王欣 連文皓 魏俊鋒 張勇 殷永勝 王瓊 張法剛
摘要:青藏高原擁有全球海拔最高、數(shù)量最多的高原湖泊群,是地球上除南北極之外冰川面積最大的區(qū)域,也是全球中緯度面積最大的多年凍土分布區(qū)。掌握青藏高原水資源的變化特征及趨勢,對青藏高原生態(tài)安全屏障建設(shè)至關(guān)重要。本文基于文獻(xiàn)資料,系統(tǒng)梳理總結(jié)青藏高原水資源結(jié)構(gòu)特征、變化及問題。自20世紀(jì)80年代以來,青藏高原水資源表現(xiàn)出冰川退縮、積雪減少、湖泊擴(kuò)張、徑流變化加大、濕地退化、凍土退化等特征,總體呈現(xiàn)出地表固態(tài)水資源向液態(tài)水資源加快轉(zhuǎn)換的趨勢;這種轉(zhuǎn)換趨勢導(dǎo)致水資源不平衡性的加劇,并增大了水災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險,給水資源安全帶來了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前需要加強(qiáng)對青藏高原水資源變化監(jiān)測,開展青藏高原地區(qū)水資源現(xiàn)狀與演變的系統(tǒng)調(diào)查研究,提高不同情景下青藏高原水資源可利用性的綜合模擬能力,系統(tǒng)評估青藏高原水資源的不平衡性和安全性。
關(guān)鍵詞:水資源;地表水;地下水;青藏高原
中圖分類號:TV213.4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1001-6791(2023)05-0812-15
青藏高原是全球除兩極外冰川最為發(fā)育的地區(qū),也是全球氣候變暖最為劇烈的地區(qū)之一[1]。青藏高原地區(qū)的流域水文水循環(huán)物理條件和機(jī)制正在發(fā)生變化,增加了水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性[2]。青藏高原對氣候變化敏感,1970—2018年,青藏高原平均變暖速度(0.36 ℃/(10 a))快于全球平均變暖速度(0.19 ℃/(10 a))[3]。自20世紀(jì)50年代起,青藏高原經(jīng)歷了氣溫升高,冰川退縮和減?。?],積雪減少和融雪徑流增加[5],凍土活動層的水熱狀況發(fā)生變化[6],這些現(xiàn)象對青藏高原地區(qū)的水文過程和水資源產(chǎn)生了顯著的影響。青藏高原年平均降水量存在年代際波動,降水主要集中在高原東南部雅魯藏布江下游和四川西部地區(qū),這些區(qū)域年平均降水量多在1 000 mm以上,而青藏高原西北地區(qū)年平均降水量在50 mm以下[7],多年平均降水量的空間分布呈現(xiàn)由東南向西北逐漸減少的趨勢[8]。隨著青藏高原氣候變化的加劇,降水分布和季節(jié)性變化發(fā)生了重大改變,引起了區(qū)域水資源的新變化。
對于青藏高原水資源的研究主要包括不同類型水資源量的變化及其脆弱性和短缺性分析[9],如積雪變化對水資源的影響[10]、凍土退化對地下水的影響[11]、冰川徑流變化趨勢及影響[12-15]。但對青藏高原水資源的系統(tǒng)總結(jié)和分析相對較少,當(dāng)前缺乏對水資源現(xiàn)狀與變化的全面評估。本文旨在分析青藏高原水資源結(jié)構(gòu)與變化特征,探討未來可能面臨的問題與挑戰(zhàn),為青藏高原地區(qū)水資源變化及水資源利用與水安全研究提供參考。
1 青藏高原水資源變化
陸地儲水量是指陸地表面和地下所有水的總和,其組成成分較為復(fù)雜(圖1),難以直接測量。在過去十幾年,不同類型的水資源儲水量變化中,冰川變化最為顯著,其次是湖泊、地下水、凍土冰、土壤濕度和積雪[11]。青藏高原氣候變化時空差異顯著[16],2000—2020年青藏高原氣溫平均以0.038 ℃/a升高(圖2(a),圖2數(shù)據(jù)來自ERA 5),降水平均增率為1.22 mm/a(圖2(b))。在氣候總體暖濕化的背景下,青藏高原地區(qū)固態(tài)水資源不斷融化轉(zhuǎn)化為液態(tài)水資源,主要涉及地表水(包括冰川、積雪、湖泊和徑流)以及地下水(包括凍土冰和濕地水)的變化。基于WaterGAP v2.2d模型數(shù)據(jù),計算青藏高原地區(qū)各流域儲水量年變化率顯示,2002—2017年青藏高原陸地儲水量整體以10.2 Gt/a的速率減少[17],盡管陸地儲水量變化表現(xiàn)出明顯的空間差異[18](圖3,數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[19])??臻g上,青藏高原大部分地區(qū)儲水量變化幅度較小,其中,北部陸地儲水量增大、中南部儲水量減少[19]。
