畜牧業基地，以及寧蒙河套平原、汾渭盆地、黃淮海平原等主要農業生產基地，2021 年黃河流域9 省區農業化肥施用量為1 870.6×104t，占全國農業化肥施用量的36.03%，肉類產量占全國的32.05%.化肥不合理施用、農膜及農藥包裝廢棄、農作物秸稈就地焚燒和畜禽糞污治理粗放等現象導致農業源污染問題突出，根據全國第二次污染源普查數據，黃河流域9 省區農業源COD、氨氮、總氮、總磷占比分別為52.83%、20.42%、43.29%、67.11%，農業源已成為黃河流域主要水污染源之一.

1.3 環境風險

黃河流域作為能源流域，中上游以能源、煤化工、有色等行業為主，下游以石油化工行業為主，大量風險企業分布在黃河干支流，水環境風險防范壓力大.據統計西寧市湟水河干支流1 km 范圍內分布有54家風險企業，5 km 范圍內分布有114 家風險企業；蘭州市中心城區黃河干流沿線分布有9 家大型石化企業；鄂爾多斯市8 個工業園區中7 個涉及煤化工產業，且主要沿黃河及支流上游集中布局，流域結構性布局性水環境風險問題較為突出.黃河流域固體廢物產生量大且綜合利用處置水平不高，2021 年黃河流域9 省區工業固廢、危險廢物產生量分別為18.63×108、0.36×108t，在全國的占比分別為46.94%、41.35%，工業固廢、危險廢物利用處置率分別為79.19%、95.40%，均低于全國平均水平.從黃河流域9 省區工業固廢、危險廢物產生量和綜合利用處置量變化可以看出，2012-2021 年黃河流域工業固廢、危險廢物產生量和綜合利用處置量整體呈現上升趨勢，但工業固廢綜合利用處置率整體呈現下降趨勢(見圖2 和圖3)，大量工業固廢以填埋和尾礦庫等形式貯存，貯存過程隱蔽性泄漏隱患大，對黃河流域水質產生威脅[6].

圖2 黃河流域9 省區 2012-2021 年工業固廢產生量及綜合利用處置量Fig.2 The amount of industrial solid waste output,utilization and disposal in nine provinces (autonomous regions) of the Yellow River Basin from 2012 to 2021

圖3 黃河流域9 省區2012-2021 年危險廢物產生量及綜合利用處置量Fig.3 The amount of Hazardous solid waste output,utilization and disposal in nine provinces(autonomous regions) of the Yellow River Basin from 2012 to 2021

2 黃河流域水資源問題

2.1 水資源稟賦

黃河流域大部分屬于干旱和半干旱地區，上游蘭州至河口段多年平均降水量為200~300 mm，蒸發量大，多春夏連旱，重度以上干旱頻次達90%[7-9]，2022年黃河流域水資源總量為601.38×108m3，僅為長江流域的7%.除青海省、四川省、內蒙古自治區外，甘肅省、寧夏回族自治區、陜西省、河南省、山西省、山東省2012-2021 年人均水資源量均低于全國水平，缺水最嚴重的寧夏回族自治區人均水資源量僅為全國平均水平的1/13(見圖4).受氣候變化和人類活動對下墊面的影響，黃河流域水資源總量呈現減少趨勢，黃河流域1956-2000 年多年平均天然河川徑流量為535×108m3，而2000-2018 年在降雨偏豐背景下僅為468×108m3，減少12.5%[10].黃河干流2022 年唐乃亥、蘭州、頭道拐、龍門、潼關、小浪底等水文控制站實測徑流量比近10 年平均值偏小8%~23%[11].2001-2019 年，黃河干流頭道拐斷面和利津斷面年均實測徑流量分別為179.7×108和174.9×108m3，生態缺水量分別為17.3×108和45.1×108m3[10]，汾河、沁河、大黑河、大汶河等支流斷流嚴重.

