“亞洲水塔”變化對下游水資源的連鎖效應

湯秋鴻 劉星才 周園園 王 杰,2 運曉博,2

1 中國科學院地理科學與資源研究所 中國科學院陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室 北京 100101 2 中國科學院大學 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。“亞洲水塔”是下游亞洲大河文明的重要水源地。黃河、長江、恒河、印度河等河流在“亞洲水塔”河源區(qū)產流量占其流域徑流總量最高比例可達 30% 以上[1-3]。在上述大河中，黃河流域承載了中國 9% 的人口和 7% 的國內生產總值；長江流域承載了中國 33% 的人口和 21% 的國內生產總值；恒河流域承載了印度 42% 的人口和 33% 的國內生產總值；印度河流域承載了巴基斯坦 88% 的人口和 92% 的國內生產總值。“亞洲水塔”對流域下游的水資源安全與經濟社會發(fā)展具有至關重要的意義。

“亞洲水塔”河流源區(qū)廣泛分布的冰川、凍土、湖泊是天然的調蓄水庫，具有蓄水和調節(jié)河川流量的生態(tài)服務功能。但是，在氣候變化和人類活動影響下，青藏高原環(huán)境正發(fā)生快速變化，這給“亞洲水塔”水源地保護帶來嚴峻挑戰(zhàn)。冰川融水是“亞洲水塔”河流徑流補給的重要來源。雅魯藏布江、怒江、黃河、塔里木河、獅泉河、瀾滄江—湄公河、長江等河流源區(qū)總徑流中都包含了部分冰川融水貢獻。氣候變暖使得冰川減少與凍土退化，由此導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與下游幾十億人民生活和社會發(fā)展息息相關，在下游地區(qū)實現聯合國可持續(xù)發(fā)展目標過程中可能發(fā)揮關鍵性影響。明確“亞洲水塔”變化對下游水資源的連鎖效應是核心科學問題，其不僅在地球系統科學研究中具有重要科學意義，同時也是我國國家戰(zhàn)略層面的重要科技任務。

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，隨著經濟社會的不斷發(fā)展，黃河流域水資源開發(fā)利用強度日益提高，水資源短缺問題嚴重，生態(tài)用水被大量擠占，水生態(tài)損害嚴重，流域上下游之間競爭性用水矛盾突出。

長江流域天然水質良好，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)的水能資源占全國一半以上。近年來，隨著大規(guī)模的水電開發(fā)和工農業(yè)生產的迅速發(fā)展，長江流域水污染問題嚴重，水生生物多樣性面臨嚴峻的挑戰(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，流經老撾、緬甸、泰國、柬埔寨和越南，最終流入我國南海，是亞洲重要的跨國河流。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重，被列為世界十大污染河流之一。

雅魯藏布江流經藏南地區(qū)后進入印度，被稱為布拉馬普特拉河，流入孟加拉國后稱為賈木納河，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業(yè)為主；恒河流域居住了大概 4 億人口，土地肥沃，以農業(yè)和漁業(yè)為主，污染嚴重；恒河三角洲大部分在孟加拉國，易發(fā)洪災，居住了 1 億多人口，以農業(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)利用強度不斷提高，水安全問題日益復雜和突出，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)關注的水安全問題各有側重，但是水資源與氣候變化影響、旱澇災害、水生態(tài)與水環(huán)境、風暴潮和泥石流災害等是焦點問題。氣候變化導致部分地區(qū)降水強度增加，從而使得下游河流洪水頻率增加，甚至引發(fā)水庫潰壩等次生災害[4,5]。隨著社會經濟發(fā)展，下游流域的水資源開發(fā)利用需求逐步加大，不同國家/區(qū)域之間、不同部門之間用水競爭明顯增加。在一些農業(yè)灌溉等人類用水活動劇烈的流域，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制

“亞洲水塔”變化對下游水資源的直接影響主要體現在河源區(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。氣溫上升通常會導致冰雪融化時間提前，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，氣候變化可能會增加冰雪融水，增加下游徑流量；但長期而言將導致冰川退縮，減少下游供水量，引發(fā)干旱和供水危機[7]。“亞洲水塔”下瀉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質，給河口三角洲地區(qū)帶來泥沙補給，是維持下游土壤肥力和漁業(yè)資源的關鍵因素。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業(yè)和漁業(yè)生產。

由于人類活動的影響，“亞洲水塔”變化對下游水資源的影響更為復雜。冰川融水是一些河流下游區(qū)域農業(yè)灌溉的重要水源。例如，印度河和恒河下游對“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%。隨著人口增長和灌溉農業(yè)擴張，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]，這將導致水資源壓力突顯，對“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，對上游來水量的依賴程度很高[9]。氣溫上升導致“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)社會和經濟發(fā)展的重要能源來源。大部分“亞洲水塔”河流已經修建或者正在規(guī)劃建設大量的大壩用于水力發(fā)電[11]，“亞洲水塔”變化將對水力發(fā)電產生重要影響。以黃河為例，上游河流源區(qū)對黃河中下游供水影響較大，需要同時滿足防洪排澇、農業(yè)灌溉用水、河道整治等多方面需求，因此河流源區(qū)徑流變化對流域水力發(fā)電潛力有顯著影響[12,13]。“亞洲水塔”河流上修建的大壩除了發(fā)電功能之外，本身還具備防洪和徑流調節(jié)等作用，可以減輕下游洪水和干旱風險[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共同改變下游的洪水脈沖、泥沙補給、供水和地下水開采需求，從而對下游河道和河口三角洲的生態(tài)與環(huán)境產生影響。

