再造黄河:治沙、治水与用水模式优化转型

方行明,孙传旺,张满银,屈子棠

(1.西南财经大学 中国西部经济研究院,成都 610074;2.厦门大学 经济学院中国能源经济研究中心,福建 厦门 361005;3.北京科技大学 a.乡村振兴与县域经济发展研究院; b.马克思主义学院,北京 100083)

一、引言

黄河泥沙含量之大,在世界上绝无仅有,古有“一碗水,半碗沙”之称。黄河之源本清澈,因流经黄土高原而携带并汇集巨大的泥沙,使得水变浊、变黄,从而形成“水少沙多、水沙关系不协调”的问题。大量泥沙在黄河下游不断淤积,在部分河段逐渐形成“地上悬河”,导致历史上多次决溢、溃堤,甚至改道,给流域的人民带来灾难。因此,黄河治沙、治水一直是一个千古难题。千百年来,古人为黄河治理做出了艰苦卓绝的努力,但因难度太大且技术能力不足而成效甚微。现如今,随着中国科学技术的发展,工程建设技术能力的增强,彻底解决黄河治理问题的条件已经成熟。

黄河治理也一直受到中央高度重视。早在1952年,毛泽东同志在视察黄河时就要求“要把黄河的事情办好”,并揭开了新中国治理黄河的序幕。党的十八大以来,习近平同志多次到黄河沿线调研考察并指出,“治理黄河,重在保护,要在治理”。2019年9月18日,中央在郑州召开的黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上强调,“保护黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计”,并提出黄河流域生态保护和高质量发展的主要目标任务。“黄河宁,天下平”,黄河流域生态保护和高质量发展已经成为国家重大区域发展的战略之一。并且,黄河流域也是中国水资源最为匮乏的地区,水资源的短缺也是制约西北地区经济发展的一个重要因素,如何开源节流,进行引流储水,实现黄河流域水资源的可持续供给,对黄河流域的可持续发展有着十分重要的意义。

针对黄河治沙、治水、用水各方面的问题,根据黄河水情的变化及最新技术的发展,本文提出黄河治理模式优化转型的思路:通过“再造黄河”方式,将治沙、治水和用水有机结合起来,用现代系统的方法构建治沙、治水、用水的综合体(综合工程),协调解决黄河水患、流域缺水和高效用水问题,实现水资源利用最大化,从而化害为利,造福流域人民。

二、黄河治理相关研究回顾

以下对现有的相关研究及进展进行回顾总结,在此基础上提出黄河治理优化转型思路。

(一)黄河治沙现有的办法及相关研究

黄河治理,难在治沙,而且这一“千古难题”一直存在。黄河能否变清,治沙成效的大小尤为关键,而水沙不协调现象的发生正是黄河洪灾频发的重要原因［1］。因此,黄河治理亦首在治沙,即减少黄河泥沙的淤积,使河床不再抬高,从而消除或减轻下游水位上升及汛期洪水压力。然而,由于生产力和科技落后,古代先民对黄河泥沙的治理几乎是束手无策,但前人也在不断努力和探讨。新中国成立以后,随着生产力和科技的发展,黄河治理和治沙能力也在不断提高,办法不断增多。现有的治沙办法如下。

1.河道清淤、疏通

这是一种黄河泥沙治理古老、传统的办法。这个办法现在仍然有效。通过河道清淤疏通、筑堤引流等办法可以改善河道,降低水位,加固堤防。通过淤填河堤,挖深河槽等办法对黄河二级悬河治理有一定的效果,可使主槽过流能力增大,洪水上滩的流量减小,因此相应治理后的堤河水位有所降低,大大减轻了洪峰过境、水流充沛季节的决堤、改道等水患灾害发生的概率与压力［2］。但是,河道清淤、疏通每年的工程量大,资金投入多,需要年复一年地持续下去,也不能彻底解除风险。

2.“宽河固堤”与“束水攻沙”

黄河泥沙淤积所形成的困境集中在下游,历史上黄河下游的治理主要包括“宽河固堤”与“束水攻沙”两个办法。这也可看成是上述清淤疏通思想的发展。“宽河固堤”就是保持较宽的堤距,利用下游广阔的滩地滞洪沉沙,减轻洪水对堤防的压力;“束水攻沙”的思想在于利用工程措施缩窄河道,稳定主槽,以期通过增大河槽流速,提高河道挟沙能力,减缓淤积［3］。在“宽河固堤”的方略下,人们逐步探索形成了“上拦下排、 两岸分滞”的洪水应对思路,并总结出一套“拦、排、放、调、挖”的调控泥沙的综合治理方法［4］。

针对黄河下游泥沙沉积过多、河道堵塞、地上悬河等客观情况,有学者认为黄河下游治理河道堵塞与地上悬河的方案还有筑坝拦淤、稳定主槽、缩窄河道、完建堤防等［5］;也有学者研究认为可将黄河下游生态治理对滩区进行功能划分,分为生态移民安置区、高效农业区以及资源开发利用区等,利用泥沙放淤、挖河疏浚等手段,构建水分级设防,泥沙分区落淤,滩槽水沙自由交换,各类滩地设定不同的设防标准［6］。

