王 芳，王天慈，白雁翎，劉 揚

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

氣候變化是21世紀人類面臨的重大挑戰(zhàn)，IPCC《全球1.5℃增暖特別報告》指出［1］，在全球升溫超過1.5℃達到2.0℃時，冰凍圈退化會引發(fā)一系列變化，生態(tài)、糧食、水資源等都會進入高風險狀態(tài)。青藏高原是全球氣候變化最敏感的地區(qū)，1998—2013年青藏高原氣溫的上升速率達0.25℃/10a［2］，冰凍區(qū)進入加速退化的階段。冰凍圈的變化正深刻影響著流域水文過程，隨著全球變暖，冰川融雪量在一定時間內增加，但在十年到百年尺度上越過“拐點”后將持續(xù)下降，積雪融水以不斷減小的速率呈下降趨勢［3-4］。

降雨-徑流關系決定了區(qū)域水資源的基本分布，是水文水資源領域重點關注的問題。國內外學者的研究從探索降雨-徑流關系的區(qū)域性規(guī)律［5-9］，發(fā)展到基于降雨-徑流關系進行水土資源開發(fā)影響下的水資源評價［10-12］。近幾十年間，全球氣候變化疊加人類活動的影響，水循環(huán)過程發(fā)生了相應的變化，降雨徑流的時空分布格局發(fā)生改變［13］。目前，不同區(qū)域、不同下墊面改變程度、不同分析方法的研究，對降雨-徑流關系演變的認識存在差異。多項研究表明［14-16］，三江源區(qū)的長江、瀾滄江等西南部徑流增加明顯，而東北部黃河源區(qū)呈顯著減少趨勢。在華北平原的濟南三川流域研究表明徑流影響為正效應［17］，在潮河流域研究顯示，徑流深和徑流系數(shù)的下降趨勢顯著，降水-徑流關系變化劇烈［18］。對下墊面改變較大的黃土高原各流域的研究結論趨勢一致，在相同降雨條件下的產流量相對減幅達40%以上［19-20］。在長江上游嘉陵江西漢水流域的研究顯示降雨量呈不顯著的減少趨勢，徑流明顯減小，而且1992年后降雨徑流關系顯著改變［21］。

大通河位于青藏高原東北邊緣的祁連山區(qū)，區(qū)域最大累積增溫2.34℃，目前開發(fā)利用程度較低。氣候變化下徑流的演變，多集中于徑流組成成分的變化分析，包括對黑河上游年、季節(jié)總徑流和基流的變化進行歸因分析，推斷凍土活動層增厚導致產流機制變化進而使基流增加［22］；對凍土變化及其對水文影響的模擬結果表明 ，由土溫升高造成的土壤液態(tài)水增加導致冷季徑流顯著增加。本文用傳統(tǒng)的方法分析降雨-徑流關系的演變，旨在揭示冰川融水與凍土釋水掩蓋下水資源衰減的潛在危機。

2 數(shù)據來源

2.1 研究區(qū)概況 大通河流域地貌上屬于構造剝蝕中高山區(qū)，流域內近50%的地區(qū)在海拔3600 m以上，巨大山脈與斷陷盆地相間。氣候寒冷，年最大凍土深度2.5m。1956—2000年多年平均降水量442.3 mm，集中在5—9月，潛在蒸發(fā)量1192 mm。大通河干流全長560.7 km，流域面積15 130 km2，多年平均（1956—2000年）徑流量28.95億m3。

海拔3600 m以上的中高山區(qū)廣泛發(fā)育寒土、凍土和凍巖，面積7571 km2。季節(jié)性凍土全區(qū)均有分布，河谷區(qū)凍結深度1~2 m，基巖山區(qū)凍結深度2.5 m，厚度隨季節(jié)變化，一般年融凍期120 d左右，其余時間處于封凍期。強烈的寒凍風化剝蝕作用在源頭和上游河谷地帶形成了豐富的凍結含水層，地下水有隨季節(jié)性變化的凍結層上水，也有穩(wěn)定的凍結層下水。現(xiàn)代河流作用下形成的河流融區(qū)發(fā)育，因此河流的枯季徑流相對較大。

