國家黑河流域綜合治理工程生態(tài)成效科學(xué)評估*

肖生春 肖洪浪 米麗娜 李麗莉 陸志翔 彭小梅

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000

國家黑河流域綜合治理工程生態(tài)成效科學(xué)評估*

肖生春 肖洪浪 米麗娜 李麗莉 陸志翔 彭小梅

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000

黑河是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，2001 年國家實(shí)施了該流域的綜合治理工程。文章基于近 10 年來對黑河流域自然-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)水循環(huán)、水過程和生態(tài)與環(huán)境變化研究成果和階段認(rèn)識，對生態(tài)治理效果及其生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行了科學(xué)評估。整體上，黑河流域水資源主要受西風(fēng)帶影響，主要產(chǎn)流區(qū)為中高山區(qū)。近 10 年和百年是流域器測記錄以來和千年尺度上的豐水期，這為流域分水和綜合治理提供了有力的水資源保障，而持續(xù)增長的社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)水資源需求壓力是導(dǎo)致流域中下游和經(jīng)濟(jì)發(fā)展-生態(tài)用水之間矛盾的主要根源。在中游地表水利用量得到有效控制的情況下，中游地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著變化，但地表水資源限制和中游耕地面積持續(xù)增加導(dǎo)致局地地下水水位及儲量呈減少趨勢，且面臨枯水期水資源嚴(yán)重超載問題。進(jìn)入下游的水量接近規(guī)劃要求，下游水系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到有效遏制，但還未全面恢復(fù)，并存在較大空間異質(zhì)性；持續(xù)增加的由河岸林地開墾而來的耕地，對下游生態(tài)與生產(chǎn)用水分配帶來更大的壓力，下游需要更為精細(xì)的水資源時(shí)空管理和調(diào)控措施。在未來可能面臨的枯水期，流域社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下的水資源管理將面臨更大的挑戰(zhàn)。

黑河流域，流域綜合治理，生態(tài)成效，科學(xué)評估，問題與對策

黑河是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，流域中下游地區(qū)極度干旱，區(qū)域水資源難以滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)平衡的需要，歷史上水事矛盾已相當(dāng)突出。隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對水土資源的過度開發(fā)，20 世紀(jì) 60 年代以來，進(jìn)入下游的水量逐漸減少，河湖干涸、林木大面積死亡、草場沙化、沙塵暴肆虐等生態(tài)問題進(jìn)一步加劇，省際及上中下游水事矛盾日益激化[1]。

1999 年，水利部黃河水利委員會成立黑河流域管理局，負(fù)責(zé)黑河水量統(tǒng)一調(diào)度。2001年 8 月3日，國務(wù)院以國函 [2001] 86 號文批復(fù)《黑河流域近期治理規(guī)劃》（以下簡稱“《規(guī)劃》”）。《規(guī)劃》提出力爭通過近期的 3 年治理實(shí)現(xiàn)國務(wù)院批準(zhǔn)的《黑河干流水量分配方案》（水政資 [1997] 496 號），逐步形成以水資源合理配置為中心的生態(tài)系統(tǒng)綜合治理和保護(hù)體系，遏制生態(tài)系統(tǒng)惡化趨勢，并為逐步改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

生態(tài)工程實(shí)施后對生態(tài)環(huán)境的影響如何？能否可持續(xù)發(fā)展？生態(tài)工程后續(xù)項(xiàng)目如何實(shí)施？這些問題都是國家決策層需要了解的信息。開展重大生態(tài)工程成效科學(xué)評估，對科學(xué)全面及時(shí)掌握重大生態(tài)治理工程實(shí)施的生態(tài)效果，認(rèn)識西北干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境演變規(guī)律，揭示生態(tài)恢復(fù)過程的環(huán)境響應(yīng)過程，分析存在的主要問題，提出解決方案和進(jìn)一步對策意義深遠(yuǎn)，同時(shí)也是保障工程實(shí)施效果、科學(xué)部署后續(xù)生態(tài)工程的前提條件。

如何有效地為政策制定者提供權(quán)威的科學(xué)證據(jù)是科學(xué)界面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，從一系列研究成果和觀點(diǎn)中提煉出與決策有共識的科學(xué)評估是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的強(qiáng)有力工具[2]。一系列國際間、全球尺度及區(qū)域性的評估報(bào)告使得科學(xué)評估這一新的方法不斷發(fā)展和完善，如政府間氣候變化專門委員會（IPCC）、千年生態(tài)系統(tǒng)評估報(bào)告（MA）、北極氣候影響評估、波羅的海流域氣候變化評估、中國西部環(huán)境演變評估綜合報(bào)告和第二次氣候變化國家評估報(bào)告等[2]。

自 20 世紀(jì)后半葉以來，世界范圍內(nèi)由水資源短缺引發(fā)的生產(chǎn)、生活和生態(tài)等問題引起國際社會的高度重視，各國政府和科學(xué)界積極開展區(qū)域水文過程及其資源環(huán)境效應(yīng)研究，為合理規(guī)劃和利用水資源提供科學(xué)依據(jù)，并逐步形成了以流域?yàn)檠芯繉ο蟮牧饔蚩茖W(xué)，以及以流域?yàn)閱卧M(jìn)行水資源管理的機(jī)構(gòu)，如美國田納西河流域、澳大利亞墨累-達(dá)令流域、歐洲的萊茵河流域等。但歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)發(fā)展的國際流域管理領(lǐng)域仍然是出自于經(jīng)驗(yàn)，以工程管理為主[3]。

