王浩院士：基于二元視角的河湖生態(tài)環(huán)境復蘇與生態(tài)流量保障路徑
2021年12月，水利部印發(fā)《水利部關于復蘇河湖生態(tài)環(huán)境的指導意見（水資管〔2021〕393號）》，明確了復蘇河湖生態(tài)環(huán)境的主要目標，系統(tǒng)部署了各項任務措施，其中保障河湖生態(tài)流量是六項重點任務之一。由于河湖水體的流動性，生態(tài)流量保障在河湖生態(tài)環(huán)境復蘇中發(fā)揮著基礎性作用。本文以“自然-社會”二元水循環(huán)視角，對河湖生態(tài)環(huán)境復蘇內(nèi)涵與生態(tài)流量保障的作用進行了深入解析，分析了我國重點河湖生態(tài)流量保障現(xiàn)狀與存在問題，從減小社會水循環(huán)干擾與增強自然水循環(huán)保障能力兩個方面，提出了加強生態(tài)流量保障、促進河湖生態(tài)環(huán)境復蘇的路徑。一、河湖生態(tài)環(huán)境復蘇內(nèi)涵與生態(tài)流量保障作用造成河湖萎縮與生態(tài)環(huán)境退化的根本原因是社會水循環(huán)取水、排污、筑壩、修堤等各項擾動的幅度超過了自然水循環(huán)的自我調(diào)節(jié)和承受能力。2020年，全國取用水總量5812.9億m3，占當年全國水資源總量的18.39%。雖然總體占比不高，但由于水資源本底條件和取用水量時空分布的不均，會在部分流域和區(qū)域?qū)ψ匀凰h(huán)造成巨大影響。根據(jù)《2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，當年全國共處理城市污水559.2億m3，污水處理率97.08%，也意味著至少有16.3億m3的城市生活污水未經(jīng)處理就直接排放入河，而集中處理的城市污水，即使按照一級A標準排放，對于河流來說仍是巨大污染源；全國有工業(yè)廢水治理設施69200套，處理能力17195萬t/d，折合年工業(yè)廢水排放量約628億m3；2020年全國水稻、玉米、小麥三大糧食作物的化肥利用率為40.2%，農(nóng)藥利用率為40.6%，即有接近6成的全國化肥、農(nóng)藥施用量（2020年全國化肥產(chǎn)量5496萬t、農(nóng)藥原藥產(chǎn)量214.8萬t）滯留土壤層，其中相當大一部分將伴隨農(nóng)田退水、坡面產(chǎn)匯流進入河湖水體；畜禽糞污綜合利用率75.0%，此外還有大量的農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理就直接排放。在取用水和污染物排放之外，全國9.8萬座水庫、1.6萬座規(guī)模以上引水式水電站、9.7萬座規(guī)模以上水閘對水流的連通性造成巨大影響；城市化、農(nóng)業(yè)開墾和堤防建設對于河湖水域空間也造成大量擠占。在此形勢下，河湖生態(tài)環(huán)境復蘇主要包含兩方面內(nèi)涵，一是河湖空間基底的保護恢復，也就是“盛水的盆”；二是空間基底之上水體或水生態(tài)系統(tǒng)的恢復，也就是“盆中的水”。其中，河湖空間基底恢復又可分為適宜水域空間面積和良好水域空間結構兩個方面；水體恢復可分為充足水量和良好水質(zhì)兩個方面。適宜水域空間面積指“盛水的盆”要足夠大，能夠有效容納和蓄滯汛期洪水，化解 “人水爭地”的矛盾。良好的水域空間結構指“盛水的盆”質(zhì)量要高，包括“深潭-淺灘-灘地”結構要合理，以提供適宜的水陸交錯帶生境，緩沖和降解入河湖污染物；“天然-人工”與“保護-開發(fā)”比例要適宜，以預留充足的天然生境，保護自然水生態(tài)系統(tǒng)；水域縱向、橫向和垂向連通性要高，以維系水循環(huán)的物質(zhì)、能量、信息傳遞和生物遷徙功能。對于“盆中的水”，也包括量和質(zhì)兩個方面。其中水量復蘇包括河湖儲水量的復蘇與流水量的復蘇。河湖儲水量的復蘇是一次性的，而流水量的復蘇則需要長期保持。