祁连山水塔变化及其影响

第1章 绪论 水是我国西北干旱区社会经济发展的主要影响因素之一。祁连山不仅是河西走廊绿洲地区和柴达木盆地东缘绿洲地区的水源地，也是黄河上游重要的水源区之一，同时还是我国“两屏三带”生态安全战略格局的关键区域，也是我国西部重要的生态安全屏障。祁连山区冰雪和山前绿洲上下相映，构成了这一区域独*的自然景观。充分认识祁连山区产水量与储水量变化及其对环境的影响，不仅对下游绿洲地区水资源合理规划利用与社会经济发展具有重大现实意义，而且对祁连山区生态系统变化研究与生态建设具有重要支撑作用。在全球变暖导致祁连山区冰冻圈固体水库萎缩的情况下以及在我国生态文明建设治国理政新理念的指引下，开展祁连山区水塔变化及其影响的考察与研究，显得更具迫切性和必要性。 1.1 祁连山水塔变化及其影响科学考察研究的背景与意义 从20世纪70年代起，我国开展了首次青藏高原综合科学考察研究，前后历经了20余年，积累了大量科学资料与研究成果，为青藏高原生态保护和社会经济发展提供了坚实的科学基础。2017年夏季，第二次青藏高原综合科学考察研究在拉萨启动，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺信。习近平主席在贺信中指出，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，优化生态安全屏障体系，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。习近平希望参加考察研究的全体科研专家、青年学生和保障人员发扬老一辈科学家艰苦奋斗、团结奋进、勇攀高峰的精神，聚焦水、生态、人类活动，着力解决青藏高原资源环境承载力、灾害风险、绿色发展途径等方面的问题，为守护好世界上*后一方净土、建设美丽的青藏高原作出新贡献，让青藏高原各族群众生活更加幸福安康。为了贯彻落实习近平主席的指示，第二次青藏高原综合科学考察设立了“亚洲水塔动态变化与影响”任务，并将祁连山作为关键考察区之一，希望对祁连山水塔变化及其影响进行系统考察与研究，以服务于祁连山生态安全屏障保护与建设和绿色丝绸之路建设。这就是本次祁连山水塔变化及其影响考察与研究的背景与意义。 在我国西北干旱区，山地是水资源的形成区，山前平原、绿洲和荒漠区是水资源的消耗利用区。例如，祁连山中段黑河出山径流超过80%形成于上游海拔 3600m以上的高山冰雪冻土带(康尔泗等，2008；王宁练等，2009b)。一般情况下，在内流河出山径流量有限的情况下，如果山前平原、绿洲地区人类活动过量地开发利用与消耗水资源，就会导致下游尾闾(湖)区生态环境发生重大变化。例如，河西走廊石羊河流域就是一个典型的例子。大约在战国之前，石羊河终端尾闾湖猪野泽相当大，东西长达120多公里，水草丰美(冯绳武，1963)。西汉时，猪野泽分裂为东、西两个内陆湖，即东海(都野泽，亦即狭义的猪野泽)和西海(休屠泽)(冯绳武，1963)，其总面积达540km2(东海约415km2，西海约125km2)(李并成，1993)。李并成(1993)研究认为，清朝乾隆时西海即青土湖(说明：按1963年冯绳武先生文章，原西海明清时称为昌宁湖，后来逐渐干涸，青土湖是原东海缩小分裂为多个湖泊中位置偏西的一个湖泊)，已变为间歇性湖泊，此时东海面积约140km2，1953年青土湖完全干涸，1980年东海面积已变得非常小。近2000年来猪野泽面积不断地缩小并分裂成多个小湖甚至干涸，这是气候变化和人类活动 (主要入湖河流上游周边的垦殖灌溉 )双重因素影响的结果(冯绳武，1963)。2001年7月，国务院副总理温家宝在一份关于河西走廊石羊河流域生态环境恶化的调查报告上作出批示：“决不能让民勤成为第二个罗布泊”。自2010年向石羊河流域下游进行生态输水以来，干涸了半个多世纪的青土湖恢复了生机，湖周边植被盖度显著增加，至2016年湖水面积达25.2km2(赵军等，2018)。事实上，西北干旱区内流河流域的中下游地区因为降水稀少，除次数极少的暴雨过程可产生短时洪水外几乎不产流。