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黄河流域农业水资源与水环境问题及技术对策

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黄河流域农业水资源与水环境问题及技术对策

生态环境2007,161248252http//www.jeesci.comEcologyandEnvironmentEmaileditorjeesci.com基金项目国家社会公益研究专项(2002DIB5009)财政部项目(1251010607056)作者简介武雪萍(1966-),女,副研究员,博士,主要从事土壤与节水农业研究。Tel861068919739Emailxpwucaas.ac.cn收稿日期20060629黄河流域农业水资源与水环境问题及技术对策武雪萍1,蔡典雄1,梅旭荣2,沈跃3谢晓红1,张建君1,赵全胜11.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京100082.中国农科院农业环境与可持续发展研究所,北京100083.农业部环境保护科研监测所,天津300191摘要对黄河流域农业水资源与水环境现状和存在问题进行了分析,并针对这些问题,提出了改善黄河流域农业水资源利用与水环境安全的技术对策。研究指出,黄河流域水资源贫乏、水质污染严重、灌溉水水质劣化、农业水资源供需矛盾突出,水环境日趋恶化,产生了严重的生态环境问题而目前我国缺乏有效的农业水资源和水环境监测预警系统,节水农业和水污染防治技术水平低,基础设施落后,信息平台建设不够,农业种植结构和水资源不匹配。今后应加快建立农业水资源与水环境监测预警系统与信息平台,积极推进农业水资源高效利用技术升级,全面提高农业污染防控技术水平,加强农业水环境保护,调整种植结构,建立节水高效种植制度。关键词黄河流域水资源水环境防治战略中图分类号TV213.4文献标识码A文章编号16722175(2007)01024805我国是世界上缺水最严重的国家,人均水资源将下降到1760m3,农业用水占总用水量的70。农业用水形势严峻,总量不足,增量有限,同时农业水环境问题日益增多,水质恶化。因此,及时掌握农业水资源和水环境状况、优化农业水资源利用与水环境监测技术、有效提高水资源利用率和利用效率,是解决我国水资源(危机)短缺的关键问题和紧迫任务,对缓解农用水源紧缺状况,改善农业水环境质量状况,推进我国农业的可持续发展意义重大。本文以农业用水量大、污染较严重的黄河流域作为研究对象,通过研究黄河流域水资源与水环境状况及其变化趋势、分析其原因,提出了技术对策,以期为农业水资源合理利用与水环境安全提供一定的参考依据。1黄河流域农业水资源与水环境现状1.1水量贫缺,水资源供需矛盾尖锐气候干旱严重邵晓梅等1利用97个监测站点40a的气象资料和土壤墒情监测数据,分析评价了黄河流域农业气候和土壤水分变化规律,研究发现40a来黄河流域降水量是向逐年减少趋势发展的,土壤含水量年际间变化规律与降水量呈高度相关性。水量贫乏黄河是我国第二条大河,但多年平均天然径流量仅有5.81010m3,地表水资源年开发消耗量已经达到31010m3,最高年份达到了3.31010m3由于水资源的大量开发利用,加之近年来降雨偏少、气温偏高等因素影响,使得流域内主要河流实测径流量有日趋减少的趋势,支流的中下游,甚至上游河段,均处于或正在呈现出比较严重的缺水、断流状态,黄河断流频繁发生,水资源和水环境已成为黄河上中游地区生态环境的核心问题。从1972年开始出现断流到1998年的27a间,黄河利津站共有21a发生断流,断流频率已达5a四断,共计断流1050d,平均每个断流年份断流50d,断流发生时间最早的是1993年,2月13日即断流断流时间最长的1997年,断流226d,断流河段长达704km,占下游河道总长90。由于断流导致的生态环境的巨大变化,足以成为水环境恶化的标志之一25。水资源供需矛盾突出随着供水范围的不断扩大和供水要求的持续增长,黄河承担的供水任务已超过其承载能力。