1.1 地表水變化
隨著氣候變暖,2003—2016年青藏高原區(qū)冰川和積雪等固態(tài)水資源整體呈現(xiàn)下降趨勢,每年減少約(17.72±1.53)Gt[11],融水通過徑流補(bǔ)給到地表水中,引起地表水資源增加。自20世紀(jì)80年代以來,青藏高原地表水面積總體呈上升趨勢。20世紀(jì)80年代至1995年,青藏高原地表水面積略有減少;2015年可能受厄爾尼諾現(xiàn)象影響略有減少,之后地表水面積呈穩(wěn)步增長[20]。1997—2018年,青藏高原多年平均地表水資源量為(511.27±30.07)Gt[21],青藏高原地表水資源量總體呈增加趨勢,增速約為7.32 Gt/(10 a),年變化量占多年平均地表水資源量的1.43%[21]。由于所使用的數(shù)據(jù)源不同,不同文獻(xiàn)估算的地表水儲量及變化結(jié)果有差異,但大部分研究結(jié)果表示地表水資源呈增加趨勢。青藏高原地表水變化的區(qū)域差異顯著且具有異質(zhì)性[20],基于WaterGAPv2.2d模型模擬顯示[19],大部分地區(qū)地表水變化相對穩(wěn)定,僅青藏高原西北部地表水增加明顯??赡苁艿綐O端氣候變化、湖泊的退縮與擴(kuò)張、徑流的減少與增長等影響,導(dǎo)致部分區(qū)域地表水出現(xiàn)極端情形(圖4,數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[19])。
青藏高原地區(qū)擁有著地球上第三大冰川群,高原上有36 800個冰川,覆蓋面積達(dá)49 873 km2[22],冰川覆蓋率較高的流域主要有恒河、阿姆河和印度河等(表1)。隨著全球變暖,1970—2018年青藏高原冰川面積平均每年減少約147 km2,冰川變化量為(-16.61±0.92)Gt/a,總面積減少率達(dá)9.05%[23],對整個青藏高原的陸地儲水量變化貢獻(xiàn)最大,變化率為(28.70±0.84)%[11]。由于降水和氣溫的變化,2000—2020年大部分冰川區(qū)域都經(jīng)歷著不同程度的退縮[24],冰川徑流貢獻(xiàn)也主要來自冰川質(zhì)量不平衡的消融[25]。冰川消融加速將會引起短期水資源時空分布變化和災(zāi)害風(fēng)險上升。冰川面積退縮率存在顯著的空間差異,青藏高原東南部和祁連山區(qū)的冰川退縮較為明顯,退縮率超過4%/a[26],帕米爾-喀喇昆侖山-西昆侖地區(qū)冰川退縮程度最小,平均退縮率為1%/a[26],甚至有部分冰川處于前進(jìn)的狀態(tài),顯示出弱物質(zhì)正平衡[27]。在冰川退縮嚴(yán)重的藏東南、喜馬拉雅山地區(qū),雖然在氣候變暖下冰川融水量仍正在增加[28],整體的冰川補(bǔ)給徑流處于上升趨勢(表1),但由于冰川面積減少,在雅魯藏布江、瀾滄江和塔里木河流域的冰川融水量已經(jīng)減少[29]。
1980年以來,高原冬季積雪明顯減少,高海拔地區(qū)積雪減少速率更快,尤其是高頻積雪區(qū),如高原內(nèi)陸中東部和喜馬拉雅山脈南麓[30]。模擬顯示,青藏高原平均年融雪量為0.27±0.86 Gt/a[11]。青藏高原地區(qū)的融雪對水資源產(chǎn)生重大影響,山區(qū)冬季積累雪水,春季和夏季融化,在主要的下游地區(qū),數(shù)以百萬計的人口依賴于積雪中的儲水[31]。積雪對氣溫變暖極為敏感,隨著地表溫度升高,積雪覆蓋的范圍和持續(xù)時間顯著減少,導(dǎo)致許多地區(qū)淡水資源補(bǔ)給量減少,徑流量減少[28],甚至對旅游業(yè)和水電生產(chǎn)造成一定影響[32]。降水增加和升溫導(dǎo)致的融雪增多是徑流量增加的主要原因,融雪越早,春季徑流高峰越高,融雪徑流平均占高原主要河流流域總徑流的20%~30%[33](表1)。
