河湖源流域水文气象变化/第二次青藏高原综合科学考察研究丛书

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第1章引言
　　1.1.河湖源科考的目标及内容
　　1.1.1.亚洲水塔的历史变化及现状
　　青藏高原及其周边山脉孕育了大量的河流，被誉为“亚洲水塔” (图 1.1)。亚洲水塔区是亚洲十多条河流重要的水源地，蕴藏着我国乃至亚洲地区重要的淡水资源；同时，该区域也是全球高寒、干旱、高灾等特征共存的特殊环境区。近 30年来，亚洲水塔区的变暖明显早于中国其他地区及全球，且升温幅度是全球平均升温幅度的两倍。气候变暖改变了亚洲水塔的水汽供应和区域气候特征，也极大地改变了自然水循环过程和水文条件，使得河流径流和区域水资源状况发生了剧烈的变化。发源于亚洲水塔区的十多条江河径流量呈现出不稳定的变化，不仅表现在径流总量上，也表现在径流的季节分配上，已威胁到下游数亿人口的水供给和食品安全 (Immerzeel et al.，2010；姚檀栋等， 2013)。此外，冰川退缩、冻土退化、湖泊扩张等冰冻圈要素的显著变化深刻影响着该地区河流径流的季节变化和年总径流量及水资源的时空格局，加大了以冰雪融水补给为主的河流的不稳定性，给流域水资源的调控和利用带来新的问题。亚洲水塔区河流径流变化的根源是多圈层相互作用引起的连锁反应，也是气候变暖影响下西风和季风相互作用影响亚洲水塔的结果。
　　图 1.1 青藏高原亚洲水塔区
　　“亚洲水塔”变化对下游的影响直接表现在河流径流量的变化上。发源于喜马拉雅山、喀喇昆仑山、兴都库什山、帕米尔高原、天山、阿尔泰山和昆仑山地区的重要河流包括雅鲁藏布江、印度河、恒河、塔里木河等。印度河上游各子流域径流变化呈现一定的时空差异，除高海拔冰川区河流的年径流量 [罕萨 (Hunza)河、Kharmong河 ]呈减少趋势外，其余河流的径流量均呈不同程度的增加趋势 (Sharif et al.，2013)；冬春季，各个水文监测断面径流量增加，这与冬季气温升高有关，而夏季径流量表现不一，各支流增减趋势不一致 (Hasson et al.，2017)。有研究认为，此现象与补给方式有关，积雪融水补给径流较冰川融水补给径流的径流峰值时间提前 1个月，因此呈现明显的季节差异 (Mukhopadhyay and Khan，2014a)。虽然冰川融水对印度河流域径流的贡献率高 (最高可达 50%)(Eriksson et al.，2009)，但用不同的方法计算出的冰川、积雪融水的贡献率却不尽相同 (Mukhopadhyay and Khan，2014b；Lutz et al.，2014；Farhan et al.，2014)。在过去 50年间，阿克苏河、叶尔羌河和和田河极端径流呈增加趋势，尤其是冬季最为显著，此变化归因于不同流域受到的大气环流的影响不同 (Wang et al.， 2015)。阿姆河和锡尔河是咸海流域的两条主要河流，有研究发现，阿姆河与季风强弱呈显著的正相关，但这种关系在锡尔河却不明显，原因是两个流域的径流补给有所差别，阿姆河是冰 –雪产流，而锡尔河是雪 –冰产流 (Schiemann et al.，2007)。相关未来预测研究表明，青藏高原积雪在 21世纪将减少 (Shi et al.，2011)，多年冻土面积到 21世纪中期 (2030～ 2050年 )将减少大约 39%(Guo et al.，2012)；亚洲水塔主要河流径流呈现增加趋势 (Lutz et al.，2014)，并且这一趋势将在未来 (21世纪中期 )得以持续 (陈德亮等， 2015)；而相对于 1998～ 2007年，印度河、恒河、雅鲁藏布江、湄公河上游等河流的径流增加的幅度相对较大 (张人禾等，2015)。