3 “亞洲水塔”變化帶來的下游水資源風險

3.1 “亞洲水塔”變化帶來的下游水資源風險凸顯

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。冰川融水變化導致下游河流徑流量年內分配發(fā)生變化，增加了汛期洪澇災害的風險，同時導致干旱季水量不足，甚至缺水干涸。冰川融水形成的洪峰多出現在每年 7—8 月，同時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明顯增加，容易引發(fā)洪澇災害。

隨著氣候變暖，春季冰川融水徑流的洪峰提前，秋季融水補給季節(jié)延長，容易導致冰磧湖潰決引起洪災。例如，2003—2009 年喜馬拉雅冰川融化產生了約 1 740 億噸的水，導致印度河、恒河和雅魯藏布江—布拉馬普特拉河發(fā)生災難性洪水[15]。19 世紀 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，造成了巨大的災害；潰決洪水沖淹了江孜和日喀則兩大城鎮(zhèn)，災害性影響波及 180 公里之外的雅魯藏布江[16]。相關模擬研究表明，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)淹沒的風險[17]。

3.2 未來風險變化趨勢

全球氣候變暖導致冰川大面積退縮，將嚴重影響下游水資源的穩(wěn)定性。在短期內，下游河流未來主要的風險是冰雪融水增加導致的洪水災害。例如，氣溫上升將導致印度河、布拉馬普特拉河流域冰川融水增加，從而使得下游洪水風險上升[18]。長期來看，隨著全球氣候變暖，冰川不斷萎縮，冰川融水對河流的補給將逐漸減少，下游河流有干旱化趨勢甚至變成季節(jié)性河流的風險。根據全球氣候模式情景預估結果，2050 年青藏高原冰川退縮或將導致印度河徑流減少 8.4%，恒河徑流減少 17.6%，雅魯藏布江徑流減少 19.6%，長江徑流減少 5.2%[19]。“亞洲水塔”河流源區(qū)下瀉流量的變化可能給下游地區(qū)農業(yè)生產、水力發(fā)電、涉水災害等方面帶來多重風險[12,13,18]。

4 應對“亞洲水塔”變化的全流域可持續(xù)水管理

4.1 應對“亞洲水塔”變化需要關注的重大科學問題

“亞洲水塔”河流源區(qū)受人類活動的直接影響相對較小，但是對氣候變化非常敏感。“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)帶來風險。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”變化對下游水資源的連鎖效應帶來了新的挑戰(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，需要關注 4 個方面的重大科學問題：① 青藏高原環(huán)境變化與下游流域水文過程的關聯機制。青藏高原環(huán)境變化與下游流域水文過程存在復雜的相互作用，深入理解流域上、下游水文過程變化機理及其關聯機制是定量評估亞洲水塔變化對下游水資源連鎖效應的科學基礎。② “亞洲水塔”變化對下游地區(qū)水資源風險的疊加效應。全球變化背景下，下游水資源風險是多種因素的疊加作用結果，亟待定量區(qū)分下游地區(qū)自身與上游變化引起的風險，闡明風險傳播機制與疊加效應。③ “亞洲水塔”水源地變化對下游水資源的影響預估及其不確定性。目前水文模型對“亞洲水塔”變化下游影響的模擬能力還不足，預估的不確定性非常大，提高水文模型的模擬和預測預估能力，減少未來預估的不確定性，是重要的關鍵科學問題之一。④ “亞洲水塔”變化背景下流域水資源系統恢復力。未來“亞洲水塔”變化極有可能對下游地區(qū)水資源系統產生顯著影響，如增加水資源風險，影響到下游的供水安全、防洪安全和生態(tài)安全。面對“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恢復力，以期主動應對風險，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

圍繞上述重大科學問題，未來需要從 3 個方面開展工作：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聯機制，闡明“亞洲水塔”變化對下游地區(qū)水系統的影響；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模擬，預估“亞洲水塔”水源地變化對下游水資源的影響；③ 評估“亞洲水塔”變化背景下流域水資源風險，編制風險圖集與風險區(qū)劃，發(fā)展氣候變化背景下流域水資源系統恢復力建設的框架。

5 結語

“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，對高度依賴上游供水的河流可謂牽一發(fā)而動全身，給下游地區(qū)帶來洪水或干旱風險，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)。面對下游水資源問題和水治理挑戰(zhàn)，應加強青藏高原環(huán)境變化與下游流域水資源研究的結合，發(fā)展全流域水循環(huán)過程綜合集成與模擬技術，闡明流域上下游的關聯機制與“亞洲水塔”變化對下游水資源的連鎖效應，提出風險應對措施與方案。