3.防洪工程体系与水库拦沙

水利工程在水沙调节方面发挥着重要作用,一方面可以通过水库调节有效控制凌汛期流量,减少河道槽蓄水量,减轻防凌压力;另一方面可以协调水沙关系,减轻河道淤积,长期维持河道的行洪输沙功能。新中国成立以后,中国工程建设能力不断增强,在黄河上修建了水库,利用中游水库拦沙,加强下游河道整治工程,构建了黄河下游的防洪工程体系［3］,如小浪底水利枢纽工程建成后,减淤效果显著。这一防洪工程体系的构建使用先进的现代工程技术手段,提高了黄河治理的效率,使黄河治理这一千古问题进入现代治理阶段。其效果具体表现在:小浪底水库在优化调度方式对水库塑造下游河道形态及排沙减淤等方面具有重要意义,其通过经济价值量化发电效益与水库排沙减淤效益,形成发电效益最大和综合效益最大两类优化目标［7］。近年来的研究亦表明,黄河干流近70年来径流量和输沙量呈非显著的下降趋势,主要是水利工程的调节与水土保持共同作用的结果［8］。

然而,小浪底水库也存在拦沙淤积的问题。费祥俊、吴保生研究认为,迄今小浪底水库淤积已占原设计拦沙库容的30%以上,应考虑降低汛期水位,为提高洪水期水库排沙比创造条件,以抑制库容淤损过快的势头［9］。目前我国通过水利工程对水沙的调节仍有一定的进步空间,首先可以推进古贤水利枢纽工程、黑山峡水利枢纽工程等重大工程建设,进一步完善水沙调控工程体系;其次健全水沙调控机制,充分挖掘调控工程潜力,在既有水利工程的基础上进行调蓄,合理解决排沙与防洪等伴生的问题［10］。

4.水土保持治理

黄河泥沙成因与人口和经济增长、过度开垦放牧、森林草原毁坏、植被遭到破坏而形成的严重的水土流失也有一定的关系,因为,水库拦沙作用有限,而生态环境建设可减轻黄土高原的土壤侵蚀,加强水土保持治理,亦可减少入黄泥沙,促使黄河变清。经过多年的水土保持治理,流入黄河的泥沙已经逐年减少,入黄河泥沙量年均减少3亿吨［4］。于是,退耕还林、种树植草、植被恢复、水土保持成为一种治沙治本的办法。退耕还林还草影响了降水径流关系,促使流域产沙动力系数下降,累计退耕还林还草面积与径流系数和含沙量均呈负相关［11］。随着黄土高原植被的恢复,河流输沙量减少,降雨及植被恢复对土壤侵蚀产沙产生了明显的抑制作用,植被恢复的减沙效益突出［12］,并且,水土保持措施在极端降雨条件下能够有效减少输沙量［13］。通过对水文指标的分时间段计算可知,长期以来的水利水土保持措施与退耕还林(草)工程都对黄河中游水文情势产生较大影响,使得河流径流波动性减弱［14］。

此外,在农业生产建设上,也应该坚持水土比例相协调的原则,构建“以水定土,以土量水”的水土资源优化模型,调整配水方案,配水量向具有水资源利用比较优势的作物倾斜,有利于提高收益及水资源的利用率,抑制不合理用水需求,实现农业节水目标［15］。

5.综合利用

黄河泥沙兼具灾害性和资源性的双重属性。黄河泥沙也是自然资源,对其综合利用、变废为宝也是一种有效的治理办法。

泥沙资源也是一种紧缺资源。随着中国房地产和建筑业的快速发展,对泥沙产生了巨大需求,因而出现了在长江流域等盗沙挖沙现象,危害长江河床。而相比之下,黄河河沙过多泛滥,可作为资源加以利用。同时,房地产和建筑业的发展也造成建筑材料的需求大幅上升,导致许多地方制砖土地过度开采,资源与环境受到破坏,而黄河泥沙可以用于制砖及填筑材料等,可替代土地资源和减少对土地资源的消耗［16］。

然而,以上治沙办法,虽然产生了积极作用,但是这些治理办法每年的工程量大,资金投入大,需要年复一年地持续投入大量人力、物力和财力,而现有的防洪工程体系及其他各种人工办法也是一种被动的应对,不能彻底解决治沙问题,也不能使黄河的水变清。在当代科技发达、工程技术能力不断增强的条件下可以改变黄河治沙、治水的思路。