流域內人口稀少，現(xiàn)有人口40.65萬，主要分布在中下游的青海境內和下游甘肅境內。豐富的水資源成為青甘兩省的主要供水水源，2014年建成納子峽與石頭峽兩座大型水庫，流域現(xiàn)狀用水2.49億m3。建成3項跨流域引水工程，其中，引大入秦1994年通水，設計年引水量4.43億m3；引硫濟金2003年通水，設計年引水量0.4億m3；引大濟湟尚未通水。21世紀以來建成電站43座（含兩座水庫），集中分布在中下游段。流域概況見圖1。

圖1 研究區(qū)概況

2.2 數(shù)據來源 選擇大通河流域的測站資料系列較長且受開發(fā)影響較小的尕日得、尕大灘/青石嘴、天堂寺三個站點進行分析，水文站的基本情況見表1。徑流數(shù)據采用1960-2016年天然月徑流過程，還原項相對簡單，一是由青海省水文局完成尕日得站枯季徑流還原（海拔高，枯季三月基本缺測），以及2004年以后引硫濟金的跨流域引水量及其水庫蓄水對水文過程的改變；二是作者對尕大灘至天堂寺站的門源境內最大0.55億m3（實際耗水約0.30億m3）灌溉用水進行還原，主要用水過程發(fā)生在4—6月和9—10月的灌溉期間。

表1 水文站基本情況

氣象數(shù)據源于中國氣象數(shù)據網（http：//data.cma.cn/）和青海省水文局，包括流域內及周邊的野牛溝、祁連、門源、烏鞘嶺、民和5個氣象站與尕日得、尕大灘雨量站1960—2016年的逐日數(shù)據，分布見圖1。

3 結果分析

3.1 水文氣象要素演變

3.1.1 氣溫變化 氣溫變化在1990年代后期普遍存在增溫速率增大的轉折點，本研究區(qū)作為青藏高原邊緣地區(qū)，采用M-K檢驗分析野牛溝、祁連、門源、烏鞘嶺、民和五個站氣溫序列，轉折點分別是1993、2001、1996、2004、1997年，各站點加權平均序列的轉折點是1997年［24］，綜合青藏高原總體的突變趨勢［25-27］，選擇1997年為分界點。典型站點祁連站的分析結果見圖2。

圖2 祁連站年氣溫M-K檢驗結果

氣溫變化趨勢：1957（1960）—2016年各氣象站的年平均溫度以0.24~0.39℃/10a的速率在增加，增溫幅度最高的是海拔2800 m左右的祁連站和門源站；1997年以前，祁連站和門源站總體呈小幅增溫趨勢，而海拔3000~3300 m的野牛溝站、烏鞘嶺站總體呈減小趨勢；1997年以后，氣溫增幅顯著增加，增溫速率是1997年前的10倍，海拔2800~3300 m的四個站年增溫率0.57~0.91℃/10a，海拔1800m的民和站年增溫率0.34℃/10a；累積增溫幅度最大的是海拔2800 m左右的門源站和祁連站，達到2.34℃，其中1997年以后祁連站累積增溫幅度最大，增溫幅度2.00℃。

3.1.2 降水變化 對野牛溝、祁連、門源、烏鞘嶺、民和5個站的降雨進行M-K分析顯示，野牛溝和祁連站具有顯著增加趨勢，線性增長率分別為14.5 mm/10a和12.0 mm/10a，各自于1975年和1971年發(fā)生突變；門源、烏鞘嶺增加趨勢不顯著，降雨序列沒有發(fā)生突變；民和站呈不顯著下降趨勢，于2005年發(fā)生突變，下降明顯。大通河上游流域降水增長比中下游明顯，最下游處的民和站甚至為減小趨勢，各站降水變化見圖3。

圖3 典型站年降水變化趨勢及祁連站M-K檢驗結果

3.1.3 徑流的年季變化趨勢 大通河年季徑流變化見圖4和圖5，年均徑流量的變化在中上游站表現(xiàn)出一致性，尕日得和尕大灘1997年前的年均流量呈略微下降趨勢，1997年后上中游站點流量均呈明顯升高趨勢；下游天堂寺站1997年前年均流量下降趨勢明顯，1997年后年均流量基本維持穩(wěn)定。按不同季節(jié)分析，1997年以后，春季表現(xiàn)出微弱的增長趨勢，夏季減小趨勢明顯，秋冬季為明顯的增長趨勢。

