气候变化对黄河流域生态环境影响及生态需水研究

雷 雨

(新疆水利水电规划设计管理局，乌鲁木齐 830000)

黄河流域西起巴颜喀拉山，东临渤海，南至秦岭，北抵阴山，流域面积79.5×104km2，干流全长5 400 km，流域内以大陆性季风气候为主，降水集中于6～9月份，径流年际变化大。流域多年平均天然径流量为535×108m3，河川径流量仅占全国河川径流的2.1%，但是耕地面积占全国耕地面积的12.5%，多年平均输沙量12.47×108t，是世界上输沙量最大的河流，这些都加剧了黄河流域内的水资源供需矛盾。兰州以上水量占黄河的62%，是主要产流区；河口镇至龙门区间水量占9%，但产沙量约为54%，是黄河主要产沙区。由于水沙的不协调，黄河下游淤积严重，成为“地上悬河”。黄河流域的这些基本特点决定了其对气候变化和人类活动影响的敏感性和脆弱性[1]。

IPCC(Intergovermental Panel on Climate Change)研究报告指出，近百年来全球气候呈现以变暖为主要特征的显著变化，并且未来气温将继续上升。根据王云璋等[2]、刘吉峰等[3]、何霄嘉等[4]研究，黄河流域近20年也呈现气温升高、气候变暖，气候变暖使得蒸发增强，导致干旱加剧。在流域水资源逐渐减少下，农业用水、工业用水和城市生活用水增加导致维持流域生态需水显著减少，特别是进入20世纪90年代后黄河下游断流次数与断流时间显著增加，对流域生态环境产生不可逆影响，流域中上游旱地植被退化，湿地萎缩。因此，研究气候变化对黄河流域水资源的影响，厘清水资源变化对黄河流域生态环境的改变，保障流域内生态环境需水，成为治理黄河流域生态问题的关键。

1 黄河流域气候变化

1.1 黄河流域气温和降雨变化

黄河流域气温变化与全球变暖相一致，表1是黄河流域内气温在年际间的变化。可以看出，平均气温升高0.6℃在1961～2000年之间，冬季升温趋势明显强于夏季。以20世纪90年代为分界，之前以偏暖为主，之后以持续偏暖为主；在进入20世纪后，温度升高趋势更加明显。分析全流域温度变化趋势，在河源区温度升高幅度最大，从1960年以来，温度升高0.32℃；在唐乃亥以上地区，进入20世纪90年代后相比多年平均气温升高0.5℃；对于泽库一带，升温幅度最大为0.58℃。

表1 黄河流域年气温年代际变化 /℃

黄河流域降雨分布特征为从东南向西北逐渐减少，在整个流域内降雨量的年际变化较大，但总体上呈现波动下降趋势。在1956～2010年间，平均降雨量为446.3 mm；20世纪90年代后与气温的逐渐升高相反，降雨则逐渐减少，仅为425.3 mm；但进入21世纪以来，降雨则略有增加。表2为黄河流域不同年份间的变化。

表2 黄河流域年降水量年代际变化 /mm

1.2 黄河流域气候变化对蒸发影响

很多学者[5-7]对黄河流域近40年蒸发皿蒸发进行了研究。总体上蒸发皿蒸发呈现下降趋势，相比于冬季和秋季，春夏下降最为明显。在整个流域上呈现出不同的的变化趋势，上游和下游蒸发皿蒸发呈现出下降趋势，但是中游则持平并略有上升。蒸发量与气象条件中辐射有密切关系，根据研究近年来全球辐射持续下降。与蒸发皿蒸发所不同，流域内实际蒸发则呈现出持续升高趋势，这主要与黄河流域内日照时数、气温、饱和差增加相关。并且实际蒸发与下垫面的条件有很大关系，如干旱所致灌溉后，充分供水条件造成更大蒸发。

