青藏高原河流輸沙量變化與影響

張 凡 史曉楠 曾 辰 王冠星 陳 瑤 王 莉 張宏波 余鐘波

1 中國科學院青藏高原研究所 環境變化與地表過程重點實驗室 北京 100101 2 中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心 北京 100101 3 中國農業大學 水利與土木工程學院 北京 100083 4 河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室 南京 210098

1 青藏高原河流輸沙量研究的重要意義

青藏高原是亞洲多條大江大河的發源地，為下游20 多億人民提供寶貴的水資源[1]。水是生命之源，土是生存之本。水土資源為人類文明的生存和發展提供給養，然而流走的水土資源（即水土流失）對區域生態環境以及下游的水環境、水安全產生負面的影響。河流輸沙量相較于徑流量而言對氣候和地表過程的變化更敏感，是量化土地退化及土壤資源減少的重要指標，也是地球化學循環的重要路徑[2]。闡明近幾十年來青藏高原主要河流輸沙量的變化與影響，可為青藏高原水土資源及生態環境的科學管理以及下游的水環境、水安全管理提供科學依據。

評估河流泥沙變化與影響，一直是相關學科研究關注的熱點問題，國內外很多學者已經在世界多條大江大河中開展相關研究[3-9]。Walling 和 Fang[2]對全世界 145 條主要河流的輸沙量變化趨勢進行了分析，發現近一半河流的輸沙量顯著減少（47%），主要原因是水庫攔蓄的作用；另一半河流泥沙無顯著變化；只有 7 條（5%）河流的輸沙量呈增加趨勢。其中輸沙量無顯著變化的河流并不能說明其氣候環境無變化，也有可能是因為氣候和環境變化的正、負反饋相抵的結果。Walling 和 Fang[2]認為，氣候變化對河流輸沙量的影響證據仍十分有限，開展相關研究是非常必要的，同時可以提高人類活動影響的辨識度。

據估計，全球入海的泥沙約有 1/3 來自青藏高原及其周邊地區的大河[10,11]。因此，青藏高原的河流不僅是重要的水源，同時也是重要的海洋泥沙輸移介質。近年來，發源于青藏高原的大江大河，如黃河、長江、印度河、雅魯藏布江（布拉馬普特拉河）、瀾滄江（湄公河）等河流的泥沙問題受到持續關注。然而，大多數研究主要集中在河流下游或入海口處，對于青藏高原出山口輸出的泥沙量及其變化趨勢尚不清楚。

本研究選取青藏高原主要河流，包括內流河葉爾羌河中上游（卡群水文站以上，簡稱“葉爾羌河源”）、疏勒河上游（昌馬堡水文站以上，簡稱“疏勒河源”）、黑河上游（扎馬什克水文站以上，簡稱“黑河源”），印度洋水系的雅魯藏布江中上游（奴各沙水文站以上，簡稱“雅魯藏布江源”）、怒江上游（道街壩水文站以上，簡稱“怒江源”），以及太平洋水系的黃河源區（唐乃亥水文站以上，簡稱“黃河源”）、長江源區（直門達水文站以上，簡稱“長江源”）、瀾滄江源區（香達水文站以上，簡稱“瀾滄江源”），開展輸沙量變化與影響研究。這些河流的流域范圍及其空間分布如圖 1 所示，而圖 2 則展示了各流域的土地利用信息。本研究對比了河流輸沙量的空間特征及其近幾十年來（1960—2017 年）的變化及趨勢，從多因素影響的角度分析了輸沙量變化的不確定性，并指出河流輸沙量變化對青藏高原生態環境及水利工程安全的影響。

圖1 青藏高原8 條河流流域范圍及地理空間分布

2 青藏高原河流輸沙量概況

土壤圈層是連接巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈的關鍵界面。青藏高原特殊的自然地理條件使其土壤發育較差、土層薄、風化程度較低[12]。土層一經破壞極易造成生態環境的迅速惡化，給高原人口的生存、發展造成損失。河流輸沙量是量化區域土壤資源減少及生態環境變化的重要指標。為總體認識青藏高原水土流失情況，本文統計了 8 條主要河流的多年平均年徑流量和年輸沙量。表 1 列出了青藏高原出山口水文站、數據年限及流域面積等信息。這 8 條河流平均每年從青藏高原輸出的徑流總量為 1 179.2 億立方米，輸出的懸移質總量為 1.099 億噸。按照流域平均年降水量排序，依次為怒江源＞瀾滄江源＞黃河源＞長江源＞黑河源＞雅魯藏布江源＞疏勒河源＞葉爾羌河源；按照平均年徑流量排序，依次為怒江源＞黃河源＞雅魯藏布江源＞長江源＞葉爾羌河源＞瀾滄江源＞疏勒河源＞黑河源；按照平均年懸移質輸沙量排序，依次為怒江源＞葉爾羌河源＞雅魯藏布江源＞黃河源＞長江源＞瀾滄江源＞疏勒河源＞黑河源。