從科學(xué)發(fā)展的需要出發(fā)，一些國家先后建立了大型觀測網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)研究計(jì)劃。“歐洲典型試驗(yàn)流域生態(tài)-水文觀測網(wǎng)”（ European Network of Experimental and Representative Basins，ENERB）、“美國半干旱水文和河岸可持續(xù)性計(jì)劃”（Sustainability of Semi-arid Hydrology and Riparian Areas，SAHRA）等生態(tài)-水文觀測試驗(yàn)計(jì)劃是近年來生態(tài)水文學(xué)觀測研究的代表。這些大型觀測和研究計(jì)劃的實(shí)施為認(rèn)識和解決復(fù)雜的流域資源環(huán)境問題奠定了重要科學(xué)基礎(chǔ)[4]。

針對我國內(nèi)陸河地區(qū)嚴(yán)峻的水-生態(tài)問題，為認(rèn)識內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)與水文系統(tǒng)相互作用的過程和機(jī)理，最終為國家內(nèi)陸河流域水安全、生態(tài)安全以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)理論和科技支撐，國家自然科學(xué)基金委于 2010 年立項(xiàng)實(shí)施“黑河流域生態(tài)-水文過程集成研究”重大研究計(jì)劃。項(xiàng)目執(zhí)行以來，通過建立“遙感—監(jiān)測—實(shí)驗(yàn)”一體的流域生態(tài)水文觀測系統(tǒng)及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)平臺，初步揭示了流域冰川、森林、綠洲等重要生態(tài)水文過程耦合機(jī)理，認(rèn)識了流域一級生態(tài)水文單元的水系統(tǒng)特征，奠定了流域水循環(huán)、水平衡的科學(xué)基礎(chǔ)；計(jì)算了黑河下游生態(tài)需水量，為黑河流域水資源優(yōu)化管理厘定了重要的約束條件[3]。在此基礎(chǔ)上，Cheng 等人[1]就多年來黑河流域生態(tài)—水文—經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合研究進(jìn)展進(jìn)行了總體回顧，并提出了流域整體協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和流域生態(tài)-經(jīng)濟(jì)綜合管理理論及實(shí)踐體系。上述水文過程、生態(tài)環(huán)境變化和自然-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)水循環(huán)研究成果和階段認(rèn)識，為黑河流域生態(tài)治理工程實(shí)施效果及其生態(tài)環(huán)境影響系統(tǒng)評估提供了科學(xué)依據(jù)。

1 氣候變化和流域分水驅(qū)動的水系統(tǒng)變化

1.1 近百年出山徑流豐水期由暖季西風(fēng)帶水汽在中高海拔山區(qū)降水主導(dǎo)

不同水體同位素研究結(jié)果表明，黑河上游祁連山區(qū)夏季降水的水汽來源主要為西風(fēng)輸送，冬季還受極地氣團(tuán)的影響。黑河流域南部山區(qū) 6—9月為水汽輸入期，低層大氣為水汽輸入層，對地表徑流的貢獻(xiàn)時(shí)段主要在 6—9月中旬，冬季主要以基流補(bǔ)給河水為主[5]。流域北部荒漠區(qū)年內(nèi)各季均為水汽輸出、過境期，中低層大氣為主要的水汽輸出層。南部山區(qū)降水在空間景觀帶尺度上，占山區(qū)總面積 78% 以上、海拔 3 000 m 以上的高寒灌叢-草甸帶、寒漠帶和冰雪帶等區(qū)域，占流域總產(chǎn)水量 85% 以上[6]。王寧練等人[7]利用同位素示蹤技術(shù)、模型模擬和出山口河水中 δ18O 分析，認(rèn)為海拔 3 600 m 以上是黑河山區(qū)流域的主要產(chǎn)流區(qū)，產(chǎn)流量占出山徑流量的 80% 以上。He等人[8]對中低山（3 200 m 以下）森林-草地水文過程研究表明，森林帶產(chǎn)流量很低（12 mm，3.5%），降水（374 mm）基本消耗于林地的蒸散發(fā)，甚至由于林地水分虧缺，而額外消耗來自于高海拔山區(qū)的徑流補(bǔ)給（約 14 mm）。

樹木年輪重建的黑河干流鶯落峽年徑流序列[9]表明，過去 1 500 年以來（AD. 575—2006），黑河平均徑流量在 11.11億—13.64 億 m3，低于器測時(shí)期（1958—2006）的平均徑流量 15.73 億 m3，且不同保證率下的徑流量也存在一定差異。從重建序列來看，器測記錄時(shí)期為百年尺度上近 1 500 年來的 3 個(gè)豐水期之一。受氣候變化的影響，近 20 年來，黑河上游冰川/永久積雪面積持續(xù)減少，而降水增加導(dǎo)致出山徑流也呈明顯增加趨勢。這為流域分水奠定了良好的水資源條件，極大地緩解了中游節(jié)水和分水的壓力。

黑河流域上游山區(qū)水資源總量（降水）主要受到氣候變化影響，而集中于海拔 3 500 m 以下區(qū)域的人類活動，包括礦產(chǎn)開發(fā)、放牧、造林、水庫修建、淺山區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)等，主要影響了由降水向徑流（包括地表和地下）的轉(zhuǎn)化、截留和利用等水文過程。上游山區(qū)，尤其是淺山區(qū)大面積人工造林和山前冷涼農(nóng)業(yè)灌區(qū)擴(kuò)張等土地利用方式的改變（荒漠草原到農(nóng)用地），可能會截留利用部分出山徑流的水資源。因此，確定合理的森林、草地和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)規(guī)模及閾值，是保證出山口徑流穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

