中国西北地区缺水问题的终结
http://www.paper.edu.cn
中国西北地区缺水问题的终结
张冬辉
(内蒙古大学计算机学院 呼和浩特 010021)
摘 要：中国西北地区，面积广大，人口稀少，生态环境脆弱。长期以来，大部分地区气候干燥，沙漠广布，风沙活动剧烈，社会经济发展受到严重制约。近一个世纪以来，由于受全球气候变迁和人类活动的影响，西北地区的自然生态系统受到进一步破坏，风沙活动更加剧烈。大面积的已开发土地面临沙漠化的危险。
研究表明，目前制约西北地区发展的主要问题是干旱缺水。干旱问题的解决将给我国西北地区开辟很大的发展空间，为沙漠改造和沙尘暴的防治提供有力的支持。本文分析了西北地区人口、经济、植被、水资源所组成的水循环系统，对水循环系统作了进一步探讨，在此基础上讨论提出了解决水资源缺乏问题的若干途径。
关键词：中国西北、水资源、可持续发展、西部大开发、环境
引 言
我国西北地区面积为315万km2,占全国土地面积的33%。这里光照充足，年平均温度适中，风能丰富，盐矿、石油、天然气储量巨大。是发展高效种植业的理想场所，有望成为新兴的农产品、能源、盐化工、石油化工基地。然而由于“干旱缺水”，我国西北地区沙漠广布，生态环境脆弱，社会发展受到严重制约。水已成为当前制约西北地区可持续发展的主要因素。在水资源方面，要保障西北地区可持续发展，一方面要加强水资源管理，优化水循环系统，充分利用现有水资源；另一方面要统筹周边水源，增加水资源的流入量。
1． 中国西北地区的水循环系统
中国西北地区水循环系统可用图1表示。从大气水开始，大气水在一定的气象条
件下形成降雨，形成的降雨一部分成为通常所说的地表水，一部分在山顶堆积，成为高山冰雪。高山冰雪在一定的季节融化，补给地表水。地表水一部分直接蒸发返还空气，一部分潜入地下成为浅层地下水，其余进入目标子系统。（在这个水循环系统中，把空气水，地表水，高山冰川，浅层地下水，深层地下水组成的子系统称为水源子系统，把居民生活、工业、农业、植被组成的子系统称为目标子系统。）浅层地下水在一定的地质构造中以泉水形式露出地面成为地表水。浅层地下水和地表水一起被广泛用于目标子系统。深层地下水通常不参与水循环，但随着人类的开采，有可能参与到水循环系统中来。深层地下水主要由浅层地下水补给。在目标子系统中，居民生活用水和工业用水主要以废污水形式排放出来，处理后的废污水还可以用于浇灌植物（人工植被或农作物）。农业用水和植被用水绝大部分被蒸散，以水蒸气形式返回大气。
1
http://www.paper.edu.cn
系统与外界的水汽交换伴随空气交换。与外界的地表水交换表现为径流的输入和输出。
1．1 系统中水的流动
水循环系统中水的流动有两种方式：水流和水汽流。水流就是通常说的所有河流和地下潜流，水流的最大特征是“水朝洼处流”，起源于山地，结束于洼地。在我国西北地区高山，高原，盆地相间分布，在高山高原和盆地之间形成了若干个大大小小的河流，水流的方向就是各个河流的流向。 水汽流就是水进入空气以水蒸气、云雾的形式进行的流动，其特征是随风流动，起源于洼地，结束于山地。在我国西北地区水汽的流动方向与流动沙丘的运动方向一致。在塔里木盆地、哈密盆地东部大致呈东北-西南方向，在新疆北部，柴达木盆地、巴丹吉林盆地、腾格里盆地、及鄂尔多斯盆地大致呈西北-东南走向，如图2[2]所示。这是因为，沙尘和水汽的流动都是以风为动力的，其流动方向是由一个地区的主风向决定的。
1．1．1 山区对水汽流的阻碍作用
水汽在随风流动过程中如果遇到山体阻挡，会随空气向上爬升．在大气对流层中，越往高处温度越低，气压越低．空气上升是一个降温降压过程，降压过程加剧降温过程。在上升气流中，如果含有足量的水汽和凝结核，通常形成降雨。空气流过山区形成降雨后，空中水汽会大量减少，这便体现出了山区对水汽流的阻碍作用。山体的相对高度越高，地形越复杂这种作用就越明显。
1．1．2 水的流通速度和水循环系统的优化
2
http://www.paper.edu.cn
