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治黄的挑战和对策:来自欧美治河史的启示

陈蕴真 江恩慧 李军华

责任编辑:范江涛 来源:

  核心提示

  回顾欧美典型大河的治河史,有助于治黄工作放眼长远、科学决策,也有助于找准当下需要关注的问题。分析莱茵河、密西西比河和科罗拉多河的治河史,显示欧美治河已走过筑坝渠化大开发、治污和生态保护三个阶段。作为先发国家,欧美治污成功的关键是科技创新推动流域实现高质量发展,但过度开发已给可持续发展留下难题。治黄事业要实现跨越式发展,必须实施流域社会经济、水资源和水生态的一体化管理。建议成立黄河保护委员会,作为治黄系统工程的最高决策机构。加强流域发展战略研究,开发多目标决策模型,全面提高河流的动态监测能力,加大“产学研用”联合攻关力度,以便开展高效的跨领域循证决策,提高适应性管理水平,创新符合生态文明理念的治黄工程。

  

  人民治黄70多年,取得了辉煌成就。但气候变化的高度不确定性和中国经济社会快速发展,给治黄带来巨大挑战。2019年,习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话,标志着“生态保护”列入主要治黄目标、治黄要实施跨越式发展。这为黄河治理提出了更多、更高的目标。

  近两百年来,欧美国家治河走“先破坏再治理”路线,已进入河流修复、生态保护阶段。应用系统思维,从科技进步、社会经济发展和治河活动互动的角度,回顾和分析欧美治河史案例,有助于我们研判大势,主动谋划,发现问题,防范风险。本文回顾莱茵河、密西西比河、科罗拉多河的开发与治理历程,结合中国国情,评述欧美大河治理的经验和教训,阐述黄河治理面临的挑战、对策和值得研究的科学问题。

欧美大河开发与治理简史

  莱茵河开发与治理简史

  莱茵河长1320千米,流域面积18.5万平方千米,年径流量740亿立方米,流经欧洲9个国家。1815年,莱茵河被定位为国际商用航道,同年莱茵河委员会成立。莱茵河下游的河床、河道和水系被重新设计,以提高航运能力。便捷的航运促进煤钢工业发展,下游污染日益严重,水资源很快变得紧缺。1899年,鲁尔大坝协会成立,修坝建库,提高供水能力。从1900年到1940年,莱茵河的支流鲁尔河年耗水量从2.2亿立方米飙升到10亿立方米。20世纪20年代,卡普兰式水轮机将水轮机运行效率大幅提高到84%,水力发电技术成熟。在上游,瑞士巴塞尔通航,大规模开发水电资源。工业兴起,污染蔓延到上游,各种化工废水直接排入莱茵河。渔业资源急剧减少,鲑鱼捕捞量1885年为22.5万条,20世纪50年代捕捞量降为0。

  1950年,保护莱茵河国际委员会(ICPR)成立,使命仅为评估水质。随后炼油和石化工业兴起,污染物危害越来越大。1963年,沿岸各国签署《伯恩协议》,赋予ICPR主持年会和起草国际条约的权力。莱茵河治污取得了政治承诺,但因忽视源头减排,故水质继续恶化。1967年,欧共体成立,推动经济高速发展。20世纪70年代中期,莱茵河水质达到史上最差,沿岸国家又签署了一系列治污协议。由于缺乏有效的治污技术,因此治污协议依然无法充分执行,水质未显著改善。

  1986年,瑞士巴塞尔桑多兹化工厂发生安全事故,近1300吨化学品泄入莱茵河,水生态遭严重破坏。1987年,各国批准实施“莱茵河2000行动计划”,目标是治污和恢复水生态,并把到2000年在莱茵河上重建稳定的鲑鱼群作为水生态恢复的重要指标。短短几年内水质大幅提升,水生态得到恢复,20世纪90年代初鲑鱼群就重返下游的锡格河。“莱茵河2000行动计划”取得巨大成功是多因素共同作用的结果:从上到下治理意愿空前高涨,治污指标严苛,ICPR被赋予更多权力(协调和监测等),20世纪80年代中期化工、核电等产业的治污技术取得重大突破,90年代将高污染的制造业外迁,大力发展无污染的第三产业等。

  进入20世纪90年代,气候变化给莱茵河防洪带来巨大挑战。1993年和1995年的洪水几乎导致下游溃堤。人们意识到仅靠堤坝不但无法应对越来越频繁的极端洪水事件,上游堤坝还破坏了阿尔卑斯洪泛平原的滞洪功能,将洪水快速输向下游,加剧下游的洪灾。为实现可持续发展,必须实施水资源、水环境一体化管理,还要“牢记莱茵河的恢复对于维护和改善北海生态系统也必不可少”。

