氣候變化對黃河流域生態環境影響及生態需水研究

雷 雨

(新疆水利水電規劃設計管理局，烏魯木齊 830000)

黃河流域西起巴顏喀拉山，東臨渤海，南至秦嶺，北抵陰山，流域面積79.5×104km2，干流全長5 400 km，流域內以大陸性季風氣候為主，降水集中于6～9月份，徑流年際變化大。流域多年平均天然徑流量為535×108m3，河川徑流量僅占全國河川徑流的2.1%，但是耕地面積占全國耕地面積的12.5%，多年平均輸沙量12.47×108t，是世界上輸沙量最大的河流，這些都加劇了黃河流域內的水資源供需矛盾。蘭州以上水量占黃河的62%，是主要產流區；河口鎮至龍門區間水量占9%，但產沙量約為54%，是黃河主要產沙區。由于水沙的不協調，黃河下游淤積嚴重，成為“地上懸河”。黃河流域的這些基本特點決定了其對氣候變化和人類活動影響的敏感性和脆弱性[1]。

IPCC(Intergovermental Panel on Climate Change)研究報告指出，近百年來全球氣候呈現以變暖為主要特征的顯著變化，并且未來氣溫將繼續上升。根據王云璋等[2]、劉吉峰等[3]、何霄嘉等[4]研究，黃河流域近20年也呈現氣溫升高、氣候變暖，氣候變暖使得蒸發增強，導致干旱加劇。在流域水資源逐漸減少下，農業用水、工業用水和城市生活用水增加導致維持流域生態需水顯著減少，特別是進入20世紀90年代后黃河下游斷流次數與斷流時間顯著增加，對流域生態環境產生不可逆影響，流域中上游旱地植被退化，濕地萎縮。因此，研究氣候變化對黃河流域水資源的影響，厘清水資源變化對黃河流域生態環境的改變，保障流域內生態環境需水，成為治理黃河流域生態問題的關鍵。

1 黃河流域氣候變化

1.1 黃河流域氣溫和降雨變化

黃河流域氣溫變化與全球變暖相一致，表1是黃河流域內氣溫在年際間的變化。可以看出，平均氣溫升高0.6℃在1961～2000年之間，冬季升溫趨勢明顯強于夏季。以20世紀90年代為分界，之前以偏暖為主，之后以持續偏暖為主；在進入20世紀后，溫度升高趨勢更加明顯。分析全流域溫度變化趨勢，在河源區溫度升高幅度最大，從1960年以來，溫度升高0.32℃；在唐乃亥以上地區，進入20世紀90年代后相比多年平均氣溫升高0.5℃；對于澤庫一帶，升溫幅度最大為0.58℃。

表1 黃河流域年氣溫年代際變化 /℃

黃河流域降雨分布特征為從東南向西北逐漸減少，在整個流域內降雨量的年際變化較大，但總體上呈現波動下降趨勢。在1956～2010年間，平均降雨量為446.3 mm；20世紀90年代后與氣溫的逐漸升高相反，降雨則逐漸減少，僅為425.3 mm；但進入21世紀以來，降雨則略有增加。表2為黃河流域不同年份間的變化。

表2 黃河流域年降水量年代際變化 /mm

1.2 黃河流域氣候變化對蒸發影響

很多學者[5-7]對黃河流域近40年蒸發皿蒸發進行了研究。總體上蒸發皿蒸發呈現下降趨勢，相比于冬季和秋季，春夏下降最為明顯。在整個流域上呈現出不同的的變化趨勢，上游和下游蒸發皿蒸發呈現出下降趨勢，但是中游則持平并略有上升。蒸發量與氣象條件中輻射有密切關系，根據研究近年來全球輻射持續下降。與蒸發皿蒸發所不同，流域內實際蒸發則呈現出持續升高趨勢，這主要與黃河流域內日照時數、氣溫、飽和差增加相關。并且實際蒸發與下墊面的條件有很大關系，如干旱所致灌溉后，充分供水條件造成更大蒸發。

