“亞洲水塔”變化對(duì)下游水資源的連鎖效應(yīng)

湯秋鴻 劉星才 周園園 王 杰,2 運(yùn)曉博,2

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 中國(guó)科學(xué)院陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

青藏高原位于亞洲大陸中部，其面積約 240 萬平方公里，是世界上海拔最高的高原。黃河、長(zhǎng)江、湄公河、恒河、印度河、塔里木河等多條著名亞洲大河均發(fā)源于此，因此青藏高原及其周邊地區(qū)有“亞洲水塔”的美譽(yù)。“亞洲水塔”是下游亞洲大河文明的重要水源地。黃河、長(zhǎng)江、恒河、印度河等河流在“亞洲水塔”河源區(qū)產(chǎn)流量占其流域徑流總量最高比例可達(dá) 30% 以上[1-3]。在上述大河中，黃河流域承載了中國(guó) 9% 的人口和 7% 的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值；長(zhǎng)江流域承載了中國(guó) 33% 的人口和 21% 的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值；恒河流域承載了印度 42% 的人口和 33% 的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值；印度河流域承載了巴基斯坦 88% 的人口和 92% 的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。“亞洲水塔”對(duì)流域下游的水資源安全與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。

“亞洲水塔”河流源區(qū)廣泛分布的冰川、凍土、湖泊是天然的調(diào)蓄水庫(kù)，具有蓄水和調(diào)節(jié)河川流量的生態(tài)服務(wù)功能。但是，在氣候變化和人類活動(dòng)影響下，青藏高原環(huán)境正發(fā)生快速變化，這給“亞洲水塔”水源地保護(hù)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。冰川融水是“亞洲水塔”河流徑流補(bǔ)給的重要來源。雅魯藏布江、怒江、黃河、塔里木河、獅泉河、瀾滄江—湄公河、長(zhǎng)江等河流源區(qū)總徑流中都包含了部分冰川融水貢獻(xiàn)。氣候變暖使得冰川減少與凍土退化，由此導(dǎo)致河川徑流變化將順流向下傳播，影響下游地區(qū)的供水安全、防洪安全以及生態(tài)安全。

“亞洲水塔”變化引起的水資源連鎖效應(yīng)與下游幾十億人民生活和社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)，在下游地區(qū)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)過程中可能發(fā)揮關(guān)鍵性影響。明確“亞洲水塔”變化對(duì)下游水資源的連鎖效應(yīng)是核心科學(xué)問題，其不僅在地球系統(tǒng)科學(xué)研究中具有重要科學(xué)意義，同時(shí)也是我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略層面的重要科技任務(wù)。

1 “亞洲水塔”的下游流域及水資源問題

“亞洲水塔”的下游流域覆蓋范圍巨大，橫跨了東亞、東南亞、南亞、中亞的廣大區(qū)域（圖 1）。

黃河流域是中華民族的搖籃，具有悠久的文明歷史。近幾十年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，黃河流域水資源開發(fā)利用強(qiáng)度日益提高，水資源短缺問題嚴(yán)重，生態(tài)用水被大量擠占，水生態(tài)損害嚴(yán)重，流域上下游之間競(jìng)爭(zhēng)性用水矛盾突出。

長(zhǎng)江流域天然水質(zhì)良好，是良好的水源和水生生物的理想生境；流域水能資源豐富，可開發(fā)的水能資源占全國(guó)一半以上。近年來，隨著大規(guī)模的水電開發(fā)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，長(zhǎng)江流域水污染問題嚴(yán)重，水生生物多樣性面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖 1 源自“亞洲水塔”的主要河流及其流域

瀾滄江出境后被稱為湄公河，流經(jīng)老撾、緬甸、泰國(guó)、柬埔寨和越南，最終流入我國(guó)南海，是亞洲重要的跨國(guó)河流。瀾滄江—湄公河水能和漁業(yè)資源豐富，位于下游的湄公河三角洲是世界著名的水稻產(chǎn)區(qū)。盡管瀾滄江—湄公河流域水資源豐富，但是降水季節(jié)分布極不均勻，有明顯的雨季和旱季，旱澇災(zāi)害頻發(fā)。

怒江流入緬甸后稱為薩爾溫江，最終注入印度洋。怒江—薩爾溫江流域保存了眾多少數(shù)民族文化和珍貴的水生生物資源。盡管怒江水能資源豐富，但是目前水電開發(fā)還比較少；薩爾溫江下游污染嚴(yán)重，被列為世界十大污染河流之一。