青藏高原湖泊是地表液態(tài)水的主體。湖泊總面積約為42 521 km2[22],分別占全球與中國湖泊面積的1.9%[34]和57.2%[35]。1976—2019年,湖泊水量增加了169.7±15.1 Gt(3.9±0.4 Gt/a)[11]。湖泊演化過程顯示出4個階段的明顯轉(zhuǎn)變:1920—1995年湖泊明顯收縮,小于10 km2的湖泊面積微弱擴(kuò)張,大于10 km2的湖泊普遍退縮[36];1995—2010年線性快速增長,大多數(shù)湖泊均呈擴(kuò)張趨勢[36];2000年后擴(kuò)張趨勢較為顯著,青藏高原湖泊水量增加109.8 km3,新出現(xiàn)99個面積大于1 km2的湖泊,總擴(kuò)張面積為7 240 km2,占湖泊總面積的18.4%[36];2010—2015年相對穩(wěn)定,2015—2020年進(jìn)一步增長[37]。高原北部湖泊面積和東部內(nèi)流區(qū)大多數(shù)湖泊水量總體上呈增加趨勢,而青藏高原南部湖泊面積和水量則呈減少趨勢[38-39],可能與降水量減少、蒸發(fā)量增加以及水利工程的運(yùn)行有關(guān)[38]。湖泊面積的增加主要源于2個方面:一方面是降水增加或冰川積雪融化加劇導(dǎo)致湖泊流入量的增加,另一方面是蒸發(fā)減少導(dǎo)致水分流失減少[40]。自20世紀(jì)90年代中期以來,湖泊擴(kuò)張也可能是受到大西洋多年代濤動的正相驅(qū)動影響,1997/1998年和2015/2016年湖泊面積明顯變化的拐點(diǎn)則歸因于強(qiáng)厄爾尼諾事件[39]。在青藏高原北部、西部和西北部地區(qū),冰川融水對湖泊水量的貢獻(xiàn)較大[41],在氣候變暖與其他非氣候驅(qū)動因素的共同作用下,冰川湖泊的面積和數(shù)量迅速增加[42],冰川補(bǔ)給湖泊比非冰川補(bǔ)給湖泊擴(kuò)張更快,冰川補(bǔ)給湖泊水位平均上升速率(0.24 m/a)略高于非冰川補(bǔ)給湖泊的速率(0.20 m/a)[35]。降水可能是整個青藏高原地區(qū)湖泊變化的主要原因[43],而冰川融水隨溫度升高而增加可能是青藏高原地區(qū)湖泊擴(kuò)張的重要原因[44]。除氣候變化的影響以外,人為的灌溉和采礦也對高原上許多湖泊減少有著一定影響。如博斯騰湖、艾比湖等的面積減少[44],可能與高原耕地需要灌溉、高原降水量有限、河流被攔截或改道導(dǎo)致河流下游的湖泊急劇萎縮有關(guān)[35];而采礦會破壞地下含水層、攔截河流,從而可能導(dǎo)致礦區(qū)周圍的湖泊迅速干涸[44]。
自20世紀(jì)90年代以來,青藏高原總徑流量保持穩(wěn)定或適度增加2.7%~22.4%[50],但是青藏高原地區(qū)冰川普遍退縮、冰川融水釋放導(dǎo)致下游地區(qū)的河川徑流組分發(fā)生顯著變化。在空間上,除黃河源區(qū)、雅魯藏布江流域(除尼洋河外)年徑流量整體呈不顯著下降趨勢[51]以外,青藏高原大部分河流源區(qū)徑流量都呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(表2)。青藏高原河川徑流增加主要受降水和冰雪融水影響[52],河流年徑流下降與降水減少和蒸散增加等有關(guān)[53]。
1.2 地下水變化
1998—2018年青藏高原平均地下水資源量為139.66±15.152 Gt,地下水資源量呈下降趨勢,下降速率約14.27 Gt/(10 a),占多年平均地下水資源量的10.22%[21]。目前研究對于地下水資源變化有不同的結(jié)論?;贕RACE降尺度數(shù)據(jù)模擬發(fā)現(xiàn),2002—2020年青藏高原地下水儲量以-0.45 mm/a的平均速率呈下降趨勢[55];結(jié)合多種數(shù)據(jù)源分析發(fā)現(xiàn),2003—2016年,青藏高原地下水資源量呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢(5.59±1.44 Gt/a,P<0.01)[11]。由于地下水資源觀測難度較大,目前大部分研究數(shù)據(jù)較依賴于水資源模型模擬研究。水循環(huán)過程相對復(fù)雜,全面模擬較為困難,針對時間段,采用不同的氣候模型數(shù)據(jù)與參數(shù)時,結(jié)果可能存在較大差異,仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)對地下水資源的觀測與模擬。