1.3 黃河流域氣候變化對徑流影響

表3為黃河干流主要水文站實測徑流。從表3可以看出，近年來黃河流域地表徑流量有明顯的減少趨勢，徑流減少主要由于人為因素和氣候因素造成。在黃河干流12個主要水文站實測徑流中可以看出，20世紀60年代黃河干支流徑流量較多，70年代以后徑流量有不同程度的減少，以90年代減少最多，干流利津站、汾河河津站、沁河武陟站減少的比例都在70%以上。干流從上到下實測徑流的減幅呈沿程增大的趨勢。

2 氣候變化對黃河流域生態環境的影響

2.1 氣候變化對水環境的影響

氣候變化下，黃河流域內水環境的變化主要表現為地表水和地下水水質的惡化。在全球氣候變暖的背景下，湖泊和河流水溫上升，對水熱力結構和水質產生影響；加之河川徑流量減少，使水中化學成分濃度增加，在水溫升高和徑流減少的雙重影響下，河流水質受到嚴重影響。氣候的變化對水文的影響主要集中在對水量的影響，而基本沒有涉及對河流水質及生態環境的影響。氣候變暖后，一些地區由于蒸發量加大，河道流量趨于減少，將加重河道原有的污染程度，特別是枯水季節。同時，河水溫度升高，也會促進河流污染物的沉積、廢棄物的分解，進而使水質下降。黃河水環境問題突出表現為水質污染，主要是由于人類活動產生的工業廢污水排放以及實測徑流量減少導致，但氣候變化一定程度上加劇了水質污染。根據《2016年中國環境狀況公報》的數據，黃河水系總體為輕度污染，主要污染指標為化學需氧量、氨氮和五日生化需氧量。137個國考斷面中，Ⅰ類占2.2%，Ⅱ類占32.1%，Ⅲ類占24.8%，Ⅳ類占20.4%，Ⅴ類占6.6%，劣Ⅴ類占13.9%。假設未來取水和排污情況不變情境下，氣溫升高將加大水面蒸發，削弱或抵消降雨增加形成的徑流，甚至導致黃河徑流減少。徑流減少相對提高了河水污染濃度，超標項目的數量增加，斷流期間部分河段的污染物還會發生積累，這會削弱河流海洋的自凈能力、加重污染程度，使水質更加惡化。地下水水質的惡化主要是由于對地下水開采超限，造成地下水位的降低，使得地表水補充地下水，污染地下水水質。水溫和水質的變化使湖泊中藻類和浮游動物增加，河流中魚類的分布發生變化并提早遷移。也會對其他生物造成影響[1]。

表3 黃河干支流主要水文站實測徑流統計 /108 m3

2.2 氣候變化下黃河斷流趨勢增加

據黃河干流水文站觀測記錄資料，源頭斷流始于1960年，且連續3次出現跨年度斷流，斷流現象多發生在源區最寒冷的12月份～翌年2月份，斷流多發年份多為枯水年份與干旱年份，黃河源區的斷流使得入湖水量減少，“兩湖”萎縮，因此改變了局部小氣候環境和環湖生態環境。另外，氣候變化使得黃河上游來水、產水量減少，限制了中下游工農業生產及人民生活用水，河道沖淤用水減少，嚴重影響黃河流域的生態環境。20世紀90年代，源頭地區降雨、氣溫、蒸發量均有緩慢上升趨勢，而地表積雪量有下降的趨勢，但緩慢增多的降水也基本被大氣蒸發消耗。20世紀90年代中期至今，降水嚴重不足，地表水虧缺越來越大，導致河水干涸、雪線上升、冰川萎縮、濕地和湖泊面積減少、土壤疏松，使得冬春季的大風和沙塵天氣逐步抬頭，環境狀況極其惡劣，人們的生存環境受到挑戰。黃河中游不僅地區性水資源稀缺，而且嚴重的水土流失也是當前生態環境惡化和下游河槽淤積的重要根源之一。變化環境下的黃河中游水文情勢將對整個黃河流域的水資源供需、中游的生態環境和下游的河勢變化具有重大影響。由于降水少、蒸發強度大，中游水資源匱乏，天然年徑流量約為120×108m3，占比不到黃河天然年徑流量的1/4。20世紀90年代后期，黃河連年出現枯水。1999～2003年，黃河主要來水區年均來水量比多年同期偏枯40%以上。同時，黃河干流主要水庫蓄水量嚴重不足。