水在水循环系统中循环流动而很少消耗，它的价值主要在于目标子系统各组成部分的循环使用，而不在于水本身。水的循环类似于货币的周转流通，增加水量相当于加大货币发行量，大气水、地表水变成冰川、地下水相当于货币储蓄，干旱缺水相当于通货紧缩。水对目标子系统的最大贡献等于流通总量与平均流通速度的乘积。在水循环系统中，水的平均流通速度取决于系统中各种水体所占的百分比和它们各自的更新周期。不同类型水体的更新周期差别很大，一般情况下大气水的更新周期为7天，湖泊为17年，高山冰川为1600年，永冻土为10000年。如表（1）所示[7]。水循环系统的优化就在于减小更新周期较长的水体所占的比例，加快平均水循环速度。
1．2 目标子系统
居民生活、工业、农业、植被四部分构成 人口-经济-环境 系统的主体，是一个地区社会发展水平的体现者，四部分有机结合共同体现一个地区的开发程度，是区域开发的重要目标，在此称为目标子系统。其中，工业和农业用水量反映当地的经济规模，生活用水量反映人口数量及居民生活水平，植被用水量反映生态系统状况。
1．2．1 生活用水、工业用水
人类生活，大到饮料食品，小到洗脸刷牙无不需要水。并且，生活水平越高对水的需求量就越大。据统计，2002年，全国人均综合用水量为428m3，城镇人均生活用水量为每日219升，农村人均生活用水量为每日94升[1]。生活用水的多少直接反映一个地区的人口数量和人民生活水平。生活用水要求水质较高，较差水质会影响生活质量并有可能对人体健康造成危害。另外，人们对饮用水的要求不单是水的成分，还存在心理方面的因素。如一个人对自然保护区的山泉会有特别的兴趣，而不喜欢处理过的污水，尽管不含有害物质。
工业企业的地区分布受到水资源的制约。这主要是因为：1，有些工业企业以大量的水为生产原料；2，有的工业生产过程，需要大量的水来冷却系统；3，有的工业需要大量的水来溶解或清洗；4，水运是最为廉价的运输方式；5，维持工人的日常生活和绿色的生活环境需要一定数量的水。我国西北地区水资源短缺，所以工业分布较少。要使西北地区工业经济有较大发展，就需要在水资源方面有所突破。
生活用水和工业用水使用后大部分以废污水形式排放出来。废污水中含有大量污染物。这些污染物，即使经过多级处理也无法全部除去。居民生活和工业废污水是造成江河及近海水体污染的主要原因。为避免废污水进入江河及海域，应改变这些水在水循环系统中的循环途径，使其变为水蒸气。在我国西北大部分地区年蒸发量远远大于东南沿海地区。从处理废污水的角度考虑，西北地区单位面积土地的人口、工业的承载能力要大大高于东
3
http://www.paper.edu.cn
南沿海地区。西北地区水源条件改善后，可以将部分排污企业转移到这里，与灌溉植被联合经营。
水体 更新周期 水体
沼泽 更新周期 5年 海洋年
深层地下水年
极地冰川和雪盖年
高山冰川年
永冻层中水年
湖泊年 河流天 土壤水大气水生物水 1年 8天 几小时
表 1
1．2．2 农业、植被用水
水是植物进行光合作用、蒸腾作用及其他生命活动的基础物质，水与温度共同决定着不同地区的植被类型和植物栽培种类。在干旱区，有水的地方就生机勃勃绿意盎然，无水的地方则是令人生畏的死海荒漠。
对于农业，水决定着土地生产力及整个农业结构。作物生长需要水，某些耕地的改良需要水。“水是农业的命脉”[4]，“收不收在水”。在干旱区，没有水利灌溉就没有农业。灌溉农业在农业生产中占有重要地位。一段时间里，全世界灌溉面积占全部耕地面积的16%，却生产了36%的农产品，我国灌溉面积不足耕地面积的一半，生产了约70%的农产品。在我国西北地区，能用于发展灌溉农业的土地比比皆是，光能生产潜力可达到52500—60000kghm-2，比长江中下游地区要高出7500-15000kghm-2，适合发展粮食和多种经济作物[2]。有了充足的水源，我国西北地区很有希望成为新兴的农产品基地。
陆生自然植被因水而生，随水而迁，水多则植被多，水少则植被少，水无则植被无。植被对一个地区的生态环境具有多种重要作用。植被通过光合作用，将太阳能转化为化学能，吸收CO2,释放O2，生产自身所需要的有机物，同时为其他生物提供食物。其根系、枝叶和分泌物具有涵养水源，挡风固沙，保持水土，减少土壤养分流失，吸收污物，阻滞粉尘，杀灭细菌，净化空气，降低噪声等功能。还具有减少洪水、泥石流、滑坡、坍塌等地质灾害的作用。植被为人类提供休憩和娱乐场所，人类生活离不开植被。在西北地区要营造一个适合人类生存的生态环境，其工作集中体现在保护和培育植被上，培育大面积的绿色植被离不开大量的水。