根據(jù)長序列氣候變化的周期分析結(jié)果，在年代際尺度上，在未來 10—20 年間，流域徑流很可能轉(zhuǎn)入枯水階段[9]。也就是說，未來的水資源狀況不足以支持平均狀況下分配給下游的 9.5 億 m3水量和依然持續(xù)擴(kuò)張的中游綠洲。因此，應(yīng)及早制定應(yīng)對措施，控制乃至縮減中下游耕地面積，調(diào)整三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及第一產(chǎn)業(yè)（農(nóng)業(yè)）內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)平水或枯水階段的水資源狀況。

1.2 人為控制下近 60 年來流域水資源分配過程變化

水文記錄表明，最近10 余年是器測記錄階段的豐水期。1945 年以來，黑河干流鶯落峽水文站出山口年徑流多年平均為（15.87±2.74） 億 m3，下游正義峽水文站年徑流多年平均為（10.59±2.57） 億 m3；而 2000—2012年期間兩水文站年徑流量分別為（17.53±2.91） 億 m3和（10.19±2.09） 億 m3。2000—2012 年干流出山口的多年平均徑流量較 1945—1999 年間高 13.25%，下游正義峽較之低 4.54%。

通過對比下游正義峽理論下泄徑流量（以“97 分水方案”（國務(wù)院 1997 年分水方案）計(jì)算）和實(shí)測徑流量，除 2004 枯水年份外，其余年份均低于理論下泄水量。而 20 世紀(jì) 80 年代之前，實(shí)際下泄水量均大于理論下泄水量。20 世紀(jì) 80 年代，二者基本持平；90 年代開始，實(shí)際下泄水量均小于理論下泄水量，這也是下游水環(huán)境整體惡化的階段。

中下游水資源分配累計(jì)曲線數(shù)據(jù)表明，2000 年以來，鶯落峽出山口徑流共計(jì) 227.94 億 m3，正義峽下泄水量達(dá)132.54 億 m3，但較之理論下泄水量，多年欠賬累積達(dá)到 15 億 m3，特別是 2006 年以來，出現(xiàn)“來水越豐，欠水越多”的現(xiàn)象。按照“97 分水方案”中分水曲線延長的結(jié)果，當(dāng)上游鶯落峽來水超過 15.8 億 m3時(shí)，每來 1m3水對應(yīng)下游正義峽下泄 1.18 m3，這是該方案執(zhí)行中的悖論。因此，該界限以上的流域分水額度還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

正義峽下泄水量除鼎新和東風(fēng)場區(qū)分配 1.5 億 m3外，剩余部分均經(jīng)狼心山東、西河和東居延海專用干渠流入額濟(jì)納綠洲及東居延海。1990 年之前，狼心山下泄水量為 5.92 億 m3，20 世紀(jì) 90 年代為 3.50 億 m3，2000年以來恢復(fù)至5.42 億 m3。東西河分配水量比例基本為 7 : 3。

自2002 年東居延海初次進(jìn)水以來，東居延海多年平均入湖水量為 0.50 億 m3，累計(jì)進(jìn)水量5.48 億 m3。自2004 年以來實(shí)現(xiàn)湖泊常年有水狀況，面積在 40 km2左右波動，2011 年最大水面達(dá)到 42.3 km2。

黑河下游水量的季節(jié)性分配完全受中游農(nóng)事活動的影響。在 4—6 月和 10—11 月，中游進(jìn)入農(nóng)業(yè)用水高峰，正義峽以下地表徑流處于最低值，只有在次年 1—3 月非農(nóng)業(yè)用水期間有徑流進(jìn)入下游。根據(jù)黑河流域重點(diǎn)控制水文站實(shí)測月徑流量觀測資料分析結(jié)果，鶯落峽站各個(gè)年代徑流年內(nèi)分配均呈明顯的“單峰型”分布特征，其徑流量在 6—9 月達(dá)到峰值，7 月達(dá)到極大值。正義峽站呈明顯的“雙峰型”或“三峰型”分布特征，其徑流量在 5 月和 11月達(dá)到谷值，分別在 3、7、8 和 9 月份到達(dá)峰值。20 世紀(jì) 50 年代正義峽徑流極大值出現(xiàn)在 8 月份，60 年代和 80 年代出現(xiàn)在 7 月份，70 年代、90 年代和 20 世紀(jì)前 10 年出現(xiàn)在 9 月份。除 80 年代外，1950—1999 年間正義峽汛期年代際徑流量呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢，20 世紀(jì)前 10 年汛期徑流量回升，表現(xiàn)出極大的變率。

1950 年以前，下游額濟(jì)納河行水期一般有 8—10 個(gè)月，遇豐水年，全年長流不斷；20 世紀(jì) 60 年代行水期與50 年代類似，但徑流量已大為減少。70 年代后，行水期縮短為 5 個(gè)月左右，集中在春季和秋季，4—9月呈斷流狀態(tài)，遇枯水年份，只有冬春季的 10—20 天行水。額濟(jì)納東、西河在 90 年代和 20 世紀(jì)前 10 年徑流年內(nèi)分配均呈明顯的“雙峰型”分布特征，其徑流量在 2、3 月和 9月達(dá)到峰值，在 4—6 月和 11月基本呈斷流狀態(tài)。實(shí)施流域分水后東河各月徑流多表現(xiàn)為增長態(tài)勢，特別是 7—9月，甚至在 4—6 月也有很少量的徑流維持。

1.3 水資源開發(fā)和工程控制措施極大地改變了流域不同尺度、區(qū)域的水循環(huán)