  2000年,欧盟颁布水框架指令,对莱茵河的治理提出更多、更高的强制要求。相应地,“莱茵河2020行动计划”制定了更高的目标,例如:到2020年将整治河段下游的极限洪水位降低70厘米,水质标准为“使用简单的、接近自然的处理方法即可生产饮用水”。然而,近两百年来,莱茵河沉积物中的污染物积累已超安全警戒线若干倍,洪泛区面积缩减了90%。在可预见的未来,沉积物中的污染物对水质的威胁无法完全消除,不到40%的河流走廊可恢复连通性。荷兰莱茵河段的“还地于河”工程2018年完工,耗时11年,耗资23亿欧元,仅使极限洪水位降低了30厘米。

  密西西比河开发与治理简史

  密西西比河长6262千米,年径流量4900亿立方米,流域面积322万平方千米,占美国国土面积的34.4%。流域开发始于18世纪中期的西进运动。粗放农业和采矿业的掠夺性开发,导致水土流失,洪灾严重。1824年,美国陆军工程兵团成为流域治理机构,推行“堤防万能”的防洪政策,通过裁弯取直、渠化等措施改善航运条件。1927年,密西西比河特大洪水导致溃堤120多处,70万人无家可归。美国陆军工程兵团的防洪政策转向水库、分洪区、泄洪道与堤防协调,次年美国出台《防洪法》。20世纪30年代,大规模水利建设成为罗斯福新政用于刺激经济复苏的手段。1945年,田纳西河流域率先完成梯级开发,防洪、航运和水电效益显著,工业兴起,并成功治理水土流失,实现地区脱贫。

  随着流域内崛起多条工业走廊,防洪和治污压力不断增大。1968年,美国颁布《国家洪水保险法》,开始推行非工程措施防洪。1948年颁布第一部联邦水污染控制法,但水质继续恶化。1970年的第一个世界地球日,两千万美国人走上街头,抗议政府未采取措施遏制污染。1972年美国颁布《清洁水法》,实施排污总量控制和排污许可证制度,实现“以命令控制为主、以经济刺激为辅、以公众参与为补充”的水污染防治机制。点源污染很快得到遏制,但非点源污染日趋严重,导致墨西哥湾的缺氧事件。湿地的日益萎缩加剧了水质恶化。

  20世纪90年代,密西西比河流域洪灾频发。1993年的特大洪水造成大约160亿美元损失。洪灾的部分成因是私人筑堤,无序开发泛滥平原,因此“还地于河”势在必行。1993~2000年,全美修复河流湿地的财政投入达130亿美元。1999年以后美国大力发展河流修复产业。全美从事湿地保护交易活动的湿地银行,从2001年的219个猛增到2012年的1221个。

  密西西比河治理面临巨大挑战。首先,大坝超期服役,溃决风险不断提高,而政府对水利的投资却大幅缩减,社会对治河的要求越来越高。治河需求包括防洪、通航、发电、供水、水质、灌溉、娱乐、野生生物保护等。为了平衡这八个方面的需求,密苏里河上水库的调度手册厚达432页,复杂程度超乎想象,这无疑增加了系统出错并发生连锁反应的风险。其次,私人为主的河流修复项目规模小(河长大都小于1千米),缺乏规划、长期监测和信息共享,大多数修复项目的效果未知。水库拦沙,导致密苏里河的河道来沙不足,重塑河道、修复鱼类栖息地的效果不显著。而为了维持生产,不能将超期服役的大坝马上拆除。同时,密集上马的河道重塑工程大大降低了密苏里河的泄洪能力。2019年3月,暴雨和冰塞导致密苏里河的斯宾塞大坝垮塌及其下游决堤,洪灾损失达30亿美元。

  再次,外部环境不确定性显著加大。人类活动显著干预自然过程,气候变异,加上经济全球化提高国际贸易的不确定性,给防洪规划和预测灌溉需求、航运规模等带来困难。

  科罗拉多河开发与治理简史

  科罗拉多河长2333千米,流域面积64.7万平方千米,流经美国西部七州和墨西哥北部,属于干旱和半干旱区。90%的径流量产自高山融雪,多年平均径流量185亿立方米,80%用于农业灌溉。1848年美墨战争结束,西进运动向西推进。流域内采矿业和小型灌溉农业兴起,私人修建小型灌溉设施,从科罗拉多河引水。1902年美国内政部成立农垦局,负责建设水利工程。1914年,加州率先规定水资源属于州公共财产,并建立加州水权委员会,负责发放水权许可证。1922年,流域七州订立《科罗拉多河契约》,分配用水权。但是分水时缺乏长期观测数据而又恰逢丰水期,197亿立方米的年可分水量被严重高估,实际上1906~1921年的平均径流量比百年尺度上的多年平均径流量大20%。近年的大量树轮研究显示,近500年来流域发生周期性干旱事件,一次事件历时可达60余年。一个错误的分水协议拉开了科罗拉多河大开发的序幕。