圖4 黃河流域9 省區2012-2021 年平均人均水資源量Fig.4 Per capita water resources in nine provinces(autonomous regions) of the Yellow River Basin from 2012 to 2021

2.2 社會經濟用水

2022 年黃河流域總供水量為492.23×108m3，水資源開發利用率遠超40%的生態警戒線，地下水供水量占27.45%，遠高于長江流域(1.77%)[12-13].2022 年黃河流域總用水量為409.4×108m3，生活、工業、農業和生態用水占總用水量的比例分別為13.68%、10.44%、64.68%和11.2%[12]，農業生產是黃河流域第一用水大戶.從2006-2022 年用水趨勢來看，黃河流域總用水量變化不大，農業用水和工業用水均呈緩慢下降趨勢，生活用水和生態用水緩慢增加(見圖5).黃河流域用水效率區域差異較大，總體呈現上游低、下游高的特點，青海省、甘肅省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區用水效率低于全國平均水平，缺水最嚴重的寧夏回族自治區人均綜合用水量、萬元國內生產總值用水量、耕地實際灌溉畝均用水量分別是全國平均水平的2.15、2.64、1.44 倍[13](見圖6).流域社會經濟可持續發展受到水資源的嚴重制約，黃河流域現狀約有79×104hm2農田無水可灌，約占農田有效灌溉面積的14%，部分能源、煤化工及石油化工項目因缺水而無法落實，預測2035 年黃河流域多年平均河道外經濟社會需水量約為545×108m3，河道外缺水量約為136×108m3[10].

圖5 黃河流域9 省區2006-2022 年不同類型用水量的變化情況Fig.5 Changes of different types of water consumption in nine provinces (autonomous regions) of the Yellow River Basin from 2006 to 2022

圖6 黃河流域9 省區2022 年主要用水指標Fig.6 The main water use indicators in nine provinces (autonomous regions)of the Yellow River Basin in 2022

2.3 非常規水資源利用

黃河流域非常規水資源利用量由2017 年的13.1×108m3提高到2022 年的21.7×108m3，但整體上非常規水資源的利用水平仍然較低，不足供水量的6%(見圖7).黃河流域煤炭儲量大，開發強度高，2022年沿黃9 省區礦井涌水量約為65×108m3，接近我國南水北調西線工程一期設計調水量(80×108m3)[14]，大量礦井涌水尚未得到資源化利用，距離2025 年黃河流域礦井水利用率達到68%以上仍有較大差距.2021 年黃河流域68 個主要城市污水處理總量為64.2×108m3，再生水生產能力達到46.8×108m3/a，但再生水利用量僅為再生水生產能力的51.1%，再生水管網長度僅為供水管網長度的5.3%.在當前黃河流域水資源極為緊缺的現實情況下，再生水管網建設滯后、統一管理機制尚未建立，投入大回報時間長導致社會資本進入積極性低以及再生水價格體系不完善、安全性和公眾接受度較低等[15-17]，對再生水推廣利用影響較大.2021 年，黃河流域68 個主要城市再生水整體利用率為37.3%，且有26 個城市再生水利用率小于30%(見圖8).

圖7 黃河流域9 省區2022 年非常規水資源供水量占比Fig.7 The proportion of unconventional water resources in the nine provinces (autonomous regions)of the Yellow River Basin in 2022

圖8 黃河流域68 市(州、盟)2021 年污水處理及再生水利用狀況Fig.8 Sewage treatment and recycled water utilization in the 68 cities (states, leagues) of the Yellow River Basin in 2021

3 黃河流域生態問題

3.1 生態系統

黃河流域位于我國干旱、半干旱地區，流經黃土高原水土流失區和五大沙漠沙地，生態系統脆弱，時刻面臨著生態退化、荒漠化、沙漠化威脅，流域3/4左右的面積屬于中度以上脆弱區.黃河流域極度脆弱區主要分布在上游北部，重度生態脆弱區主要分布在上游中段和中游東部，25%以上的重度及以上的脆弱區極易退化，尤其上游的高寒高海拔地區，高原冰川、草原植被、濕地生態極易遭受破壞，修復和恢復難度大.研究顯示，2001-2019 年黃河流域生態脆弱性水平整體呈下降趨勢，2005 年重度脆弱區的比例降至19.53%，但在2010 年回升至24.11%(見圖9)，說明黃河流域生態脆弱性依然存在且存在反復[18-19].

