黄河水资源利用及其对生态环境的影响

黄河水资源利用及其对生态环境的影响

随着我国社会经济的快速发展和科学技术的进步，人们水资源的利用规模和强度不断增加。北方许多河流的水资源利用量接近或超过了国际批准的河流水体开发利用率约40%的红线。因此，维持河流和湖泊的良好生态环境所需的水压力越来越大。同时水资源的过度开发利用也引发了诸多生态环境问题,如大规模河道外用水导致河道断流和湿地萎缩;地下水超采形成大面积地下水位下降漏斗;不当的灌溉方式加重了次生盐渍化;污水排放量的增加及河道水量的减少使水体污染加剧,进而导致有效水资源量减少。黄河为我国第二大河,其多年(1956～2000年)平均天然年径流总量为534.8×108m3(利津断面),仅占全国年径流总量的2%,除了具有年际变化大、年内分配集中、空间分布不均匀等我国北方河流的共同特点外,还具有水少沙多、水沙异源等特性。随着社会经济的快速发展,沿黄地区水资源开发利用规模不断扩大,加之黄河流域特殊的水资源情势,使得黄河水资源供需矛盾、生态环境问题日益突出。目前,对黄河的径流、水沙关系、水资源利用、生态环境等问题的研究已取得了丰硕成果,但由于黄河复杂的自然条件和特殊的河情,仍有许多问题亟待解决。鉴此,本文系统地分析了黄河水资源利用情况及其对生态环境影响,并提出了黄河水资源可持续利用的建议。1黄河水资源的利用1.1黄河水资源及地表水利用1949年新中国建国后,尤其是20世纪70年代以后,沿黄地区对黄河水资源进行了大规模的开发利用,导致用水规模迅速扩大。截止2006年年底,黄河流域已建成大、中、小型水库及塘、堰、坝等蓄水工程约19025座,总库容达715.98×108m3,同时建成引水工程12852处、提水工程22338处、机电井工程60.32×104眼、集雨工程224.49×104处,这些工程为开发利用黄河水资源提供了重要保障。表1为2001～2009年黄河水资源利用情况。由表可看出:①现状(2001～2009年)黄河流域花园口站以上地区平均水资源总量为525.13×108m3,其中地表水资源量为435.79×108m3(比1956～2000年花园口站以上地表水资源量少18.2%),地下水资源量为338.29×108m3,重复计算量为248.93×108m3。②黄河总取水量为477.68×108m3,其中地表水取水量为344.92×108m3;总耗水量为371.35×108m3,其中地表水耗水量为278.65×108m3。图1为2001～2009年黄河水资源利用过程线。由图可看出:①水资源总量年际变化过程波动较大,2003年后逐步趋于平稳;②总取水量和总耗水量一直处于较高水平,有些年份总取水量甚至超过了水资源总量,但二者的年际变化均较小,总体趋势较平稳。在多年平均来水情况下,地表水消耗率达65.0%;在中等枯水年份,地表水消耗率达76.0%;在特枯水年份,地表水消耗率达95.3%。汾河、沁河、汶河等黄河主要支流的开发利用率也达到了较高水平。在各行政分区中,黄河流域2001～2009年平均地表水取水量宁夏最多,达71.80×108m3,占全流域地表水取水量的20.82%;地下水取水量陕西省最多,达30.13×108m3,占全流域地下水取水量的22.70%。在各行业用水中(表2),农业用水最多,达363.42×108m3,占黄河总取水量的76.08%,其次为工业用水,占黄河总取水量的14.05%,其余为城镇公共、居民生活和生态环境用水。黄河河川径流利用具有相对集中的特点,其中农业灌溉用水占主要地位,且单位面积灌溉用水量过高。引黄灌溉面积由1950年800×107m2发展至目前的757×108m2,其中灌溉面积发展最快的地区为下游引黄灌溉区,其灌溉面积由50年代的300×107m2增至目前的约233×108m2,而其耗水量已由50年代的19×108m3增至2009年的227.97×108m3。1.2径流形势分析对黄河流域1956～2000年的年地表径流量序列进行趋势分析可知,其Kendall秩次相关检验统计量为-2.05,超过了5%的置信水平,说明黄河流域年径流量呈显著下降趋势。由黄河流域1956～2009年年径流量演变过程线(图2)可知,年径流量的线性倾向率为-3.5837×108m3/a,1985年后径流量下降趋势尤为明显。