因此，这些流域中下游的生态环境建设以及绿洲地区社会经济发展所需的水资源主要依赖于上游山区的产水量。由此可见，开展祁连山水塔变化及其影响的考察与研究，对下游河西走廊地区和柴达木盆地东缘绿洲地区的绿色发展具有重大现实意义。 国内学者对祁连山与冰川有关的考察可追溯至20世纪40年代(刘增乾，1946)，当时侧重古冰川地貌与冰期划分的考察与研究。我国真正意义上的现代冰川考察与研究开始于50年代。1958年，以施雅风先生为队长的中国科学院高山冰雪利用研究队，为了解决西北地区干旱缺水问题，在中国现代冰川研究尚处空白的状态下，首次开展了以祁连山为重点区域的冰雪资源考察，并初步查明了祁连山冰雪资源分布与储量状况，分析了冰雪消融对河流的补给作用，完成了我国**本现代冰川专著《祁连山现代冰川考察报告》(中国科学院高山冰雪利用研究队，1958)。1975～1979年，中国科学院兰州冰川冻土研究所联合兰州大学和甘肃省有关单位，成立了祁连山冰川利用研究队，再次对祁连山冰川进行考察，较系统地研究了祁连山冰川的分布、变化和融水径流等方面的规律，相关成果汇集于《中国科学院兰州冰川冻土研究所集刊(第5号)》(中国科学院兰州冰川冻土研究所，1985)。80年代，甘肃省政府决定加速河西商品粮基地建设，在全球气候变暖背景下河西水资源的变化趋势再次引起人们的广泛关注。中国科学院提出并资助了“六五”重点课题“甘肃河西水土资源及其合理利用”的研究，中国科学院兰州冰川冻土研究所相关科研人员在谢自楚研究员的组织和领导下，对祁连山冰川物质平衡、冰川近期变化、气候以及寒区水文等进行了观测与研究，相关成果汇集于《中国科学院兰州冰川冻土研究所集刊 (第7号)》(中国科学院兰州冰川冻土研究所，1992)。为了对祁连山冰雪及其变化进行系统的观测和研究，近十几年来我们一直对七一冰川进行定点观测，同时中国科学院西北生态环境资源研究院(其前身不同时期先后为中国科学院兰州冰川冻土研究所、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所等单位)在早期观测研究点的基础上，先后建立了祁连山冰川与生态环境综合观测研究站、黑河遥感试验研究站和黑河上游生态水文试验研究站，近期兰州大学也建立了甘肃省石羊河流域野外科学观测研究站。这些考察、观测与研究为本次关于祁连山冰雪资源变化与影响的考察与研究提供了坚实基础与保障。 20世纪50年代末到70年代初，祁连山大通河流域的木里煤矿和江仓煤矿以及青海湖流域内的热水煤矿处于开发中，为了解决矿区生活用房的冻土基础、矿坑边坡稳定及矿区道路基础稳定等工程问题，当时的中国科学院兰州冰川冻土研究所先后组建了木里、江仓、热水冻土队，开展了冻土钻探、坑探、地温监测，布设了试验场地，进行了多项现场试验。在近15年时间里断续地对三个地区的多年冻土进行了深入调查，获取了大量珍贵的现场数据。这些调查成果主要以手抄本或油印本形式提交单位档案室，部分内容通过研究所集刊、国内学术会议论文集、专题论文集、科技期刊等形式公开出版或发表(中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所，1971，1976)。70年代末到80年代初，中国人民解放军基建工程兵水文地质部队906团(1984年归属地质矿产部名为九〇六水文地质工程地质大队，现名为青海省环境地质勘查局)对祁连山地区开展了大范围的水文地质普查，由于多年冻土对区域水文地质条件的特殊影响，在本次调查中多年冻土受到极大关注，在祁连山多年冻土分布、厚度、局地因素的影响等方面取得了大量成果(曹继业，1980；郭鹏飞，1983)。国道G227穿越的大坂山隧道，是我国在多年冻土区修筑的**个隧道工程。90年代初，中国科学院兰州冰川冻土研究所为保障该隧道的安全施工与运营，在大坂山两侧开展了较长期的冻土调查和研究，相关观测与研究成果对高山地区多年冻土的分布及影响因素有了更进一步的认识(王绍令，1992)。