圖9 2001 年、2005 年、2010 年、2015 年和2019 年黃河流域生態脆弱性程度面積占比[18]Fig.9 Area proportion of ecological vulnerability degree of the Yellow River Basin in 2001, 2005,2010, 2015 and 2019[18]

近20 年黃河流域生態系統質量改善面積遠大于退化面積，但在氣候變化和人類活動影響下，黃河流域草地、湖泊、濕地等生態系統仍存在局部退化現象[20].1980-2018 年黃河上游溫度增加率為0.023 ℃/a[21]，與20 世紀80 年代相比，河源區永久性冰川雪地面積減少52%，濕地面積萎縮20%，草地面積減少5.5%[22]，黃河源頭的兩大“蓄水池”鄂陵湖和扎陵湖水位2021 年末比2016 年末分別下降0.53 和4.18 m[23].四川省黃河流域濕地面積從解放初的1.47×104km2萎縮到0.83×104km2，近20 年若爾蓋高原湖泊干涸200多個，萎縮比例超過60%.近40 年利津水文站的徑流量、輸沙量、含沙量均呈減少趨勢，黃河三角洲濕地面積出現大幅退化[24]，1990-2020 年黃河三角洲濕地總面積從1 459.5 km2增至1 975.5 km2，但增加的主要是人工濕地，自然濕地卻從1 308.1 km2減至916.5 km2，部分生物棲息地喪失，生物多樣性減少.同時，黃河水沙減少導致黃河三角洲濕地斑塊個數增加，破碎化程度增大，減弱了景觀的抵抗能力[25]，濕地鹽漬化問題突出，植被由原本的香蒲、蘆葦群落逆向演替為檉柳、堿蓬和互花米草群落，濕地生態系統功能下降.

3.2 水土流失

近年來，黃河流域水土流失治理取得顯著成效，黃河流域水土保持率從1990 年的41.49%提高到2022 年的67.85%，水土流失最嚴重的黃土高原地區水土保持率提高至64.44%[26]，黃河中游2001-2020年平均輸沙量降至2.4×108t，已達到1 000 多年前人類活動干擾破壞較弱時期的輸沙量水平[27-28].但流域水土流失量大、面廣的局面沒有根本改變，2022 年黃河流域水土流失面積為25.55×104km2，占流域總面積的32.15%，高于全國平均值(27.74%)，強烈及以上等級水土流失面積占水土流失總面積的11.66%.水土流失嚴重的區域主要集中于內蒙古自治區、陜西省、甘肅省和山西省，四省區水土流失面積占全流域水土流失總面積的75.85%，其中內蒙古自治區、陜西省、山西省水土流失面積占各省區流域內土地面積的比例分別為43.59%、35.53%和37.64%，高于流域平均水平(見圖10)；甘肅省、陜西省、山西省強烈及以上等級水土流失面積分別占水土流失總面積的16.41%、16.60%和15.51%，高于流域平均水平[26](見圖11).

圖10 黃河流域9 省區2022 年水土流失面積及流域內占比情況Fig.10 The area and percentage of soil erosion in the nine provinces (autonomous regions) of the Yellow River Basin in 2022

圖11 黃河流域9 省區2022 年不同程度水土流失面積Fig.11 The soil erosion area of different degree in nine provinces (autonomous regions) of the Yellow River Basin in 2022

