作者:陈怡平 来源: 中国科学报 发布时间:2020-8-18
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统筹构建黄河流域生态系统新格局

 


 

陈怡平

黄河是中华民族的母亲河,黄河流域是中华文明的重要发祥地,也是我国重要的生态屏障区域。2019年9月18日,习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态环境保护和高质量发展座谈会并发表了重要讲话,为黄河生态环境保护与高质量发展导航定位。习近平总书记指出:“着力加强生态保护治理、保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展、改善人民群众生活、保护传承弘扬黄河文化,让黄河成为造福人民的幸福河。”

黄河水沙关系是黄河流域生态环境保护与高质量发展的“牛鼻子”。近年来,在自然和人为因素耦合影响下,黄河径流和泥沙量急剧减少,水沙关系不协调的顽疾依然存在;下游河口湿地连通阻断,湿地萎缩,近30年湿地减少约500平方公里,导致河口三角洲生态系统退化,盐渍化加剧。尤其是黄河上游甘肃段生态环境脆弱性没有得到根本遏制;上游宁夏内蒙古段河床不断抬升,尤其是内蒙古段,局部河段演变为悬河,最大高差已达4米,洪凌威胁逐渐加剧;中游黄土高原生态格局不合理,生态建设与经济社会没有耦合发展。为此,建议统筹构建黄河流域生态系统新格局,促进流域高质量发展,改善人民群众生活,让黄河成为造福人民的幸福河。

一、提升黄河甘肃段的生态屏障功能

1.甘肃段生态环境现状与问题

黄河流经青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等干旱半干旱地区,生态环境脆弱。水是制约该区域经济社会发展、生态建设的限制性生态因子,尤其是甘肃省。甘肃是维护国家生态安全的重要屏障区域,是民族团结的桥梁纽带,也是丝绸之路的咽喉。自1999年国家实施退耕还林草工程以来,黄河流域甘肃段累计完成退耕还林草面积约2845万亩,有效改善了生态环境。据《甘肃省2017年统计年鉴》分析,2017年为1961年以来甘肃沙尘暴天气最少年份,农业受灾和成灾面积分别较2000年下降了75%和82%。但是,甘肃黄河流域地域广阔、自然条件严酷,退耕还林草工程取得的成就主要集中在条件较好的陇东地区(如庆阳植被高度提升了10个百分点),河西走廊生态环境保护依然任重道远。

黄河甘肃段地处干旱半干旱交汇区域,年平均降水量318毫米,蒸发量2084毫米。严酷的自然地理条件对气候变暖响应敏感,近60年来气温呈现上升趋势,平均气温以0.25℃/10年的速率增加,尤其是20世纪90年代后期增温速率明显加快。基于联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)气候情景,预计未来 20 年黄河源区平均气温升高 0.85℃~0.91℃。受气候变化和人类活动影响,黄河甘肃段草场沙化、水土流失日趋严重,湖泊、沼泽等湿地也日益萎缩,如玛曲沙化面积约4万平方公里。玛多段、玛曲段沙漠—河流交织,共和盆地龙羊峡水库西侧有长达70多公里的流沙集中区,在强劲的西风和西北风吹袭下,黄河甘肃段每年输入黄河的泥沙约4.9亿吨,而这些泥沙几乎全部淤积宁夏内蒙古河段,对宁夏内蒙古河段周边人民群众生命和财产安全造成极大威胁。因此,甘肃段生态屏障功能必须提升,以遏制巴丹吉林和腾格里沙漠“握手”和宁夏内蒙古地上悬河继续抬升。

2.全域水资源现状与问题

根据研究报道,1331至1949年,黄河径流基本只受自然条件影响,这一时期黄河兰州段年径流量在225亿~445亿立方米,基准流量约为356亿立方米;中游三门峡段年径流在369亿~716亿立方米,基准流量约为547亿立方米;下游花园口段的年径流量约为441亿~801亿立方米,基准流量约为611亿立方米。自上世纪50年代以来,黄河径流量持续下降,尤其是2000年之后。1987年黄河兰州段、三门峡段和花园口段径流量基本处于正常阈值的下线,为此,黄委会制定了八七分水方案,核定了沿黄各省区用水指标,旨在节约黄河水资源,维护黄河流域健康运行。但是近15年来黄河流域各省区用水量持续增加,甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东平均用水量分别超出分配定额约46%、86%、71%、65%、4%、26% 和24%。