(二)黄河治水与用水方面现有的相关研究

黄河流域水资源承载能力较弱,且用水总量负荷过大,甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西各省(区)的地市水量承载力处于超载及严重超载状态［17］。与此同时,因黄河水质的客观特点,含沙量大、土壤流失严重又进一步导致黄河下游因强烈的泥沙淤积造成严重的洪水泥沙灾害,加大了上下游间统筹用水的难度［18］。因此,要实现合理利用黄河水资源,除了制度的保证和观念上的转变外,治水、治沙成为绕不开的难题。黄河治水自古以来就是中央政府极为重视的公共工程,自商代以来,中央与地方政府对黄河水患治理采取的主要方法有修建堤坝,兴修水利,利用天象、气象观测提前预测汛期等［19-20］。近代黄河治水主要分为上游水土保持、中游生态环境恢复和合理用水,以及下游水道疏浚这几个部分。上游在水土保持方面,通过对草原过度放牧管制、清除鼠患保持牧场合理承载力,以草定畜、优化畜牧业管理模式等,实现黄河上游水源补给区生态环境可持续发展［21］。注重对天然草原这一黄河上中游流域面积最大的土地类型的保护,改良与提高天然草原的植被覆盖度,维护和改善天然草原的生态环境,实施可持续利用的建设措施,已成为综合治理黄河上中游流域生态环境,防治水土流失和荒漠化的关键［22］。在中游生态环境恢复以及合理用水方面,黄河中游黄土高原地区20世纪70年代以来开展了大规模的水土保持综合治理和退耕还林工程,使得气候变化和剧烈的人类活动深刻影响的黄河中游流域降水-产流-产沙过程得到了缓解［23］。有研究显示,人类水利、水保活动是黄河中游输沙锐减的主要驱动因素,对减少头道拐-龙门区间平均输沙的变化贡献率为85.84%,对减少龙门-潼关区间输沙的变化贡献率为88.68%,淤地坝、梯田和水库等水利水保工程措施正是输沙锐减的主要原因［24］。总之,进入近代以来,科学技术的发展以及生产力的进步都使黄河治水的理论研究与治理实践得到了长足发展,进一步认识到黄河泥沙含量对黄河治水、用水问题有较为重要的作用,认识到河道通畅与沿岸环境水土保持有密切联系,通过模型预测出了黄河下游游荡型河道演变至稳定状态时所需要的水沙含量和河道深度、宽度［25］。上述学者的大致思想是:黄河中上游治水、治沙中多采取恢复原始生态、保护自然草场、水土综合保持等,而下游则多采用因地制宜与人工干预的方式,既要尊重客观自然规律,又要发挥主观能动性,以实现有效的黄河治理。以上研究结论也说明在生态环境的恢复、水土保持的推进和人类合理利用水利的基础上,黄河治理能够有效推进。

现有研究还十分注重黄河水资源的科学利用、开发与保护。水资源的科学利用、开发与保护是社会绿色健康发展的重要保证,也是经济与社会持续稳定发展的必要资源保证。有学者认为,在相当长的时期内,科学有效使用水资源的引导和督察不到位,工农业和生活用水管理处于缺失状态,水的立法工作严重滞后［26］。有学者从水的混合物品属性入手,构建和应用中国水制度分析的基本框架:多元机制共生水配置,水法、水政策、水行政三种水制度层次,水定价、水权与水市场、用水户组织三种市场扩张型支撑性水制度安排［27］。随着中国工业化进程的持续推进,工业用水占比经历了先迅速上升后缓慢下降的过程,实现了部门用水效率的提高和经济结构的调整,说明经济发展与节能用水并非矛盾对立,而是可以通过技术进步以及产业结构调整得以实现［28］。在如何合理利用水资源问题上,有学者认为在黄河流域干旱半干旱地区占比较多的情况下,水资源可持续供给应遵循环境容量与适度开发、联合运用与优化配置、团结治水与共享、节约用水与重复利用、集水保水与蒸损最小、涵养水源与保护绿色水库的原则［29］;也有学者认为可以从水资源空间均衡出发,核心就是坚持以水定需,根据可开发利用的水资源量,合理确定经济社会发展结构和规模,不应该在超出空间环境合理承载力的基础上过度开发和利用水资源［30］。

上述研究为笔者提供了有益的参考,笔者将结合这些研究,根据黄河水资源环境的变化,借用最新的科技成果,提出黄河治沙、治水与用水模式优化转型的思路。

三、治沙模式的优化转型

(一)黄河泥沙的形成

黄河泥沙的形成既有自然因素也有人为因素。

1.自然因素

黄河流经的区域特殊的地质条件或自然因素是形成泥沙的主要原因。治沙的前提是要了解黄河泥沙的形成机制。黄河分为上中下游三段。河源至内蒙古自治区托克托县的河口镇为上游,途经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古五省(区),河道长3 471.6千米;河口镇至河南省郑州市的桃花峪为中游,途经山西、陕西、河南三省,中游河段长1 206.4千米;桃花峪至入海口为下游,途经河南、山东两省,河道长785.6千米。“地上悬河”主要出现在下游河段,而治沙则主要集中在中、上游两段(见图1)。

图1 黄河水域图细解与黄河治沙三段分段示意①

黄河泥沙来源比较集中,并有“水沙异源”的特点。从各省来沙量的分布看,陕西省来沙量最多,约占全河沙量的41.7%;甘肃省次之,占25.4%;山西省占17.3%,居第三位②。因此,黄河治沙重点在中游地区和陕西、甘肃、山西三省。黄河自发源地穿过青藏高原时,水是清澈的,在流经甘肃兰州西时,有一些河流密集发育,源于祁连山北麓的湟水、大通河、庄浪河等和发源于秦岭北侧的大夏河、洮河等都汇集到黄河,而这些河流中有湟水、大通河、洮河、庄浪河流经黄土区,经河水的冲刷,携带大量泥沙,使得河水开始变黄、变浊,泥沙含量增大。此外,发源于甘肃省通渭县华家岭北坡的祖厉河,年均入黄水量仅占 1.46%,但年均入黄泥沙量却占甘肃入黄总沙量的39.58%,属于黄河流域水少沙多、水土流失最为严重的河流之一［31］;而清水河是黄河宁夏段最大的一级支流,其水文特点也是水少沙多,且是宁夏水土流失最严重的河流,每年输入黄河的泥沙约占宁夏入黄总沙量的49%［32］。以上是黄河上游泥沙含量多,水土流失最为严重的一些支流。因此,新一轮的黄河治沙工程可从这几个支流开始。而黄河中游来沙量最大,支流纵横,是治沙的重点和难点;黄河下游来沙量很小,如三门峡以下的洛河、沁河来水量占10%,来沙量仅占2%［33］。黄河治理及治沙需要根据不同区段的特点进行针对性的治理,而治沙工程主要集中在黄河的中上游,下游来沙量非常小,主要措施是改善生态环境系统。中上游治沙,在改善自身的生态环境的同时,可解决下游的泥沙拥堵和水患问题,上下游均是受益地区。