还有一些零星的工程开发和科学考察活动，获得了相关地区多年冻土分布的下界高程数据(Cheng，1987；王绍令，1992)。2004年，由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和青海省公路科研勘测设计院实施的祁连山区多条公路的多年冻土工程地质勘察工作，在较大范围内对祁连山东部地区多年冻土进行了详细的钻探勘察(吴吉春等，2007a，2007b)，并在随后进行的青海省地方铁路—柴木铁路建设中，在沿线典型地段布设了多条多年冻土监测断面，开始定期的多年冻土地温监测活动。2008年开始，在冻土工程国家重点实验室和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“我国冰冻圈动态过程及其对气候、水文和生态的影响机理与适应对策”的支持下，在祁连山疏勒河流域和塔塔棱河流域开展了多年冻土勘察与监测，这在一定程度上弥补了祁连山中西部多年冻土观测与研究的空白(吴吉春等，2009；盛煜等，2010)。稍后，兰州大学在黑河源头也开展了多年冻土的调查与监测(王庆峰等，2013)。这些前期的调查、观测与研究，有利于我们在本次考察的基础上对祁连山区多年冻土环境与特征、变化与影响有更加系统的认识。 上述这些前期考察与研究工作大多集中在祁连山的相关观测点上或考察线路上或某一区域，为开展整个祁连山区的相关工作奠定了基础，但还需要在区域与考察内容上做进一步的补充。祁连山区多年冻土广泛发育，积雪范围大，关于它们的变化对水和生态环境的影响问题，目前还缺乏系统性的调查与研究。习近平总书记高度重视祁连山生态问题，多次作出重要批示，要求“抓紧解决突出问题，抓好环境违法整治，推进祁连山环境保护与修复”。我们本次考察在聚焦祁连山水问题的同时，也关注祁连山多年冻土和积雪变化对山区生态与环境的影响。另外，我国西北干旱区各内流河流域下游的发展与环境变化，与上游山区的来水量与气候变化密切相关。因此，我们本次考察与研究均以流域为单元，开展气候变化背景下祁连山各流域水资源变化及其对山区生态环境影响的调查与研究，以期服务于祁连山区的生态环境保护与建设以及下游绿洲地区的可持续发展。 1.2 祁连山水塔变化及其影响科学考察研究的主要内容与目标 “水塔”是指山地为维持下游环境和人类用水需求所储存和供给的水量状况(Viviroli et al.，2007；Immerzeel et al.，2010)，即“水塔”一词强调山地可为下游邻近地区提供淡水资源的重要性。在全球范围内，广泛分布的山地尤其是干旱半干旱地区的山地是水塔的主要分布区域(Viviroli et al.，2003，2007)。以青藏高原及其周边山地为核心的亚洲高山集中分布区即第三极地区，被称为亚洲水塔(Immerzeel et al.，2010)。本次科学考察从水塔的视角，聚焦祁连山区的储水与供水及其变化与影响问题。按照水塔的定义，首先必须界定祁连山水塔的山地空间范围和源于祁连山各河流的山区流域范围，在此基础上调查分析各流域山地区域的储水和产水状况。这样才能更好地理解祁连山水塔对其下游地区发展和生态环境建设的重要性，以利于相关生产与管理部门认识各河流上游山地对中下游地区水资源的供给状况，并在此基础上结合流域中下游地区社会经济发展和生态建设对水资源的需求状况，研判流域水资源的供需矛盾，进而制定合理的应对方案。 1.2.1 祁连山水塔范围与流域划分 祁连山东起乌鞘岭，西至当金山口，北邻河西走廊，南接柴达木盆地，东西长约880km，南北*宽处约330km。祁连山的主要支脉有乌鞘岭、冷龙岭、大坂山、拉脊山、日月山、青海南山、大通山、托来山、走廊南山、托来南山、疏勒南山、哈尔科山、宗务隆山、鹰咀山、野马山、野马南山、党河南山、土尔根达坂山、柴达木山和赛什腾山[图1-1，鉴于个别支脉名称在不同的出版物中有所不同，这里以中国地图出版社《中国地图集》(杜秀荣和唐建军，2005)中的名称为准]，*高峰团结峰(又称岗则吾结，海拔5808 m)位于疏勒南山。地貌特征是确定祁连山山