(1)水资源及环境禀赋条件

新疆地处欧亚大陆腹地,远离海洋,周边有高山环抱,形成极其典型的大陆干旱性气候。降水稀少,蒸发强烈,年平均降水量154 mm,其中南疆平原区在70 mm以下,东疆仅为7~15 mm。蒸发能力为1 500~3 400 mm,平均干旱指数达到7以上。新疆自产水资源量835亿m³,其中,地表水资源量789亿m³,与地表水不重复的地下水资源量46亿m³。计入境外入区水量90亿m³,水资源总量为925亿m ^{3[ 7]}。人均水资源量4229m³,居全国第4位,但是单位面积径流深仅50 mm,为全国倒数第3位。若扣除多年平均出境、出省水量229亿m³,区内水资源消耗总量为650亿m³。全疆共有大小河流570余条,有约800个相对独立的绿洲,国土面积虽大,但90%以上的区域为渺无人烟的瀚海荒漠和高山,绿洲面积仅为12.9万km²,其中天然绿洲仅占绿洲总面积的29.7%^{[ 8]}。独特的地理位置和光热水土资源的特殊组合,使得引水灌溉形成的绿洲农业生态系统成为新疆生态经济系统的独特景观。

(2)社会水循环通量扩张

随着社会水循环的形成并不断扩张,特别是水资源过度开发利用的流域,社会取、用水通量过大,严重破坏了自然水循环系统的基本生态和环境服务功能。经过60多年大规模的水土开发,新疆的灌溉面积已由解放前的1800万亩,发展到了2012年的9226万亩^{[ 4]},形成了规模庞大、独具特色的绿洲农业。2011年社会经济总用水量590亿m³,扣除伊犁河与额尔齐斯河两河出境水量后,水资源开发利用率总体达到81%,大多数河流的地表水开发利用率已超过90％,河道径流在出山口后基本上被“吃光喝尽”。早已严重超采的吐哈盆地、天山北坡、塔城盆地情势进一步恶化,南疆地区2008年以来地下水开采力度不断加大,也已全面步入超采状态。近10年的粗略统计表明,新疆全区产出了我国40%的棉花、90%的工业用西红柿、60%的甜菜、15%的牛羊肉等大宗水密集型农产品,人均粮食产量约超过同期全国人均(为408kg)的70%,达693kg,农业用水量长期占总用水量的95%以上。新疆2012年单方水GDP产出量为13.7元,而同为西北地区的内蒙则达到86.1元。以色列单方水GDP产出量为634元,而新疆则不及其2%。农业产值单方水增加值全国为12.7元,内蒙为9.6元,甘肃武威市为5.4元,而新疆仅为2.5元。无论是用水结构,还是用水效益,新疆已然成为全球最为落后的地区之一。

(3)格局演变

新疆大部分地区生态环境本底十分脆弱,60多年来,随着灌溉农业的大规模发展,大量的水被截流于人工绿洲内,使得“渠库结构”组成的人工侧枝水循环不断膨胀,同时造成“河湖结构”组成的自然水循环衰竭、荒漠生态系统恶化、水环境污染加剧。人工绿洲建立和发展是通过:人工渠道代替天然河流—人工水库代替自然湖泊—人工耕作土壤代替自然土壤—人工栽培植被代替自然植被—人工生态代替自然生态,最后形成以人工水系为支撑的社会水循环体系。荒漠化扩大和发展是经由:地表径流减少、河流断流、湖泊干涸、地下水位下降、河流丧失健康生命—耕地次生盐碱化、过度放牧、樵采开垦—荒漠植被衰败枯死,土地荒漠化加剧—地面失去保护,风力侵蚀加强,造成荒漠化扩大。由此可见,社会水循环是改变流域水循环格局的主导因素,而绿洲化和荒漠化是其演化的两种相反趋势。

