中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 2019?年?9?月18日，習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會上發(fā)表重要講話，指出“保護黃河是事關中華民族偉大復興的千秋大計”，并強調黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展是國家戰(zhàn)略，對一些重大問題要深入研究、科學論證。黃河是我國西北和華北地區(qū)的重要水源，截至 2018 年底黃河流經(jīng)的 9 個省份總人口達?4.2?億，占全國人口的?30.3%；地區(qū)生產(chǎn)總值?23.9?萬億元，占全國的?26.5%。習近平總書記的講話把黃河流域的生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略的高度，充分說明了黃河流域在國家安全中的重要地位。

黃河流域以其占全國?2.2%?的徑流量，承擔著占全國?15%?的耕地和?12%?人口的供水任務。作為我國主要的能源基地，黃河流域煤炭資源占全國的?70%，石油儲量占?50%，大規(guī)模的能源開發(fā)同樣需要大量的水資源。目前，人類對水資源的需求已經(jīng)遠超流域水資源的承載力，導致對地表水的過度利用和地下水的過度開采，人類用水已經(jīng)顯著改變了流域的水循環(huán)及水資源格局。黃河流域大部分地區(qū)處于干旱半干旱區(qū)，對氣候變化極其敏感，近年來氣候呈暖干化是導致黃河流域徑流量明顯減少的原因之一。在氣候變暖和人類活動的雙重影響下，黃河流域水資源的供需矛盾更加突出，已成為我國水資源極其短缺的地區(qū)之一，并在未來?10—30?年內仍將繼續(xù)面臨水資源嚴重短缺的嚴峻挑戰(zhàn)。

流域尺度的人類無序用水和氣候變化的共同作用會對黃河流域區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生怎樣的影響？未來是否可以持續(xù)？“退耕還林還草”使得黃河流域植被狀況得到了顯著改善，這種改善對流域產(chǎn)流會產(chǎn)生什么樣的影響？上述問題的核心就是氣候變化-水-生態(tài)-人類社會的協(xié)同機制問題，而對這些問題的回答是保障黃河流域生態(tài)系統(tǒng)健康的科學基礎。本文通過分析近半個世紀以來黃河流域氣候水文的變化，揭示氣候變暖和人類活動對黃河流域水資源影響的事實，從水資源現(xiàn)狀指出黃河流域生態(tài)保護所存在的問題，最后給出了實施黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展亟待進行研究的基礎科學問題。

黃河流域氣候及水資源變化的現(xiàn)狀

黃河流域大部分地區(qū)地處干旱半干旱區(qū)，氣候復雜多樣，流域大部分地區(qū)年降水量在?500?mm?以下；伴隨著全球變暖，近年來黃河流域的氣候要素也發(fā)生了顯著的變化。

黃河流域的氣候變化

由圖?1a?和?b?可以看出，1951—2018?年黃河流域氣溫存在顯著的上升趨勢，且具有明顯的區(qū)域差異。不難發(fā)現(xiàn)，增溫最顯著是河套地區(qū)；其次是中下游地區(qū)；增溫最弱的是上游地區(qū)。整個流域年平均氣溫?68?年間升高了?1.39℃，而區(qū)域平均年降水量卻減少了?10?mm，因此黃河流域在過去?68?年整體趨于暖干化。通過分析圖?1c?和?d?可以發(fā)現(xiàn)，黃河上游地區(qū)年降水具有明顯的增加趨勢，而中下游表現(xiàn)為明顯的減少趨勢。在上游區(qū)域，流域年平均氣溫近?68?年間上升了0.82℃，年降水量增加了?33?mm；中游地區(qū)年均氣溫?68?年間上升了?1.67℃，年降水量減少了?31.6?mm。此外，降水集中度是一個表征降水過程的有效指標，當降水集中度的值大時，極端降水產(chǎn)生的頻率就大，這種降水過程的變化對徑流的產(chǎn)生也具有重要作用，同樣的降水量由于降水過程的不同而產(chǎn)生的徑流量也不同。由圖?2?可以看出，1951—2018?年黃河流域大部分地區(qū)降水集中度為增大趨勢，尤其是中下游地區(qū)，這說明黃河流域的極端降水過程正趨于增多。