农业用水和植被用水只有极小一部分通过光合作用变成有机物留在植物体内，绝大部分通过蒸发蒸腾作用以水蒸气形式进入大气。由于大气水的更新周期较短，进入大气中的
4
http://www.paper.edu.cn
水分将在较短时间内形成降水，因此农业用水，植被用水具有增加局部地区降水量的作用。资料显示 [8]，俄罗斯欧洲部分在每年505mm的降水量中，海洋气流所形成的降水只有210mm，其余295mm是由当地的蒸发蒸腾作用产生的水汽形成的。 农作物和人工植被用水对水质的要求不高，可以是从河流、湖泊、或地下水中抽取的未利用过的天然水，也可以是经过处理的生活、工业废污水。
1．2．3 生活、工业用水与农业、植被用水的关系
从水循环模式图（图1）可以看出，水在这两部分之间既有并行部分又有串行部分。并行部分按：
地表水、浅层地下水——生活、工业——大气水；
地表水、浅层地下水——农业、植被——大气水 两条路径流动。
串行部分按：
地表水、浅层地下水——生活、工业——农业、植被——大气水 一条路径流动。 按并行方式流动，一方增大，另一方必然减少，生活、工业用水与农业、植被用水是竞争关系。按串行方式流动，生活、工业用水与农业、植被用水是同增关系。
串行的具体形式是指使用处理过的废污水灌溉植物（农作物、植被），这样不仅可以缓解农业、植被和生活、工业两方面的争水矛盾，还可以使工业、生活废污水得到最终处理。这样既提高了水的利用效率又防止了水体污染。从这个角度讲，在进行城市规划时应该考虑添加一定面积用于接纳污水的灌溉绿地。目前，我国西北地区人口稀少，工业企业较少，产生的废污水较少，灌溉用水以自然水为主，串行部分水量较少。
1．2．4、 目标子系统水资源的补给
对于目标子系统，水的补给可以有两种方式：直接补给和间接补给。前者是从系统外
*获取淡水直接用于目标子系统。后者是从系统外获取海水或不能直接用于目标子系统的
高矿化度地下水，（当然也可以是淡水）。让这些水在上风向区域进行自然蒸发（或通过植物的蒸腾作用），制造大量水汽，在下风向区域形成降雨，间接作用于目标子系统。间接补给受地形和大气环流的影响明显，形成降雨的具体时间和位置具有一定的不确定性。间接补给的位置最好选择在上风向洼地，这样有利于拓展水的地域循环和能量循环。
1．3、 系统水资源的保持
从水循环系统模式图（图1）可以看出，水流出系统的途径有两条：水汽输出和径流* 在澳大利亚、非洲、西亚等近海沙漠地区可以考虑使用海水制造水汽。
5
http://www.paper.edu.cn
输出。控制这些两条途径的流量可以起到保持系统水分的作用。对水汽的控制除选择合适的地形，利用山体的阻碍作用外，还可采用人工降雨的办法，对空中将要出境的云层进行拦截，使其在适当的区域形成降雨。这种办法受到一定气象条件的限制。多年来人们控制径流的办法已很成熟，如修建水库、水坝、水闸等。径流的流量与人类的截取量有直接关系，在总量一定的情况下截取量越大，剩余量越小。基于这种关系，在一个比较封闭的水循环系统中，加大对出境径流的截取量，可以减少径流输出量，起到保持系统水资源的作用。
另外，植被可以减慢水分大循环的速度，加快局部水循环的速度[8]，具有保持水土，提高水资源利用率的作用。
1．4 水资源与人类的关系及其变化
＊水滋生万物，为人类提供丰富的生物资源；水面的平整性为人类提供便利的运输通道；水的存在产生了云、雾、雨，使得“山灵水秀”。水是“生命之源”、“财富之源”、“灵秀之源”。人类活动离不开水，水土相易的地方是最适合人类活动的地方。古代文明发源于大河流域，现代的发达城市集中在河畔海滨。我国西北部分地区曾经存在一定面积的沼泽和湖泊，所以形成了丰富的盐湖、天然气等矿产资源，并有《山海经》中“生物资源丰富”的记载。后来地表水资源枯竭，便形成了今天的恶劣气候环境。
过去，人类对水资源的控制利用能力有限，水的自然分布决定人类经济活动的地理范围，人随水；现在，人类利用水利工程和各种水利设备可以把大量的水配送到经济活动所需要的地方，水随人。可以说，在较干旱地区大规模发展经济的条件已经成熟，我国的经济到了向西北地区大发展的时候。
2、 解决西北地区缺水问题的途径