降雨量的減少和時空分布不均是導致黃河斷流的一個基本原因。20世紀90年代的年均降水量僅為70年代的88.7%，天然徑流量僅為其84.6%，而實測徑流量僅為其74.5%[9]。20世紀90年代以來山東省降雨持續偏少，利津站斷流始于1972年，1972～1999年的28年間，下流有82次斷流，且首次斷流的時間提前、斷流時間和距離不斷延長[10]。國家計委、水利部頒布實施《黃河可供水量年度分配及干流水量調度方案》和《黃河水量調度管理辦法》之后，2000年以來黃河未曾斷流。當然黃河斷流的原因是多方面的。由于上中游區降水量及來水量的明顯減少，對下游斷流的影響是非常突出的。同時，氣候的暖干化發展，導致生活生產用水量增加，使人為引水量更多，加劇了黃河水資源的緊張形勢，增加了下游斷流的機會[8]。徑流量隨降雨增多而增加，但隨氣溫的升高而減少。根據全球氣候模式和排放方案預測，2010～2030年期間，預計流域平均氣溫將增加1.8℃，2010～2020年平均呈現平水現象，2020～2030年呈現平偏豐現象，2030～2040年呈現平偏枯現象。在GCM(Global Climate Model)氣候情景下，蘭州以上黃河流域汛期徑流量約減16×108m3，全年徑流量減少19.5×108m3。因此，在未來黃河流域斷流風險持續增加。

2.3 氣候變化下黃河源區多年凍土不斷退化

1991～1998年，黃河源區河湖附近多年凍土區范圍存在大幅度的退化現象，局部多年凍土厚度減薄乃至消失，貫通性融區范圍大幅度擴大；多年凍土下界海拔上升，且垂直上升幅度大于50 m；多年凍土上限海拔亦上升，季節性融化層厚度增大。多年凍土退化將削弱凍土的生態環境地質功能，引起黃河源區生態環境惡化。凍土退化后，形成的地下水流系統新格局對源區黃河斷流起控制作用。當凍土上限下移，季節融化層深度增加，而補給減少時，一方面引起區域地下水位下降，另一方面使退化區地下水流系統由凍結層上水流系統轉化為非凍結區地下水系統，使對生態環境起制約作用的凍結層上水水流系統消失，地下水位下降，地表水與地下水的補排關系發生倒置。當地下水位低于河水位時，河水補給地下水，從而引起黃河徑流的減少。另外，凍土退化導致植被覆蓋度降低，“黑土灘擴大”，荒漠化加劇。

2.4 氣候變化下黃河流域濕地不斷萎縮

氣溫升高、降水變化和海平面上升是影響濕地分布和功能的主要氣候變化因素[11]。濕地面積的損失是濕地退化的直接表征之一。濕地面積損失導致濕地容量減小，會使得生態環境條件發生變化。景觀結構的變化也使得生態環境發生變化。氣候變暖、水面蒸發量加大、凍土融化，而降水量減少或保持穩定，使地表旱化、植被退化、湖泊退縮，成為驅動濕地退化的主要原因。同時，高寒沼澤草甸逐步演變為高寒草甸草場，并造成植被覆蓋度降低，裸地不斷擴展，嚴重地段已荒漠化。在近幾十年，黃河源區湖泊出現明顯的萎縮、堿化、鹽湖化等現象。主要表現為湖水位持續下降、礦化度和pH增高，小型湖泊、水塘干涸。例如，阿涌貢瑪錯湖水位從1998年開始一直下降，到2001年已下降61.5 cm。據瑪多縣統計，境內原有4 077個大小湖泊，到2000年已有一半干涸[12]。基于IPCC氣候情景，預計未來20年黃河源區氣溫升高0.85℃～0.91℃，降水變化0.02～0.05 mm/d。降水的增加將一定程度上補給濕地用水，對維持和恢復濕地具有積極作用，但是氣溫的升高又會抵消這部分作用。黃河下游河道濕地是黃河河流生態系統的重要組成部分，黃河下游頻繁斷流對河道濕地的破壞性較大。來水量減少，加之過高的開發利用率使黃河下游斷流頻繁，斷流減少了河水維護河道的自然能力，導致河道萎縮、惡化。一般而言，河流流量越大，河道淤積量減少，泥沙的淤積造成漫灘懸差一般為3～5 m，最大達10 m以上。河流斷流直接導致三角洲地區淡水資源的缺乏，濕地逐漸向干旱化發展。沙源減少導致海岸蝕退，陸地及淺海面積減少，濱海濕地范圍縮小。例如，1985-2004年，東營濱海濕地所占土地面積的比重由最初45.1%降低到36.9%。海平面上升導致咸水侵入淡水河地下水，研究表明如果海平面上升48 cm，黃河三角洲大約40%的土地將被淹沒，大片濕地將消失。