圖4 尕日得、尕大灘、天堂寺水文站1956—2016年徑流年變化趨勢

圖5 大通河季節(jié)徑流變化趨勢

3.2 降雨-徑流關系演變 1997年前后的多年平均降雨-徑流關系見表2和圖6，分析如下：（1）7月份之前，1997年以后的降雨量較1997年以前明顯增加，但三個站的徑流量均顯著減少，分析汛前單次降雨量，發(fā)現(xiàn)單次降雨量為0.1~5 mm，這個量級的雨量受下墊面與氣候影響較大，氣溫升高，蒸散發(fā)耗散增加，因此出現(xiàn)雨量增加但徑流量減少的情況；（2）7月份之后，1997年后比1997年前徑流增加，但是越往下游增加的越少，很顯然上游接受冰川融水和凍土釋水的補給較大。

圖6 各水文站點降雨-徑流關系圖

表2 各站點斷面以上1997年后與1997年前降雨量的變化量 （單位：mm）

3.3 基于水文站天然徑流分析流域總徑流量變化 在降雨-徑流關系演變的基礎上，分析現(xiàn)狀氣候變化下流域水資源量發(fā)生的改變，發(fā)現(xiàn)尕日得以上斷面1997年以后年徑流量增加了4946萬m3，中下游站點徑流量則顯著減少，尕大灘-尕日得區(qū)間1997年后徑流量減少了3812萬m3，天堂寺-尕大灘區(qū)間1997年后徑流量減少了1.16億m3（見表3），并以該減少量折算天堂寺以下流域減少量0.67億m3，則1997年后流域年均總徑流量減少1.72億m3。

表3 流域1997年后與1997年前總徑流量變化量 （單位：萬m）

3.4 基于中下游區(qū)間來水分析陸域蒸發(fā)變化 大通河是一條開發(fā)程度低的河流，河流含水層飽和，可以認為徑流基本不衰減，尕大灘與天堂寺區(qū)間徑流受冰川融水和凍土釋水的影響相對較小，因此，選擇尕大灘與天堂寺區(qū)間在1997年前后的徑流差來反映蒸散發(fā)的情況，區(qū)間降雨徑流1997年前后平均過程見圖7。

圖7 尕大灘-天堂寺區(qū)間降雨、徑流變化

尕大灘與天堂寺的區(qū)間面積是4650 km2，1997年前兩斷面之間年際區(qū)間徑流是10.47億m3，1997年以后是9.33億m3，如果降水相近就相當于年際區(qū)間蒸散發(fā)量增加了1.14億m3；事實上區(qū)間降水總體上是增加的，徑流與降水變化見圖7，各月的蒸發(fā)增加計算見表4。折算到單位面積的年蒸發(fā)增加量大約是3.8萬m3/km2，相當于徑流深減少大約38 mm。

表4 尕大灘-天堂寺站區(qū)間多年平均蒸散發(fā)改變量 （單位：萬m3/km2）

3.5 基于上中游站降雨徑流關系演變分析凍土釋水與冰川融水變化 祁連山區(qū)多年凍土發(fā)育，凍土區(qū)的地下水［28］可分為凍結層上水、凍結層下水和融區(qū)地下水三種類型，凍結層上水接受大氣降水補給，具有上層滯水和潛水特征，凍結層下水具有承壓性質和比較穩(wěn)定的動態(tài)特征，接受河谷融區(qū)的補給。大通河上游凍土季節(jié)性融化深度有4~6 m，河谷融區(qū)含水層厚20~50 m，上層滯水的特點，

形成面積1878 km2的沼澤，隨氣候變化，到2014年沼澤面積減少了42%，間接反映出凍結層上水在關鍵的生長季節(jié)出現(xiàn)虧缺，不能滿足沼澤植物生長所需。從降雨徑流關系來看（圖6），春季徑流嚴重虧缺，正好印證了這一點。另外，枯季徑流在1997年以后大幅度增加，說明是不受季節(jié)改變的凍結層下水增加；汛后徑流的增加，尤其是上游尕日得站的增加非常明顯，很顯然是有冰川融水補給，同時汛期降水補給凍結層上水，以凍結層上水不斷排泄補給河流。