2.人为因素

除了黄河流域特有的自然和地质条件形成大量泥沙淤积之外,人为因素也是泥沙增多不可忽视的因素。人为因素主要是人们对黄河沿岸地区的过度经济开发。各种经济开发活动以及对土地的不合理利用,破坏了地表植被,造成严重的水土流失,增加了黄河的泥沙含量。具体来说,经济开发过程中的毁林毁草、陡坡开荒对地表植被破坏较为严重,而开矿、修路等基本建设和工业活动过程中忽视环境保护和水土保持,也是造成水土流失和泥沙增多的原因,且废土废渣随意向河沟倾倒也形成新的泥沙来源。

由于历史上黄河流域经济相对落后,人们迫于改善生计而加强经济开发,但过度的经济开发又导致环境恶化、水土流失。水土流失导致土壤侵蚀、耕地减少、土壤肥力下降,从而造成农作物减产。越是减产,人们就越要多开垦荒地,越多垦荒,水土流失就越严重。在这个恶性循环的过程中,黄河中的泥沙也就越来越多。长期以来,高强度的人类活动已经导致黄河流域生态系统退化、水土流失严重、支流水质污染、河口三角洲湿地萎缩等生态问题,这严重制约着区域经济发展,可见,黄河流域生态治理与保护工作任重而道远［34］。但是,近年来黄河中上游的植树造林、水土保持治理已经对环境的改善产生了效果。

人为因素只要实行人类行为自我约束、保持适度经济开发与环境的协调是可以有效解决的,而关键的是自然因素形成的巨量泥沙,治理上的技术挑战极大。

(二)黄河治沙模式的优化转型——“再造黄河”,让黄河变清

1.黄河治沙模式优化转型的形成机理

黄河治沙,首先是根据泥沙的形成机理采取相应的措施。如本文所述,泥沙的形成有自然因素和人为因素两个方面。人为因素相对容易解决,可以通过对人类经济行为的合理调控,保持经济活动与自然环境之间的协调关系,同时加大植树造林,保护好环境和植被,减少和杜绝人为的水土流失,可以有效消除人为因素所形成的泥沙增量,目前的水土保持治理已经产生成效。而治沙的关键困难在于黄河中上游特殊的地质环境所形成的自然泥沙的累积,即当黄河流经黄土高原时会自然冲刷、携带大量泥沙进入河流。现有的治理方法,如河道清淤疏通、“宽河固堤”与“束水攻沙”以及水库拦沙等方法,都是事后治理,即泥沙形成之后的治理,治理模式被动,虽然可以缓解泥沙的泛滥,但并非从泥沙形成的源头或形成之前加以治理,因而耗资大且无法达到治本的效果。而黄河治沙模式的优化转型,就是深入泥沙形成的源头来解决泥沙的形成问题,达到治本的效果。

2.黄河治沙模式的优化转型

在当今中国生产力、科学技术、工程建设能力十分发达的情况下,困扰中国数千年的黄河泥沙问题可以有更多、更好的解决办法,而“再造黄河”,让黄河水变清,则是一个新的治理思路,一个治理模式优化转型的路径。所谓“再造黄河”,就是开凿人工运河,对黄河中上游途经黄土区的河流体系进行人工再造,采用先进、合适的建筑材料,如南水北调修建运河的建筑材料修建河床,从而使水流不直接接触黄土,同时,适当抬高河堤,阻挡携带泥沙的雨水流入河道中,从而保持黄河水更加清澈。

中国有着悠久的开挖、修筑运河的历史。中国是历史上开凿运河最早、运河开凿规模最大的国家之一。迫于经济发展和运输的需要,历朝历代几乎多有开凿运河的历史,最为著名的就是隋代开凿的京杭大运河,直至造福于当代(经过修扩建的运河长度达1 794千米)。古代运河的功能主要是航运。新中国成立后,为了调水、灌溉也修建了若干重大运河,如重修扩建大运河,修建雷州青年运河、红旗渠等。改革开放后,中国运河建设进入了新的高潮,即南水北调工程,已建成的南水北调东线和中线工程正在发挥作用,东线一期工程调水主干线全长1 466.50千米,中线工程一期输水干线全长1 431.95千米,两线合计2 898.45千米［35］。南水北调运河的功能是调水,而非航运。改革开放前的运河开凿办法主要是人工、人力,采用的是传统的工具,如锄、锹、扁担、箩筐等,劳动生产率低,劳动强度大。改革开放后的南水北调工程采用的是先进生产力,专用工程设备,大幅度提高了工程效率,降低了劳动强度。南水北调运河工程的成功为再造黄河打下了物质和技术基础。

“再造黄河”的运河工程的功能亦非航运,而是治沙及水土保持,使其形成清澈的水系,还有调水、供水功能,可直接为沿线的人民提供优质、清澈的水,造福于沿线人民。而“再造黄河”工程的前期投资虽然很大,但一旦投资成功,产生的效益则是无穷的,至少可以节省每年用于治沙的巨额经费,清澈的黄河水可以直接地用于生产和生活,减少泥沙清理成本。