對于河湖萎縮嚴重的區(qū)域，短期內(nèi)看重以水面面積為表征的儲水量復蘇，長期視野下，動態(tài)更新的流水量復蘇更為關鍵。而流水量的復蘇，也就是常說的生態(tài)流量，則又可以分為生態(tài)基流和敏感生態(tài)需水兩大部分。需要指出的是，對于地表河湖來說，無論是儲水量還是流水量的復蘇，都要以地下水恢復至合理水位，形成良性的地表-地下水補給排泄關系為前提。而水質(zhì)的復蘇，一方面是盡量減小污染物的入河，維持良好水質(zhì)；另一方面在部分水體，特別是梯級水電開發(fā)河段，需要重視梯級電站對生源要素層層攔截導致的河流“貧營養(yǎng)”問題，若水體過于貧瘠將導致河道水生生物食物鏈斷裂，進而影響水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。在河湖生態(tài)復蘇各個維度內(nèi)涵中，生態(tài)流量保障發(fā)揮著紐帶作用，處于核心地位。一方面，湖泊濕地維持適宜的生態(tài)水位、河流間歇性發(fā)生漫灘洪水，有助于河湖水域空間的保護和維持，避免被人類社會經(jīng)濟活動所侵占，并能促進水域空間縱向、橫向、垂向連通性的維持；另一方面，生態(tài)流量的保障能夠有效增強水體流動性和納污能力，對于維持適宜水質(zhì)發(fā)揮著重要作用。總體而言，在眾多任務中，生態(tài)流量保障是河湖生態(tài)環(huán)境復蘇的重中之重。二、我國重點河湖生態(tài)流量達標現(xiàn)狀與存在問題2020年，水利部分兩批制定了全國166個重點河湖控制斷面的生態(tài)流量目標。從目標實施首年的達標情況來看，主要存在如下特征和問題。一是生態(tài)基流達標情況總體較好。2021年，126個確定生態(tài)基流或最小下泄流量目標的控制斷面中，日均流量平均達標率為97.9%。其中日均流量全部達到生態(tài)基流或最小下泄流量目標的斷面70個，占比55.6%；日均流量達標率達到95%以上的斷面110個，占比87.3%；日均流量達標率達到90%以上的斷面120個，占比95.2%。56個日均流量非100%達標的控制斷面中，平均每個斷面有17.5d不達標，主要集中在枯水期（12月—次年3月），占總不達標天數(shù)比例為45.1%；其次是平水期（4—5月、10—11月），占總不達標天數(shù)比例為33.2%；豐水期（6—9月）不達標天數(shù)占比為21.7%。二是需要創(chuàng)新生態(tài)基流的年度達標評價方法。從上述達標情況可以看出，雖然生態(tài)基流總體達標情況較好，但全年日均流量均不低于基流目標的斷面數(shù)量占比卻僅有55.6%，若以此作為斷面年度達標評價標準，顯然過于嚴厲?？紤]到水生態(tài)系統(tǒng)對于短時期內(nèi)極低流量過程的耐受能力，建議在年度達標評價中將斷面年內(nèi)最長連續(xù)不達標天數(shù)作為重要指標之一，并考慮斷面整體達標率、斷流情況等因素進行綜合評價。若以日均流量達標率達到95%、有基流目標時段不斷流，且年內(nèi)最長連續(xù)不達標天數(shù)≤7天作為斷面年度“達標”評價標準，則2021年126個參評斷面中有109個達標，總體達標率為86.5%。其中，松花江區(qū)、遼河區(qū)、黃河區(qū)、淮河區(qū)達標率達到100%；珠江區(qū)達標率最低，為57.7%。三是湖泊最低生態(tài)水位和斷面基本生態(tài)水量均完全達標，但基本生態(tài)水量存在目標過低的情況。2021年，已確定最低生態(tài)水位目標的8個湖泊，旬均水位全部滿足最低生態(tài)水位目標，且日均水位也均滿足生態(tài)水位目標。已確定全年或分季節(jié)基本生態(tài)水量目標的19個控制斷面，對應時期的斷面徑流量全部達標，且平均達標程度（實測值/目標值）達到1287%。究其原因，是因為大部分斷面的基本生態(tài)水量目標是由對應時期的生態(tài)基流目標直接積分得到，而生態(tài)基流目標作為一種短歷時的“底限”目標，是不宜長期將流量保持在其目標值附近的，否則也會造成河流生態(tài)系統(tǒng)的退化。