变化环境下中国现代水网建设的机遇与挑战_夏军.pdf

地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第7期2023年7月Vol.78,No.7July,2023变化环境下中国现代水网建设的机遇与挑战夏 军1,2，陈 进1,3，佘敦先1,2，骆文广1,2（1.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，武汉 430072；2.海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室，武汉 430072；3.长江水利委员会长江科学院，武汉 430015）摘要：国家水网工程是应对气候变化、提高国家水安全保障一项重大战略部署。本文在分析中国气候、水土资源分布不均等地理特点基础上，探究了变化环境下中国水资源供需关系，分析了国家水网规划布局及典型水网成效，探讨了国家水网规划建设中存在的亟待研究的若干问题和对策建议。研究表明：全球变化影响愈来愈凸显；国家进入高质量发展阶段，人们对供水质量及保障程度、洪旱灾害防御能力等要求越来越高；构建国家及区域水网是应对环境变化影响、显著提高供水灌溉保障程度和防洪排涝能力，改善天然河湖水环境质量，提高国家水安全保障的重大举措。但需要从区域“水土气生”及“人地”关系协调，尊重自然，做到人与自然和谐共生。加强国家水网规划建设和运行的科技和管理创新，受水区不仅应该加强节水和水资源保护，守住本地水资源的主体地位，与外调水联合调度，提高水网工程生态环境与经济发展综合效益，支撑国家生态文明建设和高质量发展。关键词：气候变化；水资源格局；高质量发展；国家水网；水安全保障DOI:10.11821/dlxb2023070031 引言为了应对气候变化和人类活动双重影响，提高国家水安全保障程度，目前中国正在规划和建设现代国家水网工程体系。所谓水网工程是指基于流域内和跨流域的自然河湖水系统加上人工工程（调水工程、水库等）形成的满足经济社会发展和生态环境改善的水循环调控系统，一般由流域内的“自然+人工”湖库河流水网系统，以及跨流域/区域的“自然+人工”湖库河流水网系统组成。20世纪以来，由于受到日益凸显的全球气候变化和土地利用覆被（LUCC）变化的影响，无论是全球、区域还是流域，水循环都发生了不同程度的变化和变异1。水网作为变化环境下具有自然与人工综合的重要工程系统，逐渐参与到全球和区域包括跨流域水循环的调控和水资源的分配中，在一定程度上对国家或地区社会经济发展和生态环境保护等方面产生了深刻影响，也带来一些生态环境不利影响和运行管理等多方面的挑战。在全球变化加剧的大背景下，加强全球变化水循环与水资源适应性的多学科交叉研究与实践，对促进国家现代水网工程建设，促进水资源合理分配、保障水资源安全和生态文明建设有重要价值和意义。收稿日期：2022-12-09;修订日期：2023-07-17基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(XD23040304);国家自然科学基金重大项目(41890823);中国工程院院地合 作 项 目(HB2023B14)Foundation:Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy ofSciences,No.XD23040304;Major Project of National Natural Science Foundation of China,No.41890823;Chinese Academy of Engineering Cooperation Project,No.HB2023B14作者简介：夏军(1954-),教授,中国科学院院士,主要从事水文学及水资源研究。E-mail:1608-1617页7期夏 军 等：变化环境下中国现代水网建设的机遇与挑战从世界范围来看，水网工程在促进不同国家或地区经济社会发展用水需求的合理分配以及水资源的均衡布局方面发挥着重要作用。