流域生態(tài)治理工程實(shí)施以來，中游蓄水工程由 2000年的 0.84 億 m3增至 2012 年的 1.09 億 m3，灌溉機(jī)井增加了 3 000 多眼，高新技術(shù)節(jié)水面積增加 46 萬畝，渠系襯砌增加近 400 公里，灌區(qū)水利用系數(shù)從 2000 年的 0.48 增加到 2012 年的 0.53。另一方面，水澆地面積增加了 35 萬畝，灌溉用水量增加了 2.00 億 m3以上。據(jù)水利普查資料顯示，地下水開采量每年增加 1.0 億 m3以上。因此，中游灌溉面積擴(kuò)大增加的用水量基本抵消甚至超過了節(jié)水型社會建設(shè)所取得的節(jié)水水平提高成效。

總體上，中游地區(qū) 1985—2013 年地下水埋深平均增加了1.0—3.0 m，最大達(dá) 17.4 m。盡管在 2005—2013 年地下水位出現(xiàn)回升，但近 30 年地下水位累積趨勢仍以區(qū)域性下降為主，地下水量仍處于虧缺狀態(tài)。分水以來，中游地區(qū)表現(xiàn)為山前洪積扇裙帶中上部地下水位持續(xù)下降，但下降速率有所減緩，而洪積扇裙帶下部、細(xì)土及河谷平原地下水位基本穩(wěn)定或出現(xiàn)上升趨勢[10]。在現(xiàn)狀灌溉量不變的情況下，中游地下水儲量仍將以 1億—2 億 m3/a 的速度減少。如要保持中游地下水量穩(wěn)定，必需削減目前灌溉用水量的 20%。

水體同位素和水化學(xué)研究結(jié)果也表明，在分水限制和節(jié)水制度下，中游綠洲井渠混灌區(qū)已開始大量抽取利用深層地下水，正加速和改變著區(qū)域深-淺層、地表-地下水之間的循環(huán)過程和空間格局。中游淺層地下水 T（氫同位素氚）濃度逐漸降低，表明由灌溉回歸滲漏的深層較低 T 濃度地下水對原有淺層地下水形成強(qiáng)烈混合和補(bǔ)給；下游地區(qū)額濟(jì)納旗人口和農(nóng)業(yè)集中區(qū)周圍地下水呈現(xiàn)出很高的礦化度（TDS），說明地下水的最終匯聚和排泄區(qū)已從過去的尾閭湖區(qū)，轉(zhuǎn)移至達(dá)來庫布鎮(zhèn)和東居延海之間[11]。

自干流出山口鶯落峽至尾閭湖的地表地下水多次轉(zhuǎn)化過程：出山徑流在正義峽以上大多處于補(bǔ)給河流地表水的過程，之后為河道徑流滲漏補(bǔ)給荒漠區(qū)沖積平原地下水過程。據(jù)估算，中游上段地下水出露補(bǔ)給河道徑流量在 10.75 億 m3左右；至下段，地表水補(bǔ)給地下水量在 19.13 億 m3。出山口至張掖段河道對地下水補(bǔ)給約占出山徑流的 27%，張掖至正義峽段河道對地下水的補(bǔ)給約占該段河流徑流量的 69%[12]。根據(jù)上述水文過程，可以認(rèn)為目前中游水文及其過程現(xiàn)狀可以支撐干旱區(qū)內(nèi)陸河以“細(xì)水長流”的方式，達(dá)到中下游水資源的時(shí)空需求。

黃藏寺水利樞紐工程是《黑河流域近期治理規(guī)劃》和《黑河水資源開發(fā)利用保護(hù)規(guī)劃》中確定的黑河干流骨干調(diào)蓄工程，設(shè)計(jì)庫容 4.05 億 m3。2013 年 10 月，《黑河黃藏寺水利樞紐工程項(xiàng)目建議書》通過國家發(fā)改委的批復(fù)。工程建議書認(rèn)為該樞紐工程可控制黑河干流鶯落峽以上來水的 80%，直接調(diào)控正義峽斷面來水過程和下游生態(tài)供水過程，縮短中游閉口時(shí)間，使正義峽與狼心山下泄流量可分別增加 1.03 億 m3和 1.18 億 m3。上述直接控制下的輸配水過程，可能會簡化、改變中游水循環(huán)過程和縮短循環(huán)鏈，降低水資源重復(fù)使用率，使中游的地下水環(huán)境問題進(jìn)一步加劇。

張掖盆地地下水資源形成所需的時(shí)間為上游地區(qū)＜中游地區(qū)＜下游地區(qū)，從地下水更新模擬結(jié)果中可以看到更深層的地下水形成與轉(zhuǎn)化往往耗費(fèi) 4 000—6 000 年乃至更多時(shí)間；淺層地下水抽取后能在較短時(shí)間內(nèi)通過地表水體的補(bǔ)充得到更新，而如果開采的是年齡在數(shù)萬年以上的深層地下水則就會透支水資源的可持續(xù)發(fā)展能力[13]。額濟(jì)納盆地潛水年齡最輕的地方是沿著黑河河道的方向，因此沿河道地區(qū)，地下水更新能力很強(qiáng)，同時(shí)也說明黑河下游額濟(jì)納盆地地下水最重要的補(bǔ)給來源于黑河干流的河道滲漏，在這一區(qū)域地下水與地表水的交互最頻繁。

總體上講，地下水系統(tǒng)水量變化向著有利于地下水盆地生態(tài)恢復(fù)的方向發(fā)展，但這是近年來連續(xù)處于豐水年的結(jié)果，若在未來的若干年遇到連續(xù)的偏干甚至枯水期，地下水系統(tǒng)將如何變化還有待進(jìn)一步研究。