近十几年来,降水偏枯和流域下垫面条件变化导致降雨径流关系变化,黄河流域水资源情势也发生了变化,尤其是黄河中游地区,水资源数量明显减少。基于黄河流域1956～2000年实测的降水、气温数据与还原的径流量序列建立多元线性回归模型,并采用IPCC大气环流模式输出气温和降水结果对未来(2011～2050年)的径流变化进行预测。结果表明,在B1、A1B、A2三种情景模式下,黄河流域未来时期多年平均年径流量比基准期(1961～2000年)分别增加9.6%、2.0%、1.1%,这能在一定程度上缓解黄河水资源供需矛盾,但形势依然十分严峻(目前黄河河川利用率已达65%,在国内外大江大河中处于较高水平)。此外,下垫面条件的变化直接影响产汇流关系的改变。在未来数十年内,黄土高原水土保持工程的建设、地下水的开发利用使黄河流域内的产汇流向更坏的方向变化。黄河流域及其下游流域外引黄地区经济社会的迅速发展和黄河流域生态环境的良性维持均对水资源提出了过高的要求,导致黄河水资源供需矛盾仍将非常突出。1.3主要问题(1)年2月110%,承担农业水电场、农业生产的任务黄河流域多年平均河川天然径流量为534.8×108m3,仅占全国河川径流量的2%,却承担全国15%的耕地面积和12%人口的供水任务,且还需向流域外部分地区远距离调水。同时,黄河为世界上泥沙最多的河流,这使有限的水资源还必须满足河道输沙要求,造成可用于经济社会发展的水量进一步减少。(2)河流最小生态环境需水量20世纪70年代以来,随着黄河流域水资源开发利用规模不断扩大,加上降水偏少等引起的水资源量减少,黄河河道和入海水量均大幅减少,导致河流生态环境用水被大量挤占。倪晋仁等从水污染防治需水、生态需水、输沙需水和河口环境需水几方面考虑,初步估算了黄河下游河流最小生态环境需水量,得出花园口、高村、艾山、利津4站的综合最小生态环境需水量(年径流量)分别为259.7×108、326.9×108、306.4×108、293.5×108m3。按现状年(2001～2009年)花园口站以上河川天然年径流量为353.99×108m3、水资源利用率为65%的规模来计算,黄河下游最小生态环境需水量尚无法得到满足。(3)大型河流生态水系统近几十年来黄河流域用水水平和用水效率均有较大提高,万元GDP用水量从1990年的1672m3降至2006年的354m3,农田实灌定额由1990年的7672m3/hm2减至2006年的6269m3/hm2。但与其他北方河流(如海河和淮河)相比,黄河水资源利用方式较粗放,如2006年黄河流域灌溉水利用系数为0.49,比海河流域(0.64)和淮河流域(0.50)均低;大中城市工业水重复利用率为61.3%,比海河和淮河流域分别低23.6%、4.9%。此外,黄河流域节水工程和节水技术尚未得到广泛应用,加之供水水价严重偏离成本,用水效率低、浪费严重等现象仍未得到有效遏制。2改善黄河下游生态环境的措施1999年黄河水利委员会开始实施刘家峡—头道拐、三门峡水库—利津干流河段水量统一调度,2001年又实施了头道拐—三门峡河段水量统一调度,这些措施对改善黄河下游生态环境起到了积极作用,初步扼制了下游频繁断流的局面、维持了河流生态系统的连通性和廊道作用、促进了下游水功能的实现和黄河三角洲湿地的生态恢复、确保了黄河在非汛期输送一定的营养盐入海,对河口及近海水域的生态环境产生了一定的有利影响。但由于黄河水资源的过度开发利用在目前及未来较长一段时间内不会有明显的改变,因此河道水量偏少、水污染严重、泥沙淤积和生境破坏依然是造成黄河生态环境恶化的主要原因。(1)黄河三角洲湿地修复工程的断流和湿地生态修复之间的自然生态价值在1972～1998年的27年间,黄河下游共有21年发生断流,累计断流1050d,断流年份年均断流50d,有5年向上延伸到河南省境内。其中,1992年断流最为严重,利津站断流226d。频繁的断流严重破坏了生态平衡,使水环境恶化加剧。同时入海口水量的减少使黄河三角洲湿地地区海岸侵蚀和海平面上升、地表植被退化、近海水域的生物资源量和生物多样性减少。虽然1999年黄河水利委员会对黄河水量进行了统一调度,断流得到了很大缓解,至2009年实现了连续10年不断流,取得了显著的社会、经济和生态效益,对初步遏制流域生态恶化趋势和修复河流生态系统有很大作用。但黄河断流危机并未解除,目前下游河段径流量仍很小,依然存在断流的可能,长期下去将会改变河流生态效应。