(三)再造工程与黄河水体功能区的协调及分步推进

1.再造工程与水体功能区的协调

再造工程要与黄河水体功能区③相协调。实际上,黄河再造工程与现有水体功能区并不产生冲突。首先,再造工程与一级水体功能区没有关系。一级水体功能区大多处于黄河的源头,其中,龙羊峡以上比例最高,河长为3 058.2 千米,占全流域保护区总河长的40.9%［36］。黄河源头保护区的水是清的,而黄河水变黄是在经过黄土区之后,再造工程是处在这一阶段,因此与一级水体功能区没有关系,不会对其产生影响。其次,从二级水体功能区来看,再造工程与水源和用水不会产生矛盾,而是减少了饮用水中的泥沙处理过程,对改善水质产生促进作用;其他如对工业用水、农业用水、渔业用水都可以提供更加清洁的水源,产生的是积极效应;再造工程形成的枢纽、水库加以绿化,也可形成新的景观,开展旅游业。

再造工程还需与现有的一些治理办法相协调,如退耕还林、种树植草、植被恢复、水土保持等仍然有效。这些办法可以保护黄河中上游地区的生态环境,增加雨水的循环以及森林的天然储水能力。

2.工程的循序渐进与分步推进

由于再造工程涉及的工程量巨大,可能会遇到一些不可预见的因素,工程宜循序渐进,分步推进,分段治理。以上游为起点,中游为重点,下游则对黄河三角洲暖温带湿地生态系统加以保护,促进河流生态系统健康,提高生物多样性(见图1)。对流经黄土区的支流进行人工再造,可在上游、中游分别选择数条支流进行再造实验,并对实验评估之后再选择其他支流进行再造推进和推广。除了涉及上游的湟水、大通河、洮河、庄浪河、祖厉河、清水河之外,还须攻克中游含泥沙量大的支流的再造工程。当携带泥沙含量大的主要支流再造之后,以清水输入黄河,便可大幅减少黄河泥沙含量。在区域上对来沙量最多的省份,如陕西、甘肃、山西进行集中治理,而对主要支流治理完毕后,再评估是否对黄河干流的若干区段进行人工再造。通过若干再造工程,当黄河泥沙含量能够在下游地区自然冲走而进入渤海,则黄河治沙工程基本大功告成。

四、治水和用水——建立分洪、储水、储能综合系统

治沙是黄河治理的一个重要内容,其与治水密切联系。治水就是系统解决黄河水患和流域缺水问题以及治水的同时解决黄河水资源的利用问题。通过构建分流(洪)、储水、储能综合系统,可协调工农业用水与水力资源之间的关系,实现黄河水资源效用的最大化。

(一)构建抽水蓄能模式储水储能综合系统

新的运河体系建立以后,就要处理好原先的天然河道的关系,可利用原先的河道建立分洪(分流)、储水、储能综合系统。当汛期来临时,利用原先的河道分洪、储水、储能。这一系统及其功能类似于都江堰枢纽工程:当洪水来临时,利用这一枢纽工程将洪水分流到外江,而确保土地肥沃的成都平原旱涝保收。

广大西北地区属于中国最缺水的地区,在20世纪90年代,受多种因素的影响,黄河入海年径流量变小,黄河下游频繁发生季节性断流现象。而进入21世纪之后,黄河水情发生重大逆转,不仅径流量大增,而且汛期水患频繁,防洪压力增大。于是,黄河又恢复到原先的问题,即黄河的治理又回到防汛、防止决溢、渗水、溃堤的模式。同时,中国大气候环境也发生了逆转式的变化,即雨水北多南少,北涝南旱趋势正在显现。这一趋势对北方、西北来说,应该是利大于弊。水资源丰富,在调水、供水、用水及整个治水工程方面就可占据主动地位,形势好于缺水、断流、干旱。鉴于黄河“水无常形”的特征及近年来水情变化的周期性、季节性现象,当丰水季节水量过多时,可以储水,以便在缺水的年份、季节增加供水,同时解决流域汛期水患和枯水年份(季节)缺水问题。

这一系统工程可部分地借鉴都江堰分流的原理:当洪水来临时,利用原先的旧河道分流,也可根据不同的河段开辟新的分流河道,但不同的是,要对分流的水加以储存,建立大坝,形成巨型人工湖,用于储水储能。储水的同时也就形成了储能,因地制宜,根据抽水电站的原理建立季节性抽水蓄能电站,以改善西北地区以煤炭为主的单一能源结构,而西北地区丰富的风能、太阳能因电网消纳能力有限,可用来抽水蓄能,从而把风能、太阳能转换成水能加以储存。这一系统工程可在丰水的年份、季节储水储能,而在缺水的年份(季节)弃能供水,满足流域水资源的需求。在凌汛发生时也可利用这一系统工程来分流回流的水患。

在合适的有落差的地段,可建设上库、下库,形成先进的抽水蓄能蓄水电站循环系统,上下库的水自然循环,一方面用于发电,一方面作为储水备用,在干旱时发挥供水功能。循环过程中蒸发的水量,可通过雨水、黄河干流汛期多余的水加以补足。