3.5.1 從枯季徑流變化分析凍結層下水變化量 由表3可知，上游尕日得站因為凍結1—3月份基本上沒有變化（尕日得站枯季缺測，還原數(shù)據不一定反應真實情況），以12月來看，月均增加量396萬m3；中上游尕大灘站枯季12月到次年2月，枯季徑流各月穩(wěn)定增加的是1080萬m3，年總增加量以尕大灘斷面計算，即1.30億m3。

3.5.2 從尕日得站春季4—6月徑流減少分析凍結層上水的變化量 凍結層上水主要分布在上游，1997年后實測的徑流中還有降水增加的徑流量、蒸發(fā)增加減少的徑流量和凍結層下徑流增加量，所以反應凍結層上水的減少量，要在實測徑流變化量的基礎上再考慮這些變化量，根據水平衡分析（見表5），凍結層上水減少量0.30億m3。

表5 尕日得站4—6月水文要素變化分析

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3.5.3 從尕日得夏秋季7—10月徑流變化分析上游冰川融水變化量和凍結層上層下水轉化量 從前面3.2節(jié)降雨-徑流關系的演變分析可知，7—10月份冰川融水和凍土釋水的增加，可以從三個直觀的部分估算，一是由降雨減少引起的產流減少，二是蒸發(fā)增加減少的徑流量，三是圖表上顯示的凈增加量，該凈增加量中含有凍結層下水穩(wěn)定增加量，以及原本被沼澤消耗的凍結層上水轉化為凍結層下水量。水平衡各要素變化量見表6，冰川融水與凍結層上層下轉化量共計1.50億m3。

表6 尕日得站7—10月水文要素變化分析

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3.5.4 從尕日得到尕大灘區(qū)間夏秋季7—10月徑流變化分析兩站區(qū)間冰川融水變化量 原理與3.5.3相同，各水平衡要素的變化量見表7，分析發(fā)現(xiàn)冰川融水量與1997年之前的均值相比，平均每年減少0.38億m3，事實上，根據1∶10萬土地利用圖，該區(qū)間的冰川面積1990年代有69 km2，2014年只有0.013 km2。根據王寧練等人［27］的研究，在全球增溫1.5℃，青藏高原地區(qū)將升溫2.1℃的情況下，河西走廊諸河的冰川融水在2030年之前就出現(xiàn)峰值，之后冰川融水將逐漸減少。大通河流域所在的祁連山區(qū)個別站點累積升溫已經達到2.34℃，從本文分析結果來看，尕日得到尕大灘區(qū)間的冰川消融已經過了極限，在現(xiàn)有減少徑流1.72億m3中，有0.38億m3是冰川融水減少量。

表7 尕日得到尕大灘區(qū)間7—10月水文要素變化分析

3.6 水資源衰減初步分析 根據上述分析，以1997年為分界點，1997年后水資源減少1.72億m3，該減少量是蒸發(fā)增加減少水資源量與冰川融水和凍土釋水增加水資源量綜合的結果。中上游總的凍結層下水1.30億m3的增加量和上游汛后冰川融水和凍結層上層下水轉化1.50億m3的增加量，主要來自上游永久凍土變薄的釋水，以及凍結層上水轉化成凍結層下水，近800 km2沼澤退化減少的消耗量。根據3.4節(jié)蒸發(fā)分析，中游區(qū)1997年以后單位面積年平均蒸發(fā)增加量約3.8萬m3/km2，以該結果代表全流域，不考慮1781 km2裸巖礫石（來自2014年1∶10萬土地利用圖）的蒸發(fā)，流域蒸發(fā)減少的徑流量約5.1億m3，占徑流總量的18%，考慮上游降水的增加量，流域水資源變化量總體平衡。未來繼續(xù)增溫，冰川融水越過極限消失，減少水資源量大約0.3億m3（楊針娘，1996），源頭支撐1878 km2沼澤的凍結含水層進一步融通，凍結層上水進一步轉化為凍結層下水，新增最大轉化量按照現(xiàn)狀的沼澤退化面積和凍結層上水轉化量比例折算是1.7億m3。不考慮降水的變化，未來一定時間內隨著源頭沼澤的消失，流域水資源總的增加量大約4.2億m3，對蒸發(fā)增加引起的水資源衰減有所緩減。

