三江源水资源演变及其生态环境效应评价

第1章 绪论 1.1 三江源及其区域水资源概况 1.1.1 区域概况 三江源地区位于青藏高原中东部、青海省南部，是青藏高原的腹地[1]，面积大约为36.3 万km2，地理位置为北纬31°39′～36°12′，东经89°45′～102°23′。三江源地区西、西南与新疆、西藏接壤，东、东南和四川、甘肃毗邻，北以青海海西蒙古族藏族自治州和海南藏族自治州的共和县、贵南县、贵德县三县及黄南藏族自治州同仁市为界。 三江源地区是我国三大主要河流长江、黄河和澜沧江的源头汇水区，地势西高东低、南高北低，山地是主要地貌，区内山脉分布众多、地形较为复杂。地貌组合在南北方向上呈现山地与河谷湖盆相间现象，东西方向上表现为东南部流水与冰川作用地貌较强，而西北部风成地貌和湖泊地貌发育。研究区平均海拔4 300 m，*高点海拔6 824 m，位于昆仑山的布喀达坂峰，*低点海拔约为2 580 m，处于玉树藏族自治州东南部的金沙江江面。 如图1.1 所示，在三个源区中，长江源区平均海拔*高，约为4 200 m ，地势相对平坦、起伏较小，多高原湖泊分布，主要分为三个地貌单元：唐古拉山高山区、西部高平原区、东部巴颜喀拉山高山区。长江源区分为两部分，大部分地区位于三江源地区中西部，另有小部分位于三江源地区西南角，总面积为15.9 万km2，约占三江源地区总面积的44%。黄河源区位于三江源地区东部，面积为16.7 万km2，约占三江源地区总面积的46%。澜沧江源区，面积为3.7 万km2，约占总面积的10%。 图1.1 三江源地区示意图 三江源行政区域包括果洛藏族自治州的玛多县、玛沁县、达日县、甘德县、久治县和班玛县6 个县，玉树藏族自治州的称多县、杂多县、治多县、曲麻莱县、囊谦县和玉树市6 个县市，海南藏族自治州的兴海县、同德县2 个县，黄南藏族自治州的泽库县、河南蒙古族自治县2 个县以及海西蒙古族藏族自治州的格尔木市管辖的唐古拉山镇，共16 县市、1 镇。三江源地区还是少数民族聚集地，除河南蒙古族自治县以蒙古族为主外，各县市皆以藏族为主，区内分布的其他民族还有汉族、回族、撒拉族、东乡族、土族、满族等。三江源地区地广人稀，人口密度极低，常住人口约为91.7 万人[2]。 1.1.2 水资源概况 1. 地表水资源 1） 河流水系 三江源地区水系众多，可以分为外流水系和内流水系，有大小河流约180 条，河流面积0.16 万km2[3]。外流水系包括长江、黄河、澜沧江三条大河的源头流域。其中，长江源有一级支流109 条、二级支流274 条、三级支流162 条和四级支流30 条，其主要的支流的年径流量分别为：当曲46.06 亿m3、楚玛尔河10.39 亿m3、沱沱河9.18 亿m3、莫曲11.70 亿m3、北麓河3.98 亿m3、科欠曲3.55 亿m3、色吾曲3.2 亿m3 等。黄河源有一级支流126 条、二级支流338 条、三级支流157 条和四级支流8 条，其主要支流年径流量分别为：多曲3.5 亿m3、热曲19.87 亿m3、达日勒曲8.45 亿m3、切木曲8.33 亿m3、曲什安河8.16 亿m3、巴曲16.71 亿m3 及隆务河6.6 亿m3。澜沧江源有一级支流46 条、二级支流108 条、三级支流51 条和四级支流7 条，其主要支流年径流量分别为：扎曲97.8 亿m3、昂曲53.6 亿m3 及子曲43.20 亿m3。内流水系包括羌塘高原水系、柴达木盆地水系和青海湖水系。位于三江源地区西北的羌塘高原属于我国著名的内流湖区，河网密集、湖泊众多。虽然由于地形的阻隔，羌塘内流河湖与长江、澜沧江等外流河分属于不同的流域，两者之间不存在直接的通路，但是，由于存在地下水交换和大气水热交换[4]， 以及生态系统相互耦合，两者之间仍然紧密相连。 直门达水文站、唐乃亥水文站和昌都水文站分别为长江源、黄河源、澜沧江源的重要控制站，三个水文站以上的流域即为长江源、黄河源、澜沧江源。