要解决西北地区水资源短缺问题，首先，要优化系统内各种水体所占的比例，优化水的循环途径，提高水资源的利用效率；其次，要实施一定的水利工程减少系统的水分输出，增大输入。
2．1．开采冰川和地下水
在我国西北部分地区储藏着丰富的深层地下水或高山冰川。对这些水资源加以合理利用有望实现对我国主要沙漠的绿化改造。 ＊ 在降雨量较大的地区，水面与路面相比，其构造成本低，使用寿命长，运输量大，运费低。为此，笔者曾设想在我国西南地区梯级蓄水，沟通雅鲁藏布江、伊洛瓦底江（缅甸）、怒江、澜沧江、长江各大水系，开通长江至印度洋的陆上航道。
6
http://www.paper.edu.cn
根据沙漠第四纪含水层厚度与沉积沙层给水度估算，在我国塔克拉玛干沙漠下面约有80000亿m3的地下水储量[5]。这些水绝大部分属于高矿化度的地下水不能直接用于目标子系统。由于西北大部分地区蒸发作用强烈，可以考虑抽取地下咸水用来生产水汽，间接补给目标子系统。抽取地下水具有增加循环系统水总量和降低地下水水位，预防土地盐碱化的双重作用。
我国西北地区具有丰富的冰川储量。在祁连山（团结峰）冰川面积为1973km冰川储量954.4亿m，冰川融水量为每年11.56亿m。在天山托木尔峰，冰川面积为9196km冰川储量为10106.7亿m，冰川融水量为每年59.92亿m，另外在塔里木盆地南部昆仑山也有丰富储量的高山冰川。这些冰川可以为西北地区的发展提供丰富的优质淡水。
这种途径方便有效，不需要兴建大型水利工程，在现有条件下既可大面积实施。不过这种途径还存在着一些争议。争议之一是：由于，系统与外界进行物质交换时，很可能出现水逆差。从理论上讲这种逆差可能会使高山冰川和深层地下水消耗殆尽，使开采冰川和深层地下水成为“不可持续发展”。不过，笔者认为这种担心是没有必要的。其原因是：1,这些水体由于储量巨大和循环再生作用，需要比较久远的时间才能够消耗完毕；2, 随着周边地区调水工程的实施，这里的水分收支状况会有所变化；3,水资源属可再生资源，地球上各种形式的水储量极大，西北地区水资源的获取只存在空间上的问题，不存在源头上的问题,后人的技术工艺水平会有很大提高,获取水资源会比我们来得容易。为保障西北地区最近一段时间内的持续发展，动用这些水资源还是合理的。
[6]333322
2．2、 兴建水利工程
水利工程是调节水资源的空间和时间分布，提高水资源利用效率的有力工具。从古至今，水利工程为历代人所重视。
2．２．１、 蒙古调水工程 我国北方干旱区与蒙古干旱区连成一片，地形上没有天然屏障阻隔。空气、水汽交流频繁，蒙古风沙时常侵入我国，蒙古东部、南部能不能建立起一个较高等级的生态系统，对我国内蒙地区的生态环境具有重要影响。蒙古西部、北部山区水资源比较丰富，在蒙古中部修建水坝、水渠、管道等水利设施将北部色楞格河、鄂尔浑河河水引致中蒙边界最南段附近再分别向西、向东注入阿拉善盟北部、蒙古东南部低地，形成一定规模的河流，水汽作用区域可覆盖阿拉善北部、蒙古东南部、阴山以北及大兴安岭西南的大部分地区。这一地区降水量的增加可解除该地区的风沙危害，并可为北京地区创造一个良好的周边环境。
中蒙两国相邻的干旱区大面积的绿化会对我国季风区的气候产生一定影响。大面积绿化会使该地区空气和土壤含水量增加，比热容增大，地表结构发生变化。这些变化可能会
7
http://www.paper.edu.cn
使我国季风区气候发生这样的变化：冬季，由于蒙古地区空气和土壤的比热容变大，温度不宜降低，蒙古高压中心的范围和强度会有所减小，我国季风区受寒潮袭击的频率减小；夏季，由于蒙古地区低空水蒸气对地表红外辐射的吸收作用，热量不宜散失，亚洲低压强度加大，使我国夏季风风力增强，可为我国北部带来较多的降雨。总的来说，中蒙两国相
邻的干旱区大面积绿化可能会使我国季风区的气候冬季比较温和夏季比较凉爽。
2．２．２、 黄河金水工程
此工程是在陕西、山西交界汾河河口以北的黄河某处修筑拦水坝，在山、陕之间形成大型水库，使陕西北部、山西西部的黄河支流来水沿水库北上到达内蒙境内，再经一次提升向西直达河套平原及周边地区；在腾格里盆地以南河段向腾格里盆地分流。在西线调水工程还未实施，黄河水量较小的情况下，利用三门峡水库将中游的洛河、汾河、渭河等支流来水蓄积起来然后沿黄河北调作为水库水源。这种调水方案是将太平洋水系水分调过太行山、黄土高原所形成的天然屏障，到达西北内陆地区所需扬程最小的。为进一步减小扬程，可以将三门峡水库的水位提高，使水库水面扩展到汾河河口以上。