3 黃河流域生態環境需水的保障

對于生態用水的保障是應對黃河流域近年來生態環境的破壞有效方式。生態需水研究是合理配置水資源、實現水資源可持續利用的基礎，在最早的研究中，主要是針對河流生態需水的研究，一直到20世紀80年代，應對河流斷流和污染等問題，國內專家提出應在水資源配置中考慮生態需水。劉昌明[13]根據流域水資源開發與利用關系提出了生態水利的“四大平衡”原理(水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡、水量平衡)。司源等[14]對黃河下游生態需水進行研究，揭示了對于生態需水仍存在很多問題，例如水文過程與生態系統作用關系尚未厘清，生態流量與水庫調度尺度存在差異。也有很多研究指明黃河具體生態流量，例如，胡鞍鋼等[15]指出，黃河現狀生態環境底限需水量為190×108m3/a。石偉等[16]基于平灘流量時輸沙用水量最小的設想，估算值為80×108～120×108m3/a。楊志峰等[17]主要考慮河道基本生態環境需水量、輸沙量及入海量，認為黃河下游河道最小生態需水量為189.2×108m3/a。可以看出這些研究多是對生態需水的“量”進行探討，未考慮不同水平年情景，并且多采用經驗或者半經驗公式，并未建立水文-生態的聯系和響應關系。

對于黃河流域生態需水研究必須建立在流域尺度，雖然流域生態系統具有特殊和復雜的等級結構，但是按照楊志峰等[18]研究，可以根據生態系統的結構和特點將整個流域需水概括成3個主要部分(河口生態需水、濕地生態需水和旱地生態系統需水)，以這3個主體部分對黃河流域生態需水進行估算。另外，流域內水資源的分布和分配受到氣候變化的影響，同樣的氣候變化也顯著的改變著流域內的生態需水，因此考慮氣候變化下生態需水的時空演變關系對于整個流域內水資源管理十分必要。不僅能夠以氣候變化為基礎預測整個流域內水資源變化趨勢，還能更加準確評估生態系統需水演變，更加合理準確地進行整個流域內的水資源調配，保證黃河生態的可持續發展。

3.1 氣候變化對旱地生態系統需水

將整個旱地生態系統作為一個有機的整體計算需水量，這樣能夠更加準確計算生態需水，避免重疊計算。旱地生態環境需水考慮降雨蓄滲過程及坡面匯流過程中旱地生態系統蒸散發及下滲消耗的水量，這部分水量一方面是自然界水分循環過程中降水轉變為徑流過程中的主要損失；另一方面也是旱地生態環境需水的主要類型。因此，旱地生態環境需水主要由降雨自然補給。另外，旱地生態環境需水受到土壤類型、光照條件、植被類型以及植物生長期的影響。流域內氣候變化改變了氣溫、降雨和蒸發，由此顯著地影響旱地生態系統需水量，建立黃河流域內旱地生態系統在氣候變化下的時空演變規律，根據史超等[19]對漢江上游植被生態需水在氣候變化下的時空演變研究發現，這部分生態需水整體上呈現非顯著增加趨勢。劉昌明等[13]認為弄清楚缺水和需水規律是解決該區缺水危機和生態環境建設合理配置的依據。因此，考慮氣候變化下降雨、植被蒸散發以及土壤水分含量變化，才能更加準確地揭示流域內旱地生態系統需水規律的演變。目前，利用3S技術可以建立大尺度生態系統需水量的時空演變規律，這樣才能合理高效地進行流域管理與生態建設。