4 結論

（1）大通河所在的祁連山區(qū)增溫明顯，最大累計增溫可達2.34℃，超過了國際上認定人類社會能夠適應的增溫極限2℃。近60年水文氣象數(shù)據分析顯示，氣溫在1997年突變，此后增溫速率升高至0.57℃~0.91℃/10a；流域降水的變化上下游差異較大，上游有明顯的增加趨勢，中游基本不變，下游明顯減少；徑流1997年以前呈明顯減少趨勢，之后上中游呈現(xiàn)增長趨勢，下游基本不變。

（2）降雨-徑流關系在汛前、汛后表現(xiàn)出顯著差異，7月份之前，1997年后降水量增加，但徑流量卻明顯減少；7月份之后，徑流量明顯增加，而且上游站增加顯著，中下游兩站增加量逐漸減少。以三個水文站分區(qū)計算水資源變化量，上游水資源呈增加趨勢，增加量0.50億m3，中下游減少明顯，流域年均總水資源量較1997年前減少1.72億m3。

（3）以受冰川融水和凍土釋水影響較小的中下游尕大灘與天堂寺區(qū)間來水比較，發(fā)現(xiàn)以蒸發(fā)增加減少徑流深約38 mm。以上中游尕日得和尕大灘的分階段徑流比較認為，來自凍結層下水穩(wěn)定增加的枯季徑流尕大灘站平均1080萬m3/月；季節(jié)性凍土（凍結層上水）春季虧缺0.30億m3，隨后在雨季蓄滿并逐漸排泄，改變徑流過程；冰川融水與凍結層上層下轉化量在尕日得站1997年以后增加1.50億m3，在尕日得到尕大灘區(qū)間則減少0.38億m3。

（4）初步分析認為，1997年以后以蒸發(fā)增加導致徑流減少約5.1億m3，占水資源總量的18%；基于水文站實測徑流分析的減少量是1.72億m3。隨著氣溫的繼續(xù)升高，冰川融水消失，凍結層上水進一步轉化，伴隨著源頭沼澤的消失，凍結層下水的增加對蒸發(fā)增加引起的水資源衰減有所緩減。

5 建議

（1）建立氣候變化對水資源影響的危機意識。IPCC第六次報告中的《全球1.5℃增暖特別報告》指出地球升溫2℃時面臨缺水問題的人數(shù)將是升溫1.5℃時的兩倍。已有研究顯示，650個喜馬拉雅冰川從1975年到2000年冰川表面平均每年下沉22 cm，從2000年到2016年平均每年減少43 cm，大通河的初步結果是對該觀點的驗證。這些變化說明，不可逆轉的全球變暖水資源危機就在不遠的將來。

（2）扭轉單純保護是最佳應對的觀念。氣候變化的影響從國際到國內都已上升到氣候安全的高度［29］。效存德［30］、鄭國光等［31］提出氣候安全是我國糧食安全、水資源安全、生態(tài)安全及其他安全的重要前提。強調要科學研判青藏高原冰川雪山融化、凍土變化等對國家安全可能造成的重大風險和威脅。因此，從氣候安全角度出發(fā)，應對氣候變化不是單純保護下的被動適應，而是從牽動安全包括水資源安全方面來應對未來風險。

（3）加強水資源調配，未雨綢繆。本文根據大通河天然徑流上、下游站的比較給出基于實測區(qū)間徑流分析的蒸發(fā)增加量，以及水資源變化的趨勢，旨在揭示目前多數(shù)河流總徑流變化不大的真正成因。根據王寧練、姚檀棟等人的研究成果［32］，在全球增溫1.5℃，青藏高原地區(qū)將升溫2.1℃的情況下，河西走廊諸河在2030年之前就出現(xiàn)冰川融水的峰值。從數(shù)量上來看，這種減少即便是氣候暖濕化也遠遠不能彌補。所以要考慮低海拔產水區(qū)水資源衰減的情況，加強水資源的周濟調配，確保社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。