從空間分布上看,2003—2021年,青藏高原東部和北部的地下水儲量在減少,而西部和南部的地下水儲量在增加[56],青藏高原地下水儲量整體以-0.89 mm/a的平均速率下降[56],但在2016年以后,地下水儲量以1.47 mm/a的速率逐漸恢復(fù)[56]。青藏高原地下水流通常受地形坡度的驅(qū)動和維持,在高海拔地區(qū)通過降水和冰雪融水滲透作用進(jìn)行補(bǔ)給[57]。地下水和地表水也密切相關(guān),85%的地下水取水量來自地表水,其余15%來自含水層補(bǔ)給[51]。根據(jù)WaterGAPv2.2d模型[19],青藏高原地下水儲量的變化趨勢具有明顯的空間異質(zhì)性[55],2000年來,各流域地下水年變化相對穩(wěn)定,只有在黑河流域和塔里木河流域部分區(qū)域有較大的年際變化(圖5,數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[19])。地下水減少區(qū)域多為高山山脈地區(qū),地下水流入主要與石灰?guī)r基巖中大尺度活動斷層和高海拔地區(qū)固態(tài)水資源融水補(bǔ)給有關(guān)。據(jù)估計,地下水流入量約占流入湖泊總水量的59%~66%,地下水可能深度參與水循環(huán)過程[58]。因此,地下水資源變化會較為明顯,尤其在極端天氣情況的年份,可能引起很高的年變化率波動。
多年凍土阻礙或顯著削弱了地下水與地表水之間的時空水力連接,在地下水的形成、輸運(yùn)過程及其路徑的分布模式中起著決定性的作用[59]。2003—2016年,凍土冰平均減少率為-1.10±0.39 Gt/a[11],凍土退化導(dǎo)致地下冰融化釋放出大量液態(tài)水[40],從而影響地下水補(bǔ)給源和補(bǔ)給量、徑流路徑和排泄過程以及地下水與地表水的交換等[60]?;趦鐾羺^(qū)地下冰分布和目前活動層增厚速率粗略估計,青藏高原多年凍土區(qū)地下冰融化水當(dāng)量約為80 km3/(10 a)[61]。凍土活動層的加深會引起蒸散發(fā)增大[62],使得地下冰融化量增加,直接補(bǔ)給地下水儲量[40],進(jìn)而影響到區(qū)域水循環(huán)過程;凍土融化將導(dǎo)致更多地表水入滲地下,減少表層土壤含水量[63],加大流域地下水儲存量;活動層底部增加的凍結(jié)層上水可能形成徑流,補(bǔ)充多年凍土區(qū)江河湖泊的徑流量和冬季徑流量[63]。青藏高原多年凍土退化和地下冰融化導(dǎo)致湖泊水位上升,熱融湖塘的發(fā)育也促進(jìn)了湖泊面積擴(kuò)大。盡管現(xiàn)在冰川規(guī)模萎縮導(dǎo)致冰雪融水貢獻(xiàn)率下降[64],但多年凍土區(qū)活動層增厚增大,導(dǎo)致降雨下滲量增加和基流量增大。凍結(jié)的地下水被釋放并參與到區(qū)域水循環(huán)之中,河流水量受到額外補(bǔ)給,改變了區(qū)域水文狀況[64]。
高原濕地在生態(tài)水文過程中通過蓄水功能為地下蓄水層提供補(bǔ)給,調(diào)節(jié)河流徑流量,減緩洪峰流量,維持水量平衡,確保地下水系統(tǒng)穩(wěn)定地接收水源,實現(xiàn)可持續(xù)利用。青藏高原是中國重要的濕地分布區(qū),擁有獨(dú)特的高原濕地,濕地面積達(dá)13.19萬km2,占全國濕地面積的20%[21]。近30 a來,青藏高原濕地總體呈現(xiàn)退化狀態(tài),但變化幅度從2000年以后逐漸減弱,大部分地區(qū)退化幅度明顯減緩并出現(xiàn)局部逆轉(zhuǎn)趨勢[65]。近年來,濕地變化主要受氣候“暖濕化”的影響,多年凍土面積減少,引起濕地水分變化,使湖泊濕地水位上升、沼澤濕地儲水量增加[65]??梢姡S著氣溫升高,非冰期時間延長、年蒸散速率增大、湖泊濕地面積擴(kuò)張、河流水量增大[66],濕地面積變化呈現(xiàn)先減后增的狀態(tài)。人為因素對于濕地變化的影響也十分重要,例如,1960年后,若爾蓋濕地建造了近1 000條排水渠道來排干地下水,除雨季外,地下水流緩慢,降低了濕地面積,并降低了鄰近的地下水位[67];2000—2015年,若爾蓋部分濕地區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、裸地和建成區(qū),改變了水的凈化過程,削弱了土壤調(diào)節(jié)和儲存水分的能力;2015年后在該地區(qū)實施了許多措施和政策,才使得濕地面積逐漸增加[39]。