3.对策建议

从黄河水资源现状和流域各省区用水量综合考虑,增加黄河流域各省区水资源分配指标似乎不太现实。目前黄河兰州段径流量低于基准值约100亿立方米,上中游各省区生态文明建设、工农业生产用水、居民生活用水对黄河水资源需求量日益增长,现有水资源难以满足需要;其次,在气候变化和人类活动的双重影响下,黄河源区水源涵养能力及流域自产水量不会大幅提高,即便全域节水,在全球水资源短缺的大背景下,未来黄河流域水资源紧缺的趋势依然不会得到有效改善。因此,黄河上游水源补给势在必行,补给水量应该不少于100亿立方米。

秦昭王末年(约公元前256—前251) ,蜀郡太守李冰父子在前人鳖灵开凿的基础上组织修建的大型水利工程都江堰,两千多年来一直发挥着防洪灌溉的作用,至今灌区已达30余县市,使成都平原成为沃野千里的“天府之国”。在上游补水不少于100亿立方米的前提条件下,建议国家在黄河兰州段开凿一条新河道,与现有河道形成“弧弦双流”格局,以润泽陇原大地,提升甘肃生态屏障功能,为东部地区高质量发展筑牢生态安全屏障。

兰州河口镇至靖远石林呈弧形,从兰州河口(海拔1560米)至白银靖远石林(海拔1347米)直线长(弦长)约113公里,坡度约为2‰。从河口镇至石林开凿一条人工河流(图1),让河水自上而下,与兰州段老河道形成“弧弦双流”格局。局部地区(五角星线部分)可利用风能、太阳能进行动力扬程,一方面可改善兰州周边5000平方公里的生态环境,减少泥沙入黄,缓解宁夏内蒙古段河床抬升的速率,另一方面可以减少调水后上游径流量增大对兰州市区的威胁,维护黄河兰州段安澜。

二、遏制黄河宁夏内蒙古段河床抬升

黄河流经郑州邙山后进入平原区,落差骤然变小,流速缓慢,在过去几百年时间里入黄泥沙不断在下游河床淤积,致使黄河开封段河床以每年10厘米的速度抬升,日积月累,形成著名的地上河。距开封市北10千米处的河床已高出开封市区地平面7~8米,最高处高达10米以上,开封悬河时刻威胁着人民的生命与财产安全。

1.黄河宁夏内蒙古段正在重蹈开封覆辙

黄河上游宁夏内蒙古段在过去三十年里河床持续抬升,局部河段演变为地上悬河,最高落差达4米,洪凌威胁日益加剧。科研人员将这一现象归结为刘家峡、龙羊峡、青铜峡等水库联合使用带来的不良后果。研究报道黄河上游龙羊峡、刘家峡和青铜峡三大水库修建之前, 宁夏内蒙古河段的泥沙淤积量相对较少;自20世纪80年代中期上游的水库群联合使用之后,宁夏内蒙古河段的天然径流量开始大幅度下降,如内蒙古段径流量从1986年前的每秒3500~4000立方米降至每秒1500立方米,局部河段甚至每秒不足1000立方米。径流量减少导致水沙关系失调,宁夏内蒙古河段泥沙严重淤积,除水库以外,内蒙古段淤积泥沙约占黄河干流河道淤积总量的45 %。

2. 抬升带来的潜在危害

宁夏内蒙古河段两岸是我国西北地区社会经济发展规模较大、灌溉农业发展较好的区域之一,涉及耕地78.33万公顷、养育人口356万,宁夏平原和河套平原75%以上的粮食产量和90%以上的工业产值均来源于黄河左岸的引黄灌区,因此,黄河宁夏内蒙古段的防凌安全直接关系到该区域社会经济的可持续发展和国家粮食安全。由于黄河入宁后特殊的流向与水文气象条件, 决定了黄河宁夏内蒙古河段解冻开河时间为先上后下,封冻时间为先下后上,封冻期与解冻期形成低流量高水位现象,从而造成严重的冰情灾害。例如,1988年12月磴口县粮台乡段、1990年2月达拉特旗大树湾段、1993年2月乌前旗金星乡白土圪卜段、1996年3月的乌海市黄柏茨湾段、2001年12月的乌达铁路桥段、2003 年9月的毛不浪孔兑段、2008年3月的杭锦旗独贵特拉奎素段、2015年12月的清水河县喇嘛湾段发生较大凌汛灾害。