据分析3,黄河河川径流量为5.81010m3,扣除维持黄河生态环境最低需水量2.01010m3和下游河道蒸发渗漏损失量1.01010m3后,剩余的可供耗用水量为3.71010m3,加上地下水可开采量1.11010m3,则在无跨流域调水情况下黄河可供水资源总量为4.81010m3。而在采取节水措施、调整产业结构、限制高耗水产业发展的前提下,流域及流域外供水区2010年、2030年和2050年总需水量分别为5.21010m3、5.91010m3和6.41010m3,已远远超过了黄河的供水能力。灌溉可利用水量不断减少灌溉农业是用水大户,1980年以来黄河及支流灌区来水量明显减少,黄河断流、支流干枯、地下水超采,又给灌溉农业带来极为不利的影响,加之人口增加,城市化率不断提高,工业快速增长,农业用水在总用水量中的比例逐年下降,已由1949年的94%下降至20世纪80年代的80%,1998年为78%。工业及城镇农村武雪萍等黄河流域农业水资源与水环境问题及技术对策249生活用水挤占农业灌溉用水的趋势加剧23。1.2水质严重恶化,可用水资源量严重不足近年来,黄河污染加剧,已超出了黄河水环境的承载能力。黄河流域是我国污染最为严重的地域之一,污染河长在80以上。特别是近年来水污染发展迅猛,同时断流问题也越来越突出。断流使沿岸城市河道内无径流,变成了接纳污水的黑河,河中鱼类大量死亡,给黄河下游的农业造成了极大的危害613。国家社会公益研究专项农业水资源与水环境监测重要技术研究(2002DIB50099)课题组对黄河流域水资源进行了全面监测评价,结果总结如下。黄河流域的水质状况据不完全统计,2001年黄河流域废污水排放总量为4.135109t,其中工业废水2.956109t,生活污水1.179109t,分别占废污水年排放总量的71.5和28.5。据农业部环境保护科研监测所监测评价,2001年7497km评价河长中,全年优于Ⅲ类水质(含Ⅲ类,下同)的河长为2380km,占评价总河长的31.7,劣于Ⅲ类水质的河长为5117km,占评价总河长的68.3。枯水期优于Ⅲ类水质的河长为2670km,占评价总河长的35.6,劣于Ⅲ类水质的河长为4827km,占评价总河长的64.4。丰水期优于Ⅲ类水质的河长为2212km,占评价总河长的29.5,劣于Ⅲ类水质的河长为5285km,占评价总河长的70.5。黄河干流的水质状况黄河干流水质从80年代初的均是Ⅲ类及优于Ⅲ类水质,下降到90年代初的均为Ⅳ类及优于Ⅳ类水质,再继续恶化至90年代末的60%以上均是Ⅳ类及劣Ⅳ类水质。黄河干流从刘家峡以下均不同程度地受到人为污染,水质状况明显呈恶化趋势,许多功能区达不到其相应的水质功能要求,污染物量已超出了黄河水体的水环境承载能力。主要污染指标为溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、挥发酚和石油类。黄河干流悬浮物浓度很高,最高达4851mg/L。2001年干流进行评价的河长有3613km。全年优于Ⅲ类水质的河长1772km,占评价河长的49.0。劣于Ⅲ类水质河长1841km,占评价河长的51.0,主要分布于宁夏石嘴山~乌达桥河段、内蒙古三湖河口~镫口河段,陕西龙门~河南三门峡河段,花园口~高村河段,主要污染物为高锰酸盐指数、氨氮、铅、生化需氧量等,其中石嘴山、三湖河口、潼关、三门峡等河段水质为Ⅴ类。黄河支流的水质状况主要支流参加评价的河长3884km。全年优于Ⅲ类水质的河长608km,占评价河长的15.7。劣于Ⅲ类水质河长3276km,占评价河长的84.3,以清水河、银新沟、汾河、涑水河、渭河、宏农涧河、双桥河、蟒河、沁河、大汶河尤为突出,这些河流的水质全年几乎都为劣Ⅴ类。超标项目主要为氨氮、挥发酚、高锰酸盐指数、生化需氧量、溶解氧、亚硝酸盐等。总的来看,黄河流域2001年的水质状况为优于Ⅲ类水质的河长占评价总河长的31.7,劣于Ⅲ类水质的河长占评价总河长的68.3。其水质是上游好于下游、干流好于支流。1.3引黄灌溉水水质变劣,污染物超标。