雅魯藏布江流經(jīng)藏南地區(qū)后進(jìn)入印度，被稱為布拉馬普特拉河，流入孟加拉國(guó)后稱為賈木納河，與恒河相匯后流入孟加拉灣。布拉馬普特拉—恒河流域大部分在印度，布拉馬普特拉流域以農(nóng)業(yè)為主；恒河流域居住了大概 4 億人口，土地肥沃，以農(nóng)業(yè)和漁業(yè)為主，污染嚴(yán)重；恒河三角洲大部分在孟加拉國(guó)，易發(fā)洪災(zāi)，居住了 1 億多人口，以農(nóng)業(yè)為主。

在全球變化背景下，“亞洲水塔”下游流域水資源開發(fā)利用強(qiáng)度不斷提高，水安全問題日益復(fù)雜和突出，而“亞洲水塔”變化將給下游地區(qū)水治理帶來新的挑戰(zhàn)。盡管“亞洲水塔”下游地區(qū)關(guān)注的水安全問題各有側(cè)重，但是水資源與氣候變化影響、旱澇災(zāi)害、水生態(tài)與水環(huán)境、風(fēng)暴潮和泥石流災(zāi)害等是焦點(diǎn)問題。氣候變化導(dǎo)致部分地區(qū)降水強(qiáng)度增加，從而使得下游河流洪水頻率增加，甚至引發(fā)水庫(kù)潰壩等次生災(zāi)害[4,5]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，下游流域的水資源開發(fā)利用需求逐步加大，不同國(guó)家/區(qū)域之間、不同部門之間用水競(jìng)爭(zhēng)明顯增加。在一些農(nóng)業(yè)灌溉等人類用水活動(dòng)劇烈的流域，上游用水可能加重下游水文干旱事件[6]。

2 “亞洲水塔”變化的下游水資源影響傳播機(jī)制

“亞洲水塔”變化對(duì)下游水資源的直接影響主要體現(xiàn)在河源區(qū)下瀉徑流量及其季節(jié)分布，從而影響下游流域的水文過程和水資源量。氣溫上升通常會(huì)導(dǎo)致冰雪融化時(shí)間提前，從而改變下游水文過程的季節(jié)特征。隨著全球氣候變暖，冰川流域的春季徑流增加甚至引發(fā)洪水，但夏季徑流可能減少，從而影響夏季供水量。短期來看，氣候變化可能會(huì)增加冰雪融水，增加下游徑流量；但長(zhǎng)期而言將導(dǎo)致冰川退縮，減少下游供水量，引發(fā)干旱和供水危機(jī)[7]?！皝喼匏毕聻a徑流形成的洪水脈沖給下游湖泊和洪泛平原帶來肥沃的有機(jī)質(zhì)，給河口三角洲地區(qū)帶來泥沙補(bǔ)給，是維持下游土壤肥力和漁業(yè)資源的關(guān)鍵因素。因此，“亞洲水塔”河源區(qū)下瀉徑流變化還可能影響到下游農(nóng)業(yè)和漁業(yè)生產(chǎn)。

由于人類活動(dòng)的影響，“亞洲水塔”變化對(duì)下游水資源的影響更為復(fù)雜。冰川融水是一些河流下游區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源。例如，印度河和恒河下游對(duì)“亞洲水塔”河流源區(qū)水資源存在較大程度上的依賴。印度河、恒河和布拉馬普特拉河流域的灌溉用水占總用水量的 91%。隨著人口增長(zhǎng)和灌溉農(nóng)業(yè)擴(kuò)張，上述 3 條河流的下游灌溉用水需求將不可避免地大幅增加[8]，這將導(dǎo)致水資源壓力突顯，對(duì)“亞洲水塔”變化尤其敏感。瀾滄江—湄公河流域旱季灌溉需水明顯高于雨季，盡管流域水資源豐富，但是旱季灌溉用水缺口較大，對(duì)上游來水量的依賴程度很高[9]。氣溫上升導(dǎo)致“亞洲水塔”冰川凍土退化，可能使得多條河流夏季徑流減少，從而影響農(nóng)業(yè)灌溉可用水量[10]。