1.3 黄河流域气候变化对径流影响

表3为黄河干流主要水文站实测径流。从表3可以看出，近年来黄河流域地表径流量有明显的减少趋势，径流减少主要由于人为因素和气候因素造成。在黄河干流12个主要水文站实测径流中可以看出，20世纪60年代黄河干支流径流量较多，70年代以后径流量有不同程度的减少，以90年代减少最多，干流利津站、汾河河津站、沁河武陟站减少的比例都在70%以上。干流从上到下实测径流的减幅呈沿程增大的趋势。

2 气候变化对黄河流域生态环境的影响

2.1 气候变化对水环境的影响

气候变化下，黄河流域内水环境的变化主要表现为地表水和地下水水质的恶化。在全球气候变暖的背景下，湖泊和河流水温上升，对水热力结构和水质产生影响；加之河川径流量减少，使水中化学成分浓度增加，在水温升高和径流减少的双重影响下，河流水质受到严重影响。气候的变化对水文的影响主要集中在对水量的影响，而基本没有涉及对河流水质及生态环境的影响。气候变暖后，一些地区由于蒸发量加大，河道流量趋于减少，将加重河道原有的污染程度，特别是枯水季节。同时，河水温度升高，也会促进河流污染物的沉积、废弃物的分解，进而使水质下降。黄河水环境问题突出表现为水质污染，主要是由于人类活动产生的工业废污水排放以及实测径流量减少导致，但气候变化一定程度上加剧了水质污染。根据《2016年中国环境状况公报》的数据，黄河水系总体为轻度污染，主要污染指标为化学需氧量、氨氮和五日生化需氧量。137个国考断面中，Ⅰ类占2.2%，Ⅱ类占32.1%，Ⅲ类占24.8%，Ⅳ类占20.4%，Ⅴ类占6.6%，劣Ⅴ类占13.9%。假设未来取水和排污情况不变情境下，气温升高将加大水面蒸发，削弱或抵消降雨增加形成的径流，甚至导致黄河径流减少。径流减少相对提高了河水污染浓度，超标项目的数量增加，断流期间部分河段的污染物还会发生积累，这会削弱河流海洋的自净能力、加重污染程度，使水质更加恶化。地下水水质的恶化主要是由于对地下水开采超限，造成地下水位的降低，使得地表水补充地下水，污染地下水水质。水温和水质的变化使湖泊中藻类和浮游动物增加，河流中鱼类的分布发生变化并提早迁移。也会对其他生物造成影响[1]。

表3 黄河干支流主要水文站实测径流统计 /108 m3

2.2 气候变化下黄河断流趋势增加

据黄河干流水文站观测记录资料，源头断流始于1960年，且连续3次出现跨年度断流，断流现象多发生在源区最寒冷的12月份～翌年2月份，断流多发年份多为枯水年份与干旱年份，黄河源区的断流使得入湖水量减少，“两湖”萎缩，因此改变了局部小气候环境和环湖生态环境。另外，气候变化使得黄河上游来水、产水量减少，限制了中下游工农业生产及人民生活用水，河道冲淤用水减少，严重影响黄河流域的生态环境。20世纪90年代，源头地区降雨、气温、蒸发量均有缓慢上升趋势，而地表积雪量有下降的趋势，但缓慢增多的降水也基本被大气蒸发消耗。20世纪90年代中期至今，降水严重不足，地表水亏缺越来越大，导致河水干涸、雪线上升、冰川萎缩、湿地和湖泊面积减少、土壤疏松，使得冬春季的大风和沙尘天气逐步抬头，环境状况极其恶劣，人们的生存环境受到挑战。黄河中游不仅地区性水资源稀缺，而且严重的水土流失也是当前生态环境恶化和下游河槽淤积的重要根源之一。变化环境下的黄河中游水文情势将对整个黄河流域的水资源供需、中游的生态环境和下游的河势变化具有重大影响。由于降水少、蒸发强度大，中游水资源匮乏，天然年径流量约为120×108m3，占比不到黄河天然年径流量的1/4。20世纪90年代后期，黄河连年出现枯水。1999～2003年，黄河主要来水区年均来水量比多年同期偏枯40%以上。同时，黄河干流主要水库蓄水量严重不足。