以国外水网工程建设为例，美国加州北水南调工程的修建，使加州初步形成了一个较为完善的水资源调配系统，显著推动了干旱缺水的南加州地区经济的繁荣和社会的发展2；以色列通过构建国家智能水网工程，有效地解决了水资源格局与生产力布局不匹配的问题3；巴基斯坦的西水东调工程进一步完善了印度河平原的灌溉体系，极大地提高了国家的粮食产量4；此外，还有澳大利亚雪山调水工程、埃及横跨亚、非两大洲调水工程、加拿大的切尔齐赫尔和“詹姆斯湾”调水发电工程、印度的阿比斯调水、南非的莱索托高原调水工程以及秘鲁马赫斯东水西调工程等多个国家水网系统的成功实践5-6。纵观国内水利发展历史，都江堰水利工程自先秦以来充分发挥其防洪、水资源的开发利用等功能，将四川打造成“水旱从人、不知饥馑”的“天府之国”7。同样是先秦时修建的、素有“世界古代水利建筑明珠”之称的灵渠水利工程，它联结了湘江与漓江、贯通了长江和珠江两大水系，成为岭南与中原地区之间经济文化交流的战略要道8。而贯穿南北长度大于1000 km的京杭大运河，作为中国水网工程的雏形，它连通了黄河、长江等五大水系，加强了黄河、长江两大流域文明发展，极大地促进了沿线贸易的发展和南北文化的交融9-10。中国水利工程体系发展到今天，已初步形成了以“四横三纵”南水北调工程为主骨架和大动脉的国家水网框架以及水资源“南北调配、东西互济”的配置格局11。随着全球变化影响的深入，面对未来可能出现的水资源、水生态、水环境、水灾害等全局性水安全，中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要面向服务国家重大战略，提出实施国家水网等重大工程12。本文首先讨论在气候变暖及不确定性增加和国家不仅要保障粮食安全，而且人民要求不断提高美好生活质量和生态环境质量新要求条件下，中国水安全面临的形势13；然后根据水资源时空分布不均和水土资源空间不匹配等自然禀赋特点，介绍国家水网体系建设的总体格局和功能及取得的初步成绩；最后分析国家水网工程建设和运行对地理格局变化、生态环境影响、工程效益发挥等方面面临的科学和管理问题，从应用基础的科学研究和地理格局综合多角度，科学协调人与水、人与地、人与自然的关系，提出解决问题的对策建议。2 变化环境影响下中国水安全面临的挑战2.1 水土资源空间分布不均中国是典型的季风气候区，19562010年平均降雨量648 mm，地表水（径流）量27375亿m3，地下水资源量8219亿m3，重复水量7182亿m3，水资源总量28412亿m3，但由于人口众多，中国人均水资源量仅2200 m3，仅为世界人均水资源量的28%，其中海河、淮河和黄河流域人均水资源量分别为293 m3、457 m3和647 m3，属于水资源严重短缺地区14。受季风和地理因素影响，中国水资源时空分布极不均衡，年际和年内变异性大15。年际间，长江以南的中等河流最大与最小年径流量比值小于5，而北方河流该值多大于10；从汛期连续4个月径流量占年径流量比例看，长江以南及云贵高原以东河流值为60%左右，而长江以北河流则达80%以上，其中海河流域占比高达90%。再从水资源与耕地和经济社会发展来看，黄淮海以北的北方地区，人口占全国的47%，耕地占64%，GDP 占 45%，但水资源量仅占 19%，长江及以南地区，人口占全国的 53%，耕地占35%，GDP占55%，但水资源占81%，水资源与耕地及经济社会发展布局之间存在严重不相匹配现象。1609地 理 学 报78卷2.2 气候变化带来的不确定性增加IPCC第六次评估报告（AR6）气候变化2021：自然科学基础16显示，全球气候变暖趋势仍然持续，其中2020年全球平均温度较工业化前水平（18501900年平均值）升高1.2，20112020年是1850年以来最暖的10 a，其中亚洲地区陆表平均气温比常年平均值（19812010 年气候基准期）偏高 1.06，是 20 世纪初以来最暖的年份。