黄河流域水土资源联合配置技术框架

秦天玲 ，吕锡芝，刘姗姗 ，王建伟，李晨昊 ，冯贱明

(1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038； 2. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038； 3. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003)

黄河流域区位独特，从西向东贯穿青藏高原、黄土高原、华北平原和环渤海地区等多种地貌单元，以及干旱、半干旱和半湿润多个气候带，自然地理条件复杂多变，是我国重要的生态屏障区[1-3]。流域整体支撑了7大城市群（含中原城市群、关中平原城市群和兰西城市群等）、7大煤炭基地和占全国面积15%灌区发展的用水需求，成为我国北方重要的粮食安全及能源安全区域和重要经济带[4-6]。但是，位于中华水塔的源区，社会经济发展明显受限于高寒区生态系统；占流域总面积97%的上中游地区，大部分由生态脆弱的黄土高原组成，水土流失问题严重；仅占总面积3%的下游滩区，却支撑了山东省70亿m3的供水。从空间整体来看，流域水土资源的匹配程度低[7-9]，导致水资源和土地资源的综合利用效率低[10-11]，亟需开展水土资源联合配置研究。目前，水资源配置理论与方法体系发展较为迅速，尤其是我国从“六五”攻关开始，先后历经“就水论水配置”“宏观经济配置”“面向生态配置”“广义水资源配置”“跨流域大系统配置”和“量质一体化配置”阶段，未来将重点围绕多维调控、水资源高效利用和碳中和等需求开展配置研究[12-13]。土地资源配置以城市、灌区或区域社会经济发展为目标，采用基于数理分析和生物智能的优化模型，开展土地格局优化或土地资源调控[14-16]；近年来融入绿色发展理念的面向生态的土地资源优化调控已逐步开展，但还未能充分考虑水资源对土地资源调配的具体约束。

2019年9月18日，黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上明确提出：“要坚持山水林田湖草综合治理、系统治理、源头治理，统筹推进各项工作，加强协同配合，推动黄河流域高质量发展”[17]。水资源供需矛盾、水土资源不匹配、水沙关系不协调、生态用水和生态用地被挤占等水土问题突出，成为影响黄河高质量发展的主要因素。本文梳理黄河流域存在的水土资源问题，提出流域水土资源联合配置框架，以期为黄河流域治理和保护提供科学依据。

1 流域水土资源问题

1.1 水资源总量贫乏，开发利用程度仍较高

黄河流域1956—2000年多年平均降水量为446 mm，2001—2019年为465.9 mm；2000年后略有上升，但仍远低于同时期全国平均的648.4 mm[18]。1956—2000年和2001—2020年花园口站多年平均天然径流量分别为532.78亿m3和491.61亿m3；在降水量总体增加的背景下，2000年后径流量仍降低了8%左右[19]。2000年黄河流域水资源开发利用率为84.95%，2020年降低至65%，但仍远超国际公认的40%警戒线[17]。2000年黄河流域人均综合用水量和农田灌溉亩均用水量分别为360和412 m3，2020年下降至341和291 m3[19]。此外，根据2015—2020年《黄河水资源公报》，黄河近5年年均向淮河、海河流域供水113亿m3，占同期地表水资源量17.2%[19]。

1.2 水土资源空间不匹配，分水方案不适应目前需水形势

黄河流域1956—2000年平均年产水系数为0.158，2001—2013年增长至0.184。源区属于典型的高寒生态系统，产水系数最高，具有重要的水源涵养功能，其水资源量约占黄河总量的38%，但区域GDP仅占流域的2%[20]；豫鲁次之，宁蒙陕最低。1960—2000年，黄河流域耕地和居工地的用水强度年均值为121 mm，2001—2017年增加了29%；宁青北部最高，鲁豫甘陕次之，蒙晋最低；产水系数和用水强度在空间上严重不匹配，水源和用水户存在空间异位。1956—2000年，农业用水量占流域用水量的80%以上，2001—2019年占比呈明显下降，而工业用水量占比呈波浪式微减小趋势，生活和生态用水占比则呈现稳步增加趋势[21]。南水北调工程对黄河流域的供水主要用于工业和生活用水，少量用于农业，可一定程度上缓解黄河流域下游水资源短缺问题。多年来，随着黄河流域社会经济的发展，“87分水方案”基于1980年各省市用水量而定，水量分配偏重下游地区，与目前流域供需形势的空间情况存在偏离。