2 青藏高原水資源問題
青藏高原作為“亞洲水塔”,承載著豐富的冰川、積雪和凍土資源,這些重要水源對于維持水文平衡和生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。隨著青藏高原的冰川和積雪退縮加劇,凍土退化速度加快,水資源的供應(yīng)和分配出現(xiàn)了許多問題。這些水資源變化不僅影響著青藏高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,也對下游地區(qū)的水資源供應(yīng)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。青藏高原是許多主要河流的重要水源地,全球約20%的人口依賴這些河流[68],養(yǎng)育著全球約1/3的人口[69],氣候變暖對青藏高原產(chǎn)生了重要影響。據(jù)預(yù)測,氣溫升高在未來仍將持續(xù),極端事件的強(qiáng)度和頻率也將增加,可能造成破壞性后果[70]。當(dāng)前,青藏高原面臨著多種水資源風(fēng)險,最主要的問題是水資源分布不平衡、水資源污染以及未來水資源供應(yīng)的不確定性,綜合管理和保護(hù)青藏高原的水資源至關(guān)重要。
2.1 分布不平衡
1980—2018年,青藏高原受到氣候變暖、降水增加、蒸散量增加[71]以及人類活動破壞等影響,導(dǎo)致冰川和積雪融化、高山湖泊大小和分布變化以及河川徑流變化,意味著儲存狀態(tài)(固體與液體)和空間分布不平衡不斷增加,進(jìn)一步導(dǎo)致淡水資源在儲水區(qū)之間的再分配[16],影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和下游地區(qū)供水的時空變化[16],甚至導(dǎo)致個別地區(qū)水資源錯配短缺、水污染和水生態(tài)環(huán)境惡化等問題出現(xiàn)[50]。盡管青海和西藏缺水指數(shù)遠(yuǎn)低于臨界值[72],總體不存在缺水問題,但從市域尺度層面,青藏高原15個市域單元中,西寧、海東和海南藏族自治區(qū)缺水指數(shù)超過臨界值,分別處于極端、中度和輕度短缺狀態(tài);縣域尺度層面,青藏高原的115個縣域單元中,約有25%的縣域單元出現(xiàn)不同程度的水資源短缺[72]。水資源短缺程度的測算結(jié)果對于選取的空間尺度非常敏感,在人口相對較多、農(nóng)業(yè)和工業(yè)比例相對較高的地區(qū),水資源供應(yīng)往往難以滿足需求。因此,縣域和市域之間進(jìn)行水資源的優(yōu)化調(diào)配對于解決地理單元的水資源短缺問題非常重要[72]。在流域尺度上,青藏高原的供水服務(wù)呈現(xiàn)供過于求的狀態(tài),年盈余水量呈先增加后減少的趨勢,2015年的盈余水量較2010年減少62.93%;空間上水資源高盈余值地區(qū)主要分布在北部和南部,這些地區(qū)地勢較低,可以接收來自上游地區(qū)的水源,但由于水資源與人口、產(chǎn)業(yè)分布不匹配,少數(shù)地區(qū)存在供需不平衡的情況[73]。
2.2 水資源污染
1980—2018年,氣候變化和人類活動對地表水環(huán)境質(zhì)量安全造成多重壓力,城市化加速和廣泛的經(jīng)濟(jì)發(fā)展在水污染過程中逐漸起著決定性作用[74],如有超過65%的湖泊系統(tǒng)出現(xiàn)微量金屬污染,40%的湖泊受到嚴(yán)重污染,25%的湖泊為中度和輕度污染[75]。青藏高原地區(qū)在歷史上人為干擾相對較低,湖泊與河流相對比較天然、清澈,污染較少[74],但近年在青藏高原部分水質(zhì)良好的湖泊河流中也發(fā)現(xiàn)總氮(TN)和總磷(TP)等水質(zhì)參數(shù)濃度升高[76]。研究表明,青藏高原地區(qū)湖泊的營養(yǎng)物濃度呈上升趨勢,2016年高原環(huán)境的化學(xué)需氧量(COD)、TN和TP排放總量平均為1990年的1.15~2.72倍[74],湖區(qū)水環(huán)境惡化,重金屬污染增大。例如,薩爾溫江采水樣本中Pb和Ni的含量很高,最大值分別為781和18 mg/L;雅魯藏布江水樣中Pb、Zn和Ni的含量很高,最大值分別為130、29和104 mg/L[77]。然而相對來說,青藏高原大部分河水中微量元素的Nemerow污染指數(shù)相對較低,為0.08~3.48;重金屬評價指標(biāo)、污染程度和水質(zhì)指數(shù)均顯示地表水資源處于優(yōu)或良的狀態(tài)[78]。