從整個流域來講，氣候呈現(xiàn)暖干化趨勢，而極端降水過程也正趨于增加，這些現(xiàn)象將對流域的水資源系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。

黃河流域的水資源變化及人類用水

黃河流域地處干旱半干旱區(qū)，也是人類活動最劇烈的地區(qū)之一，水資源對氣候變化和人類活動的響應極為敏感。氣候趨于暖干化及流域大范圍植被覆蓋的增加，使得黃河流域水資源狀況發(fā)生了顯著的變化。以下將從黃河流域徑流變化的基本事實入手，分析流域人類用水狀況。

由圖?3?可以看出，1961—2016?年黃河流域無論是實測徑流還是天然徑流，都存在明顯的下降趨勢。天然徑流的下降趨勢與該時段氣候的暖干化有關，其中降水的減少是天然徑流減少的主要原因；而氣溫的升高將使得流域蒸散發(fā)過程加速，不利于徑流的產(chǎn)生。實測徑流的大幅度減少除與氣候流域中下游地區(qū)暖干化有關外，人類對地表水的過度利用也是黃河徑流減少的主要因素之一。

黃河流域是我國主要的糧食基地和能源基地，水資源供需矛盾尤為突出，農(nóng)業(yè)用水的比重占整個流域供水量的?60%?以上。從圖?4?可以看出，全流域人類用水占地表總徑流量的比例從?20?世紀?50?年代的不足?20%?上升到最近的?85%?以上，地表水資源的利用比遠超健康河流的警戒線（40%）。

從圖?5?可以看出，農(nóng)業(yè)用水從2002?年開始有一個減小趨勢（2002—2018?年減少了?3.4741×10⁹?m³），工業(yè)用水在?2011?年達到歷史最高的?6.55×10⁹?m³。2002—2018年，工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水穩(wěn)中略有增加（+1.451×10⁸?m³）；但生活用水和生態(tài)用水卻有明顯的增長趨勢，分別增加了?1.459×10⁹?和?1.94×10⁹?m³。黃河流域人類用水中，農(nóng)業(yè)用水占比最高，2002—2018?年平均占比達?72%。以?2012?年為例，地表水和地下水的總供水量為?5.246×10¹⁰?m³，占黃河流域水資源量的?68%；而僅農(nóng)業(yè)的用水量就為?3.4672×10¹⁰?m³，耗水量為2.8099×10⁹?m³，相當于整個流域單位面積平均蒸發(fā)增加了約?35?mm，這顯著地改變了整個流域的蒸散發(fā)大小。由于地表水供應的嚴重不足，黃河流域地下水嚴重超采，2010?年黃河流域淺層地下水蓄水量比上年減少?1.63×10⁸?m³，形成了?12?個地下水漏斗區(qū)。統(tǒng)計表明，黃河流域平原地區(qū)地下水資源量為?1.546×10¹⁰?m³，而近年來黃河流域平原區(qū)平均地下水開采量為?1.323×10⁹?m³，遠超該地區(qū)地下水與地表水的可重復量。另外，黃河干支流已建大型水庫?20?余座，總庫容超過?7×10¹⁰?m³，遠超黃河的河川徑流量，并且水庫及庫容量的增加使得整個流域地表水體近?10?年迅速擴大。人類用水（包括地下水的抽取和地表水利用）已改變了黃河流域水資源分布格局，并能對局地水文循環(huán)和區(qū)域氣候產(chǎn)生一定的反饋和影響。例如，農(nóng)田灌溉增加了土壤濕度和蒸發(fā)，進而影響了大氣降水及其對地下水的補給，形成對“三水”（大氣降水、地表水和地下水）轉換過程的重要影響。