1.3 水沙异源，产沙量锐减

1956—2020年间，黄河干流主要水文站中的花园口年均径流量最高，达521 亿m3，潼关站泥沙量最高，达8.7 亿t，流域来水来沙量空间分异性显著[19-20]，存在水沙异源现象。兰州以上地区是黄河径流的主要来源，1956—2020年，兰州水文站年均径流量为312 亿m3，年均贡献约为60%。黄土高原年均产沙量占黄河流域产沙总量的97%，1956—1986年，黄河龙门、华县、河津和状头四站平均实测输沙量16.81 亿t[19]；1987—2000年，随着退耕还林、农牧业结构调整、龙羊峡和刘家峡水库联调、淤地坝建设等措施的开展[21]，上述四站实测输沙量年均值降至8.61 亿t。2001—2020年，随着黄河流域植被覆盖度的提高，植被减沙作用凸显，四站输沙量锐减至2.64 亿t[22]。现阶段黄河流域多沙的压力明显缓解，但还需提升应对未来极端事件的调控能力[23-25]。

1.4 生态用水和生态用地被挤占

黄河流域生态需水保障度低。2008—2018年生态流量达标率为5%（断面达标标准为达标年份比例90%以上），仅为全国平均水平的1/9[26]。1980—2010年，流域内水域面积降低了0.89%，其中30.36%被耕地挤占、26.65%被草地挤占（表1）。上游源区湿地面积不断减少，湖泊水域萎缩、若尔盖泥炭湿地逆向演替[27]，多年冻土严重退化[28-30]、冰川面积减少[30]、沙漠化土地增加[31]。经过一系列的水土保持措施后，黄土高原大部分地区土壤侵蚀模数高于1 000 t /( km2·a)，丘陵沟壑区土壤侵蚀十分剧烈，土壤侵蚀模数大部分高于5 000 t /( km2·a)[32]。黄河入海口三角洲自然湿地萎缩严重，近30年来面积约减小52.8%[33-34]。整体而言，1980—2010年，流域内草地面积减少且破碎化程度增加；林地面积下降后经修复基本恢复到1980年代规模，且破碎化程度减弱。黄河流域景观格局破碎化程度减弱，斑块分布趋向规则化、集中化，景观类型分布趋势不均衡（表2）。

表1 1980—2010年黄河流域土地转移矩阵Tab. 1 Transition matrix of the land use types in the Yellow River Basin from 1980 to 2010 单位：%

表2 1980—2010年黄河流域景观格局指数Tab. 2 Landscape pattern index of the Yellow River Basin from 1980 to 2010

2 问题成因诊断

2.1 水土资源开发利用

黄河流域水资源仅占全国的3%，却承担全国12%的耕地面积和12%人口的供水任务，还有向流域外部分地区远距离调水的任务。据统计，2010—2020年黄河流域的水资源总量为719.44亿m3，占全国水资源总量的2.5%。九省（区）用水总量为394.19亿m3，其中农业用水总量占69.33%，工业用水量占14.37%，生活用水占11.92%。2017年黄河流域耕地面积约0.163亿hm2，是全国耕地面积的12%，产出粮食3 958万t，是全国的6%。此外，黄河近5年年均向淮河、海河流域供水占同期地表水资源量的17.2%[18]。

2.2 水土资源综合调控能力不足

在国家西部大开发、“一带一路”倡议、区域协调发展、生态文明建设等战略指导下，黄河流域水土资源发生了重大变化。但黄河流域目前仅有水资源配置方案，尚无面向黄河流域系统修复和综合治理的水土资源优化配置。山水林田湖草等自然地理实体和人口、社会、经济等人文要素均是以水为媒介，形成紧密联系的复杂系统。水资源分布影响社会水循环的各个环节，能够引起生产和生活用地布局及规模的变化，进而影响流域社会经济发展。反过来，土地资源及地表覆盖的变化影响到水循环的蒸发、水汽输送、产流与入渗等各个环节，进而影响水资源的分布。目前黄河流域的水土资源调控措施将水资源和土地资源隔离开，未能充分考虑两者的互馈作用。

3 黄河流域水土资源联合配置框架

3.1 理论基础

3.1.1 “自然-人工”二元水循环 调节水文循环过程是水土资源优化配置的目标之一，土地格局的改变对水文循环的影响及水资源改变对土地的影响是水土资源优化配置效果评估的重点。“自然-人工”二元水循环[35]是构建水文模型及水土资源优化配置模型，从水文循环角度对配置效果进行评估的理论基础。

在水文模型构建过程中，按照水文循环要素过程构建模块，从地表到地下，从坡面到河道，依次进行。在进行垂向模拟时，将每个栅格作为一个单独的循环体进行计算，且该栅格具有独立的水文参数。最后，通过栅格之间的拓扑关系进行水平模拟。