其中直门达水文站（1954～2008 年）的年均径流为125.9 亿m3[5]、唐乃亥水文站（1956～2016 年）的年均径流为205.1 亿m3[6]、昌都水文站（1960～2018 年）的年均径流为153.8 亿m3[7]。 2）湿地资源 三江源地区河流密布，湖泊、沼泽众多，雪山冰川广布，是世界上海拔*高、面积*大、分布*集中的地区，被誉为“中华水塔”。三江源地区有四大类湿地类型包括河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地和人工湿地，湿地总面积达7.33 万km2[8]，约占保护区总面积的22.9% 。三江源是一个多湖泊地区，三江源地区湖泊湿地总面积为8 775 km2，主要分布在内陆河流域和长江、黄河的源头段，大小湖泊1 800 余个，湖水面积在0.5 km2 以上的天然湖泊有188 个，总面积0.51 万km2[3]。此外，三江源地区拥有大量的沼泽面积，在黄河源区、长江源区和澜沧江源区，包含大量的独*类型的沼泽，是中国*大的天然沼泽分布地。 3） 冰川雪山 冰川是我国西部独*的山地景观，冰川的融水补给河流，浇灌着内陆盆地农田，冰川融化过程又会调节气候，降低局地气温。三江源地区冰川较多，2019 年源区总共有冰川1 238 条，冰川面积约1 217.96 km2，冰川储量为87 km3。冰川以长江源区为*多，分布冰川869 条，冰川总面积为1 010.55 km2，冰川储量为75.37 km3；黄河源区有冰川94 条，面积达到96.6 km2 ，冰川储量为7.2 km3；澜沧江源区有冰川275 条，面积为110.8 km2 ， 但冰川储量为5.09 km3[9]。 受气候变暖等因素的影响，截至2001 年，三江源地区冰川面积在过去的30 年间整体减少233 km2。观测资料显示，当曲河源冰川退缩率达到每年9 m 时，沱沱河源冰川退缩率达到每年8.25 m，格拉丹冬的岗加曲巴冰川在近20 年中后退了500 m ，年均后退25 m。澜沧江源区雪线以下到多年冻土地带的下界，海拔4 500～5 000 m ，呈冰缘地貌，下部因热量增加，冰丘热融滑塌、热融洼地等类型发育。山北坡较南坡冰舌长1 倍以上，冰舌从海拔5 800 m 雪线沿山谷向下至末端海拔5 000 m 左右，*长的冰舌长4.3 km 。源区*大的冰川是色的日冰川，面积为17.05 km2，是查日曲两条小支流穷日弄、查日弄的补给水源[10]。 根据冰川编目数据对三江源地区冰川的统计，2016 年共计发育冰川1 571 条，冰川面积约为2.36×103 km2。对不同规模等级冰川进行统计，结果表明小冰川（面积小于10 km2）的冰川条数占三江源地区冰川总数的74.45% ，其面积占冰川总面积的15.34%； 大冰川（面积大于10 km2）的冰川条数占三江源地区冰川总数的2.63% ，其面积占冰川总面积的38.65% 。随着全球气候变暖，三江源地区冰川消融加速。与第二次冰川编目（2004～2011 年）相比，2020 年三江源地区格拉丹东冰川和阿尼玛卿冰川面积分别减少5.51%和4.96%[11]。根据长江源沱沱河流域冰川径流的估算，沱沱河流域年平均冰川融水量为0.38 亿m3，在2010 年，冰川融水径流达到*大值，比1960～2000 年的冰川平均融水径流增加了120.89%[12]。 2. 地下水资源 三江源地区地下水资源蕴藏量比较丰富。根据《2020 年青海省水资源公报》，三江源地区地下水资源总量为326.23 亿m3。 长江源区地下水资源量约为122.71 亿m3。长江源区地下水属山丘区地下水，主要是基岩裂隙水，其次是松散碎屑岩孔隙水，此外还有冻结层水，其补给来源主要有天然降水的垂直补给和冰雪融水补给，以水平径流为主。地下水分布和降水量分布一致。