為了消除流域面積差異的影響，計算了各流域多年平均年徑流深和年輸沙模數（圖 3）。按照平均年徑流深排序，依次為怒江源＞瀾滄江源＞黃河源＞雅魯藏布江源＞黑河源＞葉爾羌河源＞長江源＞疏勒河源；按照平均年輸沙模數排序，依次為葉爾羌河源＞疏勒河源＞怒江源＞黑河源＞瀾滄江源＞雅魯藏布江源＞黃河源＞長江源。對比 8 個流域的徑流深和輸沙模數，長江源是徑流深和輸沙模數都較小的河流，葉爾羌河源、疏勒河源、黑河源相對屬于水少沙多的河流，瀾滄江源、黃河源、雅魯藏布江源的水、沙處于相對均衡的中等水平。需要說明的是怒江受數據獲取的限制，控制站選擇的是位于海拔較低的街道壩站（海拔 670 m），其降水量、徑流深和輸沙模數均較高。下面對兩類情況展開討論：

圖 2 青藏高原8 個流域的土地利用分布圖

表 1 青藏高原主要河流及水文站基本信息

（1）長江源水少沙少。由于流域平均氣溫較低（-1.28℃），冰凍期長，排水不暢，冰川消融不強烈[13]，導致流域的徑流量相對較小。該流域雖然海拔高，但內部地勢平緩，分布著大面積的沼澤、湖泊、濕地等，是 8 條河流中水域面積占比最大的河流，也是凍土面積占比最大的河流（約 96%），泥沙源供應受限以及流域內部的沉積存留是造成輸沙模數較低的主要原因。

（2）葉爾羌河源、疏勒河源和黑河源水少沙多。這 3 條河流均屬于內流河，其中葉爾羌河源和疏勒河源的降雨量少，屬于干旱區氣候，然而由于冰川面積占比較大，冰川融水徑流補給作用大。研究表明葉爾羌河冰川融水補給占比 50% 以上[14-16]。此外，這 3 條河流兩個共同點是河道坡降陡（表 1）和流域內未利用土地面積占比大、草地面積占比相對較小（圖 2）。陡的河道坡降使得水流侵蝕和輸沙能力增強，相同的徑流量攜帶的泥沙更多；而未利用土地主要包括沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸地等植被覆蓋度低的土地。特別是葉爾羌河源和疏勒河源未利用土地占比將近流域一半的面積，低覆蓋度的地表為侵蝕提供豐富的沙源，在周期性的冰川洪水作用下進入河道向下游輸送[17]。

圖 3 青藏高原8 條河流多變量對比圖

相關性分析顯示，徑流深與降水量和流域多年凍土面積占比相關性最高，其中與降水量呈顯著正相關、與流域多年凍土面積占比呈顯著負相關；輸沙模數則與流域冰川面積占比、徑流深、流域草地面積占比、河道坡度和氣溫相關性較高，其中與流域草地面積占比呈顯著負相關，與上述其他因子呈顯著正相關。各流域徑流深與降水量和流域多年凍土面積占比的對比、輸沙模數與徑流深和冰川面積占比的對比（圖 3）顯示：① 多年凍土面積占比相對較小的葉爾羌河源、雅魯藏布江源、黃河源、瀾滄江源、怒江源徑流深較大，且呈現降水量越大徑流深越大的模式；② 多年凍土面積占比較大的長江源、疏勒河源、黑河源徑流深較小，且呈現多年凍土面積占比越大徑流深越小的模式；③ 冰川面積占比較小的長江源、黃河源、雅魯藏布江源、瀾滄江源、黑河源、怒江源輸沙模數較小，且呈現徑流深越大輸沙模數越大的模式；④ 冰川面積占比相對較大的葉爾羌河源和疏勒河源輸沙模數較大。