因此，在利用黑河流域水資源時(shí)，必須合理利用河水和更新快的淺層地下水，而對深層地下水尤其是承壓層地下水，因其形成時(shí)間很長，開采需嚴(yán)格限制。應(yīng)基于地下水系統(tǒng)更新和利用強(qiáng)度進(jìn)行分區(qū)，制定相應(yīng)的區(qū)域、季節(jié)和年際間地下水人工回補(bǔ)制度，實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡，維護(hù)盆地和流域地下水系統(tǒng)健康和持續(xù)發(fā)展。中游濕地建設(shè)及其人工補(bǔ)水一定程度上對局部地下水補(bǔ)給起到促進(jìn)作用，但改變了自然地質(zhì)構(gòu)造下天然水循環(huán)路徑和方式，可能會造成局地水文地質(zhì)災(zāi)害，如 2005—2007 年期間甘肅省張掖市甘州區(qū)城區(qū)局部地下水位上漲[14]。在缺水現(xiàn)狀下，額濟(jì)納盆地地下水利用強(qiáng)度較高，將導(dǎo)致地下水負(fù)均衡加劇，并在空間上向人類活動強(qiáng)烈區(qū)域轉(zhuǎn)移，最終影響到人居環(huán)境及其周邊區(qū)域的健康發(fā)展與穩(wěn)定持續(xù)。

1.4 下游地下水位逐步回升、水質(zhì)趨于淡化

總體上，受生態(tài)輸水過程影響，河流沿岸補(bǔ)給區(qū)，如東河、西河和中戈壁，與分水前相比，2014 年地下水位普遍上升；受混合和稀釋作用以及土壤中富含 Ca2+、Mg2+等礦物及其大量溶解的影響，地下水礦化度呈現(xiàn)減少趨勢，天然水化學(xué)場總體上向淡水方向發(fā)展；受輸水影響較弱的綠洲外圍的東、西戈壁區(qū)域，依然受到濃縮和蒸發(fā)作用，礦化度呈增加趨勢，水化學(xué)場依然向咸化的方向發(fā)展。

生態(tài)輸水 10 余年來，TDS 降低的區(qū)域主要發(fā)生在東河中下游段吉日格朗圖至居延海、拐子湖以及策克，多數(shù)區(qū)域水質(zhì)由鹽水向咸水類型轉(zhuǎn)化；TDS 增加的區(qū)域出現(xiàn)在東河上段狼心山-東河大橋，居延三角洲，東、西戈壁區(qū)；西河和中戈壁的變化趨勢不太明顯。

在水化學(xué)類型方面，較之分水前，2014 年水化學(xué)類型中 Cl-型水體明顯減少，含鹽量有所下降。空間上，在河道影響區(qū)域地下水的淡水分布區(qū)有所擴(kuò)大，但微咸水和咸水依然廣泛分布。2014 年淡水分布區(qū)從人口聚居區(qū)的賽漢陶來、達(dá)來庫布鎮(zhèn)以及河流上段狼心山一帶逐步擴(kuò)展至東河沿河至尾閭湖區(qū)、西河中下段及古綠洲黑城區(qū)域。

1.5 分水條件約束下的中游農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)及用水結(jié)構(gòu)變化

近 20 年來（1994—2013 年），張掖地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）及人均 GDP 均以約 14% 的年均速度呈快速增長趨勢。經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)在 20 年來呈現(xiàn)不同層次的優(yōu)化，一二三產(chǎn)業(yè)比例由 1994 年的 50 ：25 ：25 轉(zhuǎn)化為 2013年的 26 ：35 ：39；農(nóng)業(yè)內(nèi)部種植業(yè)與林牧漁總和產(chǎn)值比例由 1994 年的 69 ：31 轉(zhuǎn)化為 2013 年的 64 ：36。從用水特征看，20 年來張掖市用水總量年均增長 0.24%；用水結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高用水部門用水比例下降，相對低用水行業(yè)用水比例上升；主要用水部門農(nóng)業(yè)內(nèi)部農(nóng)田灌溉用水呈下降趨勢，林牧漁用水小幅上升[15]。

從影響用水總量關(guān)鍵因素的影響程度看，張掖地區(qū)經(jīng)濟(jì)總量增長是拉動用水量增加的主要驅(qū)動因素，呈現(xiàn)增量效應(yīng)，年均效應(yīng)值為 3.01 m3水；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及用水強(qiáng)度的下降對用水總量的變化表現(xiàn)為減量效應(yīng)，其減量效應(yīng)均值分別為 -1.93 m3水、-0.62 m3水，兩者減量效應(yīng)之和略小于增量效應(yīng)，符合張掖市用水總量總體上小幅上升的趨勢。

用水總量的約束引起了主要用水部門之間的結(jié)構(gòu)比例變化。高耗水行業(yè)用水比重分水后明顯降低，其中農(nóng)業(yè)用水比重和農(nóng)業(yè)內(nèi)部農(nóng)田灌溉用水比重分別降低 1%—2%，工業(yè)用水、服務(wù)業(yè)用水以及農(nóng)業(yè)內(nèi)部林牧漁用水比重呈逐漸上升趨勢。

2 水系統(tǒng)變化驅(qū)動的流域生態(tài)系統(tǒng)變化

2.1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和分水實(shí)踐主導(dǎo)了流域景觀格局演變