黄河上游灌区黄河干流循化段从19942003年连续10a的月平均水质月数据表明连续10a的12月水质检测结果基本都是Ⅲ级水或以下1998年4月的监测结果是超Ⅴ类水,超标物分别是汞(3.0倍)和镉(2.8倍),不符合农田灌溉水质标准。黄河干流兰州站从19942003年连续10a的月平均水质月数据表明连续10a的12月水质检测结果基本都是Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水质,全部符合农田灌溉水质标准灌区的银新沟银川站10a的水质月数据表明水质比较差,10a来有53月份的水质不符合农田灌溉水质标准。主要污染物是挥发酚,其余是CODMn,最近1a来也发现大肠菌群的污染,主要来源于生活污水。另外,也有的土壤盐碱化造成氯化物、硬度等超标。宁夏吴忠、石嘴山、银川、固原的25个渠口有75时期的水质不符合农田灌溉水质标准。主要污染物为CODCr,石头崾枧水库有氯化物、硫酸盐、氟化物的污染。黄河中游灌区引黄灌区水源取自黄河干流的水质基本符合农田灌溉水质标准,引黄灌区水源取自黄河支流的水质基本不符合农田灌溉水质标准,超标项目主要为氨氮、挥发酚、高锰酸盐指数、生化需氧量、亚硝酸盐、重金属类等。黄河干流吴堡段从19942003年连续10a的月平均水质月数据表明连续10a的12月水质检测结果基本都是Ⅳ类水或以下,符合农田灌溉水质标准2003年4月的监测结果是超Ⅴ类水,超标物分别是汞和镉,不符合农田灌溉水质标准。黄河下游灌区黄河干流利津站10a的水质月数据表明连续10a的12月水质检测结果基本都是Ⅳ类水或以下,符合农田灌溉水质标准。黄河干流济南泺口站10a的水质月数据表明连续10a的12月水质检测结果基本都是Ⅴ类水或以下,水质基本符合农田灌溉水质标准。只有2003年2月,氨氮1.070五日生化需氧量1.000超标,不符合农田灌溉水质标准。总之,引黄灌区水源取自黄河干流的水质基本符合农田灌溉水质标准,引黄灌区水源取自黄河支流的水质基本不符合农田灌溉水质标准,超标项目主要为氨氮、挥发酚、高锰酸盐指数、生250生态环境第16卷第1期(2007年1月)化需氧量、亚硝酸盐、重金属类等。大肠杆菌严重超标。1.4农业水环境恶化,生态环境问题突显。严重的水土流失造成面源污染由于土质松散,暴雨后形成的泥石流直接或间接融入黄河,使黄河中每年输入的泥沙也逐年增加,50年代初每年输入的泥沙约1.36109t,现在每年输入高达2.13109t。黄河流域土壤侵蚀量占区域总侵蚀量的50%~60%,水土流失导致缺水加剧,旱涝灾害频率加大,生态环境恶化,不利农业持续发展。同时,由于严重的水土流失带来了农药、化肥和畜禽粪便的污染,农田中的土壤颗粒、化肥、农药、病菌及其他污染物,在降雨或灌溉过程中,随着地表径流、农田排水、土壤渗漏进人水体,对地表水和地下水造成潜在的污染14。于涛15研究发现40a来黄河水中各主要离子和总离子浓度不断升高,同时无机氮污染物NH4N、NO2N和NO3N含量也呈不断上升趋势,认为灌区的农业发展,即大量的灌溉用水和氮肥的施用所产生的面源污染是导致黄河水质产生这些变化的主要因素。土壤盐碱化加剧不合理的农业用水,不仅费水而且加重了土壤次生盐碱化。土壤灌水定额过大,灌溉地的土壤盐碱化十分严重,仅黄土高原耕地盐碱化面积就达836000hm2,占水浇地面积的22,已造成土地生产力持续下降。土地沙漠化的速度惊人农业水资源短缺,干旱少雨,温差大,大风多,沙尘暴越来越频繁,加快了土地沙漠化的进程。据统计,我国上世纪50年代沙尘暴每年发生6次,60年代每年发生8次,70年代每年发生12次,80年代每年发生14次,90年代猛增至20次以上。5070年代,每年我国土地沙漠化的面积增加1500km2,80年代到达2100km2,90年代增加到3460km2,目前总面积已达到2.674106km2。不断加剧的水土流失、盐碱化、土地沙化和面源污染,不仅使土地生产力严重衰退,生态环境恶化,而且会使黄河中下游引发生态危机,已引起世人注目。