青藏高原地區(qū)在南亞季風(fēng)和西風(fēng)帶的作用下,受到來自印度次大陸和歐亞大陸的有機(jī)污染物質(zhì)輸送[79]。在城市和郊區(qū)的空氣中發(fā)現(xiàn)的合成纖維和微塑料,進(jìn)一步證明大氣可能是運(yùn)輸微塑料的方式之一[80]。自然水域中普遍存在微塑料污染,若未經(jīng)充分去除,可能通過城市供水系統(tǒng)威脅人體健康。青藏高原地區(qū)河流和地表水中的平均微塑料豐度分別為247~2 686 items/m3和856 items/m3,河流和湖泊沉積物中的平均微塑料豐度分別為0~933 items/m3和362 items/m3[81]。居民和游客丟棄的垃圾是塑料垃圾的重要來源,由于缺乏垃圾處理和回收設(shè)施,流域內(nèi)塑料廢料在地表水中累積,導(dǎo)致微塑料污染水平不低于人類活動較為密集的發(fā)達(dá)地區(qū),部分地級市污染甚至超過國內(nèi)其他淡水流域的城市[81]。此外,青藏高原當(dāng)?shù)氐乃聫R小旗幟和帳篷等也是微塑料的重要來源[81]。
2.3 未來水資源變化情勢
由于未來氣候持續(xù)變暖、人口增長和城市化導(dǎo)致的用水需求增加,可預(yù)見青藏高原將面臨固態(tài)水資源持續(xù)減少、融水補(bǔ)給能力下降以及河岸地區(qū)的水資源短缺等問題,部分地區(qū)干旱和水質(zhì)問題也將會更嚴(yán)重[82]。然而,未來水資源變化十分復(fù)雜,受到多種因素影響,當(dāng)前研究數(shù)據(jù)有限,難以進(jìn)行準(zhǔn)確的定量估計和不同情景下的分析與評估。
IPCC第六次評估報告指出,全球變暖趨勢不可逆轉(zhuǎn),青藏高原山地冰川退縮將進(jìn)一步加?。?2],即使溫度不再升高,冰川退縮仍將持續(xù)進(jìn)行[83],這將導(dǎo)致冰川和融雪徑流發(fā)生劇烈變化。隨著冰川退縮,冰川融水釋放增加,導(dǎo)致徑流量上升,當(dāng)冰儲量減少至某一水平,冰川的融化量不足以支撐徑流進(jìn)一步上升時,即達(dá)到拐點(diǎn),冰川徑流將下降[84]。根據(jù)RCP2.6預(yù)估,21世紀(jì)末青藏高原地區(qū)冰川虧損量將達(dá)36%±7%,更高排放情景下冰川虧損量更大[69],進(jìn)入河流的冰川融水將減少28%±1%[25]。而且,冰儲量減少將增大冰川的不穩(wěn)定性,進(jìn)而引發(fā)水安全問題和冰川災(zāi)害[85],對下游居民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅[86]。冰川和積雪作為不斷變化的天然水庫,不同的RCP情景和CMIP5模型預(yù)測,未來青藏高原年平均雪深度將普遍下降,預(yù)計下降速率約為0.06~0.07 cm/a[87],冰川和雪融化對徑流的貢獻(xiàn)將下降到11.9%。積雪量的減少將會使青藏高原整體積雪徑流呈下降趨勢,減少對下游水資源的補(bǔ)給(表3),進(jìn)而影響南亞、東南亞和東亞的未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和當(dāng)?shù)貙夂蜃兓倪m應(yīng)能力[87]。
凍土退化與河流和湖泊變化之間的未來關(guān)系也仍在爭論中,人們普遍認(rèn)為凍土退化將導(dǎo)致青藏高原的水文變化[88],但對多年凍土退化背后的機(jī)制缺乏深入了解是未來預(yù)測的最大障礙。青藏高原大部分多年凍土在SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5 3種情景下,預(yù)計到2100年面積損失分別為44%±4%、59%±5%和71%±7%[89],活動層厚度將分別增加0.7±0.1 m、1.5±0.3 m和3.0±1.0 m。凍土區(qū)域地下冰的融化可以增加從地表水到地下水的補(bǔ)給,而地下冰本身的融化也是補(bǔ)給地表和地下徑流的重要水源[90]。由于目前缺乏對凍土機(jī)制的深入理解和可用的模型,從地下冰釋放的水量有很大不確定性[91],難以量化青藏高原未來地下冰釋放及其對水資源的影響。