降雨量的减少和时空分布不均是导致黄河断流的一个基本原因。20世纪90年代的年均降水量仅为70年代的88.7%，天然径流量仅为其84.6%，而实测径流量仅为其74.5%[9]。20世纪90年代以来山东省降雨持续偏少，利津站断流始于1972年，1972～1999年的28年间，下流有82次断流，且首次断流的时间提前、断流时间和距离不断延长[10]。国家计委、水利部颁布实施《黄河可供水量年度分配及干流水量调度方案》和《黄河水量调度管理办法》之后，2000年以来黄河未曾断流。当然黄河断流的原因是多方面的。由于上中游区降水量及来水量的明显减少，对下游断流的影响是非常突出的。同时，气候的暖干化发展，导致生活生产用水量增加，使人为引水量更多，加剧了黄河水资源的紧张形势，增加了下游断流的机会[8]。径流量随降雨增多而增加，但随气温的升高而减少。根据全球气候模式和排放方案预测，2010～2030年期间，预计流域平均气温将增加1.8℃，2010～2020年平均呈现平水现象，2020～2030年呈现平偏丰现象，2030～2040年呈现平偏枯现象。在GCM(Global Climate Model)气候情景下，兰州以上黄河流域汛期径流量约减16×108m3，全年径流量减少19.5×108m3。因此，在未来黄河流域断流风险持续增加。

2.3 气候变化下黄河源区多年冻土不断退化

1991～1998年，黄河源区河湖附近多年冻土区范围存在大幅度的退化现象，局部多年冻土厚度减薄乃至消失，贯通性融区范围大幅度扩大；多年冻土下界海拔上升，且垂直上升幅度大于50 m；多年冻土上限海拔亦上升，季节性融化层厚度增大。多年冻土退化将削弱冻土的生态环境地质功能，引起黄河源区生态环境恶化。冻土退化后，形成的地下水流系统新格局对源区黄河断流起控制作用。当冻土上限下移，季节融化层深度增加，而补给减少时，一方面引起区域地下水位下降，另一方面使退化区地下水流系统由冻结层上水流系统转化为非冻结区地下水系统，使对生态环境起制约作用的冻结层上水水流系统消失，地下水位下降，地表水与地下水的补排关系发生倒置。当地下水位低于河水位时，河水补给地下水，从而引起黄河径流的减少。另外，冻土退化导致植被覆盖度降低，“黑土滩扩大”，荒漠化加剧。

2.4 气候变化下黄河流域湿地不断萎缩

气温升高、降水变化和海平面上升是影响湿地分布和功能的主要气候变化因素[11]。湿地面积的损失是湿地退化的直接表征之一。湿地面积损失导致湿地容量减小，会使得生态环境条件发生变化。景观结构的变化也使得生态环境发生变化。气候变暖、水面蒸发量加大、冻土融化，而降水量减少或保持稳定，使地表旱化、植被退化、湖泊退缩，成为驱动湿地退化的主要原因。同时，高寒沼泽草甸逐步演变为高寒草甸草场，并造成植被覆盖度降低，裸地不断扩展，严重地段已荒漠化。在近几十年，黄河源区湖泊出现明显的萎缩、碱化、盐湖化等现象。主要表现为湖水位持续下降、矿化度和pH增高，小型湖泊、水塘干涸。例如，阿涌贡玛错湖水位从1998年开始一直下降，到2001年已下降61.5 cm。据玛多县统计，境内原有4 077个大小湖泊，到2000年已有一半干涸[12]。基于IPCC气候情景，预计未来20年黄河源区气温升高0.85℃～0.91℃，降水变化0.02～0.05 mm/d。降水的增加将一定程度上补给湿地用水，对维持和恢复湿地具有积极作用，但是气温的升高又会抵消这部分作用。黄河下游河道湿地是黄河河流生态系统的重要组成部分，黄河下游频繁断流对河道湿地的破坏性较大。来水量减少，加之过高的开发利用率使黄河下游断流频繁，断流减少了河水维护河道的自然能力，导致河道萎缩、恶化。一般而言，河流流量越大，河道淤积量减少，泥沙的淤积造成漫滩悬差一般为3～5 m，最大达10 m以上。河流断流直接导致三角洲地区淡水资源的缺乏，湿地逐渐向干旱化发展。沙源减少导致海岸蚀退，陆地及浅海面积减少，滨海湿地范围缩小。例如，1985-2004年，东营滨海湿地所占土地面积的比重由最初45.1%降低到36.9%。海平面上升导致咸水侵入淡水河地下水，研究表明如果海平面上升48 cm，黄河三角洲大约40%的土地将被淹没，大片湿地将消失。