(1)未来气候变化可能会加剧水资源短缺,并显著影响水资源分布。

20世纪80年代中后期以来,新疆气温和降雨年际变化均呈现出增多趋势,特别是近10年以来更为明显,21世纪可能仍呈持续增温趋势,降水和蒸发水量将会同时增加。气候变暖引起降水量重新分配,加速冰川消融,过去40年,新疆冰川面积减少5%~34%^{[ 9]}。以小冰川(<1 km²)为主的河流,如天山北麓、吐鲁番、哈密盆地诸小河,由于冰川总面积和单条冰川的规模都很小,气候变化已经对该地区的水资源产生了明显影响。随着冰川和积雪进一步消融,其补给的径流量可能逐步减少,冰川和积雪的“固体水库”调节减弱,不仅水资源总量初步衰减,年际变化会加大,年内分布也会更加不均,加剧水资源变化的不确定性,增加水资源利用和防洪抗旱的难度,极端性水事件突发概率增多。山区温度升高会加大径流形成区的蒸发消耗,对径流形成不利,平原区气温升高将会增加各种植物的蒸腾消耗,据有关研究:气温升高1℃,农业亩均灌溉水量将增加5%~10%^{[ 10]},农业生产对水资源的需求会大量增加。气候变化对新疆水资源影响已显现,自20世纪90年代后期以来新疆水资源偏丰是一种表象。应利用水资源偏丰的有利时机,加紧调整水资源利用模式,合理规划工业与城镇发展布局,加快城乡供水保障体系和防洪减灾安全保障体系建设。同时,加快重点区域生态修复,尽快恢复地下水超采区地下水储量,并逐步建立水资源安全储备制度。^{[ 11]}

(2)经济社会用水总量将受到大幅压减,且引发的问题和矛盾更加尖锐。

干旱区经济社会和生态环境竞争性用水始终是难以调和的一对矛盾。当社会水循环通量确定后,通过对人口增长的有效控制、经济结构的合理调整、科学技术的广泛应用、实施最严格的水资源管理制度等措施,来促进用水零增长目标的实现,这是水资源开发利用与调控管理的重要目标。美国和日本从20世纪70年代以来,全国用水总量一直分别维持在5 700亿m³和900亿m³左右^{[ 12]}。我国1998年用水量进入相对稳定的时期,年均用水量约为6 000亿m ^{3[ 13]}。近10年新疆用水总量呈年均0.63%的增长态势,其中农业年均增长0.43%,工业用水年均增长为2.7%,退耕还水,消减社会水循环通量,已成为社会关注的热点问题。“三条红线”控制指标确定2030年新疆经济社会用水总量为526亿m³,其中地表水456亿m³,地下水70亿m³;据全国第一次水利普查统计,2012年新疆直接从大河口引水617亿m³,其中地表水494亿m³,地下水开采123亿m ^{3[ 14]};再据已批准的相关规划,2030年可从跨界河流净增62亿m³的地表水可开发利用量(扣除输水损失和生态用水),且主要用于北疆地区^{[ 11]}。这样一来,在社会经济总用水量已界定的情况下,南疆少数民族聚居的贫困地区的总用水量则要做大幅度压减,北疆增水与南疆减水、减地的矛盾将非常突出,若得不到妥善处理将会引发一系列的社会问题。