2黄河流域农业水资源利用与水环境安全重大技术问题2.1农业水资源和水环境状况联合系统监测不足,监测与应用严重脱节。农业水资源与水环境监测技术单一、条块分割、针对性差和检测手段落后,是限制我国有限农业水资源正确、及时、高效利用的关键问题。目前我国农业水资源利用主要以监测大气、大江、大河和地下水等水量为主,与农业生产精密结合的三水(土壤水作物水大气水)利用监测严重缺乏和滞后,地表水、土壤水、降水和灌溉水联合监测几乎没有,特别是针对不同地区、不同种植制度、种植结构、不同保护性耕种、不同水肥管理制度下的农业土壤水资源利用及其水环境监测更少,且监测停留在较为原始阶段。目前水利部、国家气象局等单位已有比较完善的水文监测、大气降水监测网络,而用水大户的农业反而没有全国性农业土壤水资源利用和水质监测系统网络14。2.2农业水资源高效利用和水环境保护技术水平低,应用效果差。农业是用水大户,鉴于农业水资源日益短缺的趋势,农业发展的根本对策是发展节水农业,应以降水和灌溉水的高效利用为中心。由于农业水资源高效利用和水环境保护技术水平低,水资源利用率和利用效率不高,加剧了缺水。据估计,黄河流域旱作农业区水的利用率为30~40%,灌区田间工程不配套,灌溉水浪费严重。输水渠道衬砌率低,建筑物老化失修严重,渠系渗漏损失大。大型灌区骨干渠道衬砌率仅为30%~40%,渠系水利用系数为0.5左右,渠系建筑物老化失修,损坏严重,建筑物老化失修率占40%~60%,严重影响了灌区正常运行和灌溉效益的发挥。大型灌区田间工程普遍存在工程标准低,工程配套率差,土地平整度差问题田间固定渠道衬砌率低,有的灌区仅为20%,仍以土渠为主灌水技术落后,大部分灌区仍以大水漫灌、串灌、淹灌为主,田间灌溉水利用系数低,一般在0.6~0.7之间,灌溉水浪费严重3。2.3农业水资源利用和水环境安全保障基础设施落后,信息系统平台建设不够。我国农业节水领域研究的基础条件还比较落后,全国性和区域性的试验研究网络还未形成,发达国家特别注重对诸如作物需水量、灌溉水利用系数等基本数据的连续、定位观测和数据积累,有的试验连续坚持几十年,而我国在这方面还很不够。农业节水管理中信息技术应用水平低,节水管理信息采集、传输的可靠性差,目前,我国节水农业信息化程度,从总体上讲还处于比较低的水平。主要表现在以下几个方面(1)信息采集点少、手段落后。(2)信息传输手段比较单一、落后。(3)灌区管理人员信息化意识和技术水平亟需提高。(4)重硬件、轻软件。(5)节水农业信息化建设没有一个统一的规划,信息的共享性差。同时,各灌区重复开发、重复建设现象严重,造成很大的浪费。(6)我国节水农业信息化的产品处于试验研究阶段,没有真正形成产品。(7)节水农业信息化系统的综合集成能力差。武雪萍等黄河流域农业水资源与水环境问题及技术对策2512.4种植结构与水资源不匹配,不适应节水农业发展的需求。现阶段我国种植制度处于高耗水种植结构,表现为作物耗水结构与水资源分布不匹配,缺水地区高耗水作物种植面积大种植业结构不良,在长期的以粮为纲的种植思想指导下,节水的饲料作物、经济作物还没有受到重视,粮食作物、经济作物和饲料作物的三元结构还没有建立起来。黄河流域,特别是上中游地区长期受粮食自给思路的影响,农业结构单一,土地利用不合理,多种经营水平低,林牧业优势得不到发挥。据统计3,上中游各省区的林、牧、渔业所占比重为25%~38%,低于全国平均水平41%农业多样化指数为1.63~1.98,低于全国平均指数2.326单位GDP和单位农业产出耗水量相当于全国平均值的4倍,这一现状与我国正在推进的生态环境可持续发展战略对土地利用结构和水资源配置的要求不适应,也与我国粮食、油料、糖料、棉花等面临的市场形势很不适应。3改善黄河流域农业水资源利用与水环境安全技术对策3.1加快建立农业水资源与水环境监测预警系统与信息平台区域水环境污染预警系统应该能够为区域水质的变化提供直接的信息特别是那些具有跨界影响的突发性河流污染事件的信息,以使下游地区能够及时采取必要的防范措施16。为了保证农业水资源的持续利用,必须应用RS和GIS技术在全国建立农业水资源与水环境监测预警网络与信息共享平台,及时掌握农业水资源和水环境状况。