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黄河流域化石能源大规模、高强度开发利用导致生态空间被挤占、生态系统功能失衡，能源开发利用与生态红线冲突的问题突出。近年来，虽然黄河流域生态环境质量有所改善，但仍未到达整体改善的拐点。上游地区生态功能持续退化，中游地区水土流失严重，下游地区自然湿地仍在萎缩。目前，许多地区虽然划定了生态红线，但部分红线范围与能源开发区域重叠，红线内仍然存在大量的化石能源开采活动，甚至一些违规建设的风电项目。2017年以来，山西、甘肃、宁夏和内蒙古初步划定了生态红线，但红线内年产原油279.01万吨，占长庆原油总产量的11.74%；红线内年产天然气26.83亿立方米，占长庆气区天然气总产量的6.93%。位于山东东营的黄河三角洲湿地是我国重要的生态功能区和重点自然保护区，但保护区内仍有油气井700多口。
上游地区生态系统十分脆弱，统筹能源开发利用与构建绿色生态屏障的挑战巨大。黄河上游地区是我国的“生态高地”“中华水塔”，对保障全流域生态安全具有重要作用。但长期以来，上游地区存在煤炭资源等掠夺式开发现象，导致土地沙化、草地退化、水生态破坏，给生态屏障定位带来严峻挑战。例如，祁连山生态破坏初期以森林砍伐、盗伐为主，但20世纪80年代以后，主要缘于煤矿等矿山开采和小水电无序开发。虽然多次被中央通报和问责，并实施了祁连山史上最大规模的生态保卫战，但据媒体报道，在祁连山南麓腹地的木里煤田，长期以来仍存在掠夺式的、堪称“开膛破肚”的无证非法开采，2006年以来累计非法采煤2600多万吨。此外，水电大规模开发也给黄河上游地区脆弱的生态带来了一定影响，例如黄河鱼类资源呈现严重衰减态势，从20世纪80年代的24种减少到15种；另外羊曲水电站的建设也将对怪柳林珍稀树种造成影响。
中游地区由于煤炭开发规模巨大，对土地资源、水资源造成许多不可逆的严重损害。目前，山西、陕西、内蒙古、宁夏地区煤炭开采导致的地表塌陷面积约达501.6平方千米
；2016年，山西煤炭采空区达5000万平方千米，其中土地塌陷面积近3000平方千米，有2/3的塌陷区尚未修复治理。加之大量煤矸石堆积及其有毒物质排放，造成严重的土地资源破坏。同时，煤炭开采产生大量的废污水，占我国工业废污水总量的15%左右，严重污染地下水和地表水资源。2005—2017年，鄂尔多斯市原煤累计产量为58.7亿吨，产生的煤矿涌水量达到76.3亿立方米，相当于抽采了等量的地下水资源，对地下水位造成重大影响。
下游地区生态环境治理欠账多，还面临生态破坏加剧的风险。在河南、山东等煤炭开发基地，采煤塌陷地面积较大，煤矸石等固体废物堆积压占较多，对土壤、植被等生态要素造成严重破坏，且有持续加重风险。目前，山东采煤塌陷地损毁的土地面积已达724平方千米，据预测，塌陷面积未来还将扩大50%以上。由于黄河下游煤炭矿区多处于高地下水潜水位区，塌陷挖损区极易形成积水，加之矸石、废土堆山通常结构松散、土壤质量功能低下，对其的修复、治理、重建难度高、不确定性大。同时，煤矸石等固体废物堆山、地下水采空区形成对地表水、地下水、土壤等多介质污染，已形成采空区的矿井在闭矿后，其地下水污染会持续扩散至较大范围，而回补漏斗则可能造成静水水体二次污染。
经济增长整体比较粗放，对化石能源资源开发的依赖程度较高，传统产业转型升级步伐滞后。2012年以来，黄河流域GDP占全国的比重持续降低，对全国经济增长的拉动作用明显下降；除山东外，其余省区都属于发展不充分的地区，2018年人均地区生产总值只有全国平均水平的78%。经济增长所需能源投入较大，2018年八省区单位地区生产总值能耗是全国平均水平的1.3倍，全国能耗强度最高的五个地区中有四个在黄河流域。产业结构长期偏重，许多地区经济发展主要依靠采掘业和高耗能、高排放行业，山西等地区煤炭相关产业占工业经济产出的70%以上，部分地区采掘业占工业产出的20%以上，一些地区税收收入的1/3左右来自煤炭开采和洗选业。
新兴产业发展相对滞后，人才、资本、创新等要素集聚能力不强，经济增长的内生动力不足。2019年我国新产业、新业态、新商业模式“三新”经济增加值占GDP的比重达16.3%，而黄河流域省区普遍落后于全国平均水平。许多地区民营经济发展缓慢，吸引外来资本比较有限，经济转型缺乏市场主体支撑。传统工矿区城市、资源枯竭型城市发展活力不足，人口净流出压力大，对高端科技人才吸引力不强，制约了新兴产业发展壮大。科技研发投入普遍不足，2015—2018年，黄河流域仅有山东和陕西的R&D经费投入强度与全国平均水平基本持平，其余六省区的投入强度远低于全国平均水平。创新发展水平不均衡，2006—2017年，山东的有效专利数约占黄河流域的一半。在经济下行压力加大情况下，许多地区采取扩大煤炭、煤化工、煤电等领域投资规模等方式，造成传统资源型经济恶性循环，进一步加剧了经济转型压力。