  1935年,胡佛大坝竣工,密德湖水库有效库容达319亿立方米。罗斯福总统在竣工典礼上发表讲话:“过去,科罗拉多河狂野地奔流入海,未加利用;今天,我们把它们转变为国家财产。”1941年,全美渠灌区建成,将21%的科罗拉多河径流调往南加州的帝国灌区。1964年葛兰峡谷大坝竣工,鲍威尔湖水库库容达300亿立方米,蓄水导致河口三角洲断流达15年之久。

  加州经济蓬勃发展,不但用光了自己的水权,还占用其他区域未开发的水资源,水事纠纷不断。1963年,联邦法庭赋予美国内政部初始水权分配职能,协调矛盾。同时,未经处理的灌溉退水导致科罗拉多河水盐度越来越高,水质恶化。1967年,加州的水权委员会和水质调控委员会合并,成立水资源调控委员会,率先实施水权和水质的一体化管理。20世纪70年代,公众对公共水权即对水资源的美学价值、娱乐价值、生态价值等精神层面的诉求越来越强烈。1986年三角洲水资源案判决加州水资源调控委员会可以时刻监控水质变化,为维护水质和水生态,可对水权做出调整。这个判决标志着公共水权在加州获得法律保障。

  20世纪90年代,在信息产业推动下,全流域经济加速发展,城市化水平不断提高,人口增长率均超过8%,内华达州甚至达到66%。1996年,葛兰峡谷大坝下泄“人造洪峰”,开始生态调度实践。生活、生产、生态用水持续增加,流域用水量超过多年平均径流。

  1996年,水资源管理的新工具“水银行”在亚利桑那州应运而生。该州结余水量被回灌地下存储,供以后抽取使用。1999年,州际水银行制度开始实施。2000~2016年流域遭遇有史以来最大旱情,鲍威尔湖和密德湖经历了蓄水以来的最低水位。为了应对水荒,2003年加州首创一种水权交易制度:各方共同投资建设节水灌溉设施,帝国灌区将由此节余的水权转卖、转移或租赁给城市用水方,利用市场机制优化配置水资源。这种水权交易的不良效应包括:可能导致农业减产,灌渠衬砌导致地下水位下降,引发水事纠纷,灌溉退水减少,危害生态环境等。目前,尽管采取了许多节水措施,水荒依然无法解决,部分农场已经休耕。最新研究显示,气候变暖将造成未来科罗拉多河流域的旱情将加剧。

欧美治河史对黄河治理的启示

  对流域管理体制改革的启示

  欧美经验显示,治河和流域高质量发展相辅相成。一方面,治河为流域高质量发展提供国土资源保障。田纳西河流域经济从粗放的第一产业成功转向发达的第二产业,先进的水电技术和流域综合开发是最强推手(人民治黄70多年的辉煌成果印证了这一点)。另一方面,流域高质量发展,可降低河流健康风险,减小治河压力。

  欧美早在20世纪40年代就有治污意愿,也出台了相关法律,但直到80年代水质才显著改善。治污成功需要多种因素共同作用,除了民众诉求、政治承诺、法律保障,还需要高效的治污技术和产业结构升级换代,这些条件直到80年代才全部具备。同样,欧美河流修复得以在20世纪90年代开展,原因也是当时农业集约化程度提高,农业用地需求减少,新能源兴起,对水电的依赖性减小。简而言之,由于要等待新技术出现,推动产业结构升级改造,因此欧美不得不走“先破坏再治理”的道路。

  假如治黄要发挥后发优势,实现跨越式发展,不走欧美“先破坏再治理”的老路,就必须配合我国的发展战略,做好流域的宏观规划,并在更高层次上进行部门协调,实施流域社会经济、水资源和水生态的一体化管理。结合中国行政框架现状,建议采取最高决策机构加执行机构的双层管理体制。成立黄河保护委员会,由国务院主管领导主持工作,赋予黄河保护委员会决策权、协调权和监督权,作为治黄系统工程的“总指挥部”,负责制定流域发展战略,治黄顶层设计,黄河保护立法,协调推进流域一体化管理的试点工作,协调开展跨部门的重大项目,防范化解重大风险,运作中国保护黄河基金会等工作。从短期合作开展具体项目开始,不断深化合作,尽快转变为按照协议运作的常设机构。