3 黄河流域生态环境需水的保障

对于生态用水的保障是应对黄河流域近年来生态环境的破坏有效方式。生态需水研究是合理配置水资源、实现水资源可持续利用的基础，在最早的研究中，主要是针对河流生态需水的研究，一直到20世纪80年代，应对河流断流和污染等问题，国内专家提出应在水资源配置中考虑生态需水。刘昌明[13]根据流域水资源开发与利用关系提出了生态水利的“四大平衡”原理(水热平衡、水盐平衡、水沙平衡、水量平衡)。司源等[14]对黄河下游生态需水进行研究，揭示了对于生态需水仍存在很多问题，例如水文过程与生态系统作用关系尚未厘清，生态流量与水库调度尺度存在差异。也有很多研究指明黄河具体生态流量，例如，胡鞍钢等[15]指出，黄河现状生态环境底限需水量为190×108m3/a。石伟等[16]基于平滩流量时输沙用水量最小的设想，估算值为80×108～120×108m3/a。杨志峰等[17]主要考虑河道基本生态环境需水量、输沙量及入海量，认为黄河下游河道最小生态需水量为189.2×108m3/a。可以看出这些研究多是对生态需水的“量”进行探讨，未考虑不同水平年情景，并且多采用经验或者半经验公式，并未建立水文-生态的联系和响应关系。

对于黄河流域生态需水研究必须建立在流域尺度，虽然流域生态系统具有特殊和复杂的等级结构，但是按照杨志峰等[18]研究，可以根据生态系统的结构和特点将整个流域需水概括成3个主要部分(河口生态需水、湿地生态需水和旱地生态系统需水)，以这3个主体部分对黄河流域生态需水进行估算。另外，流域内水资源的分布和分配受到气候变化的影响，同样的气候变化也显著的改变着流域内的生态需水，因此考虑气候变化下生态需水的时空演变关系对于整个流域内水资源管理十分必要。不仅能够以气候变化为基础预测整个流域内水资源变化趋势，还能更加准确评估生态系统需水演变，更加合理准确地进行整个流域内的水资源调配，保证黄河生态的可持续发展。

3.1 气候变化对旱地生态系统需水

将整个旱地生态系统作为一个有机的整体计算需水量，这样能够更加准确计算生态需水，避免重叠计算。旱地生态环境需水考虑降雨蓄渗过程及坡面汇流过程中旱地生态系统蒸散发及下渗消耗的水量，这部分水量一方面是自然界水分循环过程中降水转变为径流过程中的主要损失；另一方面也是旱地生态环境需水的主要类型。因此，旱地生态环境需水主要由降雨自然补给。另外，旱地生态环境需水受到土壤类型、光照条件、植被类型以及植物生长期的影响。流域内气候变化改变了气温、降雨和蒸发，由此显著地影响旱地生态系统需水量，建立黄河流域内旱地生态系统在气候变化下的时空演变规律，根据史超等[19]对汉江上游植被生态需水在气候变化下的时空演变研究发现，这部分生态需水整体上呈现非显著增加趋势。刘昌明等[13]认为弄清楚缺水和需水规律是解决该区缺水危机和生态环境建设合理配置的依据。因此，考虑气候变化下降雨、植被蒸散发以及土壤水分含量变化，才能更加准确地揭示流域内旱地生态系统需水规律的演变。目前，利用3S技术可以建立大尺度生态系统需水量的时空演变规律，这样才能合理高效地进行流域管理与生态建设。