3.2 氣候變化對濕地生態環境需水

流域內濕地生態形態主要位于流域水循環匯流過程中，對于濕地生態系統中植被與土壤需水與旱地生態系統類似。濕地生態系統中，水生生物對棲息地質量的要求使得保持濕地水體規模、質量及其隨時間的變化成為濕地生態環境需水的重點。另外，還需考慮下游生態系統對水量的輸入要求。對于流域中湖沼濕地，由于其交替周期長、流動緩慢，因此其需水主要受到其中生物種群類型和生物量大小以及其對棲息地要求的影響。對于河流濕地，其水體流動性為主要特征，為水生生物提供棲息、遷徙通道。對于河流濕度需水量的計算主要受到泥沙輸運以及魚類棲息、繁殖等不同生長期對水流流速、河道水深的影響。對于濕地生態系統關于生態需水的研究較多，胡鞍鋼[15]、石偉[16]、楊志峰[17]等都對黃河下游生態需水進行研究，主要考慮要素為輸沙用水、水污染防治用水、沿岸濕地補水、魚類生存用水，并得出黃河下游生態需水大致在200×108m3左右。根據近年來黃河流域徑流統計資料，在氣候逐漸變暖的情況下，流域內氣溫、降雨、蒸發和徑流發生改變，通過經驗和半經驗公式(7Q10和Tennant法)并不能揭示實際流域耗水，在水資源短缺情況下并不能保證基本的生態環境需水，造成黃河流域湖泊、濕地出現不同程度退化，生物多樣性面臨巨大挑戰。目前，河流、湖泊生態需水計算已有大量的資料。根據這些計算方法，考慮氣候變化下時間分布，建立濕地系統生態基流、自凈需水、輸沙蒸發滲漏等需水因素時空演變模型，明確氣象因子對生態需水的敏感程度，科學評價氣候變化下濕地生態系統的需水時空規律，才能在整個流域尺度對水資源進行管理利用，同時保證生態系統的可持續發展。

3.3 氣候變化對河口生態環境需水

河口生態系統位于流域淡水系統與海洋咸水生態系統的交界處。其不僅具有為近海生態系統輸入淡水的功能，同時還受到海洋生態系統的強烈影響，對于這部分需水強調保持陸海交互作用下不同生態要素的平衡。對于河口生態系統來說，經常將其與河口三角洲相等同。趙欣勝等[20]利用生態水文學方法計算了河口濕地的最小、適宜和理想需水量。孫濤和楊志峰等[21]在分析了河口生態環境需水類型的基礎上采用了水文學、生物學和水力學方法，考慮了生態系統水循環、生物循環消耗水量和生物棲息需水量，得到了河口生態環境需水年度總量。在氣候變化下，水循環、生物循環、棲息地需水都會呈現出明顯的時空演變。在以往的研究中，僅僅根據歷年統計資料，給出一個最小、適宜和理想3種情境下的需水量計算，并不能深入揭示河口生態需水，因為水循環、生物循環和棲息地都在氣候變化下受到深刻的影響。因此，對于生態需水的計算必須將氣候變化作為其中計算的一個因子，這樣才能科學深刻揭示生態系統需水規律。

4 結 語

近年來伴隨全球氣候變化，加之我國近40年以來經濟社會深刻變化，黃河流域產生一系列生態環境問題，如黃河水質惡化、旱地植被退化、多年凍土減少、河流斷流、濕地萎縮等。對流域內生態環境治理與保護成為當今黃河流域管理的主要內容，生態問題的產生并不全部是人為因素造成，流域內氣候變化也對環境造成影響。氣候變化下，總體水資源減少與生態需水增加之間的矛盾使這些生態問題日益凸顯。通過對旱地生態系統、濕地生態系統和河口生態系統在氣候變化下生態需水的研究發現，對于生態需水必須從全流域角度和氣候變化下角度計算；明確各個系統生態需水量，從而實現流域內一體化管理；加強工程和非工程措施的建設，科學對水庫群和攔河閘壩群的調度，高效科學利用水資源，保證生態用水量。