需要進一步探索斷面基本生態(tài)水量的合理制定方法，優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)有偏低的基本生態(tài)水量目標。四是敏感生態(tài)需水保障情況不容樂觀。突出表現(xiàn)在制定敏感生態(tài)需水目標的斷面少、已定目標達標情況不佳等方面。在全部166個控制斷面中，僅有5個斷面制定了敏感生態(tài)需水目標，占比僅3%。在這5個斷面中，東南諸河區(qū)的白塔、松溪斷面制定了敏感期生態(tài)流量目標，2021年敏感期對應的達標天數(shù)比例分別為78%、100%；長江的宜昌斷面、西江的桂粵和高要斷面制定了敏感期脈沖流量目標，2021年在各自敏感期內(nèi)均只發(fā)生了1次符合要求的脈沖過程，達標次數(shù)比例分別為33%、25%、25%。雖然珠江流域2021年遭遇極端枯水年份，超過了敏感生態(tài)需水75%的保證率要求，不要求敏感生態(tài)需水達標，但總體來看，全國重點河湖的敏感生態(tài)需水目標制定和調(diào)度保障工作仍需全面加強。生態(tài)流量不足是社會水循環(huán)對于自然水循環(huán)的干擾超出其承受能力導致，解決該問題的方法和路徑也需基于二元水循環(huán)理論科學制定。總體而言，一方面需要減小社會水循環(huán)對于自然水循環(huán)過程的干擾，另一方面需要通過各種措施加強自然水循環(huán)自身的應對和保障能力。一是嚴格落實“四水四定”和節(jié)水優(yōu)先方針。在經(jīng)濟社會發(fā)展布局中，要充分執(zhí)行“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”原則，把水資源作為最大的剛性約束。同時也應看到，我國水資源總體分布格局與耕地、能源、礦產(chǎn)等生產(chǎn)要素不匹配。北方六個水資源一級區(qū)國土面積占64%，人口約占60%，耕地約占50%，而水資源量僅占19%；全國70%的煤炭資源集中在黃河上中游能源基地，而這一區(qū)域的水資源量卻不足全國的3%；國家糧食安全保障主要立足于東北和黃淮海兩大主產(chǎn)區(qū)，黃淮海流域水資源開發(fā)利用已超出承載能力，而東北地區(qū)農(nóng)業(yè)與生態(tài)爭水的問題也已開始顯現(xiàn)。所以，在“四水四定”具體執(zhí)行過程中，需要辯證應對和求解，而不是“一刀切”地盲目執(zhí)行。對于其他生產(chǎn)要素富集而水資源短缺的地區(qū)，全面貫徹“節(jié)水優(yōu)先”的方針政策，提高各行業(yè)用水效率，建設節(jié)水型社會就顯得尤為重要，需要通過節(jié)水技術的不斷創(chuàng)新，推動水資源緊缺地區(qū)主要行業(yè)用水效率和節(jié)水技術的迭代式發(fā)展。二是加強取用水總量控制和江河水量分配。取用水總量控制是從行政區(qū)劃角度進行用水總量控制，江河水量分配是從流域角度進行用耗水總量控制，二者有機結合，才能切實發(fā)揮好用水總量控制作用，將社會水循環(huán)通量和對自然水循環(huán)的影響限制在可接受范圍內(nèi)。目前，隨著最嚴格水資源管理制度的實施，全國建立了省、市、縣3級用水總量控制指標體系，促進全國用水總量增長態(tài)勢趨緩，甚至部分年份實現(xiàn)“負增長”；水利部已批復全國60多條跨省江河的水量分配方案，各省級水行政主管部門也開展了大量跨地市河流的水量分配工作。今后需要進一步加強二者的融合，在各行政單元用水總量指標基礎上，進一步明晰各分項水源的可開發(fā)利用總量，杜絕流域區(qū)域總體不超標但局部擠占、取用水總量不超標但分項水源超標的問題。三是加強重點季節(jié)的農(nóng)業(yè)-生態(tài)用水沖突協(xié)調(diào)。目前，農(nóng)業(yè)用水仍然是我國的用水大戶，而農(nóng)田灌溉的用水季節(jié)比較集中，主要在4—6月份，這是造成北方河湖在這一時期生態(tài)流量不達標的主要成因。