在水土资源优化配置模型构建过程中，考虑自然演变和社会经济的发展构建目标函数和约束条件，通过需水和土地利用预测来确定水土资源未来的可能需求，通过现状用地、供水能力及污染负荷，充分考虑水土资源利用与保护红线要求，确定约束条件，以流域-行政区-土地利用类型为基本配置单元进行优化配置。

3.1.2 水土资源相互作用 水资源的变化主要表现为四个方面：数量、质量、开发利用方式和管理模式，从水文循环过程影响流域生态系统中水资源的流动和变化，进而影响整个流域生态系统结构和功能。受人类活动和极端气候变化的影响，水资源总体呈现可利用总量减少、总体水质下降、开发利用方式多样化、管理模式完善提升的趋势。水多是引发洪涝的关键因素，短历时强降雨会引起土壤流失，严重的会引发滑坡、泥石流等地质灾害。长期缺水则引发干旱事件，导致作物生长缺水，进一步影响土地资源生产力。对于地下水埋深较潜，蒸发能力强的地区，则容易形成盐咸地，改变土壤性质。地下水超采严重的地区则有造成地表下陷的风险。因此，水资源量和质超过土地资源的承受范围，则土地资源也会产生量和质的变化。

土地资源的变化主要表现为三个方面：数量、类型结构、开发利用程度。自人类活动加剧以来，土地资源总体呈现数量在减少（水土流失等）、类型结构在丰富（土地资源开发利用方式多样化）、开发利用程度（城市化进程加快等）在提高的趋势。土地资源的变化从水文循环过程、物理化学循环过程等方面间接影响区域生态系统结构和功能，进而影响整个流域生态系统结构和功能。

水土资源是人类生存和发展的必要条件，其不可替代性决定了水土资源随着社会发展而显得越来越重要[36]。水资源和土地资源的耦合使得社会经济发展、生态环境稳定及系统韧性更强。因此，在水土资源配置过程中需要考虑水量、水质及土地资源格局，使水土资源形成良性互馈关系，让水土资源系统更加稳定。

3.2 总体思路和任务

在面向黄河流域山水林田湖草整体保护、系统修复和综合治理的宏观需求时，应着眼于水土资源全局，基于对水土资源数量、质量和结构布局的认识，识别水土资源的演变规律和内在驱动机理，提出科学合理的水土资源联合评价和配置方案，支撑新一代水土资源管控模式的实施，进而为黄河流域生态保护与高质量发展提供关键抓手。面向山水林田湖草的水土资源联合配置就是，在识别流域水资源和土地资源的演变规律及驱动机制的基础上，辨识不同水土资源的内在关系，并据此水土资源的预估模拟模型，进一步构建水土资源联合配置模型。

3.3 技术框架

水土资源联合配置技术框架见图1。可见，水土资源联合配置技术框架包括4个基本层次：水土资源要素获取、演变规律和驱动机制识别、内在关系辨析、水土资源联合配置。其中，（1）水土资源要素获取主要收集黄河流域已有地形地质、气象水文、土地利用、土壤植被等长系列数据。开展遥感调查、土地生态调查、生态地质调查等精密监测，获取黄河流域水土资源要素的动态数据。（2）演变规律和驱动机制识别则基于获取的水土资源要素数据，定量化实行黄河流域近60年以来水资源和土地资源的演变规律，在不同空间尺度上明晰气候变化和人类活动等驱动因子的作用机制。（3）内在关系辨识及关键阈值确定指水土资源系统配置网络图的构建，基于20年来黄河流域水土资源的赋存状况，识别全流域水资源（总量、构成、有效性、可控性、有效性）和土地资源（耕地、林地、草地、湿地等）的互馈关系；系统分析经济社会发展指标与水土资源的制约作用，确定重点地区的生态关键阈值。（4）水土资源联合配置则是基于水土资源的演变规律和预测模拟，以系统配置网络图为基础，以山水林田湖草协同发展为目标，以水土资源利用与保护红线为约束条件，构建黄河流域及重点区域的水土资源联合配置模型。

图1 水土资源联合配置技术框架Fig. 1 Technical framework for joint allocation of water and soil resources