(3)用水结构将逐步调整优化,但区域与城乡差异将更加突出。

用水结构主要从属于产业结构和城乡发展格局。2012年全疆总人口2 233万,城镇化率44%。预计2030年全疆人口将达到2 562万人,城镇化率达到60%,工业和城镇总用水量将由现状的26亿m³增加到70亿m³。由于受资源禀赋条件的制约,南疆的工业化和城镇化发展水平,已远远落后于东疆和北疆地区。目前正在实施的调水工程将为北疆和东疆的工业和城镇发展提供水资源保障,届时,东疆、北疆、南疆地区农业用水占社会经济总用水量的比例将维持在70%,80%和90%的水平^{[ 11]}。新疆与内地发达地区的差距,南疆与北疆、东疆地区间的差距将会逐步扩大,而且目前仍然存在众多加剧区域差异的因素。如果这种趋势得不到根本性扭转,区域发展不均衡及由此所引发的资源、环境、经济社会等方面的矛盾将更加尖锐。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 新疆社会经济系统供用水结构统计预测分析表 Table 1 The predictive analysis of water supply and utilization structure of socioeconomic system in Xinjiang 分区 用水结构/%:农业﹕工业﹕生活 供水水源结构/%:地表水﹕地下水﹕调水﹕其他 2010年 2030年 2010年 2030年 全疆 95.8﹕2.4﹕1.8 87.0﹕8.9﹕4.1 80.9﹕17.9﹕1.0﹕0.2 80.3﹕13.3﹕5.2﹕1.2 东疆 93.9﹕3.0﹕3.1 72.0﹕22.0﹕6.0 42.3﹕57.6﹕0﹕0.1 46.6﹕28.1﹕21.6﹕3.7 北疆 92.1﹕4.9﹕3.1 79.2﹕15.2﹕5.5 75.4﹕21.3﹕3.0﹕0.4 77.5﹕10.3﹕10.6﹕1.6 南疆 98.2﹕0.8﹕1.0 93.9﹕3.3﹕2.9 86.9﹕13.1﹕0﹕0 85.0﹕14.4﹕0﹕0.6

表1 新疆社会经济系统供用水结构统计预测分析表 Table 1 The predictive analysis of water supply and utilization structure of socioeconomic system in Xinjiang

(4)山区水库建设提高了水资源调控能力,但对自然水循环产生的负面影响难以避免。

进入本世纪以来,新疆山区水库建设快速发展,目前已建、在建和拟建的大坝共有105座^{[ 15]}。毫无疑问,这些水库电站的建成将提高水资源合理配置的调控能力,但对河流水生态环境产生负面影响也是难以避免的。届时“电调服从水调”的水资源统一管理能否得到顺利实施?灌溉与发电的矛盾如何协调解决?经济社会发展能否做到不以挤占生态环境用水为代价?河流生态系统的连续性、完整性能否得到很好的保全?过多地注重防洪安全、供水安全和发电效益是否会严重破坏下游河流所需的生态径流过程?科学有力的保障维系河流生命健康的自然水循环过程,并在水资源配置、生态调度中确保其最小需水量及其径流过程,是内陆干旱区水资源管理的热点问题。

(5)污染控制和环境保护得到重视,但主要水污染物排放量仍将继续增加。

关于水质拐点问题有学者研究认为^{[ 16, 17]}:中国水环境状况现阶段处于转折期,预计到2020年左右,主要水污染物排放量达到顶峰后开始下降,水环境恶化的趋势得到逆转;到2030年,水环境得到全面改善,进入人与环境协调发展的新阶段。新疆工业、城镇化水平尚不够发达,大部分河流、湖泊、水库水质良好,可以满足生活、工业、农业、渔业等多种用途的水质要求。但在局部地区受人为和自然因素的影响,水污染仍很严重,如:河流下游水量枯竭、湖泊萎缩干涸,加上污染水体的排入,水体富营养化加剧,遭致水生态环境破坏;耕地盐污染问题突出,农业面源污染影响较大;工业化发展造成的水环境污染事件急剧增多,城市及其近郊区域废水的治理率和达标率较低,约有40％的废水排入城市水体,造成城市水环境质量持续下降。今后在工业加速发展、城市扩张的大背景下,水污染物排放量仍将继续增加,对河流物质输运能力、水体自净能力、水环境容量、生境破碎化、水体的生物栖息地功能、水生态系统恢复力和抵抗力、水生态系统生物多样性等诸多方面的影响不容忽视。与全国水环境治理的时间表相比,新疆预计会延期10~20年。

(1)研究进展

确定水资源开发利用的合理阈值,首先要计算出流域的生态环境需水,然后根据地表水资源总量和已经开发利用的水资源量,来准确判断水资源开发利用对生态环境的影响程度。目前,国内外已经从理论、方法与实践等多个层面对生态环境需水进行了大量研究^{[ 18]},提出了河道外和河道内生态需水计算的多种方法^{[ 19, 20]}。我国学者对干旱区各大流域的生态环境需水量,基本上都进行过研究和具体的测算^{[ 21~ 23]}。无论是河道内,还是河道外生态需水,均系指河流自然生态系统需水量。但结合干旱区水资源的科学配置与管理实践,人工绿洲内部、灌区周边、过渡带等都存在大量的生态用水,这部分水量从耗水机理的角度,应当纳入生态环境需水的计量范围。