在整个黄河流域范围内,建立水资源与水环境观测基地,包括国家级观测站、省部级观测站和县级观测站,建立水资源与水环境研究重点实验室,各省、(市)县要建立水资源与水环境信息中心和技术中心,全面监测,推行一体化和标准化的监测系统,包括水环境质量监测网系统、水资源利用监测网系统、田间墒情监测网信息系统、农情信息监测网系统、灌溉用水水情监测网信息系统、水质监测系统、流域水和灌溉水污染监测预警系统、旱情及旱灾防治与对策信息系统、节水农业技术与示范系统、农业水资源管理系统网、农业可持续发展决策支持系统等,并利用研究和监测成果改革现行农业用水模式与技术方式,实现水资源管理一体化,建立高效有序的水资源管理体制,促成农业水资源和环境保护与农民增收相结合,促进农业水资源社会化、水资源高效利用与水环境保护的有机统一。3.2积极推进农业水资源高效利用技术升级面对未来15~20a农业和农村经济发展的客观需求,加快节水农业技术的标准华升级改造,加速信息技术、生物技术和材料科学在节水农业中的应用,是转型期农业发展和农村经济增长水资源安全的重大战略任务。包括利用现代生物技术挖掘植物抗旱节水基因和培育抗旱节水品种、利用植物本身生理功能调节和挖掘植物本身的节水潜力利用现代信息技术,开发作物水分信息采集与精量控制灌溉技术,提升传统节水技术的现代化水平利用现代新材料技术,解决节水设备与产品研发中的材料与工艺问题,提升节水农业关键设备与重大产品的技术水平进一步推进常规节水技术的标准化、规范化、模式化、定量化和集成化,促进其大规模的应用,充分挖掘其节水的效果等17。3.3全面提高农业污染防控技术水平,加强农业水环境保护阻控和截断农业污染来源是水污染源头控制的关键,按农业污染减量化、无害化、资源化利用的原则,从污染发生、发展到形成全过程开展农业污染一体化防治关键技术研究,包括化肥减量和平衡施肥技术、农药污染控制技术、畜禽污染物转化和废弃物无害化处理技术、阻断水体富营养化的生物技术等,开发有利于污染物转化和废弃物无害化处理并资源化利用的新材料,包括水环境修复型生物制剂、废弃物资源化造粒剂、新型环保型肥料、环保型可降解农膜、生物农药、生物菌剂、资源节约型生物新品种等,全面提高农业污染防治水平,严格产地农药、化肥、灌溉水、畜禽粪便无害化利用和规范管理建立产地针对性农业污染防治的保护性耕种体系,发展种地养地保地制度建立健全无公害种植、养殖及加工标准规程,严格农业水环境保护标准规范管理。3.4调整种植结构,建立节水高效种植制度种植制度模式是环境、经济、技术有机结合的产物,随着社会的发展和技术的进步,资源的持续利用、环境的渐进改善、效益的稳步提高已成为国际种植模式发展的主要特征。开放式、高科技、高效益成为现代节水型农作制的发展方向,调减高耗水的大田粮食作物,建立以经济型产业(品)等为主导效益型种植业结构,成为节水农作制的发展途径。目前计算机技术、电于信息技术、红外遥感技术以及其它技术的应用,多种因素(可控和非可控)控制的数字化、图象化及其叠加和优选,使节水农作制度朝着高效优化方向发展。引进国外高新技术,通过区域资源数字化研究建立以水分利用效率和效益为中心的主要区域节水高效种植结构和种植制度,以及优化种植模式及配套技术具有重大的意义。252生态环境第16卷第1期(2007年1月)参考文献1邵晓梅.黄河流域节水农业关键问题的区域特征研究R.中国农业科学院博士后出站报告,20054450.SHAOXiaomei.StudyontheRegionalCharacteristicsofkeyproblemsofwatersavingagricultureintheYellowRiverBasinM.ThePostdoctoralReportofChineseAcademyofAgriculturalScience,20054450.2王国庆,王云璋,史忠海,等.黄河流域水资源未来变化趋势分析J.