3.3 水生生物

黃河流域魚類以鯉形目為主，全流域分布有黃河特有魚類物種27 種，受威脅物種24 種，上、中、下游魚類多樣性、特有性和受威脅物種方面存在顯著差異.從物種數量上分析，上、中、下游物種數量分別占魚類總數的29.9%、68.0%和68.7%，上游魚類數量少且物種組成相對簡單，中游和下游則表現出較高的多樣性.從特有物種和受威脅物種數量上來看，上游黃河特有物種和受威脅物種分別占上游魚類物種總數的38.6%和36.4%，表現出高特有性和高瀕危性的特點；中游和下游黃河特有物種和受威脅物種數量占比較低，中游黃河特有魚類物種和受威脅物種分別占中游魚類物種總數的16.0%和10.0%，下游黃河特有魚類物種和受威脅物種分別占下游魚類物種總數的5.0%和5.9%[29].受水污染、河道連通性降低、物理生境喪失等綜合影響，水生生物資源明顯衰退，1960-1980 年分布魚類15 目28 科182 種，1980-2019 年分布魚類10 目23 科112 種，魚類物種數減少70 種，特有種魚類退化尤為顯著，一些常見物種已變為瀕危物種，河口主要經濟魚類及重要的標志性洄游魚類刀鱭瀕臨滅絕，白鱘、達氏鱘和香魚等珍稀種類也已近于絕跡[30-33].2021 年黃河流域共統計有大、中型水庫218 座[34]，水庫和水利工程建設使水體從“河流相”向“湖泊相”劇烈轉變，阻斷了河流連通性，導致原有物種退出庫區，增加了喜湖泊生境魚類入侵風險[35].研究表明黃河上、中游特有裂腹魚類(厚唇裸重唇魚、極邊扁咽齒魚、骨唇黃河魚)已經完全退出龍洋峽-劉家峽河段，三門峽等水庫的存在導致洄游性魚類〔如降河產卵的日本鰻鱺(Anguilla japonica)〕在陜西等地的黃河水體已無法自然生存[32].

4 黃河流域生態保護系統治理對策與展望

4.1 構建黃河流域復雜環境問題協同治理新范式，開展流域重大問題協同攻關

黃河流域自然環境系統和社會經濟系統疊加，形成“社會-經濟-環境”復合的巨系統，黃河流域生態保護治理既是重大政治問題，又是重大社會問題，更是涉及復雜系統工程的重大科學問題.今后一段時期，黃河流域還將面臨更多大尺度自然氣候和強人工干擾下的水循環過程改變，流域生態系統演變過程更為復雜，亟需深化黃河流域復雜生態環境協同治理理論和實踐探索：一是黃河流域生態環境問題復雜，生態保護治理涉及多個領域、多個部門、多個地區，要積極探索構建解決復雜環境問題系統治理的新范式，組織匯聚全國生態環境、水利、自然資源、地理、經濟等領域的優勢科研力量，構建黃河流域高水平生態環境保護科技平臺，立足于黃河流域生態系統的整體性，統籌謀劃上中游、干支流、左右岸協同保護治理頂層設計，開展多領域、多學科、多層次的聯合研究和科技攻關，全面提升黃河流域科學精準治理和系統協同保護能力；二是要發展構建科技嵌入式生態保護治理體系，打造基于“傘形+扇形”耦合框架的聯合研究協同模式，突破“組織、地域、學科、信息、技術”五大壁壘，構建“國家-區域-省級-市級”多層級縱向聯動、多組織橫向協同的治理格局，形成社會多元共治網絡和社會治理合力，實現黃河流域生態保護治理由“二元博弈”轉為“多元協同”，推動黃河流域生態保護治理范式從“片段化、切塊式”向“協同式、整體性”轉變，有效提升黃河流域生態環境保護效能[36-39]；三是發展黃河流域特色的“一市一策”駐點跟蹤研究機制，組織優勢科研團隊深入基層一線開展駐點跟蹤研究和技術服務，因地制宜推動科技成果快速落地，成功破解科技創新成果與污染治理需求脫節的“孤島現象”和地方政府“有想法、沒辦法”的難題.

