长江源区水循环研究现状及问题思考

(长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉 430010)

1 研究背景

长江是我国第一大、世界第三大河流，其源头水资源与生态环境不仅与当地经济社会密切相关，而且对其下游乃至全流域都有影响。长江源一般指玉树直门达水文站以上区域，由正源沱沱河、南源当曲、北源楚玛尔河和通天河组成，干流全长1 174 km，面积约14万km2(含巴塘河)[1]。长江源区位于青藏高原中部，海拔高、纬度低、太阳辐射强、日照时间长，具有夏季温湿、冬季干冷、温差大等特点[2]。低气温为冰川冻土发育提供了良好的自然条件，长江源区是冰川冻土集中分布区域[3-4]。由于高原地势平缓，排水不畅，加上永久冻土不透水层的阻隔，低洼处形成大片沼泽湿地[2]，地面植被稀疏且生长期较短[5]，生态环境脆弱。

长江源区所在的青藏高原被誉为“地球第三极”，对气候变化异常敏感[6-7]，是我国重要的生态安全屏障[8]，在全球气候变化、水资源和生态环境保护等重大研究中处于十分重要的地位。冰雪融化、冻土冻融和蒸散发比例大等特点使其水循环过程与低海拔地区明显不同。由于长江源区地处高原腹地，自然环境恶劣、社会经济落后，故水文气象监测站很少，基础资料缺乏，水循环研究相对较少。本文从原位观测、水循环机理、流域模拟等方面对长江源区水循环研究中存在的问题进行探讨，以期为长江源区的水资源研究提供思路。

2 研究现状

2.1 原位观测

由于位置偏僻、人烟稀少、发展落后、自然条件恶劣等原因，长江源区内水文气象监测和调查非常缺乏。在14万km2的广袤区域里，仅有五道梁、沱沱河、治多、曲麻莱、玉树5个气象站；历史上长江源区内曾设有7处水文站，但目前仅沱沱河、直门达和巴塘河上的新寨水文站仍在监测运行，其余各水文站均已撤销[1]。

中国科学院等单位在青藏高原设立科研性质的观测站，对冰川、冻土、湖泊等特定对象进行定期或不定期观测。中国科学院西北生态环境资源研究院(原寒区旱区环境与工程研究所，简称“寒旱所”)于1989年在唐古拉山口设立冬克玛底冰川观测站，1993年增加地表过程、气候过程、降水气象、水文测流等内容[9]。2001年又与中国科学院青藏高原所和西藏大学联合建立那曲高寒气候环境观测研究站，观测地表辐射、降水、土壤温度和水分、大气物理过程等，开展高寒气候环境研究。长江科学院野外观测中心江源分站自2016年起与寒旱所合作，以典型流域为对象，全方位开展冰川、积雪、冻土、水文、生态等观测，进行水循环与生态环境研究，该分站2019年被认定为水利部首批野外科学观测研究站。此外，在青藏铁路、青藏公路和青康公路等沿线，交通建设管理和设计研究单位为工程建设和维护需要进行了冻土钻孔和相应观测。

随着科技进步和新技术应用，长江源监测正逐步由人工观测转向自动监测，监测对象从冰川、湖泊等特定对象向水文水资源和生态环境全要素转变，参与监测的单位逐渐增多，监测内容开始丰富起来。但是，相较于其他地区，长江源区内的监测成果仍然非常稀少。

2.2 水文水资源变化特征分析

由于长江源的重要性，其水文水资源特征及时空变化受到人们高度重视。青海省水文局掌握资料相对较多，该单位王勤宜等[10-13]利用相关资料，研究了长江源区降水特征及变化趋势，径流年内分配变化规律及其不均匀系数、集中度、变化幅度等参数指标，蒸发量的特征值、年内年际变化规律及变化趋势。河海大学王冰冰等[14]研究了长江源区和黄河源区降水量变化。四川大学梁川等[15]采用差积曲线方法分析了长江源区降水和径流的空间分布以及年内、年际和年代际多尺度时间变化规律。中国科学院青藏高原所游庆龙等[16]分析了三江源地区气温极端事件变化，长江科学院褚茜茜等[17]、朱延龙等[18]分析了长江源区径流及其极值的变化趋势。研究表明，受全球气候变化影响，长江源区的气温将会升高，极端水文事件将会增加，水资源量是否增减则没有明确定论，在长江源区内不同区域有增有减各有不同，年内各季节也各有不同的表现。

2.3 水循环机理研究

水循环是水资源研究的核心，是研究水资源特征及其变化规律的基础。寒旱所和青藏高原所等单位多年从事冰冻圈研究，在长江源区较早设立观测站并开展相关研究，兰州大学等高校对此也有所研究，气象部门则开展过大气水分循环相关研究。