決策樹分析結果也體現了類似的規律。① 對于徑流深而言，其首要影響因素為降水量，二者之間呈正相關，降水量越高徑流深越大；其次要影響因素為流域內多年凍土面積占比，二者之間呈負相關，多年凍土面積占比越高徑流深越小。② 對于輸沙模數而言，其首要影響因素為流域內冰川面積占比，二者之間呈正相關，冰川面積占比越高流域輸沙模數越大；其次要影響因素為徑流深，二者之間也呈正相關，徑流深越大則流域的輸沙模數也越大。盡管 8 條河樣本量的限制一定程度上造成分析結果的不確定性，但上述統計分析均顯示高原河流輸沙受到地形地貌、氣候條件、土地利用等多因素的影響。

3 青藏高原河流輸沙量變化特征

表2 列 出 了8 條 河 流 氣溫、降水量、徑流量、輸沙量的年際變化 Mann-Kendall 和 Pettitt 顯著性檢驗結果。分析結果表明：8 個流域的氣溫均呈顯著增加趨勢，其中瀾滄江源升溫速率最高（0.5℃/10 a）外，其他 7 個流域的升溫速率在 0.3℃/a —0.4℃/a 范圍內變化。3 條內流河（葉爾羌河、疏勒河源、黑河源）的降水量在 α=0.01 水平上呈顯著增加趨勢，長江源的降水量在 α=0.05 水平上顯著增加，其他 4 個流域的降水量變化在統計上不顯著，其中雅魯藏布江源、怒江源和瀾滄江源的降水量呈微弱下降趨勢，而黃河源的降水量呈微弱上升趨勢。對于徑流量和輸沙量，3 條內流河（葉爾羌河源、疏勒河源、黑河源）以及怒江源呈顯著增加趨勢，雅魯藏布江源、黃河源、長江源和瀾滄江源的變化趨勢統計上不顯著。

河流輸沙量的變化與氣溫、降水量、徑流量的變化密切相關，Spearman 檢驗結果顯示 8 條河的輸沙量變化均與徑流量變化顯著相關，但輸沙量和徑流量與氣溫和降水量的相關關系不盡相同，下文分 2 組情況分別討論。

（1）徑流量和輸沙量均顯著增加的河流。包括葉爾羌河源、疏勒河源、黑河源和怒江源，其冰川面積占比分別是 9.62%、3.73%、0.44%和1.27%。徑流量和輸沙量的變化通常和升溫導致的融水增加以及降水量變化相關。這 4 條河流除冰川面積占比最小的黑河源外，其他 3 條河流的輸沙量與氣溫均呈高度正相關。葉爾羌河源由于年降水量非常少而冰川融水補給權重很高，因此氣溫增加導致融水徑流增加是其輸沙量增加的主要原因；疏勒河源輸沙量的增加是氣溫增加導致融冰徑流增加以及降水量增加共同作用的結果；黑河源由于冰川融水貢獻較小，因此輸沙量的增加主要來自降水量顯著增加的貢獻；怒江源降水量變化不顯著，因此輸沙量應該是受氣溫導致的融水增加的影響呈增加趨勢。

表 2 8 條河流氣溫、降水量、徑流量、輸沙量的年際變化率及其顯著性檢驗

（2）徑流量和輸沙量無顯著變化的河流，包括雅魯藏布江源、黃河源、長江源和瀾滄江源，其冰川面積占比分別是 1.17%、0.09%、0.80% 和 0.58%。與上面 4 條河流的相關性分析結果明顯不同的是，這 4 條河流輸沙量與氣溫均不相關。其原因是冰川融水的補給比例相對較小，因此升溫對徑流量和輸沙量變化的影響不顯著。然而，除瀾滄江源外，雅魯藏布江源、黃河源、長江源的輸沙量均與降水量顯著正相關，表明這 3 條河流的輸沙量主要受降水量影響，即隨著降水量的年際波動而變化，其中雅魯藏布江源、黃河源、瀾滄江源由于近年來降水量的變化不大，因此其輸沙量年際變化亦不顯著；長江源雖然降水量呈顯著增加趨勢，但可能受流域內較大面積占比的湖泊、沼澤、濕地的存儲效應的影響其輸沙量變化不顯著。

雖然隨著氣候變化對水循環進程的加劇，氣溫和降水對河流輸沙量的影響很大，但冰川、凍土、植被等地表過程要素的變化也是重要的影響因素，然而氣候變化背景下冰川、凍土、植被變化對河流輸沙量變化的多因素驅動機制仍有很多方面尚不明確，這也是導致河流輸沙量變化不確定的主要因素之一，這將在本文第 4 部分加以討論。