(2)河流生态系统需水

河流生态系统需水量是指:满足维持河道基本功能、维护河谷及河道两侧天然植被生存、保持通河湖泊湿地水量平衡等的最小用水需求。根据相关研究^{[ 7]}:新疆河流生态系统需水总量为203亿m³,其中:被列为保护目标的7处湿地、14处湖泊生态需水量为58亿m³,河道内最小生态需水和河道外两侧天然植被需水145亿m³。基本满足河流地表水开发利用率不超过70%的通量控制要求,也就是说,在干旱内陆河流,至少要用30%的水量维系其健康生命的自然水循环过程。这与王浩^{[ 24]}、贾宝全^{[ 25]}等研究的结论基本一致。但流域生态需水总量,还需加上绿洲内的人工生态耗水量。

(3)生态调度与自然水循环调控

生态调度其实质就是将生态因素纳入到现行水库调度和区域水资源配置方案中,进行多目标综合调度^{[ 26~ 27]},在确保生态用水总量和水质的同时,还必须满足生态径流过程的要求,对河流自然水循环进行有序调控。当前,在大规模农业开发给流域生态环境造成的危机和积重的矛盾尚未得到化解的情况下,又适逢大规模的水电开发,特别是工业化、城镇化的快速发展,水资源供需矛盾将进一步加剧,河流生态系统将面临更加严重的威胁。将生态系统需水纳入到流域或区域水资源配置及调度管理中,是未来水资源综合管理的必然趋势。开展生态调度及其立法研究,对于实现水资源优化调度和河流生态健康保护目标,具有非常重要的现实意义。

(1)国际上水资源开发利用合理阈值研究。

目前,国际上公认的流域地表水合理开发利用率为30％,并以40％作为警戒线,如果一个国家的水资源开发利用率超过40％,人类与自然的和谐关系就将会遭到破坏^{[ 1]}。Tennant^{[ 28]}在研究了美国西部19条河流后,得出以下结论:在50％来水频率下维持河道60％的流量,可为大多数水生生物在主要生长期提供优良至极好的栖息条件;而保持30％~50％的流量,可提供良好和一般的栖息条件;而在50％来水频率下保持河道流量为来水的10％(即90％为河道外耗水),是大多数水生生物在全年生存的最小径流量。

(2)国内七大江河水资源开发利用合理阈值研究。

王西琴等^{[ 29]}研究认为:松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江七大河流,如果仅从量的角度考察,水资源开发利用率阈值应分别界于57％~89％之间,如果从水量与水质相结合的角度综合考察,七大河流的水资源开发利用率的阈值分别是34％,38％,45％,36％,38％,31％和32％。说明,目前我国水资源开发利用率的阈值主要受水质的约束。目前除松花江、长江、珠江等3条河流的水资源开发利用率在其阈值范围内之外,其他4条河流的开发利用率均超过了允许开发利用率。何海^{[ 30]}研究认为:太湖流域水资源开发利用率的阈值为53.1％。沈珍瑶^{[ 31]}、李春晖^{[ 32]}等研究认为:不考虑或考虑污染,黄河水资源开发利用率的阈值为54％或40%。

(3)内陆干旱区水资源开发利用合理阈值研究。

在内陆干旱区,人工绿洲扩大的同时,伴随的是天然绿洲因水源减少而萎缩,甚至部分沙漠化,因此水资源开发利用合理阈值的确定尤为重要。一方面要防止无节制、掠夺性地开发利用,造成生态环境不可控、不可逆的毁灭性破坏;另一方面也要防止把生态平衡看成静止不变的,平衡是相对的,而发展变化是绝对的。在阈值范围内进行保护性开发,也是贫困地区经济社会发展之必需。钱正英等专家学者研究认为^{[ 33]}:“在西北内陆干旱区,生态环境和社会经济系统的耗水以各占50%为宜”、“按社会经济平均耗水率为用水量的70%折算,今后内陆河流的最高开发利用率应不超过70%”。这就为新疆内陆河流域水资源“五五分账,三七调控”管理模式提供了理论依据。