依然持續(xù)加強(qiáng)的區(qū)域人類活動，主導(dǎo)了中下游水土資源的利用方向配置格局。上游以裸巖、草甸、稀疏草地、草原和落葉闊葉灌木林為主，分別占總面積的 24.4%、20.2%、19.1%、17.4% 和 8.1%。1990—2010 年，黑河上游最明顯的土地覆被變化是冰川/永久積雪面積持續(xù)減少，轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?，這主要受氣候變化的影響；而人類活動持續(xù)加強(qiáng)，表現(xiàn)在工業(yè)用地、交通用地和采礦地增加；植被整體上變化不大；另外由于水庫的修建，水庫/坑塘面積增加明顯。

黑河中游以稀疏草地、旱地、裸巖、沙漠/沙地和裸土為主，分別占總面積的 41.0%、20.0%、11.6%、5.8% 和 5.2%。1990—2010 年，中游出現(xiàn)退耕和擴(kuò)耕并存的現(xiàn)象，總體上耕地面積依然呈增加趨勢；工業(yè)用地、交通用地和居住地持續(xù)增加，高耗水作物播種面積（沿河水稻等水地）得到控制。

下游以裸土、裸巖、沙漠/沙地和稀疏草地為主，分別占總面積的 66.5%、18.7%、7.8% 和 3.3%。由于水量的保證和東居延海專用輸水渠道的建成，湖泊、河流等水域面積逐漸恢復(fù)并穩(wěn)定擴(kuò)張；下游地下水位逐步上升，水質(zhì)趨于淡化，但空間異質(zhì)性較強(qiáng)，整體水環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。另一方面，耕地、工業(yè)交通用地和居住地持續(xù)增加，對現(xiàn)狀水資源和地下水環(huán)境帶來很大壓力?？傮w上，下游生態(tài)環(huán)境從分水前的惡化轉(zhuǎn)變?yōu)榉炙笾饾u恢復(fù)，并呈持續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢。

2.2 水系統(tǒng)調(diào)控下，下游荒漠河岸林生長狀況總體趨于好轉(zhuǎn)

樹木徑向生長特征一定程度上代表了林分健康狀況，樹木年輪年表記錄了年際尺度上不同樣點(diǎn)林分的衰退和恢復(fù)等生態(tài)變化過程?；跇淠灸贻唽W(xué)方法和額濟(jì)納綠洲 28 個(gè)胡楊輪寬年表，對近 50 年來及分水前后的胡楊生長狀況進(jìn)行了評價(jià)[16]?？傮w上，近 60 年（1954—2010 年）來，綠洲胡楊林一直處于衰退狀態(tài)，1969年是荒漠河岸林生長狀況最好的年份，2001年是衰退最為嚴(yán)重的年份?？臻g上，以額濟(jì)納東河上段和西河下段生長狀況較好，相對于 1990 年之前（自然階段），1990—2002 年為綠洲胡楊林衰退期，該階段下游年均來水量減少近 30%，胡楊徑向生長量較自然階段減少約 23.8%。流域分水后，即 2003 年以來，胡楊徑向生長逐漸恢復(fù)，直至 2007 年以后胡楊林生長狀況基本恢復(fù)至 1990 年之前的平均水平，但仍存在空間差異，其中未恢復(fù)的區(qū)域主要集中在東河中下段。

額濟(jì)納旗統(tǒng)計(jì)資料（《額濟(jì)納旗土地利用總體規(guī)劃2009—2020》）表明，2005 年全旗耕地總面積 2 910 hm2（4.37 萬畝），至 2008 年，全旗耕地面積增至 6 457 hm2（9.52 萬畝）。下游耕地多由綠洲內(nèi)部林地開墾而來，地下水在生長季被大量抽取，用于農(nóng)業(yè)灌溉，造成區(qū)域季節(jié)性低水位，從而對以周邊胡楊和檉柳為主的河岸林生長造成影響，這也是造成人口和農(nóng)田較為集中的東河中下游在分水以后胡楊林未全面恢復(fù)的主要原因之一。

因此，下游以荒漠河岸林為主的綠洲需要有更為精細(xì)的水資源配置模式和管理對策。司建華等人[17]通過對額濟(jì)納綠洲地下水位時(shí)空動態(tài)變化過程和天然植被耗水過程等研究，提出在 4 月（林草開始生長）和 8 月（胡楊種子成熟期和有性繁殖的幼苗更新）兩個(gè)關(guān)鍵生態(tài)需水期，應(yīng)分別保證 0.80 億 m3和 1.08 億 m3水量；在主體綠洲區(qū)，生長季（4—10 月）應(yīng)保證 2.32 億 m3水量；在空間上，東河綠洲區(qū)水量應(yīng)至少為 1.56 億 m3，西河綠洲區(qū)為 1.00 億 m3，東西居延海等尾閭區(qū) 1.60 億 m3。

2.3 人工配水管理下的尾閭湖及濕地景觀結(jié)構(gòu)演變

干旱區(qū)內(nèi)陸河尾閭湖及其濕地景觀的變化，是氣候變化和人類活動影響下流域內(nèi)水量平衡的綜合體現(xiàn)[18]。根據(jù)現(xiàn)代額濟(jì)納三角洲沖積扇河道分布與水文現(xiàn)狀，黑河下游尾閭湖及濕地可分為 3 類。（1）由現(xiàn)代河道直接相連，如東、西居延海和居延澤。（2）分布于下游的沖積扇緣，如古日乃湖濕地。歷史上在哨馬營處有古河道相連，與鼎新至狼心山的黑河下游主河道有地下水水力聯(lián)系，并受到東南部走廊北山經(jīng)巴丹吉林沙漠西南緣形成的地下水補(bǔ)給。（3）構(gòu)造塹谷地，如拐子湖濕地，為地質(zhì)時(shí)期河道湖的一部分，基本與古居延澤失去地下水聯(lián)系。由于其線狀深陷的塹谷構(gòu)造，成為北部丘陵戈壁和巴丹吉林沙漠北部降水形成地下水的主要匯集區(qū)。