流域水循环包括降水、蒸散发、下渗、地下水和径流等过程。长江源区独特的地理环境和气候条件，使水循环过程有其独特性。高原大地形动力和热力作用使其与亚洲乃至全球大气水分循环关系密切[19]，降水和气温主要受东亚和印度季风暖湿气流影响，并受西边中东气流影响[20]。当地固态、液态和固液混合3种降水形态对流域影响较大[21]。由于海拔高、太阳辐射强、日照时间长，蒸发量占降水量的比例高达64%～96%，对水量平衡影响很大，而蒸散发又受下垫面土壤冻融状态和植被的影响[22]。入渗对降水有再分配作用，植被覆盖、表层积雪、冻结不透水层都会影响水分入渗过程[23-24]。完全冻结的多年冻土层具有隔水作用，只有完全融通土壤中的水分才能下渗到地下水，地下水也为冻土发育提供了必要的水分条件[25]。径流过程包括产流和汇流，长江源区部分河流冬季冻结，基本不产流，冻土不透水层和未冻结土壤的蓄水能力随季节变化影响径流特性[26]。冰雪消融的能量主要来自太阳辐射，与气温密切相关，还受海拔、坡度、朝向、风吹雪等因素影响，常用能量平衡模型和度日因子法推求消融量[27]。观测结果表明长江源区冰川面积总体处于退缩趋势[28]，冰雪覆盖率呈小幅度减少趋势[29]。冰川冻土中的水分运动是一个非稳定过程，土水势梯度是水分运动的驱动力，温度是水分相变、未冻水含量及相应土水势的最重要影响因素[30]。温度对高寒地区水循环影响巨大，是水分变化的主导因素，水热变化及其耦合是其研究重点[31-32]。大汽水、固态水、液态水“三水”之间的转换关系及其变化规律也值得研究[2]。

长江源区地处高原，同时存在冰川、冻土、积雪、湖泊、沼泽，兼具地球南极和高山流域的特征，气候干燥但储水量丰富，年内四季变化的冻土冻融和冰雪融化是其典型特征过程。

2.4 流域模拟研究

水文模拟是水资源研究的重要手段，国内外关于寒区水文模型的研究多以经验或半经验的概念性模型居多[33]，在非寒区水文模型中考虑冻融因素而加以应用。近年来一些水文模型如PRMS、SHE、SRM、CRHM、改进的SWAT和新安江模型等被应用到长江源区进行模拟研究[34-37]。分布式水文模型的应用效果较好，但所需资料较多，大规模应用较为困难。目前长江源区水文模拟只是一些尝试性应用，没有深入到高寒水循环过程特征。

2.5 气候变化影响研究

全球气候变化对青藏高原的影响引起学界高度关注。对长江源区的影响包括不同时空尺度的气温变化及植被覆盖变化，流域水循环过程及汽、固、液三水转换关系[38]。随着气温升高，冰川消融可能引起短期径流增加；冻土退化，隔水作用减弱影响地下水，可能导致冬季径流加大、退水过程减缓[39]。降水量变化、液/固态降水比例改变、地下水和湖泊沼泽储水量增减，影响当地水量平衡。冻土持续退化使植被发生更替，出现沼泽化-草甸-沙化[40]，生物量呈递减趋势[41]，冻土退化还可能引起热融滑塌、热融沉陷等灾害[42]。长江源区对气候变化异常敏感，气温升高、极端水文事件增多将会影响径流过程及形成机制和流域水量平衡，可能导致灾害事件增多、生态环境恶化。

目前长江源区水循环研究还处在初步探索阶段，现有成果大多为基于高山冰川和高纬度低海拔多年冻土区的研究，对于长江源地区的直接研究成果相对较少。

3 存在的问题

3.1 原位观测中存在的问题

3.1.1 监测站点少且布设不合理

观测试验和基础数据是进行相关研究的前提，受当地条件所限，目前长江源区关于水循环的监测站点非常缺乏。目前，在14万km2的广大区域内仅设有5个气象站和3处水文站，一些科研单位设立的科研观测站零散而不成系统。在青藏线之外的大片区域，相关基础数据和资料十分缺乏，特别是具有较长序列的系统观测资料几乎没有。在长江源区内冰川冻土广泛分布，河流、湖泊、沼泽众多，且海拔跨度大、水循环要素时空特征差异大，现有站点难以满足水资源研究和流域水资源管理的要求。

3.1.2 仪器设备运行维护困难

恶劣的条件、高海拔和低气温对长江源地区监测仪器设备的连续稳定可靠性形成了巨大挑战。高寒、高海拔、高辐射、低气压对设备元器件灵敏度、寿命、性能造成影响，使传统设备难以满足需求。当地人烟稀少，基础设施建设落后，现有监测设备大多采用太阳能供电，能源持续稳定性不足，通讯条件很差，远程信息传输不畅；加上当地放牧和野生动物破坏，仪器设备经常发生破坏失盗等现象，且及时修复困难，监测连续性得不到保证。此外，冰川积雪有时需要人工观测，而观测位置偏僻，遇上大雪封山等恶劣天气，观测人员无法到达观测地点，且海拔高空气稀薄，人工操作困难，影响到冰川积雪观测资料的获取。