河道的冲淤平衡是河道健康的重要指标之一,泥沙淤积,抬高河床,不利于汛期排洪,洪灾风险加大,进而威胁到两岸灌区农业生产和人民财产安全。同时,高泥沙水对水利设施(如电站内水轮机、泵站水泵)等造成破坏,降低了水利机械生产效率和使用寿命,增加了检修工作量和费用投入。

3. 对策建议

黄河从景泰县五佛川地边缘穿越黑山峡谷进入宁夏平原。黑山峡全长约71公里,始于甘肃省靖远大庙村,终于中卫市小湾村,因山体锰等元素含量较高,呈现青黑色而得名。大多数水利专家认为黑山峡是黄河上游唯一可以修建高坝水库的峡谷河段。为此,1955年7月,全国人大一届二次会议审议通过《黄河综合利用规划技术经济报告》,拟在距峡谷进口21公里的甘肃景泰县境内的小观音修建高坝水库,在其下游约48公里处的大柳树建设低坝水库。1958年经过水利专家勘察后,发现在宁夏大柳树建设一级高坝大库,更有利于发挥河段工程的综合效能,因此,提出在宁夏大柳树建设一级高坝的方案。但是,因利益冲突导致枢纽电站被搁置半个多世纪。

物质世界的万事万物都具有两面性,利弊兼有,绝无百利而无一害之事。黑山峡水库从整体利益而言,利大于弊,但是从局部利益考虑,宁夏绝对受益,而甘肃景泰县则面临着移民、几十公里川地被淹没的问题。从黄河小浪底水库调水调沙效果来看,为确保黄河宁夏内蒙古段的安澜,协调水沙关系,防凌防洪、发展干旱农业、促进上游生态环境保护与黄河高质量发展,改变西北脆弱生态环境,黑山峡水库建设势在必行。但是,黑山峡水库给景泰县带来的潜在风险必须科学评估,合理补偿。

图1:有兰州人工河流示意图

三、优化黄土高原生态格局

黄土高原总面积约64万平方公里,是中华民族古代黄土高原文明的发祥地之一。第四纪以来,在地壳运动、风化作用、降雨侵蚀、流水侵蚀等内外力相互作用下,形成支离破碎、千沟万壑的独特地貌景观。黄土高原属典型的温带大陆季风气候,降水年际变化大,季节分配不均,年降水量150~750毫米,多集中于7~9月这三个月,且以暴雨为主。易于侵蚀的黄土、长期不合理的人为扰动,加之千沟万壑的特殊地貌,导致黄土高原成为世界上水土流失最为严重的区域之一。经历了70多年的科学治理,尤其近20年来,黄土高原水土流失治理取得了显著效果。

1. 植被盖度大幅增加

从1999年开始,我国实施了世界上规模最大的退耕还林草工程,在2000~2015年期间,黄土高原共完成退耕还林工程建设任务581.12万公顷,其中退耕还林215.07万公顷、荒山造林328.65万公顷、封山育林37.5万公顷。黄土高原植被盖度由1999年的31.6% 提高到2017年的65%,尤其是延安地区,2017年植被覆盖度达到81%,森林覆盖率达到46%,有效遏制了水土流失。