在内蒙鄂尔多斯（伊克昭盟）和陕西北部这一被黄河环绕的地区，水汽流动的方向为西北-东南向，（如图2所示），在东南部山区形成降雨。水流的方向为东向和南向，在东南部出境。水汽流的方向与水流的方向大致相同，流向东南，而西北方向却没有充足的水
8
http://www.paper.edu.cn
源，所以形成了今天的干旱气候。此工程可使该地区东南部的降水反流到西北部，使水流与水汽流反向，形成局部地区的水循环，这样就有望改变这一地区的干旱气候环境。
2．２．3、 其它水利工程
针对我国西北地区，几位同仁已经提出了若干局部性的水利工程。如位于新疆北部的额尔齐斯河调水工程、位于祁连山东段的大通河调水工程等。这些工程都对调整水资源的空间分布，改善局部水循环系统具有重要作用。
其中，额尔齐斯河调水工程是将一部分额尔齐斯河河水向南引致乌伦古湖-克拉玛依一带。这项工程可在乌伦古湖-克拉玛依一带形成一定规模的水汽源。水汽沿主风向向东南流动，在东南部遇山体阻挡形成降雨，降雨汇集成河流依地势向西北回流，从而形成局部水循环系统。该局部水循环系统可以覆盖北疆干旱沙漠部分。由于北疆地形比较封闭，尽管每年可调入的水量不是很多，但只要大于输出量，经过多年积累后这个系统的总水量仍将是十分可观的，将足以改造北疆所有沙漠。北疆地区水资源的丰盈，将会向南扩展，增加吐哈盆地及塔里木盆地的水分收入量。
大通河调水工程是将位于青海的大通河河水向北分别调入石羊河和黑河。这项工程可以增加黑河、石羊河下游的“上风向洼地”的来水量，进而增加下风向地带（如巴丹吉林盆地，腾格里盆地）的降水量。大通河调水工程是将外流区水资源调入内流区，其意义重大。将祁连山东段水资源北调黑河，进而借道疏勒河注入塔里木盆地与额尔齐斯河调水工程一道是最终解决塔里木盆地干旱问题的关键所在。
３． 结 语：
我国西北地区缺水属结构性缺水。在我国西北的部分地区存在数量较大不参与水循环的高山冰川和深层地下水，对这些水体加以利用有望解决一定范围内的缺水问题。我国西北地区山地、盆地、高原相间分布的地理特征，对水分的保持和以水资源为基础的区域开发非常有利。西北地区的水循环系统属于全国及周边国家更大范围水循环系统的一个子系统，全面改善西北地区的水资源状况，需要在周边地区实施一定的水利工程，并会对周边地区产生一定的影响。在西北地区进行水资源大开发，对水污染治理，农林牧业的发展有重要作用；对区域经济发展和环境改善有重要作用；对整个国家的统一稳定和全面繁荣有重要作用。
参考文献
[1] 中国水利水电科学研究院水利部水文局《2002年水资源公报》[eb/ol] http:/sdinfo.chinawater.net.cn/ 2002年
9
http://www.paper.edu.cn
[2] 钟德才.《中国沙海动态演化》[M]．甘肃文化出版社 1998.7 198.[Zhong Decai DYNAMIC EVOLUTION of SAND DESERT IN CHINA[M].Gansu Culture Press 1998.127 198]
[3] 封志明.《资源科学导论》[M].科学出版社.2004.1,127.[Feng Zhiming.An Introduction to Resources Science[M].Science Press.2004.1,127.]
[4] 山仑，黄占斌，张岁歧 《节水农业》[M]．清华大学出版社,暨南大学出版社 2000.6,12[Shan Lun, Huang Zhanbin,Zhang Suiqi. Water Saving Agriculture [M].Tsinghua University Press,JiNan University Press.2000.6,12]
[5] 中国科学院塔克拉玛干沙漠综合科学考察队 《塔克拉玛干沙漠地区水资源评价与利用》[M]．北京.科学出版社,1993, 148-244
