中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶網(wǎng)訊 2019?年?9?月18日，習(xí)近平總書(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上發(fā)表重要講話，指出“保護(hù)黃河是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千秋大計(jì)”，并強(qiáng)調(diào)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是國(guó)家戰(zhàn)略，對(duì)一些重大問(wèn)題要深入研究、科學(xué)論證。黃河是我國(guó)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(gè)省份總?cè)丝谶_(dá)?4.2?億，占全國(guó)人口的?30.3%；地區(qū)生產(chǎn)總值?23.9?萬(wàn)億元，占全國(guó)的?26.5%。習(xí)近平總書(shū)記的講話把黃河流域的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度，充分說(shuō)明了黃河流域在國(guó)家安全中的重要地位。

黃河流域以其占全國(guó)?2.2%?的徑流量，承擔(dān)著占全國(guó)?15%?的耕地和?12%?人口的供水任務(wù)。作為我國(guó)主要的能源基地，黃河流域煤炭資源占全國(guó)的?70%，石油儲(chǔ)量占?50%，大規(guī)模的能源開(kāi)發(fā)同樣需要大量的水資源。目前，人類(lèi)對(duì)水資源的需求已經(jīng)遠(yuǎn)超流域水資源的承載力，導(dǎo)致對(duì)地表水的過(guò)度利用和地下水的過(guò)度開(kāi)采，人類(lèi)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(duì)氣候變化極其敏感，近年來(lái)氣候呈暖干化是導(dǎo)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(lèi)活動(dòng)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(guó)水資源極其短缺的地區(qū)之一，并在未來(lái)?10—30?年內(nèi)仍將繼續(xù)面臨水資源嚴(yán)重短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

流域尺度的人類(lèi)無(wú)序用水和氣候變化的共同作用會(huì)對(duì)黃河流域區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生怎樣的影響？未來(lái)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(duì)流域產(chǎn)流會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？上述問(wèn)題的核心就是氣候變化-水-生態(tài)-人類(lèi)社會(huì)的協(xié)同機(jī)制問(wèn)題，而對(duì)這些問(wèn)題的回答是保障黃河流域生態(tài)系統(tǒng)健康的科學(xué)基礎(chǔ)。本文通過(guò)分析近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)黃河流域氣候水文的變化，揭示氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河流域水資源影響的事實(shí)，從水資源現(xiàn)狀指出黃河流域生態(tài)保護(hù)所存在的問(wèn)題，最后給出了實(shí)施黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展亟待進(jìn)行研究的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)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(fù)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(lái)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(shì)，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(gè)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(guò)去?68?年整體趨于暖干化。通過(guò)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(shì)，而中下游表現(xiàn)為明顯的減少趨勢(shì)。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(gè)表征降水過(guò)程的有效指標(biāo)，當(dāng)降水集中度的值大時(shí)，極端降水產(chǎn)生的頻率就大，這種降水過(guò)程的變化對(duì)徑流的產(chǎn)生也具有重要作用，同樣的降水量由于降水過(guò)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(shì)，尤其是中下游地區(qū)，這說(shuō)明黃河流域的極端降水過(guò)程正趨于增多。

從整個(gè)流域來(lái)講，氣候呈現(xiàn)暖干化趨勢(shì)，而極端降水過(guò)程也正趨于增加，這些現(xiàn)象將對(duì)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(lèi)用水

黃河流域地處干旱半干旱區(qū)，也是人類(lèi)活動(dòng)最劇烈的地區(qū)之一，水資源對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)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(shí)入手，分析流域人類(lèi)用水狀況。