  欧美经验还显示,治河活动重心随科技进步、社会经济发展三五十年一变。19世纪以来,欧美大河的开发与治理已经走过筑坝渠化大开发、治污和生态保护三个阶段,社会需求越来越多,治河日益成为多目标的系统工程。相应地,治河管理机构的职能和权力也不断扩大,形成防洪、通航、水量、水质、水生态一体化管理的流域管理体制。这种全部集中于一个机构的一体化管理体制的优点不言而喻,尤其是对于治河目标少或优先级明确的小流域。但对于密西西比河这种超大流域,实施一体化管理时,假如治河目标太多、优先级不明确,意味着治河机构任务繁重、治河工程运行复杂,反而可能加大水风险。

  因此,治黄既需要百年规划,也需要中期规划,明确阶段性任务并及时调整,才能精准地推进。黄河保护委员会施行常态化会商制度,以便治黄活动快速跟进中国社会经济发展,有效实施适应性规划和管理。应用战略学研究思路和系统科学方法,抓住不同阶段的战略重点,明确不同目标的优先级;开发基于情景的多目标综合决策模型,精准权衡河流的开发、防洪和保护目标;根据对社会经济发展的前瞻预判,动态评估工程的成本效益,包括机会成本、社会成本和生态成本。对于暂时无法科学测算的生态成本,鉴于人类利用自然的可能性无限,应赋予它比当代人的支付意愿高的估值。

  对供水安全的启示

  欧美大河治污历程显示,一方面,随新技术应用、新产业兴起,污染物成分越来越复杂,面源污染治理难度加大。另一方面,随着对自然规律的科学认识不断加深,对水质的要求也不断提高。而且,由于制造业大规模外迁可能带来巨大风险,保障粮食安全和能源安全是守住国家的生命线,因此我国不可能效仿欧美,通过大规模进口粮食和外迁制造业,在短期内快速提升治污目标。黄河治污将是长期艰巨的任务,需要和高质量发展一起推进。

  和黄河一样,科罗拉多河流域的水资源匮乏。尽管美国高度重视私有财产权,科罗拉多河流域早在20世纪早期就将水资源收为公有。一个世纪以来,通过立法和机构改革,不断提高水资源管理的宏观调控水平,明晰初始水权。凭借强大的基层创新能力,不断创新、推广节水技术和水权交易制度,引导水资源流向更高效率的地区或部门,实现水资源优化配置,同时保障了原住民用水和生态用水的优先权。可以说,今天科罗拉多流域的水资源管理已经在“节水优先”和“两手发力”上达到很高的水平。

  但是,科罗拉多河流域依然无法应对21世纪初连续16年的大旱,而未来水危机还会升级。对比我国的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路,科罗拉多河流域水危机的根源在于水资源管理缺乏“空间均衡”和“系统治理”。早期科罗拉多河开发缺乏强大的科技支撑,受“人定胜天”“征服自然”的错误理念支配。1922年,分水协议的分水总量超过水资源的长期承载力,没有考虑地表水与地下水之间的相互转化关系,没有预留足够的生态用水量,缺乏清醒的底线思维———假如遇到连续十几年大旱如何应对。分水后的80年里,从下游到上游,各州经济渐次进入加速发展阶段。受制度因素影响,美国经济发展缺乏必要的宏观规划,无法坚持人口、经济与资源环境相均衡的原则,用水量持续增长,终于在20世纪90年代初超过水资源的长期承载力,并在21世纪初遇到世纪大旱时爆发水危机。

  其实,早在1976年已有一项科学研究,基于近450年的树轮资料分析指出20世纪20年代是科罗拉多河流域非常的湿润时段,历史时期流域的旱情比观测年代显示的严重得多。然而,那时水危机尚未充分显现,从决策者到科学界都忽略了这项研究。21世纪初旱情升级,流域旱涝的长期变化研究才受到重视。然而对于水资源管理,已经错过了及时调整分水协议的机会。可见,当水危机处于萌芽阶段时,主管部门的循证决策能力将对形势走向产生重大影响。

  1987年的“八七分水”方案将黄河可供水量定为370亿立方米,为输沙和生态保护预留了大约170亿立方米水量。随着中部崛起和西部大开发战略推进,黄河流域已进入加速发展阶段,人口也将继续增长。在未来很长时期,流域的多种水需求都将快速增长。而在全球气候变化背景下,流域旱涝变化的不确定性加大,水供给的不确定性加大。同时,洪灾风险加大,在悬河形势尚未解除情况下,不宜过度挤占输沙用水。毫无疑问,黄河流域水资源的供需矛盾将日益加剧,对水质的要求也将越来越高。