4.2 統籌“增容、減污、治水”，構建黃河流域山頂到海洋的減污降碳協同治理體系

相比長江流域，黃河流域天生“體弱多病”，生態本底差，水資源十分短缺，資源環境承載力弱，面臨水環境、水生態、水資源多要素統籌及水-土-固跨介質復合環境壓力，生態保護和高質量發展矛盾突出.新時期黃河流域生態保護治理已經無法依靠傳統的單要素、單區域、單行業的分割式治理模式，必須從黃河流域生態保護治理的全局性、整體性和協同性出發，厘清黃河流域生態環境關鍵要素間的深層次關系和互饋機理，系統開展氣候變化-人類活動-生態系統多過程耦合機制、“水文-水環境-水生態”耦合模擬與調控、水-土-固復合污染協同控制機理，資源環境承載力與社會經濟耦合機制等關鍵科學問題研究.進一步聚焦上、中、下游差異化的生態環境問題，以“增容、減污、治水”協同保護為主要抓手，建立生態系統調控與擴綠增容、多介質多要素污染協同控制、減污降碳協同增效、“三水”統籌管控等保護治理技術體系，攻克復雜流域系統治理的重大關鍵科技瓶頸，實現由山頂到海洋的全域統籌和科學調控.根據區域定位和特點，積極探索生態產品價值實現路徑和轉化模式，推動傳統產業綠色低碳轉型，提出黃河流域特色的生態產業開發模式，實現黃河流域高水平保護和高質量發展協同推進.

4.3 構建黃河生態云智慧大腦，數字賦能黃河保護治理

以“數字黃河、智慧黃河”賦能黃河流域生態保護治理，融合區塊鏈、元宇宙、物聯網、大數據等人工智能先進技術手段，綜合構建集信息智能感知、數據匯聚、模型集成、智能決策為一體的黃河生態云智慧大腦.科學布局黃河全流域生態環境天地一體化監管監測網絡，強化衛星遙感、無人機航拍、地面自動監測站、水下智能監測、物聯網等大數據采集技術的聯合應用，系統構建覆蓋大氣、水、土壤、生態、海洋多尺度跨介質環境要素的智慧感知網絡[40].打破各部門數據壁壘，整合黃河流域水文、氣象、水質、地質、土壤、生物以及經濟社會等多尺度、多要素的海量信息數據，構建黃河流域生態環境科學數據中心，夯實“數治黃河”的數據基礎.攻克生態環境系統模擬學科主要技術瓶頸，突破黃河復雜流域多時空尺度、多模型嵌套的區域生態環境智慧化響應與耦合預測技術，研發大尺度流域復雜環境過程模擬重大科學裝置，最大程度地真實重現黃河流域生態系統退化機理和演變規律，提升黃河流域生態安全風險預測預警和大江大河生態保護修復國家級決策支撐能力.

5 結語

a) 從黃河流域生態環境問題的系統性出發，聚焦水環境、水資源、生態3 個方面開展黃河流域生態環境主要問題剖析.在水環境方面，流域水環境質量總體差于全國平均水平，農業農村污染防治壓力大，化工園區、工業固危廢等環境風險問題突出；在水資源方面，水資源稟賦差、生態流量不足，社會經濟發展用水量大且水資源利用效率偏低，礦井水和再生水等非常規水資源利用水平有待提高；在生態系統方面，流域生態系統脆弱，面臨部分生態系統退化、水土流失嚴重、水生生物資源衰退等突出問題.

b) 黃河流域生態環境問題復雜，建議深化黃河流域復雜生態環境協同治理理論和實踐探索，構建黃河流域復雜環境問題協同治理新范式，發展構建科技嵌入式生態保護治理體系和黃河流域特色的“一市一策”駐點跟蹤研究機制，推動黃河流域生態保護治理范式從“片段化、切塊式”向“協同式、整體性”轉變，破解科技創新成果與污染治理需求脫節的“孤島現象”和地方政府“有想法、沒辦法”的難題.

c) 黃河流域面臨水環境、水生態、水資源多要素統籌、水-土-固跨介質復合環境壓力，生態保護和高質量發展矛盾突出，亟需立足流域整體性，厘清黃河流域生態環境關鍵要素間的深層次關系和互饋機理，統籌“增容、減污、治水”，構建山頂到海洋的減污降碳協同治理體系，形成區域性、多介質、多要素、復合型生態環境綜合治理關鍵技術裝備，探索提出黃河流域區域差異化高質量發展和產業綠色發展路徑.以“數字黃河、智慧黃河”賦能黃河流域生態保護治理，綜合構建集信息智能感知、數據匯聚、模型集成、智能決策為一體的黃河生態云智慧大腦，提升黃河流域生態安全風險預測預警和決策支撐能力.