由圖?3?可以看出，1961—2016?年黃河流域無(wú)論是實(shí)測(cè)徑流還是天然徑流，都存在明顯的下降趨勢(shì)。天然徑流的下降趨勢(shì)與該時(shí)段氣候的暖干化有關(guān)，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(guò)程加速，不利于徑流的產(chǎn)生。實(shí)測(cè)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(guān)外，人類(lèi)對(duì)地表水的過(guò)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(guó)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(gè)流域供水量的?60%?以上。從圖?4?可以看出，全流域人類(lèi)用水占地表總徑流量的比例從?20?世紀(jì)?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(yuǎn)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(kāi)始有一個(gè)減小趨勢(shì)（2002—2018?年減少了?3.4741×10⁹?m³），工業(yè)用水在?2011?年達(dá)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(zhǎng)趨勢(shì)，分別增加了?1.459×10⁹?和?1.94×10⁹?m³。黃河流域人類(lèi)用水中，農(nóng)業(yè)用水占比最高，2002—2018?年平均占比達(dá)?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(dāng)于整個(gè)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(gè)流域的蒸散發(fā)大小。由于地表水供應(yīng)的嚴(yán)重不足，黃河流域地下水嚴(yán)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(gè)地下水漏斗區(qū)。統(tǒng)計(jì)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(lái)黃河流域平原區(qū)平均地下水開(kāi)采量為?1.323×10⁹?m³，遠(yuǎn)超該地區(qū)地下水與地表水的可重復(fù)量。另外，黃河干支流已建大型水庫(kù)?20?余座，總庫(kù)容超過(guò)?7×10¹⁰?m³，遠(yuǎn)超黃河的河川徑流量，并且水庫(kù)及庫(kù)容量的增加使得整個(gè)流域地表水體近?10?年迅速擴(kuò)大。人類(lèi)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(duì)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(jìn)而影響了大氣降水及其對(duì)地下水的補(bǔ)給，形成對(duì)“三水”（大氣降水、地表水和地下水）轉(zhuǎn)換過(guò)程的重要影響。

黃河流域植被變化對(duì)流域水循環(huán)過(guò)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(lái)實(shí)施的“退耕還林還草”政策，使得整個(gè)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(gè)黃河流域植被覆蓋指數(shù)（leaf area index，LAI）顯著增大，增加幅度達(dá)?36.6%。進(jìn)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(dá)?1.67℃，年降水量減少了?31.6?mm。從兩個(gè)區(qū)域氣候和植被覆蓋變化的對(duì)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(zhǎng)的不利因素，但中下游地區(qū)的植被覆蓋度增長(zhǎng)卻約是上游的?2?倍。可以推斷，氣候變化主導(dǎo)了上游流域的植被增加，而中下游植被增長(zhǎng)與“三北防護(hù)林”建設(shè)和“退耕還林還草”政策的實(shí)施密切相關(guān)。

植被變化對(duì)黃河流域水循環(huán)過(guò)程的影響

氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是影響流域水循環(huán)的兩個(gè)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(lèi)活動(dòng)方式的不同，導(dǎo)致不同流域水循環(huán)及其影響因子具有特殊性，形成一個(gè)流域尺度上自然和人類(lèi)，包括水-土-氣-生相互作用過(guò)程的復(fù)雜系統(tǒng)，流域水循環(huán)變化機(jī)制的研究離不開(kāi)對(duì)這些相互作用過(guò)程的探究。但從目前的進(jìn)展來(lái)看，僅考慮單影響因子與水循環(huán)的相互作用，缺乏對(duì)各種因子影響流域水循環(huán)的相對(duì)貢獻(xiàn)和綜合影響的估算研究。存在的主要問(wèn)題可歸納為?2?個(gè)方面：?jiǎn)蜗蝌?qū)動(dòng)的水文模型無(wú)法客觀描述氣候變化或人類(lèi)活動(dòng)和流域水循環(huán)的相互作用過(guò)程，沒(méi)有系統(tǒng)考慮大氣-植被-水文的完全耦合；在流域尺度上沒(méi)有考慮氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的綜合效應(yīng)，缺乏對(duì)不同影響因素相對(duì)貢獻(xiàn)的客觀評(píng)估，有關(guān)黃河流域的研究同樣存在上述問(wèn)題。

如前所述，自從?1999?年實(shí)施“退耕還林還草”政策以來(lái)，黃河流域植被覆蓋度顯著增大，如此顯著的植被變化會(huì)對(duì)整個(gè)流域的水循環(huán)產(chǎn)生怎樣的影響？當(dāng)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(guān)？目前，還缺乏從物理成因的角度去解釋其形成機(jī)制的研究。例如，近年來(lái)黃土高原輸沙量的銳減與這個(gè)時(shí)段降水關(guān)系不大（降水在這個(gè)時(shí)段偏豐），其主要原因是人類(lèi)活動(dòng)改變了下墊面的植被覆蓋，因?yàn)橹脖桓采w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(shí)，流域內(nèi)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(jìn)而引起土壤中水分的減少和黃土中干土層的加厚，導(dǎo)致土壤中水分的供需不平衡。另外，產(chǎn)流占比整個(gè)流域35%的黃河源區(qū)由于地處青藏高原，下墊面十分復(fù)雜，對(duì)氣候變暖響應(yīng)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(guò)程的變化及其對(duì)區(qū)域水文過(guò)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(lèi)用水不斷增加的背景下，如何厘清上述科學(xué)問(wèn)題背后的機(jī)制和機(jī)理，是實(shí)現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的思考