从图2来看,分流储水储能系统在上游甘肃、宁夏两省(区)选址有很大的自由度,并且这两省(区)地广人稀,牵涉很少的移民工程,汛期洪水也经常集中在上游地区;中段在山西境内有选址的自由度,山西汛期的洪水也常给下游造成防汛的压力。

图2 黄河中上游引流、储水、储能循环系统地理布局与分段示意图

根据这一原理,对黄河主干道进行监测与调控。由于近年来黄河汛期水势凶猛,上游地区如兰州段,水位高,流量大,2019年和2020年连续两年河水淹没了码头、售票处,水车公园亦因河水上涨而停止对外开放,并对下游造成多处险情,对下游防洪形成压力。然而,流淌走的洪水也是宝贵资源,因此可在黄河上游主干道上开渠引流,引入人工水库中储水储能,同时减轻或消除下游水患,实现“化害为利”。使用5G、智能技术、大数据等先进信息技术对整个流域各河段的水情进行监控,一旦超出合理水位,就自动开闸引流、储水、储能［37］。

这样,根据中国水情变化大势及北方雨水不断增多的趋势,对黄河水资源加以系统性的综合利用,采取旺季储水、枯季供水的办法,可以利用黄河自身的水资源来满足流域的供水问题,不需引进外来水。同时,也实现了“化害为利”“兴利与除害”的结合,把可能对人类产生水患危害的水转化成可利用的水资源和水能资源加以储存。

在气候恶化,极度干旱与洪涝交替出现的情况下,丰水时期储水就日显紧迫④,黄河流域储水系统有待加强。

(二)展望:构建水能-氢能储水储能综合系统

图2储水储能综合系统的构建在技术上已经成熟,可以尽快推动,而正在蓬勃发展的氢能将在不久的未来兴盛起来,可以作为储水储能系统进一步优化的选项。氢能作为绿色能源,一旦用更先进的技术开发出来,实现大批量生产,就可以在一定程度上推动能源革命。这需要与具体的制氢技术和合理的能源生产模式结合起来。

目前,光催化制氢技术正在不断取得新进展。GUO S H等提出光催化体系,该体系由集成的光热-光催化材料组成,在没有额外能量时在光照下分解产生氢气［38］。这项工作突显了光热-光催化两体系较高的成本效益和实际应用价值。获得比尔·盖茨投资支持的美国光热技术企业Heliogen和美国燃料大厂Bloom Energy于2021年7月26日宣布,双方计划仅利用聚光集热系统和水来生产绿色氢气,以代替商业和工业应用过程中的化石燃料,这将进一步加速世界朝着零碳未来迈进⑤。

以上新技术制氢尚处于实验阶段,一旦形成规模化、商业化的生产,将会推动新的能源革命。这样的氢气生产技术,要实现商业化生产规模,必须满足三个条件:充足的太阳能、充足的水资源和选址的安全性(主要考虑氢气目前尚为危化品,厂址的选择需要远离城市)。西北地区作为风光大基地的重点开发地,有着丰富的太阳能资源,并且地广人稀,具有选址的安全性和选址自由度大的优势,过去曾经缺水,但现在通过储水,缺水的问题可以解决,上述三个条件都能满足,即随着水情的变化,黄河汛期的水可引入人工湖,湖中的水既可按前述系统方式用水能发电,当光催化制氢技术成熟时,也可用湖中的水制氢。在水电站的另一侧建立制氢系统,形成水能-氢能综合系统,同时发电和制氢,或根据市场和国家的需要在两者之间进行权衡、侧重、取舍。这为进一步优化黄河的用水及水资源开发提供了一个新的思路。

氢气生产出来之后有多种用途:(1)工业用氢,即普通的氢产品,而液化氢可用于航天工程,可直接为酒泉卫星发射中心等航天基地提供液氢产品(在制氢的同时可以制氧,氧气可供医院等部门使用);(2)氢能,可有两种用途,一是用于氢能汽车的燃料电池(在氢能汽车成熟时使用),二是直接用氢气燃烧发电。氢的热值高(是普通轻油的3倍),因而发电的效率也高,成本较低,制氢之后直接发电,然后输入电网。太阳能—制氢—供能发电,这一过程完全绿色,零碳,可循环持续,将会推动能源革命(见图3)。

图3 水能-氢能储水储能综合系统示意图

以上分段治理包括治沙与治水两个部分,治沙、分流治水(储水、储能)工程都分布在中上游,这是根据黄河水沙形成的特点而为之,专门解决下游泥沙拥堵和水患问题,下游是受益地区,而储水、储能作为中上游治水的部分,同时有益于中上游本地的水资源和能源供给。

五、可行性研究

黄河治理得到中央的高度重视和支持,是推进黄河治理及治沙工程最为重要的可行性条件。具体从以下方面论证黄河再造工程的可行性。

(一)施工团队和技术力量

目前,中国运河工程的技术、管理、团队和效率属世界一流。既然能够完成南水北调中线和东线工程的运河修建,也就能够完成黄河中上游的河流再造工程,原有的工程管理及团队体系可用于黄河中上游运河的修建,进而实现“再造黄河”。