长江源区普遍分布着地下水上涌所形成的泉涌，河流干支流附近谷地多有密布的泉群，以楚玛尔河下游北岸泉群的泉眼数为*多，分布面积也*广。深循环的地下水沿断裂通道上涌而形成的温泉在长江源区南北部有出露，以唐古拉山北麓为多，*为集中的温泉群在布曲上段河谷地带。山丘区地下水通过河川外泄，与地表水重合，故长江源区地表水资源量即为水资源总量。 黄河源区地下水资源量约为138.74 亿m3。黄河源区属高原山丘地区，地下水资源动储量包括山区裂隙水域多年冻土层上部地表活动层潜水，均侧向补给河川径流而转化为地表水。 澜沧江源区地下水资源量约为64.78 亿m3。澜沧江源区地下水属山丘区地下水，分布特征主要是基岩裂隙水，其次是碎屑岩孔隙水。补给来源单一，主要接受降水的垂直补给和冰雪融水补给，以水平径流为主，通过河流和潜流排泄。水质较好，pH 为7～8.5 。 另外，三江源地区的内流区蕴藏地下水资源量约为93.83 亿m3 ，其中羌塘高原内流区约为9.06 亿m3、柴达木盆地约为55.67 亿m3、青海湖水系约为29.10 亿m3。 1.2 三江源降水变化规律分析方法及模拟方法研究进展 1.2.1 三江源降水变化规律分析方法 受全球变暖影响，青藏高原经历了变暖和增湿的过程[13]，在此背景下，三江源地区的降水已经发生显著的变化。刘晓琼等[14]、强安丰等[15]基于观测系列完整的站点数据分析三江源地区的降水变化，证实了21 世纪以来源区降水整体增加的事实。年际上，年均降水量主要呈现自东南向西北递减的空间分布格局，空间趋势上有斑块状分布的降水减少区，空间差异显著；季节上，变化呈现明显的区域和季节性差异，夏季降水量为四季*大，与年际降水变化趋于一致，春秋两季降水量差异不大且变化趋于一致，冬季降水量*低，空间差异*小。这与青藏高原观测到的降水整体呈现增加，季节和空间分布差异显著，夏季降水具有主导性的变化特征一致[16-18]。但是，目前研究表明，三江源地区降水的变化与其*关键的驱动要素——水汽的变化有着明显的差异。强安丰等[19]利用欧洲气象中心资料（ERA-interim ）再分析数据计算三江源地区整层水汽含量并与观测降水进行对比，发现水汽含量的增速远远大于降水的增速，这使得水汽-降水转化效率在部分时段出现不显著的下降趋势，呈现出水分收支异常的气象干旱现象[20]。诸多关于青藏高原水汽-降水转化的研究表明，这种气象干旱有增长的趋势，主要发生在包括三江源地区在内的青藏高原东南部，而这一地区的降水是整个青藏高原*为丰沛的[13，21-24]，这一变化与明显暖湿化的气候背景形成鲜明对比。诸多学者针对该问题进行了深入研究，试图解释这一变化的原因。 对于总体暖湿化、降水增加的趋势：陈德亮等[25]指出水循环加强是水体对气候变暖和变湿的响应，在全球变暖的事实面前，青藏高原水循环过程加强，大气水汽含量、降水量都将会相应增加；Guo 和Wang[26]从水汽再循环的角度出发，指出青藏高原内部蒸散发水汽增多、水汽再循环率增大、区域水循环加速是降水增加的原因之一；同时，季风对水汽输送、降水转化有重要影响，在分析水汽-降水变化时需要考虑季风因素，Gao 等[13] 指出随季风环流的加强，青藏高原附近的低空南风和高空北风加强，并发现东亚西风急流整体呈现北移迹象，水汽输送整体极向移动加大了季风降水控制范围，增加了高原降水。 对于降水整体增加不如水汽显著这一现象，可能与贡献降水的水汽输入减少有关。Gao 等[13]指出近几十年来西风水汽输送减弱使得来自欧亚大陆的水汽对青藏高原降水贡献减少，加之西风急流系统整体北移，使得西风环流对高原南部降水的控制减弱；解承莹等[27]指出近40 年来尽管青藏高原东南部大气可降水量呈现增加趋势，但水汽收支呈现递减趋势，同时还发现区域西风活动减弱使得西风带纬向水汽输送减少；Zhang 等[28] 利用多种气象数据进行水汽收支分析，