綜上所述，在全球增暖和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下，黃河流域的氣候及水文過(guò)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(hù)和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展所面臨的主要問(wèn)題。從科學(xué)研究的層面來(lái)講，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是涉及多學(xué)科交叉的復(fù)雜問(wèn)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(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)。習(xí)近平總書(shū)記?2019?年?9?月18日的講話已經(jīng)把黃河流域生態(tài)保護(hù)及高質(zhì)量發(fā)展提升為國(guó)家戰(zhàn)略，其核心目標(biāo)有： 加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)；保障黃河長(zhǎng)治久安；推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用；推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展；保護(hù)、傳承、弘揚(yáng)黃河文化。要實(shí)現(xiàn)這些戰(zhàn)略目標(biāo)，亟待對(duì)以下?5?個(gè)基礎(chǔ)科技問(wèn)題開(kāi)展研究。

建立黃河流域水-土-氣-生綜合觀測(cè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。過(guò)去在黃河流域進(jìn)行了大量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，如黃河源區(qū)的水-土-氣-生觀測(cè)試驗(yàn)、黃土高原的小流域觀測(cè)試驗(yàn)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(gòu)建起從黃河流域水-土-氣-生相互作用角度出發(fā)的長(zhǎng)期連續(xù)的國(guó)家綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，難以實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科之間數(shù)據(jù)的共享。這極大地限制了相關(guān)科學(xué)研究工作的進(jìn)展，也對(duì)國(guó)家的科技投資造成了極大浪費(fèi)。因此，開(kāi)展黃河流域生態(tài)保護(hù)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，建立黃河流域水-土-氣-生綜合觀測(cè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享是當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)展高分辨率流域氣候-水文-生態(tài)-人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合模式。過(guò)去對(duì)黃河流域的研究已經(jīng)取得了豐富的成果和長(zhǎng)足的進(jìn)展，但從地球系統(tǒng)科學(xué)的角度進(jìn)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(méi)有得到很好的研究和應(yīng)用。因此，在水-土-氣-生的相互作用過(guò)程取得新認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，發(fā)展高分辨率流域氣候-水文-生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合模式，將為在黃河流域開(kāi)展“氣候-水-生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)機(jī)制”研究提供有效工具。

氣候-水-生態(tài)-人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)同發(fā)展機(jī)制研究。黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的核心是氣候-水-生態(tài)-人類(lèi)社會(huì)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(jìn)行定量評(píng)估和綜合分析，厘清不同過(guò)程之間的相互協(xié)同機(jī)制，提出協(xié)同的最優(yōu)方案。

未來(lái)10—50年黃河流域氣候變化的情景預(yù)估及可能影響。在充分認(rèn)識(shí)氣候-水-生態(tài)-人類(lèi)社會(huì)協(xié)同機(jī)制和協(xié)同最優(yōu)方案的基礎(chǔ)上，利用發(fā)展完善的耦合模式開(kāi)展未來(lái)?10—50?年黃河流域氣候變化的情景預(yù)估，既是制定未來(lái)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量戰(zhàn)略規(guī)劃科學(xué)基礎(chǔ)的重要組成部分，也是主動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑。

探索黃河流域動(dòng)態(tài)分水方案和水資源節(jié)約集約利用的關(guān)鍵技術(shù)。氣候呈暖干化是實(shí)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(shì)。因此，需要探索流域動(dòng)態(tài)的水資源管理方案，以應(yīng)對(duì)黃河流域水資源供需矛盾突出的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，流域的節(jié)約用水也是一個(gè)永恒的話題。應(yīng)在氣候時(shí)間尺度上，把未來(lái)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(guān)鍵技術(shù)，實(shí)施全社會(huì)節(jié)水，推動(dòng)用水方式由粗放向節(jié)約集約轉(zhuǎn)變，以期為黃河流域的高質(zhì)量發(fā)展提供最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵和最重要的水資源保障。（作者：馬柱國(guó)、符淙斌、周天軍、嚴(yán)中偉、李明星、鄭子彥、陳亮、呂美霞，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所、中國(guó)科學(xué)院東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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