黃河流域植被變化對流域水循環(huán)過程的影響

黃河流域的植被變化

黃河流域作為生態(tài)系統(tǒng)的敏感區(qū)，尤其是近年來實施的“退耕還林還草”政策，使得整個流域的植被覆蓋發(fā)生了顯著的變化。由圖?6a?可以看出，黃河流域大部分地區(qū)植被覆蓋在?2000?年以后明顯變好，且黃河中下游植被覆蓋增加最為顯著。圖?6b?清楚地顯示出，在?2000?年以后，整個黃河流域植被覆蓋指數(shù)（leaf area index，LAI）顯著增大，增加幅度達?36.6%。進一步的分析表明，上游流域（蘭州站以上集水區(qū)）1982—2017?年?LAI?增加了?22.8%，中下游流域增加?43.9%；上游流域年平均氣溫?1982—2017?年上升了?0.82℃，年降水量增加了?33.0?mm；而中下游流域平均升溫達?1.67℃，年降水量減少了?31.6?mm。從兩個區(qū)域氣候和植被覆蓋變化的對比可以發(fā)現(xiàn)，上游流域升溫且降水增多，植被覆蓋的增加主要是氣候要素的變化所引起的；而中下游顯著的暖干化氣候變化是植被生長的不利因素，但中下游地區(qū)的植被覆蓋度增長卻約是上游的?2?倍。可以推斷，氣候變化主導了上游流域的植被增加，而中下游植被增長與“三北防護林”建設和“退耕還林還草”政策的實施密切相關。

植被變化對黃河流域水循環(huán)過程的影響

氣候變化和人類活動是影響流域水循環(huán)的兩個重要方面。但由于不同流域之間地形地貌和氣候變化的區(qū)域差異及氣候的多樣性，加之人類活動方式的不同，導致不同流域水循環(huán)及其影響因子具有特殊性，形成一個流域尺度上自然和人類，包括水-土-氣-生相互作用過程的復雜系統(tǒng)，流域水循環(huán)變化機制的研究離不開對這些相互作用過程的探究。但從目前的進展來看，僅考慮單影響因子與水循環(huán)的相互作用，缺乏對各種因子影響流域水循環(huán)的相對貢獻和綜合影響的估算研究。存在的主要問題可歸納為?2?個方面：單向驅動的水文模型無法客觀描述氣候變化或人類活動和流域水循環(huán)的相互作用過程，沒有系統(tǒng)考慮大氣-植被-水文的完全耦合；在流域尺度上沒有考慮氣候變化和人類活動的綜合效應，缺乏對不同影響因素相對貢獻的客觀評估，有關黃河流域的研究同樣存在上述問題。

如前所述，自從?1999?年實施“退耕還林還草”政策以來，黃河流域植被覆蓋度顯著增大，如此顯著的植被變化會對整個流域的水循環(huán)產(chǎn)生怎樣的影響？當前的黃河流域徑流量的急劇減少與植被覆蓋變化是否有關？目前，還缺乏從物理成因的角度去解釋其形成機制的研究。例如，近年來黃土高原輸沙量的銳減與這個時段降水關系不大（降水在這個時段偏豐），其主要原因是人類活動改變了下墊面的植被覆蓋，因為植被覆蓋度的增加遏制了因降水產(chǎn)生的水土流失，減少了輸入河流的泥沙。然而，在泥沙銳減的同時，流域內的產(chǎn)流也急劇減少，形成了黃河流域特有的水沙矛盾；而植被覆蓋的增加也增大了下墊面的植被蒸騰，進而引起土壤中水分的減少和黃土中干土層的加厚，導致土壤中水分的供需不平衡。另外，產(chǎn)流占比整個流域35%的黃河源區(qū)由于地處青藏高原，下墊面十分復雜，對氣候變暖響應敏感，不同區(qū)域的氣溫、降水及其影響下積雪、凍土、植被等地表過程的變化及其對區(qū)域水文過程與水資源的影響存在著明顯的差異。在氣候暖干化、徑流急劇減少和人類用水不斷增加的背景下，如何厘清上述科學問題背后的機制和機理，是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。

黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的思考

綜上所述，在全球增暖和人類活動的共同影響下，黃河流域的氣候及水文過程發(fā)生了顯著的變化，中下游氣候的暖干化、流域徑流量的大幅減少、極端氣候事件的增多、植被改善但土壤水分減小和土壤干層不斷加厚等已成為黃河流域生態(tài)保護和實現(xiàn)高質量發(fā)展所面臨的主要問題。從科學研究的層面來講，黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展是涉及多學科交叉的復雜問題。然而，已有的研究尚不具備足以支撐黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的科學基礎。習近平總書記?2019?年?9?月18日的講話已經(jīng)把黃河流域生態(tài)保護及高質量發(fā)展提升為國家戰(zhàn)略，其核心目標有： 加強生態(tài)保護；保障黃河長治久安；推進水資源節(jié)約集約利用；推動黃河流域高質量發(fā)展；保護、傳承、弘揚黃河文化。要實現(xiàn)這些戰(zhàn)略目標，亟待對以下?5?個基礎科技問題開展研究。

建立黃河流域水-土-氣-生綜合觀測協(xié)同網(wǎng)絡并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。過去在黃河流域進行了大量的觀測實驗研究，如黃河源區(qū)的水-土-氣-生觀測試驗、黃土高原的小流域觀測試驗等，也積累了豐富數(shù)據(jù)。但這些研究大部分都是各自為政，未能構建起從黃河流域水-土-氣-生相互作用角度出發(fā)的長期連續(xù)的國家綜合觀測網(wǎng)絡，難以實現(xiàn)不同學科之間數(shù)據(jù)的共享。這極大地限制了相關科學研究工作的進展，也對國家的科技投資造成了極大浪費。因此，開展黃河流域生態(tài)保護基礎科學問題的研究，建立黃河流域水-土-氣-生綜合觀測協(xié)同網(wǎng)絡并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享是當務之急。

發(fā)展高分辨率流域氣候-水文-生態(tài)-人類社會經(jīng)濟耦合模式。過去對黃河流域的研究已經(jīng)取得了豐富的成果和長足的進展，但從地球系統(tǒng)科學的角度進行的多圈層相互作用研究還很薄弱，區(qū)域高分辨率地球系統(tǒng)模式在流域尺度還沒有得到很好的研究和應用。因此，在水-土-氣-生的相互作用過程取得新認識的基礎上，發(fā)展高分辨率流域氣候-水文-生態(tài)-社會經(jīng)濟耦合模式，將為在黃河流域開展“氣候-水-生態(tài)-社會經(jīng)濟系統(tǒng)機制”研究提供有效工具。

氣候-水-生態(tài)-人類社會經(jīng)濟的協(xié)同發(fā)展機制研究。黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的核心是氣候-水-生態(tài)-人類社會的協(xié)同發(fā)展。保障這種協(xié)同發(fā)展，需要利用流域高分辨的水-土-氣-生相互耦合的模式進行定量評估和綜合分析，厘清不同過程之間的相互協(xié)同機制，提出協(xié)同的最優(yōu)方案。

未來10—50年黃河流域氣候變化的情景預估及可能影響。在充分認識氣候-水-生態(tài)-人類社會協(xié)同機制和協(xié)同最優(yōu)方案的基礎上，利用發(fā)展完善的耦合模式開展未來?10—50?年黃河流域氣候變化的情景預估，既是制定未來黃河流域生態(tài)保護和高質量戰(zhàn)略規(guī)劃科學基礎的重要組成部分，也是主動應對氣候變化的有效途徑。

探索黃河流域動態(tài)分水方案和水資源節(jié)約集約利用的關鍵技術。氣候呈暖干化是實現(xiàn)黃河流域水資源可持續(xù)利用的不利因素。黃河流域水資源年際變化差異大，且存在明顯的徑流減少趨勢。因此，需要探索流域動態(tài)的水資源管理方案，以應對黃河流域水資源供需矛盾突出的嚴峻挑戰(zhàn)。此外，流域的節(jié)約用水也是一個永恒的話題。應在氣候時間尺度上，把未來水資源的可能情景作為剛性約束，大力發(fā)展行業(yè)節(jié)水的關鍵技術，實施全社會節(jié)水，推動用水方式由粗放向節(jié)約集約轉變，以期為黃河流域的高質量發(fā)展提供最基礎、最關鍵和最重要的水資源保障。（作者：馬柱國、符淙斌、周天軍、嚴中偉、李明星、鄭子彥、陳亮、呂美霞，中國科學院大氣物理研究所、中國科學院東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點實驗室。《中國科學院院刊》供稿）

相關文章