預(yù)計到21世紀(jì)末,可能有高達(dá)84%(SSP245)和97%(SSP586)的青藏高原地區(qū)受到陸地儲水量短缺的影響[94],約25.84%±7.87%的下游流域水資源壓力將會加劇[95]。在未來人口預(yù)測變化情況及1.5 ℃和2.0 ℃的變暖水平下,河流流量的未來減少可能會對人口激增和農(nóng)業(yè)擴(kuò)張的河岸地區(qū)構(gòu)成缺水的威脅[14]。以印度河為例,印度河上游水資源為下游國家提供了總供水量的1/4,但地表水供應(yīng)不足已經(jīng)導(dǎo)致該地區(qū)含水層嚴(yán)重枯竭;到2030年,印度河上游流域水資源補(bǔ)給下降,印度河的河流流量將減少2.5%,導(dǎo)致水資源不足的人口增加2.6%,最有可能需要加劇深層含水層的地下水開采[14]。湄公河流域也迫切需要水資源,到2040年,湄公河流域的總灌溉面積將增加近1倍[14],將會進(jìn)一步引起水資源供需不平衡問題。
3 結(jié)語
受氣候變化和人類活動影響,青藏高原水資源面臨多方面的變化和挑戰(zhàn)。當(dāng)前固態(tài)水資源向液態(tài)水資源的轉(zhuǎn)換加快,導(dǎo)致短期內(nèi)地表水資源增加,但會減少未來的水資源供應(yīng)并降低調(diào)節(jié)作用。這種變化影響了同一流域內(nèi)需水和供水之間的關(guān)系,可能導(dǎo)致當(dāng)前洪水、冰湖潰決、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生,同時也增加了未來干旱災(zāi)害的可能性,對農(nóng)業(yè)、居民生活和經(jīng)濟(jì)增長帶來影響。盡管青藏高原水資源開發(fā)利用程度相對較低,但人口和產(chǎn)業(yè)分布的不平衡導(dǎo)致了水資源供需錯配和短缺的問題。同時,青藏高原也面臨著水資源污染的挑戰(zhàn),需要采取有效的政策和措施來保護(hù)和治理水資源,以確保其可持續(xù)利用。未來青藏高原水資源將面臨固態(tài)水資源減少、供需不平衡等問題,而人口增長、農(nóng)業(yè)擴(kuò)張和其他人類活動也將會加劇河岸地區(qū)的水資源短缺。
當(dāng)前,需要進(jìn)一步加強(qiáng)對水資源變化的系統(tǒng)觀測,建設(shè)更廣泛、更完善的水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),實時、準(zhǔn)確地收集地下水位、地表水流量等關(guān)鍵水文要素數(shù)據(jù);需要重視青藏高原水資源的管理和可持續(xù)利用,包括防止污染和過度開發(fā)、提高水資源利用效率,以有效應(yīng)對供需不平衡的挑戰(zhàn)。作為“亞洲水塔”,青藏高原水資源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng),需要加強(qiáng)對影響水資源變化因素的研究,深入探索氣候變化對水資源系統(tǒng)的影響機(jī)理,從多個維度綜合刻畫水文過程、水資源變化和水災(zāi)害。未來的研究需要建立更為完善的高寒山區(qū)水循環(huán)綜合觀測網(wǎng)絡(luò),綜合氣候變化、冰凍圈動態(tài)、地下水過程等地表-地下水文過程,開展高精度的區(qū)域水文模擬與預(yù)測。
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Status and problems of water resources on the Qinghai-Tibet Plateau
The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.42171137;No.42171134).
WANG Xin LIAN Wenhao WEI Junfeng ZHANG Yong YIN Yongsheng WANG Qiong ZHANG Fagang