“亞洲水塔”下游地區(qū)人口密集，能源需求非常大，因此“亞洲水塔”河流往往也是支撐下游地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源來源。大部分“亞洲水塔”河流已經(jīng)修建或者正在規(guī)劃建設(shè)大量的大壩用于水力發(fā)電[11]，“亞洲水塔”變化將對(duì)水力發(fā)電產(chǎn)生重要影響。以黃河為例，上游河流源區(qū)對(duì)黃河中下游供水影響較大，需要同時(shí)滿足防洪排澇、農(nóng)業(yè)灌溉用水、河道整治等多方面需求，因此河流源區(qū)徑流變化對(duì)流域水力發(fā)電潛力有顯著影響[12,13]?！皝喼匏焙恿魃闲藿ǖ拇髩纬税l(fā)電功能之外，本身還具備防洪和徑流調(diào)節(jié)等作用，可以減輕下游洪水和干旱風(fēng)險(xiǎn)[14]。氣候變化下“亞洲水塔”河流源區(qū)徑流變化與大壩等人類活動(dòng)共同改變下游的洪水脈沖、泥沙補(bǔ)給、供水和地下水開采需求，從而對(duì)下游河道和河口三角洲的生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生影響。

3 “亞洲水塔”變化帶來的下游水資源風(fēng)險(xiǎn)

3.1 “亞洲水塔”變化帶來的下游水資源風(fēng)險(xiǎn)凸顯

近幾十年來，在氣候變暖的影響下，“亞洲水塔”的冰川呈加速融化趨勢(shì)。冰川融水變化導(dǎo)致下游河流徑流量年內(nèi)分配發(fā)生變化，增加了汛期洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)導(dǎo)致干旱季水量不足，甚至缺水干涸。冰川融水形成的洪峰多出現(xiàn)在每年 7—8 月，同時(shí)也是下游河流的汛期。降水形成的徑流洪峰與冰川融水徑流洪峰季疊加，使下游的河流水量在短期內(nèi)明顯增加，容易引發(fā)洪澇災(zāi)害。

隨著氣候變暖，春季冰川融水徑流的洪峰提前，秋季融水補(bǔ)給季節(jié)延長(zhǎng)，容易導(dǎo)致冰磧湖潰決引起洪災(zāi)。例如，2003—2009 年喜馬拉雅冰川融化產(chǎn)生了約 1 740 億噸的水，導(dǎo)致印度河、恒河和雅魯藏布江—布拉馬普特拉河發(fā)生災(zāi)難性洪水[15]。19 世紀(jì) 50 年代，西藏自治區(qū)桑旺湖曾發(fā)生冰崩引發(fā)的潰決洪水，造成了巨大的災(zāi)害；潰決洪水沖淹了江孜和日喀則兩大城鎮(zhèn)，災(zāi)害性影響波及 180 公里之外的雅魯藏布江[16]。相關(guān)模擬研究表明，該區(qū)域若發(fā)生冰湖潰決可形成萬年一遇的洪水，增加大壩潰決、城鎮(zhèn)淹沒的風(fēng)險(xiǎn)[17]。

3.2 未來風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)

全球氣候變暖導(dǎo)致冰川大面積退縮，將嚴(yán)重影響下游水資源的穩(wěn)定性。在短期內(nèi)，下游河流未來主要的風(fēng)險(xiǎn)是冰雪融水增加導(dǎo)致的洪水災(zāi)害。例如，氣溫上升將導(dǎo)致印度河、布拉馬普特拉河流域冰川融水增加，從而使得下游洪水風(fēng)險(xiǎn)上升[18]。長(zhǎng)期來看，隨著全球氣候變暖，冰川不斷萎縮，冰川融水對(duì)河流的補(bǔ)給將逐漸減少，下游河流有干旱化趨勢(shì)甚至變成季節(jié)性河流的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)全球氣候模式情景預(yù)估結(jié)果，2050 年青藏高原冰川退縮或?qū)?dǎo)致印度河徑流減少 8.4%，恒河徑流減少 17.6%，雅魯藏布江徑流減少 19.6%，長(zhǎng)江徑流減少 5.2%[19]?！皝喼匏焙恿髟磪^(qū)下瀉流量的變化可能給下游地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水力發(fā)電、涉水災(zāi)害等方面帶來多重風(fēng)險(xiǎn)[12,13,18]。