多期遙感影像資料解譯結(jié)果表明，東居延海 1975 年湖泊水面近 47.56 km2，1990 年萎縮至 29.12 km2，1995 和 2000 年湖泊一直處于干涸狀態(tài)，湖底鹽堿地成為湖泊主要景觀類型；自黑河流域分水計(jì)劃實(shí)施以來，通過專用輸水渠道，東居延海 2005 年湖泊面積達(dá)到 39.55 km2，以后至 2010 年基本維持在 35 km2左右。湖濱草地景觀面積在 11—20 km2之間，淺水沼澤只存在于湖泊存在一定水量的情況下。

西居延海自 20 世紀(jì) 60 年代干涸后，只在 1990 年和2005 年存在 3 km2以下的季節(jié)性水面。主要的景觀類型為湖底鹽殼及鹽堿地，可達(dá) 426 km2，湖濱帶草地景觀在 4 km2以下波動。

古居延澤大部分均被流沙覆蓋，從南向北，目前只存在鎖陽坑、進(jìn)素圖海子、天鵝湖等小面積較為低洼的濕地，且主要以鹽堿地和湖濱草地景觀類型為主。在2005 年以前，只有最北部的天鵝湖存在 5 km2以下的水面，湖泊水位在 1.5 m 以內(nèi)波動，主要由東河地下水補(bǔ)給。2010 年，東河最東部支流有河水直接流入天鵝湖，并與南部進(jìn)素圖海子相連，達(dá)到 25 km2水面，覆蓋了原來大面積分布的湖濱草地和鹽堿地類型。

總體上，拐子湖和古日乃湖濕地景觀主要以鹽堿地和草地景觀類型為主，以及較小面積的灌木林地景觀類型，其鹽堿地和草地景觀類型面積變化互為消長。

3 藍(lán)綠水、虛擬水與水資源社會化管理建議

在我國干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，綠水和藍(lán)水在流域上、中和下游不同生態(tài)帶之間存在著非常復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，上游山區(qū)為藍(lán)水（徑流）形成區(qū)，綠水主要向藍(lán)水轉(zhuǎn)化，在平原區(qū)藍(lán)水主要向綠水轉(zhuǎn)化。上游的藍(lán)水量和中游灌溉綠洲中藍(lán)水向綠水的轉(zhuǎn)化量都影響下游的藍(lán)水和綠水利用量[19]。綠水的空間異質(zhì)性受氣候、土壤、植被和土地管理等多種因素影響，因此，通過分析藍(lán)水和綠水在流域上、中和下游的形成過程與相互轉(zhuǎn)換關(guān)系和作用機(jī)制，才能建立合理的水資源管理模式。

從生態(tài)水文過程和生態(tài)功能來看，干旱區(qū)上游山區(qū)植被的水源涵養(yǎng)功能是森林、草地等對綠水和藍(lán)水之間的生態(tài)調(diào)控[20]，其規(guī)模和狀況決定了山區(qū)水資源內(nèi)循環(huán)過程和進(jìn)入中游平原區(qū)的藍(lán)水資源量及其時(shí)空分配格局。目前，已經(jīng)實(shí)施的天然林保護(hù)工程、退牧還草等國家項(xiàng)目，無疑會增強(qiáng)山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對藍(lán)綠水資源及其時(shí)空分配的調(diào)控功能，以保證藍(lán)水在季節(jié)和年際等尺度上的穩(wěn)定性，提高山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部綠水循環(huán)轉(zhuǎn)化利用效率。

水資源社會化管理，是水資源需求管理的最高層次，充分認(rèn)識到水資源的社會屬性，并以水資源的社會屬性為主線，充分利用各種外部資源來緩解局地水資源的緊缺[21]。就黑河現(xiàn)狀而言，目前的技術(shù)節(jié)水提升空間有限；結(jié)構(gòu)性節(jié)水也因其產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和區(qū)位特征，一定程度上阻滯了一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，并進(jìn)而影響到水資源管理向第四層次，即水資源社會化管理的進(jìn)展。目前，流域水資源管理需要擴(kuò)展傳統(tǒng)水資源評價(jià)和利用方法，以流域降水為基本水資源總量，綜合考慮綠水資源，構(gòu)建以垂向“綠”水為中心的流域水循環(huán)模擬與綠水資源評價(jià)系統(tǒng)，建立流域上、中、下游綠水高效利用土地利用方式，提出流域尺度水資源綜合管理模式。

4 黑河生態(tài)治理成效評估總結(jié)及針對性建議

總體上，黑河生態(tài)治理工程實(shí)施以來，流域（干流）內(nèi)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，上游生態(tài)改善，中游地表水得以有效控制，進(jìn)入下游水量接近規(guī)劃要求，下游生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到有效遏制，但中游總用水量仍居高不下，面臨枯水期的水資源嚴(yán)重超載問題。我國黑河流域綜合治理工程生態(tài)成效評估總結(jié)為 3 方面，并針對性的提出相應(yīng)具體建議。