关于修建大坝储水、储能问题,中国在修建大坝方面具有世界一流的工程技术、管理和施工团队,在抽水蓄能电站建设方面,中国也具有先进、成熟的技术和施工经验。

总之,有关“再造黄河”、在流域中储水储能等相关工程技术,中国都已完全具备,不存在系统的或关键环节的障碍。

(二)地质、地形条件

黄河中上游地域广阔,地质、地形条件各异,而“再造黄河”工程所针对的地质条件有一个共同特征,就是黄河支干流所流经之处的黄土、泥沙密集的地域,且用专用工程机械在黄土地上开凿运河、再造河床并无工程难度,关键是交通运输条件。比较来看,西北地区地形较为平坦,远没有西南地区地形复杂。整个西南处于中国海拔最高的地区,多是崇山峻岭,高山峡谷,地形异常复杂。而就在这样地形复杂的地带建成了连通西南各省的高速公路和高速铁路,极大地推动了西南地区的发展。这些道路几乎全是桥梁、隧道所组成,投资巨大。而西北建设道路等基础设施的工程难度及所需投资都远低于西南地区。加大西北地区基础设施建设的投资有利于推动西北地区的发展,缩小西北与发达地区的差距。因此,在“再造黄河”的过程中可以有针对性的同时改善当地的道路等基础设施。

可在甘肃和宁夏的一些泥沙含量大的支流(如湟水、大通河、洮河、庄浪河、祖厉河、清水河)选择一两条河流进行再造实验,在对实验结果进行总结的基础上再加以推广。

(三)工程占用资金的问题

河流给人们带来源源不断的水资源,但河流也会带来水患,给流域的人民带来灾难。于是,世界各国的各大河流都存在着流域治理问题。例如,就莱茵河的治理,成立了保护莱茵河国际委员会(1976年),实施了莱茵河行动计划(1978年)、莱茵河生态修复行动计划(1987年)、1992年鲑鱼行动计划、2000年欧盟水框架指令、莱茵河2020行动计划等等,这既是世界流域生态环境协同治理和可持续发展的典范,也涉及源源不断的巨额投资［39］;湄公河治理时,成立了湄委会和大湄公河次区域合作组织,以协同各国之间的治理行动［40］;其他如多瑙河的治理［41］、田纳西河谷的治理［42］、澳大利亚墨累-达令河流域的治理［43］等等,都牵涉大量的资金投入。流域治理,虽然耗资巨大,但却是人类生存、发展所必须支出的资金。流域投资的特点,关键不在于投资的多少,而是投资是否有效。

既然涉及投资,当然需要对投资效益进行评估,包括经济效益和社会效益。从南水北调中线和东线工程来看,前期投资巨大,但产生的经济效益和社会效益却是长期性的。因此,只要投资有效,其投资成本就会在若干年后全部收回,并且继续产生效益。同样,“再造黄河”的前期投资巨大,但一旦投资成功,产生的效益也是无穷的,至少可以节省每年用于治沙的巨额经费,并有利于沿线的水土保持,而清澈的河水可以较为直接地供给生活和生产使用,节省水中泥沙处理的费用。

(四)治沙、治水、用水的综合工程的综合效益

治沙、治水、用水的综合工程可产生综合性的效益。其中“再造黄河”可创造以下效益:首先,可实现水土保持。河流在经过黄土区时,随着水流对泥沙的冲刷,必然会产生水土流失。植树种草虽然有利于水土保持,但黄河流域流经的黄土区的地质构成就是黄土,只要河水直接冲刷黄土,就会造成水土流失,而用人工建筑材料修建河床,也就避免了河水与黄土的直接接触,因而可以彻底解决水土流失问题。其次,可为流域生产生活提供清洁的水资源。黄河支干流泥沙含量太大,水质也很差,不能直接使用,需要对泥沙进行沉淀、处理。再造的河流则可以直接提供清洁的水源,有着极大的经济和社会效益,可在运河沿途设置取水点,方便沿线城市和居民区取水、用水。再次,黄河水变清之后,亦可以在很大程度上解决“揭河底”的问题。所谓“揭河底”,也就是黄河泥沙堆积过多,突然遇到水流冲击速度增大,泥沙被大量翻涌出来,到下游再次堆积,从而河道拥塞,继而对堤坝形成较大的压力,从而使黄河溃坝或黄河水位突然降低形成灾害。最后,当注入黄河的泥沙减少,清洁水增加时,也就解决了治沙的问题,从而逐渐解决黄河下游泥沙淤积、“地上悬河”的危机。而分流、储水、储能综合体则可有效、协调解决黄河水患和流域缺水问题,并使黄河水资源和水能资源实现最大化利用。

此外,造河工程可以拉动经济增长。中国的基础设施建设不仅提高了经济运行的效率,降低了能源(电力)成本、物流成本、运输时间,而且还可以对中国经济增长产生巨大的拉动作用。随着中国的“铁、公、机”等基础设施建设的不断完善,新项目相应减少,也会影响到中国经济的增长动力。而“再造黄河”工程将会对中国经济或区域经济产生新一轮的拉动作用。其中,一项重要的意义在于有利于促进黄河流域所在区域的西北地区发展。近十多年来,中国区域经济发展不平衡又出现了新的问题,在东西部差距拉大的同时,南北差距也在拉大,特别表现为西南与西北之间的差距在快速拉大,加快西北地区的发展已经成为中国区域协调发展的一个紧迫任务［44］。“再造黄河”工程所形成的投资将直接拉动西北地区的经济发展,而“再造黄河”工程的成功将会极大地改善西北地区的资源与环境条件,有利于西北地区的可持续发展。