(1. School of Earth Science and Spatial Information Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;
2. State Key Laboratory of Cryospheric Science,Northwest Institute of Ecological and Environmental Resources,
Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)
Abstract:The Qinghai-Tibet Plateau has the highest and most numerous group of plateau lakes in the world,the largest glacier area on earth except for the North and South poles,and the largest perennial permafrost distribution area in mid-latitude in the world.Grasping the changing characteristics and trends of water resources on the Qinghai-Tibet Plateau is crucial for the construction of the ecological security barrier on the Qinghai-Tibet Plateau.Based on the literatures,the structural characteristics,changes and problems of water resources on the Qinghai-Tibet Plateau are systematically sorted out and summarised.Over the past decades,the water resources of the Qinghai-Tibet Plateau have shown the characteristics of glacier retreat,snowpack reduction,lake expansion,increased runoff changes,wetland degradation,permafrost degradation,etc.,and the overall trend of accelerated conversion of solid water resources to liquid water resources on the surface.This trend of conversion has led to the aggravation of water resources imbalance and increased the risk of water disasters,bringing new challenges to water resources security.There is a need to strengthen the monitoring of water resource changes on the Qinghai-Tibet Plateau,to carry out a systematic survey of the status and evolution of water resources on the Qinghai-Tibet Plateau,to improve the ability to comprehensively simulate the availability of water resources on the Qinghai-Tibet Plateau under different scenarios,and to systematically assess the imbalance and security of water resources on the Qinghai-Tibet Plateau.
Key words:water resources;surface water;groundwater;Qinghai-Tibet Plateau