4 青藏高原河流輸沙量變化趨勢的不確定性

隨著全球變暖對高寒區水循環的加劇[18,19]，河流輸沙量受氣候、水文、地表過程及人類活動等的影響也在變化，并且其變化存在不確定性，這一不確定性主要來自多影響因素正負反饋的平衡機制及其空間差異性。

由于研究區位于河流的源區或上游，人類活動規模較小因此暫不考慮人類活動的影響。圖 4 展示了影響青藏高原河流輸沙量的多因素作用示意圖，其中影響河流輸沙量變化的氣候要素主要包括氣溫和降水，地表過程要素主要包括冰川、凍土、植被覆蓋、融冰徑流、融雪徑流和降雨徑流等。

圖 4 影響青藏高原河流輸沙量變化的多要素作用示意圖

氣溫增加導致冰雪融水增加、凍土退化。其中，融水增加，一方面會增強侵蝕力[20]，另一方面會通過與降雨洪峰的疊加增加水流的輸沙能力。土壤凍融，一方面通過季節性或日內的凍融循環影響地表水熱分布以及表土的可蝕性[21,22]，另一方面解凍期間上層土壤的近飽和狀態耦合下層低粗糙度、弱透水性凍結層增加了發生嚴重水土流失的風險。降水，一方面通過降水強度變化影響對坡面土壤的侵蝕和搬運能力，另一方面通過改變徑流影響河道泥沙輸移能力，從而影響河流輸沙量的變化[23]。氣溫、降水以及冰川融水這些因素可以被認為是增加河流輸沙量的正反饋因素。而植被通常認為是減少水土資源流失的負反饋因素：通過截留和改善土壤入滲降低地表產流，通過對地表土壤的保護作用抑制侵蝕量，從而減緩水土流失進程[24,25]。在青藏高原總體變暖變濕的背景下，植被覆蓋總體趨好，但個別地區也存在草場退化、土壤沙化的現象，因此植被變化對青藏高原河流輸沙量的影響尚未有全面評價，這也是導致河流輸沙量變化不確定性的主要因素之一。此外，氣候變化對凍土的影響以及凍土對土壤水熱及土壤可蝕性等的影響仍有很多方面尚不明確。這些正、負反饋因素的變化及其平衡機制的不確定性導致河流輸沙量變化的不確定性。

河流輸沙量變化的不確定性，同時受青藏高原內部的氣候格局及其水文和地表過程響應的空間差異影響。例如，近幾十年來，青藏高原總體呈變暖變濕趨勢[26,27]，升溫導致冰川退縮[28,29]、冰川融水增加[30]及凍土退化[31]等。同時，高原生態總體趨好，植被覆蓋指數呈增加態勢[32,33]。然而，受印度季風減弱和西風加強的影響，其內部的氣候格局及其環境響應亦存在一定的空間差異[1,27]。例如，降水量有北部加強南部減弱趨勢[27]，冰川在西風影響區多處于穩定或前進狀態，在季風影響區多處于穩定或后退狀態[1]，河流徑流量呈中部增加、東部和南部減少趨勢[27]；返青期除西南部出現推后，其他地區呈提前趨勢[34,35]。因此，了解青藏高原河流輸沙量的變化及其氣候響應機制，還需要考慮區域氣候變化的空間差異。

5 河流輸沙量變化研究是青藏高原迫在眉睫的科技任務

本研究選取青藏高原 8 條主要河流開展了輸沙量變化與趨勢研究。這 8 條河流平均每年從青藏高原輸出的徑流總量約為 1 179.2 億立方米，輸出的懸移質總量約為 1.099 億噸。近 50 年間，內流水系的葉爾羌河源、疏勒河源、黑河源以及印度洋水系的怒江源徑流量和輸沙量均顯著增加；印度洋水系的雅魯藏布江源以及太平洋水系的黃河源、長江源和瀾滄江源徑流量和輸沙量無顯著變化。這些河源區徑流量和輸沙量的變化主要和升溫導致的融水增加以及降水量變化相關。通常認為氣溫、降水以及冰川融水是增加河流輸沙量的正反饋因素，植被是減少水土流失的負反饋因素，而凍土對土壤水熱和土壤可蝕性等的影響尚不明確。這些正、負反饋因素的變化及其相互作用導致了河流輸沙量變化的不確定性。

變化環境下青藏高原河流泥沙的時空變化已經引起一系列生態環境風險和問題，每條河流因其自然地理條件的差異所彰顯的問題亦有所不同，因此河流輸沙量研究是青藏高原迫在眉睫的科技任務。