(五)工程的难度与南水北调西线工程的比较

南水北调西线工程指从四川长江上游支流雅砻江、大渡河等长江水系调水,至黄河上游青、甘、宁、蒙、陕、晋等地的长距离调水工程。该工程正处在论证阶段。南水北调西线工程堪称史上耗资最大、施工难度最大的工程,这在《南水北调工程总体规划》中已经说明⑥。正因如此,西线工程备受争议,主要集中在:一是认为工程所在地地壳活跃,地震(强震)多发［45-46］;二是认为青藏高原是全球气候变化的发动机、东亚水循环的核心、东亚地区的水塔、主要河流发源地,应该加以保护,慎重对待［47］;三是认为调水量被高估,调水区属于高寒地区,漫长的冬季无水可调［48-49］;四是认为未来中国南北方气候将发生转折性的变化,即“北涝南旱”,形成降水北多南少的格局,而西线工程与此趋势相反［50-51］。此外,调水工程影响大渡河、雅砻江、金沙江这些国家水电开发重点地区,调水带来的巨大影响的补偿十分复杂。

相比之下,“再造黄河”以及构建储水储能综合系统工程难度和投资额都应该远低于南水北调西线工程。但问题是西线工程只解决黄河缺水问题,解决不了黄河水患问题。治水、治理流域要与大气候变化趋势和规律协调一致,不能违背规律。当在黄河处于长期缺水、断流的情况下,调用外来水才有意义,但中国气候及黄河水情已经发生逆转,北涝南旱,夏季不是水少而是水多、水患,无须调用外来水。这种逆转是长期性的,应该作为决策的基础。而在黄河需要水的时候却无水可调(而黄河在冬季也经常结冰,甚至爆发凌汛)。对此,完全可以利用黄河自身的水资源来完成流域的供水问题,在夏季水多的时候分流解患,储能储水,到冬季枯水季节再输水供水,系统解决水患与缺水问题。

六、结论

本文根据黄河泥沙形成机理、黄河水情的变化以及最新科技的发展,提出“再造黄河”,将治沙、治水和用水有机结合起来,协调解决黄河泥沙淤积、水患频仍、流域缺水和高效用水问题,实现水资源利用的最大化,由此推动黄河治理模式的优化转型。

一是黄河治沙模式的转型。将黄河泥沙治理模式由泥沙形成之后的后期、被动治理转为前期及源头治理,即针对黄河中上游泥沙密集的支流和部分干流采取河床人工再造的模式将水流与泥沙分隔开,保持河水的清澈。也就是说采用先进、合适的建筑材料再造河床,从而使水流不直接接触并冲刷黄土,同时,适当抬高河堤,阻挡携带泥沙的雨水流入河道中,以保持水土、改善水质并减少黄河泥沙输入量,从而保持黄河水的相对清澈,彻底解决黄河携带泥沙过多、下游泥沙淤积、“地上悬河”的危机。而南水北调运河的修建成功已经解决黄河再造的工程技术问题,可以将南水北调的运河修建模式移植到“再造黄河”上。

二是治水、用水模式的转型。根据黄河水情的逆转变化(即由常年断流缺水转变为连年水患不断),在黄河中上游构建分洪(分流)、储水、储能综合系统。这一系统工程可在丰水的年份、季节储水储能,而在缺水的年份、季节弃能供水,满足流域水资源的需求,从而用黄河自身的水满足流域用水需求,不需调用外来水。在光催化制氢技术成熟时可构建水能-氢能储水储能综合系统,既可用水能发电,又可制氢。

以上治沙、治水、用水模式的转型是一项伟大的系统工程,即用现代系统方法和科学技术以构建治沙、治水、用水的综合体,实现流域水资源开发与利用的良性循环。

黄河治理的意义重大,是中华民族千百年来一直努力奋斗的目标,历史上却因治理难度太大和技术能力不足而治理成效甚微。现如今,中国的工程技术能力强,资金保障能力强,解决黄河治理这一千古难题的条件和时机已经成熟。黄河治理的资金投入将会拉动西北地区的经济发展,黄河治理的成功将极大地改善西北地区的资源与环境条件,推动西北地区可持续发展。

注 释：

①本文的图全由西南财经大学经济学院张航博士所作。

②数据来源于水利部黄河水利委员会http://www.yrcc.gov.cn/hhyl/hhgk/hs/ns/201108/t20110814_103396.html。

③黄河水体功能区有一级水体功能区(包括保护区、保留区和缓冲区)和二级水体功能区。二级功能区包括饮用水水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区、排污控制区。参见中华人民共和国住房和城乡建设部与中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局2010年11月3日联合发布的《关于水功能区划分的国家标准》。

④2022年夏秋之际,长江流域出现历史罕见旱灾,长江水位几乎见底,多条河流几近断流,流域缺水缺电严重,而建设了储水水库,如丹江口水库、酒埠江水库等区域则能保持农田灌溉和丰收。这说明加强长江和黄河两大流域的储水系统建设十分重要。

⑤参见《光热制氢新进展!Heliogen将联合Bloom利用聚光集热技术生产绿氢》,来源于https://helioscsp.com/bloom-energy-heliogen-to-produce-green-hydrogen-using-only-concentrated-solar-power-and-water/。

⑥凿埋深数百米,长达100千米以上的长隧洞,同时这里又是我国地质构造最复杂的地区之一,地震烈度大都在6°～7°,局部8°～9°,工程技术复杂,施工环境困难,还须加深前期工作,积极开展科学研究和技术攻关,解决这些难点。