4 关键支撑技术

4.1 水土资源要素精密监测和精准预警

基于黄河流域已有水资源第三次调查、土地资源第二次调查成果，集成融合已有气象站、水文站、国家地下水监测井等监测站网数据，开展水循环要素遥感调查、水和土地生态状况调查、生态环境地质问题调查，构建水循环要素、水和土地生态状况、冰川冻土、地表水与地下水转化、生态环境问题等水土资源要素综合监测平台，获取气候变化与人类活动影响下黄河流域水土资源及相应生态系统动态变化情况[37]，为流域水土联合配置提供数据支撑。基于黄河源区水源涵养阈值、黄土高原生态修复阈值和黄河三角洲生态安全阈值，构建黄河流域水土资源预警体系，对实时获取的水土资源要素提出预警。

4.2 水土资源演变规律和驱动机理分析

系统整理黄河流域水文记录与历史档案，对黄河流域千年、百年尺度上水资源总体演变的趋势性与周期性进行量化分析；将自然水循环过程与人工取用水过程相耦合，开发黄河流域水循环精细模拟模型；以观测数据和水文模型为基础，耦合土地斑块和植被动态变化，对黄河流域的水资源进行精细化评价，建立黄河流域近60年来月尺度地表水资源、土壤水资源和地下水资源评价历史数据集；厘清黄河流域水资源的总量、构成及有效性、可控制性、可再生性特征及其趋势性、周期性、随机性。

系统梳理整合第一次全国土地调查、第二次全国土地调查及逐年变更调查、第三次全国国土调查、城镇地籍调查、森林资源清查、草原普查、湿地资源调查等多源基础数据资料的基础上，结合遥感、实地调查、样点采样等方法获取的补充调查和监测数据，分析黄河流域内区域、地市、县等多个尺度耕地、建设用地、生态用地数量、结构、空间分布特征；从土地资源综合角度出发认识数量-质量-生态综合状况，以及近年来不同土地利用方式和结构的时空演变规律。

4.3 水土资源内在关系分析及关键阈值确定

基于水文学及水资源、生态学、环境科学与工程、系统工程学、自然地理学等多学科交叉理论，融合遥感、地理信息技术、数值模拟和大数据分析等先进技术，建立人文因素空间参数化方法，辨析气候变化和人类活动影响下水土资源响应机制，构建水土资源变化归因定量识别技术体系；解析黄河流域水资源演变与土地资源开发/土地利用变化间的定量关系，厘清气候变化和人类活动影响下水资源与土地资源的空间匹配性关系，基于多场景仿真模拟法（场景-效应、场景-风险）识别不同土地利用/覆被变化对水资源的定量关系。

对于黄河源区，分析气候变化条件下冰川消融、冻土退化对黄河源区水循环过程影响，系统研究气候、植被覆盖、蒸散发、径流变化及其相互作用，探索冻土退化对湖泊沼泽湿地萎缩、植被退化、土壤沙化等生态退化的作用机制。对于黄土高原，结合区域水资源时空变化规律，重点对比梯田、淤地坝、坡面林草建设前后植被指数变化，揭示生态供水量对生态植被演化的驱动机制。对于黄河下游滩地及河口三角洲，定量化研究不同景观单元的生态需水量、黄河侧渗范围与侧渗量，分析三角洲生态安全、水土演化与入海流量-泥沙量的相关性。

4.4 水土资源联合配置

识别水土资源-社会经济-生态系统复杂特征，结合流域水土资源高效利用与保护目标，基于水土资源的内在关系，构建水土资源联合配置网络，建立优化目标函数和约束方程，开发多目标、模块化的水土资源联合配置模型，开展重点地区水土资源联合配置方案分析，提出水土资源管控模式。

水土资源联合配置模型以基于水资源四级区套县及土地斑块的水土资源系统网络为基础，将水土资源相结合，实现水资源模拟与水土资源配置无缝衔接。在目标层面，针对水资源和土地资源基本属性，兼顾资源功能协调，包括水资源供需平衡、水质达标、土地空间均衡目标、水土功能协调目标；在约束条件方面，充分考虑水土资源利用与保护红线要求，包括用水总量、地下水水位、单位生产用地斑块的耗水量、不同生态斑块的生态需水、耕地红线和生态红线等多资源约束条件。基于上述水土资源联合配置模型和实时获取的流域尺度水土资源要素参数，提出黄河流域水土资源管控模式。

5 结 语

黄河流域面临水资源、水土资源空间匹配、水沙关系和生态用水用地及水土资源管理等问题，水土资源开发利用及水土资源综合调控能力不足是其成因，在“自然-人工”二元水循环和水土资源相互作用的理论基础上，基于对黄河流域水土资源演变规律内在关系的识别，以水土资源利用与保护红线要求为约束条件，以水土资源功能协调为目标，构建水土资源高效利用与保护的黄河流域水土资源联合配置模型，旨在为黄河生态保护和高质量发展提供技术支撑。