(1)五五分账。根据内陆河流域水资源的形成、转换、消耗规律及耗水平衡原理,生态环境和社会经济系统的耗水以各占50%为合理阈值。生态环境耗水包括两部分,一是河流自然生态系统耗水,二是人工生态系统耗水。在人工生态系统中,由于灌区内部水资源利用效率低,在人工绿洲内形成大量的次生林草地和坑塘沼泽,主要包括:林地、草地、河渠湖泊、水库坑塘、滩地沼泽、盐碱地等耗水。而人工绿洲内的各种防护林、绿化建设应包含在社会经济系统的耗水指标中。

(2)三七调控。其中包括2层含义,一是指内陆河流域地表水最高开发利用率应不超过70%,即:保留30%的河川径流量,维护流域自然水循环,供自然生态系统耗水;严格控制人工侧枝水循环通量,从河口的最大引水量不能超过该断面地表径流量的70%。二是指引入人工绿洲的水,由于利用效率和循环、转化机理等客观原因,其中30%的水量直接或间接转化为人工生态系统耗水,70%直接消耗于社会经济系统,这也是维护人工绿洲生态系统的需要。以上2个层面的“三七调控”模式,基本确保了“五五分账”的水资源配置和实际消耗的框架格局。

(3)调控的原则和目标。通过上述调控,将使干旱区自然资源得到合理开发利用,经济得到持续稳定增长,社会发展不断进步,生态环境得到良性循环,最终实现可持续发展的战略目标。

灌溉设计保证率是指在河道天然来水径流量中可引用水量(过程)以满足农业适时、充分灌溉用水的保障程度。根据规范要求^{[ 34]},干旱区常规地面灌溉设计保证率基本采用75%,牧区饲草料地及部分丘陵地区补充灌溉采用50%灌溉设计保证率,高效节水的灌溉设计保证率取85%~95%。生态用水设计保证率取50%,城镇和工业供水一般取95%。

地表水开发利用率与灌溉设计保证率,其概念和内涵均不相同,但其间有着密切的关联。开展这一问题的研究,对于干旱区灌溉农业的发展与调控、生态环境保护,具有现实且重要的意义。由于干旱区灌溉农业用水比重大部分在80%甚至90%以上,因此水资源的调控研究多集中在农业领域。从规划设计理论上讲,远期水平年在 P=75%灌溉保证率情况下,所对应的供水工程规模、灌溉系统布局、灌区种植规模及结构、供水过程线及用水总量等,原则上都是确定了的。因此由图1可知: P=95%保证率的城镇工业用水量,加上 P=75%保证率的农业灌溉用水,等于流域社会经济系统总用水量的阈值,而且这个阈值基本接近并以地表水最高开发利用率不超过70%作为控制条件。

图1

Fig.1

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	图1 内陆干旱区水资源系统及供水设计保证率关系图Fig.1 The relationship between the water resource system and probability of water supply of inland river in arid region

灌溉设计保证率是合理规划灌溉系统、科学防范风险、有效控制灌溉农业发展规模的重要理论基础。然而,新疆灌溉面积早已突破了设计保证率所控制的规模,这样一来就引发出2个问题,一是在常规地面灌溉设计保证率75%情况下,绝大多数灌区处于缺水状态,只有通过大量开采地下水、节水或修建山区水库增加地表水引用率来解决。二是在大面积采用高效节水,灌溉水利用率提高的前提下,仍采用设计灌溉保证率75%,节出的水将会用于继续扩大灌溉面积。因此,随着高效节水技术推广普及,目前部分高效节水灌区灌溉设计保证率开始采用85%。