3.2 气候变化对湿地生态环境需水

流域内湿地生态形态主要位于流域水循环汇流过程中，对于湿地生态系统中植被与土壤需水与旱地生态系统类似。湿地生态系统中，水生生物对栖息地质量的要求使得保持湿地水体规模、质量及其随时间的变化成为湿地生态环境需水的重点。另外，还需考虑下游生态系统对水量的输入要求。对于流域中湖沼湿地，由于其交替周期长、流动缓慢，因此其需水主要受到其中生物种群类型和生物量大小以及其对栖息地要求的影响。对于河流湿地，其水体流动性为主要特征，为水生生物提供栖息、迁徙通道。对于河流湿度需水量的计算主要受到泥沙输运以及鱼类栖息、繁殖等不同生长期对水流流速、河道水深的影响。对于湿地生态系统关于生态需水的研究较多，胡鞍钢[15]、石伟[16]、杨志峰[17]等都对黄河下游生态需水进行研究，主要考虑要素为输沙用水、水污染防治用水、沿岸湿地补水、鱼类生存用水，并得出黄河下游生态需水大致在200×108m3左右。根据近年来黄河流域径流统计资料，在气候逐渐变暖的情况下，流域内气温、降雨、蒸发和径流发生改变，通过经验和半经验公式(7Q10和Tennant法)并不能揭示实际流域耗水，在水资源短缺情况下并不能保证基本的生态环境需水，造成黄河流域湖泊、湿地出现不同程度退化，生物多样性面临巨大挑战。目前，河流、湖泊生态需水计算已有大量的资料。根据这些计算方法，考虑气候变化下时间分布，建立湿地系统生态基流、自净需水、输沙蒸发渗漏等需水因素时空演变模型，明确气象因子对生态需水的敏感程度，科学评价气候变化下湿地生态系统的需水时空规律，才能在整个流域尺度对水资源进行管理利用，同时保证生态系统的可持续发展。

3.3 气候变化对河口生态环境需水

河口生态系统位于流域淡水系统与海洋咸水生态系统的交界处。其不仅具有为近海生态系统输入淡水的功能，同时还受到海洋生态系统的强烈影响，对于这部分需水强调保持陆海交互作用下不同生态要素的平衡。对于河口生态系统来说，经常将其与河口三角洲相等同。赵欣胜等[20]利用生态水文学方法计算了河口湿地的最小、适宜和理想需水量。孙涛和杨志峰等[21]在分析了河口生态环境需水类型的基础上采用了水文学、生物学和水力学方法，考虑了生态系统水循环、生物循环消耗水量和生物栖息需水量，得到了河口生态环境需水年度总量。在气候变化下，水循环、生物循环、栖息地需水都会呈现出明显的时空演变。在以往的研究中，仅仅根据历年统计资料，给出一个最小、适宜和理想3种情境下的需水量计算，并不能深入揭示河口生态需水，因为水循环、生物循环和栖息地都在气候变化下受到深刻的影响。因此，对于生态需水的计算必须将气候变化作为其中计算的一个因子，这样才能科学深刻揭示生态系统需水规律。

4 结 语

近年来伴随全球气候变化，加之我国近40年以来经济社会深刻变化，黄河流域产生一系列生态环境问题，如黄河水质恶化、旱地植被退化、多年冻土减少、河流断流、湿地萎缩等。对流域内生态环境治理与保护成为当今黄河流域管理的主要内容，生态问题的产生并不全部是人为因素造成，流域内气候变化也对环境造成影响。气候变化下，总体水资源减少与生态需水增加之间的矛盾使这些生态问题日益凸显。通过对旱地生态系统、湿地生态系统和河口生态系统在气候变化下生态需水的研究发现，对于生态需水必须从全流域角度和气候变化下角度计算；明确各个系统生态需水量，从而实现流域内一体化管理；加强工程和非工程措施的建设，科学对水库群和拦河闸坝群的调度，高效科学利用水资源，保证生态用水量。