[6] 中国科学院——国家计划委员会，自然资源考察委员会 《中国自然资源手册》[M]．科学出版社 1990,508[ the Chinese Academy of Sciences—State Planning Commission,Natural resources Invistegating Commission, HANDBOOK OF NATURAL RESOURCES IN CHINA[M].Science Press.1990,508.]
[7] 李旭旦 人文地理学[M]，北京，中国大百科全书出版社 1992，24-33 [Li Xudan,Human Geogrophy[M],Beijing,Encyclopedia of China Publishing House.1992,24-33]
[8] 王建 《现代自然地理学》[M] 高等教育出版社 2001.1,6.278-280.[Wang Jian. Modern Physical Geography[M].High Education Press.2001.1,278-280]
The End of Water Shortage in Northwest China
Zhang Donghui
(College of Computer Science, Inner Mongolia University， Huhhot, 010021)
Abstract
The Northwest of China, is Large in area and small in population. Furthermore, the ecological condition is weak. For a long time, most part of here has a dry clime, deserts exist here and there, sand moves intensely, the development of economy and society is limited severely. In the past century, since the change of global clime and the affect of human action, the ecological condition became worse, and the sand became more activity. Many farmlands face the danger of desertification.
Studies show, at present, the major problem in Northwest China is water shortage. The solution of water shortage should bring a large space for the development of Northwest China, it will also take a strong power for the desert alteration and sandstorm prevention. This article analyzes the system consisted of population, economy, vegetation and water resource, and does a further study on the water cycle and present water resource. Based on this study, this article points out some ways of solving the problem of water shortage as a discussion.
Keywords: Northwest China, water resource, sustainable development, Great west developing, environment.
作者简介：张冬辉，河南淮阳人，男（汉族），1981年生。2001年就读于内蒙古大学-计算机学院，2004年7月完成此文。
10