（1）水土流失引起的土壤和草場退化。青藏高原的土壤作為農牧業發展的基礎，是當地人口賴以生存的寶貴資源。然而，在青藏高原特殊的自然地理環境下土壤發育較差、成土速率低、土層薄，水土流失將加劇區域生態環境的脆弱性。例如，近年來深受關注的三江源草地退化問題，已有研究表明隨著氣候變暖和過度放牧造成區域大面積草地退化[36,37]，表土流失造成土壤貧瘠和巖石裸露[38]。雅魯藏布江的“一江兩河”地區是我國西藏自治區經濟發展核心地區，同時也是河流泥沙的主要源區[39]。由于河道側蝕、溝岸擴張及山洪作用等，區域內多地區的耕地呈遭受不同程度的沖毀或淹沒[40]，日益加劇的水土流失造成耕層日趨淺薄、土壤肥力下降[41,42]。因此，為了區域的可持續發展，通過河流輸沙量變化研究水土流失變化態勢和驅動機制，有助于制定有效的管理措施，保障青藏高原農牧民的生存發展空間。

（2）河道和水庫淤積。青藏高原地勢險峻，河道比降大，當水流繼續向下游行進至較平緩區域時就會發生沉積。河床泥沙淤積特別是洪水事件引發的大量淤積會造成河床抬高、過水斷面變窄，影響河道水流輸送及泄洪能力。以年楚河為例，河床淤積是近年來頻發的斷流和洪水事件的重要原因之一；發生在水庫上游的淤積還會影響水庫庫容和調蓄能力，年楚河流域的多個攔河水庫面臨被泥沙淤滿的危險[41]。其中，貢嘎達然多水庫因泥沙淤積，實際保障灌溉面積不足控制灌溉面積的 1/5[40]。此外，河床沉積的大量泥沙還是冬、春季多發的沙塵天氣的主要源頭。例如，雅魯藏布江中游河谷地區在枯水期水位下降后，河心灘、河漫灘露出水面，以及兩側山體及階臺地上的流動沙丘，在冬春季大風作用下，河谷地區形成沙塵暴，不僅掩埋公路、農田、牧場，據報道還造成拉薩貢嘎機場每年被迫間歇性關閉數十日[43,44]。因此，理解青藏高原河流泥沙的時空分布特征，從而制定切實可行的水沙管理調控措施，是有益于青藏高原生態環境綜合治理的有效科學手段。

（3）對水利工程安全的影響。河流泥沙是水利工程建設及運行中必須考慮的一項重要指標，關系到防洪、蓄水、河床沖淤以及水生生態等問題。青藏高原的水資源豐富，具有巨大的水電資源開發潛力。本文涉及的 8 條河流源區向下游方向均有建成的或在建的大壩電站，如：瀾滄江在西藏境內規劃的 6 座梯級電站[45]，黑河干流黃藏寺—鶯落峽河段規劃開發的 8 座梯級電站[46]，雅魯藏布江在奴各沙站下游建成的藏木電站以及在建的街需電站和加查電站等。這些水利工程的安全運行不僅需要考慮當前的泥沙水平，還應該關注氣候變化下河流輸沙量的變化，包括極端氣候事件下的泥沙輸移、冰雪融水和降雨的季節差異導致的泥沙在季節上的分布不均，以及在氣候和地表環境變化共同作用下的泥沙年際變化趨勢等。因此，在青藏高原開展氣候變化對河流輸沙量的影響是一項重要的研究議題，可為應對未來氣候變化下的水利工程安全運行管理提供科學依據。

目前，河流輸沙量變化研究不可避免面臨數據方面的限制。① 世界許多地區，特別是發展中國家，缺乏河流含沙量的觀測。而青藏高原由于自然條件惡劣、人口稀少，水文氣象站點稀缺的問題更為突出。② 在大多數情況下，針對河流泥沙只開展了懸移質含沙量觀測，缺乏對推移質輸沙量的測量。盡管推移質通常被認為只占總泥沙通量的 10% 左右，但對于高寒地區河流懸移質與推移質輸沙量比例的研究有限，這種缺測的影響有待討論。③ 長期的泥沙監測計劃在世界許多地區都較為缺乏，從而影響了輸沙量變化趨勢分析的可靠性。因此，水文氣象資料稀缺是認識青藏高原河流輸沙量變化及其影響的重大挑戰。亟待通過進一步加強觀測與模擬研究揭示輸沙量變化的復雜機理，為青藏高原水土資源可持續利用以及下游的水安全管理提供科學依據，服務于國家生態安全屏障建設。