　　目前，国内亚洲水塔区河流的水文研究主要集中在对径流变化现象的揭示，原因分析多依赖于冰川、积雪与气象的相关性，而对径流变化的过程与机理分析不足。此外，遥感技术的应用为亚洲水塔区水文研究提供了新的手段，如 GRACE、ICESat-STRM DEM等用于陆地水储量变化估算、冰川厚度变化的冰量变化估算等，但由于 GRACE较低的空间分辨率，其结果仍有较大的不确定性。
　　因此，亟须针对亚洲水塔区河流开展综合科学考察，通过在多个河流流域补充实地观测，构建基于星 –机 –地的立体观测体系，改善亚洲水塔区河流流域资料匮乏的现状；在此基础上，通过遥感、地面观测结合数值模拟，定量解析主要河流径流的长期变化特征及其驱动机制，并增强对亚洲水塔区河流水文物理机制的理解，为区域综合水资源管理、生态环境保护和发展提供科技支撑。
　　1.1.2.亚洲水塔区河流专题科考的必要性
　　习近平总书记在给第二次青藏高原综合科学考察研究队的贺信中指出：“青藏高原是世界屋脊、亚洲水塔，是地球第三极，是我国重要的生态安全屏障、战略资源储备基地，是中华民族特色文化的重要保护地。开展这次科学考察研究，揭示青藏高原环境变化机理，优化生态完全屏障体系，对推动青藏高原可持续发展、推进国家生态文明建设、促进全球生态环境保护将产生十分重要的影响。”亚洲水塔由面积约 10万 km2的冰川、总面积超过 4.7万 km2的 1200多个湖泊、总径流量超过 4359亿 m3的十多条大江大河的源头组成。它的供给面积超过 1340万 km2，影响 20多亿人口的水资源。作为全球最重要的冰雪融水补给区，在全球水循环加速的背景下，青藏高原河流水资源变化的时空差异进一步加剧，严重影响了其作为亚洲水塔对水资源的调节作用。亚洲水塔区水资源的演变不仅关系到我国及东南亚、中亚等国家的水资源安全，还关系到这些国家的粮食和生态安全。
　　亚洲水塔区属于典型的高山寒区环境，是全球除了南北极高寒地区之外，冰雪资源赋存最多的区域，也是我国实施“一带一路”倡议的关键地区。亚洲水塔区河流径流和水资源变化的研究将直接关乎该区域“一带一路”建设和合作的成效。而“一带一路”倡议的实施和推进，也为更好地理解区域水循环过程和河流水文变化带来了契机。
　　亚洲水塔区河流水系众多 (雅鲁藏布江、塔里木河、印度河、恒河、澜沧江、萨尔温江、长江、黄河等 )，水资源丰富，该区域河流对我国及东南亚地区生态健康和社会稳定具有重要的意义。为了推进第三极国家公园的建设，亚洲水塔区河流专题的科考主要通过水文调查、降水、气温、风速、植被、蒸散发、降雨径流、冰川融雪、融雪径流、总径流、地表水、地下水、土壤水等方面的补充观测获取**数据，并利用目前最先进的无线电探空、大气边界层塔和大气湍流系统等观测试验获得该地区较为全面的大气边界层结构变化的特征和规律，加深对陆 –气水热通量对流域边界层变化的影响以及该地区边界层与对流层的热交换过程的认识，为第三极国家公园的开发和保护所需的气候、水文背景提供基础数据支撑和咨询建议。
　　亚洲水塔区是典型的缺资料地区和生态脆弱区。目前对区域内的河流演变及其水文、生态效应尚缺乏足够的认识，水文地貌与河流演变表现出的系列特征及与亚洲水塔变化相关的研究才刚刚起步，远未满足解决国家重大问题的需求。聚焦亚洲水塔区域的水文地貌与河流演变，考虑气候变化敏感、生态脆弱特点，考察探索水、生态、人类活动等相关问题，揭示历史时期河流演变与生态环境调整中的印迹证据，揭示地貌尼克点在水文地貌与河床演变、河流生态环境中的控制作用，建立青藏高原河流演变与河流生态评价方法体系，为“亚洲水塔”区域河流治理与生态修复提供对策，具有重大的科学意义和国家战略意义。
　　因此，开展亚洲水塔区河流水文过程和径流量变化及其影响机制的综合科学考察及相关研究，是正确认识亚洲水塔对地表水资源和区域气候调控作用的科学基础，是科学规划下游水资源的利用与开发的重要前提，将为预防与应对相应的水灾害提供重要的指导依据。
　　1.1.3.亚洲水塔区河流专题科考目标
　　亚洲水塔区是亚洲十多条河流重要的水源地，水资源丰富，其河流水资源动态变