(2)黄河污水治理的水体、污水运移随着经济社会和城市化的快速发展,黄河流域废污水排放量由20世纪80年代初的21.7×108t增至2009年的42.05×108t,排放量翻了一番。大量未经任何处理或有效处理的工业废水和城市污水直接排入河道,造成流域内23%河长的水质劣于Ⅴ类,将近1/2的河长达不到水功能区要求。根据《黄河水资源公报》(2001～2009),黄河流域近十年来排污总量无明显变化,同时干流具有Ⅳ、Ⅴ类水质的河长明显减少,由50.9%降至29.4%,这是由河道水量增加和近几年黄河污水治理初步显效所致。但目前形势仍不容乐观,支流及干流中下游污染严重,水环境恶化趋势尚未得到有效遏制,不但威胁着水生生物的生存,也威胁着人类健康。(3)输沙量效增,河流泥沙含量大,生态多样性下降20世纪80年代以来,流域水利水保措施、干流大型骨干工程、上中游灌区引水引沙等均起到了减沙作用,尤其是2001年小浪底工程竣工后,水库的调水调沙功能对减少黄河下游河道淤积起到关键性作用。2009年黄河龙门、渭河华县、汾河河津、北洛河状头4站合计实测输沙量为1.182×108t,比1987～2000年输沙量均值(8.612×108t)降低了86.3%,比1956～2000年输沙量均值(12.52×108t)偏少90.6%。输沙量的减少虽遏制了河床淤积、河道萎缩的趋势,但黄河下游河道主河槽仍淤积严重,据统计分析,黄河下游主河槽淤积占全断面淤积量的90%,局部河段(如花园口至高村)则高达93%,其结果是同流量水位升高、平滩流量大幅减少,黄河下游两岸也因此抬高了2～4m。河流萎缩导致水生态系统退化,生物多样性降低;黄河水体含沙量大、阳光难以透射,限制了喜阳植物的生长繁殖及以其为食的动物生存。(4)黄河鱼类群落组成水环境是水生生物赖以生存的基础,但由于河道水量减少、水质恶化、水利工程建设、沿黄地区植被退化和湿地面积减少,水生生物的生存环境遭受了极大的破坏,这严重威胁着河流生态健康。20世纪80年代黄河流域各水体中查明的鱼类有176种,其中纯淡水鱼类138种、过河口性洄游鱼类20种、半咸水鱼类18种。但近20多年来,黄河鱼类在种类、种群分布和数量上均呈减少、衰退趋势。其中,黄河中上游浮游生物的平均生物量明显下降;黄河干流中上游河段土著鱼类濒危加剧,鱼类逐渐小型化。黄河河流生态系统是由黄河水生生物及其生存的无机环境相互作用组成的一个有机体,而水生生物的种类、种群分布和数量的减少及生存环境的破坏会对黄河河流生态系统造成严重的损害。3关于河流资源的可持续利用的提议(1)提供黄河下游水资源造成黄河水资源利用供需矛盾的根本原因是黄河水资源量太少,而解决这一问题最直接的办法就是增加黄河流域可用的水资源量。有关资料表明,在建的南水北调东线和中线工程完工后,可为黄河下游提供40×108m3的水资源,这对缓解黄河流域水资源供需矛盾、保证黄河健康生命会起到重要作用。另外,沿黄地区废污水排放量每年达42×108m3左右,若将这些污水加以处理,使其达到环境允许的排放标准或污水灌溉标准,即使污水资源化,则既可缓解水资源短缺问题,又可起到治理污染和改善生态环境的作用。(2)节水潜力大在农业方面,由于农业灌溉用水占用水总量的76.08%,且亩均用水量为420m3,但真正被有效利用的水只占农业灌溉用水的1/2,余下1/2多半损失在送水过程和漫灌之中,具有较大的节约潜力。因此可通过调整农业种植结构、依靠农业技术进步、工程节水等措施,有效地降低灌溉定额、提高灌溉水利用系数,从而达到节约灌溉水量的目的。在工业方面,黄河流域万元GDP用水量为104m3,工业用水重复利用率为61.3%,与发达国家相比尚有较大差距,同样具有较大的节水潜力。工业节水具有节约用水和减少污水处理量的双重性,同时具有社会、经济和环境三重效益。合理调整产业结构、采用先进工艺技术和先进设备、提高用水重复利用率等措施是工业节水的有效途径。(3)水资源量不足,导致水土流失建立科学合理的水价制度是促进节约用水、缓解水资源供需矛盾的有效手段。目前,黄河流域的水价严重偏离了成本,如大部分自流灌区水价不足成本的40%,这直接或间接地导致了用水效率低下和水资源污染破坏,也阻碍了节水工程的建设和节水技术的推广使用。因此,可在同一地区实行阶梯型水价体制,提高超出正常用水量以外的水量