4 應(yīng)對(duì)“亞洲水塔”變化的全流域可持續(xù)水管理

4.1 應(yīng)對(duì)“亞洲水塔”變化需要關(guān)注的重大科學(xué)問題

“亞洲水塔”河流源區(qū)受人類活動(dòng)的直接影響相對(duì)較小，但是對(duì)氣候變化非常敏感。“亞洲水塔”變化的影響通過河流源區(qū)徑流變化向下游傳播，從而給下游地區(qū)帶來風(fēng)險(xiǎn)。全球變化背景下，“亞洲水塔”下游地區(qū)本身面臨水資源需求增加和本地氣候變化影響的問題，而“亞洲水塔”變化對(duì)下游水資源的連鎖效應(yīng)帶來了新的挑戰(zhàn)。

為了更好地理解青藏高原環(huán)境變化的影響，支撐下游地區(qū)可持續(xù)水資源管理，需要關(guān)注 4 個(gè)方面的重大科學(xué)問題：① 青藏高原環(huán)境變化與下游流域水文過程的關(guān)聯(lián)機(jī)制。青藏高原環(huán)境變化與下游流域水文過程存在復(fù)雜的相互作用，深入理解流域上、下游水文過程變化機(jī)理及其關(guān)聯(lián)機(jī)制是定量評(píng)估亞洲水塔變化對(duì)下游水資源連鎖效應(yīng)的科學(xué)基礎(chǔ)。② “亞洲水塔”變化對(duì)下游地區(qū)水資源風(fēng)險(xiǎn)的疊加效應(yīng)。全球變化背景下，下游水資源風(fēng)險(xiǎn)是多種因素的疊加作用結(jié)果，亟待定量區(qū)分下游地區(qū)自身與上游變化引起的風(fēng)險(xiǎn)，闡明風(fēng)險(xiǎn)傳播機(jī)制與疊加效應(yīng)。③ “亞洲水塔”水源地變化對(duì)下游水資源的影響預(yù)估及其不確定性。目前水文模型對(duì)“亞洲水塔”變化下游影響的模擬能力還不足，預(yù)估的不確定性非常大，提高水文模型的模擬和預(yù)測(cè)預(yù)估能力，減少未來預(yù)估的不確定性，是重要的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。④ “亞洲水塔”變化背景下流域水資源系統(tǒng)恢復(fù)力。未來“亞洲水塔”變化極有可能對(duì)下游地區(qū)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，如增加水資源風(fēng)險(xiǎn)，影響到下游的供水安全、防洪安全和生態(tài)安全。面對(duì)“亞洲水塔”變化影響的不確定性，通過研究流域下游水資源系統(tǒng)恢復(fù)力，以期主動(dòng)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，盡可能地減少“亞洲水塔”變化帶來的不利影響。

4.2 未來需要開展的研究工作

圍繞上述重大科學(xué)問題，未來需要從 3 個(gè)方面開展工作：① 探索青藏高原環(huán)境變化與下游流域水文過程相互作用，揭示流域上下游之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，闡明“亞洲水塔”變化對(duì)下游地區(qū)水系統(tǒng)的影響；② 發(fā)展全流域水循環(huán)過程綜合集成模型，開展從高寒山區(qū)到河口三角洲的全流域水文過程高精細(xì)模擬，預(yù)估“亞洲水塔”水源地變化對(duì)下游水資源的影響；③ 評(píng)估“亞洲水塔”變化背景下流域水資源風(fēng)險(xiǎn)，編制風(fēng)險(xiǎn)圖集與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，發(fā)展氣候變化背景下流域水資源系統(tǒng)恢復(fù)力建設(shè)的框架。

5 結(jié)語(yǔ)

“亞洲水塔”是亞洲大河文明重要的水源地，氣候變暖背景下“亞洲水塔”的水文過程（如冰川融水、凍土融解）變化直接影響河流源區(qū)的下瀉流量，對(duì)高度依賴上游供水的河流可謂牽一發(fā)而動(dòng)全身，給下游地區(qū)帶來洪水或干旱風(fēng)險(xiǎn)，威脅到下游的供水安全、防洪安全和生態(tài)安全。

全球變化背景下，“亞洲水塔”下游本身的水資源問題日益復(fù)雜和突出，“亞洲水塔”變化可能給下游地區(qū)水治理帶來新的挑戰(zhàn)。面對(duì)下游水資源問題和水治理挑戰(zhàn)，應(yīng)加強(qiáng)青藏高原環(huán)境變化與下游流域水資源研究的結(jié)合，發(fā)展全流域水循環(huán)過程綜合集成與模擬技術(shù)，闡明流域上下游的關(guān)聯(lián)機(jī)制與“亞洲水塔”變化對(duì)下游水資源的連鎖效應(yīng)，提出風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施與方案。