2. 泥沙急剧减少

黄河从内蒙古一路南下,穿越晋陕大峡谷(图2),将黄土高原劈成两半。20世纪50至70年代末期黄土高原每年向黄河输沙16亿吨,梯田、淤地坝、退耕还林草等措施在控制水土流失方面发挥了重要作用。有研究表明,黄土高原淤地坝可减少约52%的径流泥沙,淤地坝每年减少进入黄河的泥沙达到300万~500万吨。水平梯田可减少约70%地表径流,梯田每年减少约350万~550万吨入黄泥沙。经过70多年的艰辛治理,黄土高原林草覆被率由20世纪80年代总体不到20%增加至2017年65%,黄土高原地区土壤侵蚀面积与强度显著减少。2018年水土保持公报显示,水土流失面积已减小至21.37万平方公里,比2011年第一次水利普查结果减少2.15万平方公里,减幅9.13%。黄土高原侵蚀产沙强度由1956~1979年的7013t/(km2·a)减少到21世纪的1598t/(km2·a)。目前黄河输沙量已降低至2亿吨左右,黄河输沙量的显著下降,减缓了下游河床淤积抬高的速度。

图2:黄河晋陕大峡谷

3. 对策建议

黄土高原支离破碎的地貌特征决定了其生态的脆弱性和治理的艰巨性,取得显著成绩的同时,局部地区生态环境依旧脆弱,水沙关系依然不协调,生态与经济社会发展依然双轨运行,只见绿水青山,不见金山银山,黄土高原依然是精准扶贫的关键区域。如何实现生态效益、经济效益和社会效益三者有机耦合是未来亟须解决的问题。为此,提出如下三点建议,旨在推进生态建设与乡村振兴有机结合,助力黄河流域高质量发展。

图3:延安市安塞区高桥镇南沟村人工湖

(1)实施千湖百池生态工程

黄土高原降雨主要集中在7~9月份,极端降雨会产生剧烈土壤侵蚀,导致严重水土流失。董志塬地处黄土高原中心,塬面积2260平方千米,是中国优质苹果适生区和陇东粮仓。董志塬年平均降雨量550毫米,上世纪80年代,地势平坦的董志塬输入黄河的泥沙每年高达1.684亿吨,占黄河流域入黄泥沙的十分之一。黄土塬区长期抽提地下水导致黄土高原地下水补给严重不足,地下水位持续下降,长此以往将带来严重生态灾难,严重影响区域经济社会可持续发展。例如,洛川塬水资源主要依赖地表水、地下水和天然降水。多年平均降雨量622毫米, 蒸发总量高达98618万立方米,占年降水量的87%, 地下水补给严重不足。洛川人均占有水资源量约为326立方米, 亩均水资源占有量约为25立方米, 水资源极度贫乏。此外,以往的小流域治理对洪涝缺乏科学运算,遇强降雨时垮坝事故时有发生。例如,2013年7月26日在延安发生特大水灾,多处水坝被冲垮;2017年7月25~26日榆林绥德发生特大强降雨,岔巴沟水库被冲垮,造成巨大灾难。

为此,建议在黄土高原实施千湖百池生态工程(也可称之海绵农村),将降雨就地拦截储存,一则补充地下水资源,二则可以为农业灌溉提供足够水资源。湖池工程设计以水文学、土壤侵蚀学、侵蚀地貌学为基本理论指导,结合地理信息系统(GIS)中数字地形分析及情景分析等相关方法,对黄土高原洪峰量、沟道农业需水量与流域产流当量关系进行研究。同时,要结合历史文献学资料,在系统论思想指导下,科学设计湖池数量,洪峰期可以蓄水、减少水灾,遇极度干旱年份可以满足农田灌溉水量。例如,延安安塞区南沟村以水定湖池,根据流域面积设计100年一遇的三个连体的、不同容量的湖池,沟道上游人工湖容量饱和后,水通过自溢流向下一个湖里,当二级湖池水量饱和,自溢流向下游三级湖,既减少了洪涝灾害,也满足了平时山顶农田的灌溉和生态用水(图3)。同时,可以补给地下水,维护水资源动态平衡。

(2)构建丘陵沟壑区三元景观

占黄土高原总耕地面积约80%的坡耕地是黄土高原“跑水、跑土、跑肥”的“三跑”地。有研究表明,坡耕地每年流失表土1厘米以上,土壤流失速度比土壤形成速度快120~400倍。为此,20世纪50年代至60年代中期,黄土高原丘陵沟壑区的坡面治理主要是在山体上开挖梯田,以减少土壤侵蚀,兼顾增加土地面积和粮食产量。根据各地水保实验观测数据分析,坡耕地改梯田后可拦蓄约70%的径流量,保土效率约为90%,土壤水分增加约4%~12%,土壤有机质含量增加约1倍,全氮含量增加约2.5倍,有效磷含量增加约1倍。但是,水土流失问题没有得到有效遏制。