黄河上游许多地区片面追求扩大清洁能源开发规模，导致乱开发、上网难、弃电多和投资损失。可再生能源产业是西部大开发以来，黄河上游地区工业发展的突出亮点，甘肃省曾经一度位居风电装机的全国第二、光伏发电装机的全国第一。但由于缺乏统筹，盲目建设问题突出，导致大量弃风弃光和投资浪费。以酒泉风电基地为例，在开发过程中，甚至出现地方政府向相关企业下达年度“建设任务”、提出“进度要求”的情况，甚至威胁“完不成开发任务的企业，剩余指标的开发权中止”。加之电网接入、市场消纳等条件没有得到有效落实，造成风电利用小时数大幅下降，由2013年的1800多小时降至2016年的1100小时以下，给参与风电基地建设的各方带来了极大的损失。
许多地区未能将清洁能源作为开发首选项，甚至出现化石能源挤压清洁能源现象。受发展阶段、经济布局、产业结构等因素影响，部分地区经济发展仍主要依靠高耗能、高排放产业，甚至把煤化工等作为拉动投资增长的重要内容，对化石能源开发利用的路径依赖仍然严重。一些地区以“打捆外送”名义，在可再生能源高速发展形势下，仍然规划建设燃煤发电项目，实质上挤占了可再生能源的发展空间。许多地区片面重视可再生能源开发，对扩大利用和消纳重视不够。青海等地区在推进清洁取暖过程中主要依靠煤炭，对可再生能源供暖等创新技术应用不足。
化石能源基地水资源消耗量大，与民争水、与农争水、与邻争水等现象普遍。山西、陕西、内蒙古、宁夏地区水资源匮乏，用水总量占全国用水总量比重均较低，除内蒙古外，其余三省的占比均在1.5%及以下，工业用水占比甚至在1%及以下。近年来，能源相关用水需求快速增长，加之用水结构和方式不合理、用水效率不高，导致能源产业与生态、农业等用水竞争日趋激烈。例如，在国家不新增宁夏用水指标情况下，2030年宁夏缺水量达14.2亿立方米，仅宁东能源化工基地用水缺口就达1.4亿立方米。同时，虽然国家在“八七分水”方案中，分配给山西、陕西、内蒙古、宁夏地区的年耗水量占黄河流域总耗水量的48.5%，但由于黄河流域可供利用的水资源量持续减少，“几”字弯各地区争相建设煤炭等能源基地，区域间水权分配矛盾仍十分突出。
化石能源基地建设同质化问题严峻，产业发展整体粗放，低水平盲目竞争问题突出。囿于资源条件，山西、陕西、内蒙古、宁夏四省区能源基地发展均以煤炭生产、煤炭加工和煤电建设为主，产业同质化问题严重，产品普遍供大于需，恶性竞争愈演愈烈。在同一工业园区内，许多能源企业技术与产品雷同，存在产能重复建设现象。同时，由于缺少区域整体规划，存在矿权叠加等问题，煤炭整装资源条块分割、无序开发问题突出，导致煤炭资源严重浪费。此外，由于能源基地建设的无序与不协同，导致山西、陕西、内蒙古、宁夏地区产生严重的能源资源开发路径依赖，资金、人才等要素资源过度集中在能源领域，又导致其他新兴产业发展受到抑制，转型动力和创新能力不强。
下游衰退型化石能源基地的资源优势加速消减，但发展惯性巨大、接续产业量小质差，面临严重的发展动力不足问题。在山东、河南等许多煤炭资源地区，由于资源日趋枯竭、煤炭矿区与城乡建设用地大量交叠，加之采煤塌陷地给粮食生产带来严重冲击，资源开发已达“天花板”。目前，山东、河南煤炭矿区与城乡建设用地交叠总面积近1500平方千米，其中农村居民点和城镇建设用地占比近90%。同时，新兴产业等发展不充分、质量不高。相关地区存在巨大发展惯性和转型惰性，资本、人才等生产要素匮乏，科技储备薄弱，造成接续产业量小质差，表现为深加工能力低、附加值不高，中高端产品存在较大缺口。
许多衰退型能源基地、资源枯竭型城市存在就业、居住、社保等历史问题，影响城市社会转型发展。就业方面，下游山东、河南两省能源资源型行业，低技能低就业结构特征突出。伴随资源枯竭及政策性产能退出，原来从事资源型行业的劳动力大量闲置，导致失业规模居高不下、失业率明显高于其他地区。居住方面，两省矿区有大量人居环境差、基础设施不足的棚户区，其中河南焦作、濮阳，山东枣庄待改造棚户区面积均超过100万平方米。社会保障方面，低保人口数量多、比重大，由于历史发展原因造成社保资源和资金存在较大缺口。由于地方财力不足，转型负担较重，缺乏统筹产、城、人转型的系统顶层设计，进一步加大了下游能源基地的转型难度。