  为切实贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路,应对可能的水危机,需加强不同时间尺度上的黄河流域水沙变化、地表水与地下水的转化关系研究,完善分水方案,探索实施水银行制度的可行性;探索“水—沙—能源—粮食—生态”协同优化方法,通过高质量发展减少用水量,减小水权交易制度的不良效应。

  对防洪战略的启示

  由于人类活动的强度越来越大,流域系统里各种人文、自然要素的相互作用日益复杂,因果之网错综,因此水文变化的不确定性越来越大,洪水风险加大。气候变化导致极端洪水事件增加,属于“灰犀牛”型风险;意外事件的效应通过因果之网传递,触发防洪体系崩溃,属于“黑天鹅”型风险。20世纪90年代以后欧美大坝老化,又无处建新坝,传统防洪体系对洪水风险的应对能力下降。因此,密西西比河和莱茵河都实施了工程和非工程措施相结合的防洪战略,尤其是通过实施“还地于河”,兼顾防洪和生态保护目标。

  在可预见的未来,黄河流域也必将面临老坝退役、无处建新坝的局面。防洪除了要不断创新适合国情的非工程措施,“还地于河”无疑是必由之路,但需吸取密苏里河冒进的河道重塑增大洪灾风险的教训。黄河下游“还地于河”要和大堤隐患早期预警、河势适度控制、根治水土流失、水沙调控、水电开发、生态重建、滩区移民等协调联动,确保科学周密、渐进有序地推进。

  欧美经验还显示风险永远走在技术进步前面,技术进步是应对风险挑战的结果。因此,防洪首先要坚持底线思维:既要防范外部风险(堤坝溃决的触发因子),也要化解系统性风险。不断加固大堤、降低悬河,提高河道的内在稳定性,才能确保遭遇最坏情况时扛得住、过得去。同时,提高下游大堤隐患、河势演变、河道剖面等的动态监测能力,以便找准危及大堤安全的风险因素,及时、精准地排除,把风险化解在源头。加大科研、工程和监测部门的合作力度,“产学研用”联合攻关,跨学科合作,深入探究中游多沙粗沙区水沙变化和下游游荡型河段河道演变的规律,大力研发基于自然的解决方案,设计顺应河道自组织演化规律的可持续工程,为“还地于河”提供科技支撑。

  对生态修复的启示

  河流的开发时间越长、强度越大,河流受人为扰动的程度越高,生态恢复的可能性就越小、难度就越大。生态破坏超过一定阈值,生态系统就无法恢复到初始状态了。在气候变化背景下,生态恢复的难度远大于治理水污染:在可预见的未来,河流连通性无法全部恢复,生态用水加剧水资源供需矛盾,不当的河道修复可能加大洪灾风险,野生动物种群重建具有高度不确定性,等等。对于密苏里河、莱茵河和科罗拉多河,治河可能已经错过恢复水生态的窗口期。维护河流健康,宜早不宜迟。

  未来治黄应最大限度地利用软工程和非工程手段,避免对生态系统造成不可逆转的破坏。坚持动态监测治黄工程对生态的影响;开展黄河的河流生态健康评估,建立分级保护制度。以整个子流域为单位建立河流类型的自然保护区,尽可能保存生态环境的本底,既便于测算治黄工程的生态成本,也为未来生态重建提供物种资源。

  密苏里河的教训还显示,生态修复需要统筹规划,持续监测修复效果。鱼类种群修复要考虑水沙状况和河道条件。假如水沙状况和河道条件无法恢复到天然本底,应选择合适的新物种重建水生态。两千多年来,黄河流域的自然条件和生态环境发生了深刻变化。开展环境史研究,有助于重建可以自我维持的生态系统。另外,黄河生态修复应效仿莱茵河,选择一个标志性水生物种,作为衡量水生态恢复状况的指标,以提升公众的参与和保护意识,推动生态修复。

结 语

  为了不走欧美大河“先破坏再治理”老路,实现黄河流域生态保护和高质量发展目标,需尽快启动黄河流域管理体制改革,成立黄河保护委员会,通过常态化会商制度,建立跨部门、跨地区的联防联治机制,逐步实施流域社会经济、水资源和水生态的一体化管理。治黄补短板,除了要补工程建设和管理制度的短板,还要补上流域发展战略研究、“产学研用”联合攻关和动态监测的短板,为循证决策提供高质量的信息保障,提高适应性规划和管理水平,创新符合生态文明理念的治黄工程。

作者单位:黄河水利科学研究院

编辑:李银鸽 范江涛

 


发布时间:2021年03月09日
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