新中国成立后的淤地坝建设在黄土高原水土保持、拦蓄泥沙、防洪抗旱、增产保收方面发挥了重要作用。截至2015年,黄土高原7个省区239个县累计建设淤地坝5.92万座。但是至2000年,入黄泥沙依然保持在5亿吨左右。1999年以后的退耕还林草工程对黄土高原水土流失治理起到显著成效。至2017年植被盖度达65%,入黄泥沙减少至2亿吨左右,但是从乡村振兴战略角度评估退耕还林草,这一工程仍有待完善与提升。退耕还林草工程实施初期,为了鼓励25度以上坡面进行退耕还林还草,国家给予粮食补贴和经济补贴,退耕还林还草主要以生态治理为核心,山上退耕还林还草主要以杨树和洋槐等速生物种为主要建群种,让黄土高原尽快绿起来,没有考虑经济和社会效益。而且,洋槐等速生物种过量消耗黄土高原有限的水分,导致黄土高原“土壤干层”面积逐步扩大。

综合考虑梯田、淤地坝和退耕还林草成绩与问题,后退耕还林草时代,丘陵沟壑区应该构建三元景观模式,实现生态效益、经济效益和社会效益耦合发展,把绿水青山变成金山银山:① 山顶阳光充足,适宜削峁建盆地(边沿稍高,中心稍低,有利于降水就地入渗果园),发展果业,增加经济收入,实现生态与经济双赢效果。②山腰进行植被建设。根据植物学原理,草本植物主要为须根系,根系数量多,扎根相对较浅,而乔灌木主要为直根系,根系少,但是往往扎根较深。因此,山腰以种草为主、灌木为辅,草本植物根系多,相互之间盘根错节,形成网状结构,有利于减少水土流失。③ 山下科学建设湖池,一则满足山上集约农业滴灌水资源需求,二则可以补给地下水水源,从而形成三元景观结构。

(3)变绿水青山为金山银山

农业是国家发展的基础,也是其他产业的支柱,农村的繁荣与稳定关乎全面小康社会的成败。我国耕地面积人均仅有1.2亩,仅为美国人均耕地的10%、法国的28.5%、世界人均耕地的32%。我国过去10年粮食持续增加除科技进步因素外,很大程度上是过量使用化肥带来的效益,但是过量使用化肥导致了土壤酸化以及农业面源污染。因此,农业内部不平衡不充分的问题十分突出,农业生产与农业生态功能不平衡,施肥与农业环境需求不平衡,农业化肥不能充分利用,生态功能不能充分发挥。高投入、高消费、高污染的现代工业化农业生产方式解决了人民对粮食数量的基本需求,但是新的矛盾重新产生,人民对健康绿色食品的需求日益增长。黄土高原光热条件好,只要解决滴灌问题,发展果业可以缓解我国粮食生产压力。2020年肆虐全球的新冠肺炎疫情改变了世界发展的格局,后疫情时代国家粮食安全理应受到更多重视。因此,从乡村振兴和维护国家粮食安全角度考虑,后退耕还林草时代,建议循序渐进优化黄土高原植被结构,把刺槐林、杨树林等高耗水植被逐步替换为既有经济社会效益又有生态效益的经济林,为食物安全提供保障。同时,探索林下经济(如药材等),促进生态、资源环境与经济社会耦合发展,把绿水青山变成金山银山,走出一条绿色高质量发展道路。

生态文明是指人类在适应自然、利用自然和改造自然过程中遵循生态平衡这一自然法则,对自然资源取之有度、用之有节,达到人、自然、社会、经济和谐发展的状态。在生态文明的框架下,构建黄河流域生态系统新格局是黄河流域生态环境保护的有效措施。

(作者系中国科学院地球环境研究所研究员、博士研究生导师,本文受国家重点研发项目资助〈NO.2017YFD0800500〉)

《中国科学报》 (2020-08-18 第7版 专题)
 
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