2022年12月世界气象组织（WMO）发布了首份全球水资源状况报告指出，由于降水受到了气候变化和拉尼娜事件等因素的多重影响，2021年全球大部分地区比正常情况更加干燥，从水资源角度看，河道流量低于30 a平均水平的面积几乎是高于平均水平的面积的两倍，说明气候变化显著增加了干旱等极端水文事件频率。根据中国气候变化蓝皮书2021，19512020年中国地表年平均气温呈显著上升趋势（0.26/10a）。1901年以来的10个最暖年份中有9个出现在21世纪，从区域上看，中国变暖最为显著的区域是西北、华北、东北和青藏高原。已有众多证据表明，气候变化必然会显著改变全球和区域水文循环的时空变化，并使发生低可能性、高影响结果的气候及水文事件的概率增大。20202040年中国东部季风区水文极端事件（水旱灾害）发生的频率与强度有增强的态势，但是不确定性也在增大17。虽然中国年均降水量近百年来并未呈现显著的时间变化趋势，但区域降水变化波动较大18，19612018年中国降水变化有明显的区域特征，西部降水普遍呈增加趋势，其中西北诸河、西南诸河和长江和黄河上游地区增加显著，中国东部大部（105E以东），除长江下游外，松花江、淮河南部、珠江东部和东南诸河年降水有增加趋势，其他地区以减少趋势为主，其中海河、黄河中下游、长江中游及珠江西部和西南诸河南部年降水量呈显著减少趋势。长江及其以南地区极端降水事件呈现频率增加、强度增强的趋势，长江以北地区干旱事件的发生频率逐年增加19。2020年长江发生大洪水20，仅两年后的2022年又发生严重的干旱21，再次说明极端水文事件频繁有增加趋势，未来气候变化必然会给水资源时空分布带来更大的不确定性。2.3 人类活动影响和需求出现新要求1949年以后，国家和地方为了解决粮食问题，一方面扩大耕地面积，另一方面修建了大量水库和灌溉工程，显著提高了耕地的灌溉率和粮食产量。到2020年，中国已建成各类水库9.8万多座、总库容8983亿m3，其中大型水库744座，总库容 7150亿m3，占总库容的79.6%，中型水库 3978 座，总库容1127亿m3，占总库容的12.5%。已建成30万亩（1亩666.7 m2）以上大型灌区7330处，农田有效灌溉面积达到10.37亿亩。目前中国的灌溉面积仅占耕地面积54%，却生产了中国75%的粮食和90%以上的经济作物22-23，水利工程贡献巨大。在肯定成效的同时，也存在以下问题：土地资源有限性决定了不可能进一步扩大耕地面积，过去耕地扩大也使中国森林和湖泊面积减少，对生态环境造成了不利影响，今后提高粮食保障程度必然是进一步提高农田灌溉保障率，建设旱涝保收的高标准农田上。虽然修建的水库数量很多，但大中型水库仅占4.8%，小型水库占到95%以上，未来再兴建大中型水库难度极大，尤其是移民安置和生态环境成本极高。目前大型水库建设移民安置平均成本已经超过工程建设成本，而且能够修建大型水库的地方，基本在人口较少的生态保护红线范围内，修建高坝大库产生的生态环境影响较大，未来只能通过已建水利工程与天然河湖的互联互通，提高水系和水网的供水保障能力。工业化、城镇化和农业化肥大量使用，使许多湖泊和中小水库污染严重，特别是城市附近湖库，使城镇用水更加依赖水质较好的外来水（也称客水），水质良好的备用水源地缺乏。随着生活水平提高，人们更希望喝上高品质的水。过去华北等北方地区许多饮用水使用地下水，矿化度较高，甚至饮用高氟水或者微咸水，现在通过南水北调工16107期夏 军 等：变化环境下中国现代水网建设的机遇与挑战程喝上优质的长江水。即使在长江流域，由于许多城镇附近水域质量不好，不得不修建大量引水和调水工程从长江或者附近山区水库引调水。3 建设国家水网的布局及初步成效3.1 国家水网总体布局随着国家进入高质量发展阶段，应对气候变化和人类活动带来的不确定性影响，国家水安全保障战略基本思路是提高水系统的韧性，通过国家和区域水网建设，实现水系互联互通，优化水资源配置，支撑经济社会可持续发展。气候变化的不确定性必然使降水和自然河流来水在时间和空间分布更加不均匀，修建水库，特别是大型水库目的是调节水资源在时间分布不均问题，而调水工程主要是解决水土资源及经济社会发展空间分布不均问题，将自然水域和大型水库连成网，可