地理科学,2001,21(5)396400.WANGGuoqin,WANGYunzhang,SHIZhonghai,etal.AnalysisonWaterResourcesVariationTendencyintheYellowRiverJ.ScientiaGeographicaSinica,2001,21(5)396400.3李英能,段爱旺,吴景社,作物与水资源利用M.重庆重庆出版社,2001.LIYingneng,DUANAiwang,WUJingshe.PlantandWaterUseM.ChongqingPress,2001.4陈霁巍.黄河治理与水资源开发利用M.郑州黄河水利出版社,1998.CHENJiwei.YellowRiverestuaryandwaterresourcesdevelopmentM.ZhengzhouYellowRiverConservancyPress,1998.5王玉明,张学成,王玲,等.黄河流域20世纪90年代天然径流量变化分析J.人民黄河,2002,24(3)911.WANGYuming,ZHANGXuecheng,WANGYu.AnalysisofChangesinNaturalRunoffintheYellowRiverBasinin1990sJ.YellowRiver,2002,24(3)911.6黄占斌,山仑.北方干旱地区农业水环境变化与适应对策J.生态经济,2000(4)911.HUANGZhanbing,SHANLun.TheeountermeasurestoagriculturalwaterenvironmentchangeinaridAreasofNorthernChinaJ.EcologicalEconomy,2000(4)911.7张伟丽,赵惠君.山西省黄河流域水环境现状调查J.西北水力发电,2005,2123942.ZHANGWeili,ZHAOHuijun.InvestigationofwaterenvironmentsituationintheYellowRiverBasinofShanxiProvinceJ.JournalofNorthwestHydroelectricPower,2005,2123942.8李祥龙,彭勃,郭正,等.黄河流域水污染趋势分析J.人民黄河,2004,26(10)2627.LIXianglong,PENGBo,GUOZheng,etal.TheanalysisofwaterpollutiontrendinYellowRiverJ.YellowRiver,2004,26(10)2627.9柴成果,姚党生.黄河流域水环境现状与水资源可持续利用J.人民黄河,2005,27(3)3839.CAIChengguo,YAODangsheng.ThewaterinvironementandsustainablewaterresourcesuseofYellowRiverJ.YellowRiver,2005,27(3)3839.10冯金鹏,吴洪寿,赵帆.水环境污染总量控制回顾、现状及发展探讨J.南水北调与水利科技,2004,2(1)4548.FENGJinpeng,WUHongtao,ZHAOFan.ArecollectionandprospectofthewaterpollutionJ.SouthtoNorthWaterTransfersandWaterScience&Technology,2004,2(1)4548.11封建民,王涛,谢昌卫.黄河源区土地沙漠化研究J.生态环境,2004,134601604.FENGJianmin,WANGTao,XIEChangwei.LanddesertificationintheSourceRegionoftheYellowRiverNortheastQinghaiXizangPlateauJ.EcologyandEnvironment,2004,134601604.12孔祥春,陈吕平.黄河流域水环境现状及保护对策J.人民黄河,1996(2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