研究表明，近4年我國北方河湖生態(tài)基流不達標的主要成因為河道外取用水，其中取用水總量過高的貢獻是36.6%，而取用水季節(jié)性沖突的貢獻則達到41.4%。所以，在農(nóng)田灌溉用水高峰期，要特別重視生產(chǎn)生活用水與生態(tài)環(huán)境用水矛盾的協(xié)調(diào)。應優(yōu)先保障河流生態(tài)基流，剩余水量再進行合理分配，避免通過閘壩、渠道等方式將水全部截流引走。即使在水量緊缺，不可避免破壞河流生態(tài)基流的情況下，也應保障生態(tài)基流連續(xù)破壞時長不超過河流生態(tài)系統(tǒng)的耐受能力。對于特殊干旱年份造成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，可以通過引入干旱保險等方式予以彌補，而不能全部轉(zhuǎn)嫁到生態(tài)系統(tǒng)。四是全面開展地下水超采治理。在健康的地表水—地下水補給排泄關系中，河流生態(tài)基流主要由地下水予以調(diào)蓄和補充，若地下水水位過低，生態(tài)基流將無法得到保障。但隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，也呈現(xiàn)出一些新的態(tài)勢。一方面，大量水庫的修建增加了河道內(nèi)生態(tài)基流的保障能力，在做好調(diào)度的前提下，能大幅度提高水庫下游河道生態(tài)基流的保障能力和流量水平。如嫩江干流尼爾基水庫2006年建成以后，將嫩江出口斷面大賚站的基流水平從天然徑流90%保證率的22m3/s提高到近10年最低實測流量40.7m3/s。另一方面，隨著平原區(qū)大量地下基礎設施的修建，地下水水位已不宜恢復到歷史水平。如20世紀60年代初期華北平原山前平原淺層地下水埋深在1~3m，此后超采導致大面積地下水漏斗，漏斗中心區(qū)地下水埋深達到100m以上。在超采治理過程中，由于平原區(qū)城市大量地下基礎設施的修建，加之耕地防鹽堿化的需求，地下水水位已不適宜恢復到歷史水平，較適宜的恢復埋深在20 m左右。但無論形勢如何變化，對于現(xiàn)有的超采區(qū)，都需要盡快實現(xiàn)地下水的采補平衡，避免地下水水位持續(xù)下降，并結合豐水年份的自然補給和生態(tài)補水等措施，將地下水水位盡快恢復至適宜水位。一是加強江河源區(qū)水源涵養(yǎng)。通過水土保持、植被建設、封育保護等措施開展源區(qū)水源涵養(yǎng)，并不會直接增加地表徑流總量，甚至會一定程度上減小徑流總量。但其作用在于增加源區(qū)的徑流調(diào)蓄能力，相當于建設一座巨大的“天然水庫”，能極大增強河流在枯水年份、枯水期的徑流保障能力，并對汛期洪水起到“削峰”作用，對于河流生態(tài)流量保持具有重要作用，是加強自然水循環(huán)自身調(diào)節(jié)能力的重要手段。同時，源區(qū)生態(tài)小流域的建設還將有助于減輕入河污染負荷，促進河流水質(zhì)改善。二是合理制定生態(tài)基流、最低生態(tài)水位、基本生態(tài)水量等目標，并在水資源配置和調(diào)度中予以優(yōu)先滿足。對于河流生態(tài)基流和基本生態(tài)水量、湖泊最低生態(tài)水位等“底限”目標，考慮到水文的周期性以及不同流域的差異性，更加適宜于利用Qp等保證率方法進行制定，以維護天然基流水平為主要目標。但對于上游已建設控制性工程的河段，要綜合考慮現(xiàn)狀調(diào)蓄能力和水平優(yōu)化確定；對于徑流嚴重衰竭、無法得到有效徑流補充的河段，近期可以恢復基本生態(tài)水量為主，遠期恢復生態(tài)基流。但基本生態(tài)水量目標不是基流目標的簡單積分或加和，而應充分考慮水資源開發(fā)利用水平、徑流量與生態(tài)系統(tǒng)之間的響應關系等因素綜合確定。對于已制定的“底限”目標，需要明晰責任，加強監(jiān)測預警和考核監(jiān)督，確保在相應的保證率要求下達標。