（1）進(jìn)行全流域統(tǒng)籌水資源管理。目前黑河流域的水資源管理僅限于東支干流區(qū)，即甘、臨、高、鼎新、額濟(jì)納旗幾個(gè)行政區(qū)域，對下游額濟(jì)納盆地的管理主要集中在核心綠洲區(qū)和東居延海，而對于受地下水補(bǔ)給維持的古日乃濕地、西居延海和古居延澤等干湖盆基本沒有涉及。與巴丹吉林沙漠接壤區(qū)域，地下水位下降及其導(dǎo)致的植被退化和防護(hù)功能減弱，致使沙漠持續(xù)擴(kuò)張，退化濕地和干湖盆基本為鹽殼和鹽土覆蓋，成為沙塵暴沿途鹽塵和沙塵的重要補(bǔ)給源地，新建成的臨策和在建臨哈鐵路古居延澤段已多次受到風(fēng)沙侵襲和軌道沙埋等危害。

（2）進(jìn)行深入細(xì)致數(shù)據(jù)調(diào)查，優(yōu)化流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)?；诮?50 年器測水文資料制定的流域分水方案主要依據(jù)干流年徑流數(shù)據(jù)，缺乏有效的年內(nèi)時(shí)空配置方案和未來水文情勢變化情景下的調(diào)整對策。集中輸水和節(jié)水及水利工程建設(shè)（包括后續(xù)在建控制性工程），致使中游地下水環(huán)境和近綠洲外圍生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化；人工綠洲，尤其是耕地面積依然持續(xù)擴(kuò)張，抵消甚至超過了節(jié)水型社會建設(shè)成果，導(dǎo)致水資源需求壓力持續(xù)增大；下游綠洲缺乏合理的水資源配置規(guī)劃，以河岸林為主體的綠洲依然沒有得到有效和全面恢復(fù)；目前流域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，導(dǎo)致虛擬水資源呈急劇向外輸出態(tài)勢。

（3）優(yōu)化流域水-生態(tài)系統(tǒng)-社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的水資源分配。黑河流域應(yīng)急輸水和生態(tài)拯救工程的實(shí)施，初步解決了中下游之間水資源分配和下游嚴(yán)重退化生態(tài)恢復(fù)問題，針對凸顯的中游地下水系統(tǒng)持續(xù)退化和綠洲邊緣防護(hù)體系生態(tài)退化問題，未來需要重視流域水-生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間水資源分配問題，以實(shí)現(xiàn)流域整體的生態(tài)健康與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

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21 程國棟. 虛擬水——中國水資源安全戰(zhàn)略的新思路. 中國科學(xué)院院刊, 2003, (4): 260-265.

肖生春 中科院西北生態(tài)環(huán)境資源院研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事干旱區(qū)環(huán)境演變、樹木年輪學(xué)以及內(nèi)陸河流域管理等方面的研究工作。主持及完成國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3 項(xiàng)，執(zhí)行負(fù)責(zé)科技部“十一五”“十二五”科技支撐課題和中科院重要方向性項(xiàng)目等。近年來發(fā)表論文 30 余篇，參編專著 4 部。E-mail: xiaosc@lzb.ac.cn

Xiao Shengchun Research Professor and tutor of Ph.D. student of Northwest Institute of Eco-environment and Resources, Chinese Academy of Sciences (CAS). His research interests include environmental process in arid land, Dedrochronology and integrated management of inland river basin. He executed three projects of National Natural Science Foundation of China, and several projects of National Key Technology R&D Program of China in the last 2 Five-Year Plans. In recently years, he published more than 30 papers and wrote four academic monographs.

E-mail: xiaosc@lzb.ac.cn

Scientific Assessment on Ecological Effects of National Integrated Management Project in Heihe River Basin

Xiao Shengchun Xiao Honglang Mi Lina Li LilivLu Zhixiang Peng Xiaomei
（Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin, Northwest Institute of Eco-environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China）

The Heihe River is the second largest inland river in northwest China, where the national integrated management project was executed in 2001. Based on the research results and periodicity understanding on the hydrologic cycle, process of nature-society system, and eco-environmental changes of the Heihe River Basin, the scientific assessment on the ecological and environmental effects is carried out. Generally, the water resources of the river are influenced by the Westerlies, and the alp and sub-alp are the main runoff producing area. The last decade and last century are the high flow periods of the instrumental records and on the millennium scale in the Heihe River. This above normal water resources level provided a powerful guarantee for the water division and the integrated management of watershed. Nevertheless, the pressure from increasing water demand of the local socioeconomic system is the main cause of the conflict between the water use by the middle and the lower reaches of Heihe River, and between the economic development and ecological water utilization. Under the effective control of water utilization volume in the middle reaches, the water utilization structure of the socioeconomic system has changed significantly. Because of the limited water resources and the continued increasing farmland area, the grounder water level and volume reserve presentslocally decreased tendency in the middle reaches, and it will face serious overloading of water resources in the future lower runoff period. The quantity of water flowed into the lower reaches closes to the request of the water division, the deteriorated tendency of ecology and water environment got restrained, but it has not recovered and has stronger spatial heterogeneity. More elaborated adjustment measures and spacetime administration of the limited water resources are needed, because the increasing farmland from the reclaimed riparian forestland will bring more pressure between the farmland and ecologic water utilization. In the possible lower runoff future, the water resources management of Heihe River Basin will face greater challenge under the sustainable development aim of society-economy-ecology in the whole watershed.

Heihe River Basin, integrated management of river basin, ecological effects, scientific assessment, problems and proposal

*資助項(xiàng)目：中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS計(jì)劃）（KFJ-EW-STS-005-02），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471082、91125026），國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFSF0302481）

修改稿收到日期：2017年1月5日

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.01.006