　　化对我国及周边国家都具有重要的战略意义。本次河湖源综合科学考察选取亚洲水塔主要的高寒流域作为科学考察的关键区域，通过在流域内加强多圈层观测体系的构建，在一定程度上突破以往因观测资料匮乏及不确定性对河湖源流域水文研究的限制。在此基础上，通过多源遥感和对冰冻圈水资源观测模拟研究，积累水文气象基础数据，研究气候变化影响下西风和季风区径流的变化及影响，增强对主要流域水文物理机制的理解，明确亚洲水塔水资源的现状、历史变化及变化的机理，在“泛第三极”地区极高海拔气候变化及其水资源研究方面做出国际一流水平成果，引领国际“泛第三极”地区西风和季风相互作用对区域水循环的影响研究；通过“一带一路”地区区域及国家间的合作与交流，共同解决涉水问题，为流域水资源合理利用、区域生态环境保护和发展提供科学服务和科技支撑，提升国家科技外交和环境外交的国际影响力，从而为“一带一路”倡议的旗舰项目——“中巴经济走廊”的建设提供决策层面的科学支撑；评估未来气候变化情景下，亚洲水塔对“一带一路”沿线国家水资源的贡献，为区域水资源开发及生态安全屏障工程提供科技支撑，增强我国在“泛第三极”地区水源问题上的话语权，为国家顺利实施和推广“一带一路”倡议提供水资源方面的科学依据和决策支撑，助力于保障地区水安全与区域和平。
　　1.1.4.亚洲水塔区河流专题科考内容
　　1. 基础数据搜集与整理
　　搜集或融合多套降水产品 (如 TRMM、CMORPH、GPM、GPCC等 )以及流域地形、土壤、土地利用、冰川分布、土壤温湿度和植被动态变化 (LAI/FPAR)数据，收集已有的流域出山口径流数据和流域气象站观测数据，通过 ArcGIS 平台构建亚洲水塔区各主要河流流域水文 –气象数据库，为水文模型的构建和验证提供数据支撑。
　　2. 资料稀缺地区的补充观测
　　1)径流观测
　　雅鲁藏布江流域缺测区的径流补充观测：在雅鲁藏布江源 (马泉河 /杰马央宗曲 )、上游、帕龙藏布支流、墨脱以及布拉马普特拉河的巴哈杜拉巴德分别增设水位计观测点。同时，加强雅鲁藏布江流域冻土 –植被协同观测和降水 –气温协同观测。
　　在塔里木河源区建立流域监测点，安装自动气象站，收集高山区周边气温、降水、风等气象要素，以及土壤温度及含水量；开展阿克赛钦湖泊水位观测。
　　选取伊犁河流域的主要干流和支流 (喀什河、巩乃斯河、特克斯河 )增加水位计观测点，结合实测水位和高分卫星影像提取的河宽数据，反演干流和重要支流缺测区 (无水文站 )的径流。
　　在阿姆河流域，结合其他子课题的冰川物质平衡观测研究，选取有物质平衡观测的 Archa冰川流域，在冰川主导的高海拔流域测量水位，并观测流速，通过建立水位与流速的统计关系，由长期观测的水位推算冰川径流；在 Vakhsh支流水库上游 (海拔2500 m)、Pamir和 Bartang支流汇合处 (海拔 1740 m)，以及出山口处各设置水位计一个，初步形成 3500 m、2500 m、1700 m以及 250 m左右海拔的水文断面观测。利用卫星遥感的河流水面宽度，以及实测的河道深度和断面的形状之间的关系，结合 Manning公式推算合适断面的径流量时间序列。
　　在印度河源 (狮泉河、噶尔藏布 )径流观测，对现有气象站点仪器维护，并建立水体同位素监测网路。
　　针对恒河，在冰川融水主导的吉隆藏布和绒布河测量水位、流速，建立水位与流速的统计关系，利用自动观测的水位推算冰川径流量；在恒河源 (孔雀河 )、Trishuli河和朋曲测量出山口水位、流速，建立水位与流速的统计关系，利用自动观测的水位推算出山口径流量。
　　在锡尔河出山口布设水位计，利用实地水位观测和高分辨率卫星数据提取河宽的方法测定相应观测点处的径流，为研究区模型模拟总径流提供验证基础。
　　综上建成亚洲水塔区 (8条跨境河流 )出山口径流监测网络，阐明亚洲水塔区代表性河流径流的年度变化特征与空间格局。拟观测的亚洲水塔区主要流域出山口断面见表 1.1。
　　表 1.