三是開展關鍵保護物種和保護目標的水文水動力需求研究，并通過生態(tài)調(diào)度等手段予以精準滿足。在“底限”要求得到滿足的基礎上，應針對不同區(qū)域重點保護物種和保護目標，開展魚類不同生命階段適宜水動力條件、濕地植被生長水分需求和漫灘過程、河流輸沙用水、河口適宜鹽度維持等需求的深入研究。建立相應的生態(tài)—水文響應關系，明晰敏感生態(tài)需水發(fā)生時期和時機、峰值流量、發(fā)生頻次和總水量需求，并結合實際來水過程，通過水利水電工程的生態(tài)調(diào)度予以精準化滿足。水利水電工程一般需要發(fā)揮防洪、發(fā)電、供水、航運等綜合功能，要將生態(tài)調(diào)度納入工程調(diào)度運行管理辦法，在規(guī)劃設計、建設施工和調(diào)度運行的全階段予以規(guī)范化管理，明晰相關要求，并加強對于工程實際運行單位的監(jiān)督考核。四是開展生態(tài)流量保障成效的監(jiān)測評估，促進目標體系的動態(tài)修正。對于已制定的生態(tài)流量目標，要加強按照目標保障后的成效評估。通過對目標實施后水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性的連續(xù)監(jiān)測，對當前目標的適應性進行評估，并根據(jù)評估結果對目標進行動態(tài)修正，促進生態(tài)流量目標和保障體系的不斷完善。目前，水利部已分4批制定全國286個重點河湖控制斷面的生態(tài)流量目標，但對于目標實施之后的成效尚缺乏深入的研究。2021年，水利部松遼水利委員會聯(lián)合中國水利水電科學研究院開展了洮兒河生態(tài)流量保障成效評估，取得了初步成果。但生態(tài)流量保障后水生態(tài)系統(tǒng)的響應是一個長期的過程，此項工作需要持續(xù)開展，逐步積累相關數(shù)據(jù)，才能形成可靠的定量評估結果。五是著力提升水流的連通性和流態(tài)的多樣性，促進棲息地和水生生物的多樣性。生態(tài)流量的保障只是為河湖生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定提供了基礎的水分條件，對于水生生物而言，更直接的需求是滿足其生存繁衍需求的多樣化生境和連續(xù)的洄游通道。因此，在生態(tài)流量保障之余，還需要特別重視水流連通性的改善和流態(tài)多樣性的塑造。具體措施包括小水電的清理整改、水利工程過魚設施的建設、河流蜿蜒地貌的保護恢復和斷面形態(tài)的合理塑造，以及丁壩、生態(tài)浮島等微生境的營造等。通過水流連通性的改善促進水生生物在不同棲息地、不同水域間的流通和基因交換，通過多樣化的流態(tài)塑造多樣化的棲息地，最終促進水生生物的多樣性。六是對于問題突出的重點河湖，通過外流域調(diào)水等手段予以解決。北方地區(qū)部分河湖濕地，由于社會經(jīng)濟用水長期擠占生態(tài)環(huán)境用水，且已形成較為穩(wěn)定的經(jīng)濟社會發(fā)展格局，短時間內(nèi)依靠自身水資源條件已無法扭轉(zhuǎn)局勢。此時需要借助南水北調(diào)等重大引調(diào)水工程，通過跨流域的水資源配置來保障河湖生態(tài)需水，恢復適宜生態(tài)流量，這也是國家水網(wǎng)工程建設的一個重要作用和目標。需要注意的是，在跨流域調(diào)水工程規(guī)劃和調(diào)度運行中，要高度重視水源區(qū)合理生態(tài)需水的保障，避免調(diào)水導致的“生態(tài)災難搬家”問題，確保水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性不降級。
作者/王浩（中國工程院院士，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室主任），胡鵬
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