3.1.3 监测数据准确性和可靠性有待验证

由于上述原因，监测数据的准确性、连续性和可靠性面临挑战，代表性和完整性达不到相关要求。此外，由于缺少历史数据，对现有监测数据的校验工作难以开展，这也影响到了数据的准确性和可靠性。

3.2 水循环机理研究中存在的问题

3.2.1 水资源变化趋势不明确

长江源区水资源及其变化趋势对当地生态环境保护和长江流域水资源管理意义重大。受全球变暖影响，长江源区气温升高是明确的，但是水资源的变化趋势则没有明确定论，水资源量是否增减还存在不同的意见。全球气候变化对长江源区水资源的影响，对当地乃至整个长江流域的发展变化趋势至关重要。如何在有限的条件下取得更为准确详实的资料并应用更加合理的方法预测未来长江源区降水量和径流量的变化趋势还需进一步研究。

3.2.2 不同下垫面的径流效应不确定

降水降落到地面会发生蒸散发、下渗、地下水和径流等多个过程。由于冰川、冻土、积雪、草地等下垫面的不同，长江源区的水循环过程异常复杂，不同下垫面的蒸散发和下渗及产汇流具有不同的规律特征，如冰川冻土的下渗与一般的土壤岩石下渗明显不同，风吹雪使固态降水在下渗之前被空间再分配，冬季河道冻结不产流影响径流过程等。冰川退缩和冻土退化究竟如何影响径流的大小及过程，对河流和湖泊形态又会产生怎样的影响，也是今后需要重点关注的研究内容。

3.2.3 水循环机制不清楚

冰川冻土的存在使长江源区的水资源及其径流形成受温度的影响很大。温度是水发生相变和水分运移的主导因素，冰川、积雪、冻土的冻融过程与温度的时空变化密切相关。目前关于长江源区的水热变化及其耦合的研究很少，需要关注能量的传导，进行水热耦合研究。此外，长江源地区“三水”转换的过程和机理也不是很清楚，由于独特的地理环境和气候特征，“三水”的内部循环比外部循环作用更加显著，但是对气候变化又异常敏感，需要关注当地“三水”转换与亚洲乃至全球大气水分循环的联系。这些都需要进行大量的调查分析，有很多基础性的科学问题值得研究[2]。

3.2.4 地下水研究困难

地下水是水循环过程的重要组成部分，但由于深处地下，加上当地条件恶劣发展落后，长江源地区的地下水研究特别困难。首先是监测困难，地下水监测仪器设备的埋设需要动用大型机械设备，高原缺氧人力施工困难;其次，冻土冻结层的阻隔及裂隙使地下水的补给和排泄路径难以判断，冬季河流冻结，地表水不产流，低海拔地区常用的基流方法较难应用于当地；最后，长江源区所处的青藏高原地质活动活跃，当地温泉较多，地热对地下水影响很大，目前，对长江源区地下水特别是深层地下水的研究很少，基本处于空白状态。

3.3 流域模拟及模型适用性问题

以往长江源区的水文模拟大多根据当地水资源特点对已有成熟的水文模型进行改造。由于长江源区高寒水文过程具有特殊性、复杂性和不确定性，在水循环机理还不是很清楚的情况下，模型结构和模型中涉及水循环的各个环节都有待完善，模型的适用性、通用性还有待验证。

在模型的适用性方面，需要考虑模型结构的完整性、全面性和空间性。模型完整性要求涵盖四季变化，注意冻结期和非冻结期之间过渡时段的衔接，径流组分的构成及其分割。模型全面性应充分考虑将冰川、积雪、冻土、河湖冰等寒区水文要素全包括在内。模型空间性则要求开发多尺度的水文模型，适应不同地貌单元，并注重与大气圈、生物圈、人类圈和岩石圈之间的相互影响及互馈关系，发展精细的寒区陆-气-水耦合模型。

在模型的通用性方面，需要在对长江源区水循环规律充分理解的基础上构建模型，模型结构能够适合当地水循环的特点，反映其独特性，考虑模型的空间性及其尺度效应。此外，也应充分关注模型参数的设置和率定，参数应尽可能具有相应的物理意义，每个参数都能够反映当地水循环特性的某个方面。考虑到当地资料较少，参数的数量应尽可能精炼。建立的模型需要在长江源区的不同区域、不同类型的典型流域进行充分验证。

4 研究对策

针对长江源区水循环研究中存在的问题，借鉴国内外高寒地区观测研究先进经验[43]，长江源区水循环研究应以科学为驱动，多部门多学科联合，通过增设观测站点和合理布局，构建长江源高寒水循环观测站网和数据平台，开展科学研究与合作，从观测、科学理解、信息服务和社会效益等方面促进相关研究。

(1)进行顶层设计。从学科发展和站网建设进行顶层设计，编制长江源区生态水文站网建设、水资源与生态环境等相关研究及学科发展规划。

(2)加强观测能力建设。通过加大投入，增加原位观测站点数量和观测内容，并对站点布设进行空间布局，满足水循环研究和水资源管理的要求。在站网建设中要注重新技术的应用，采用远程自动传输、卫星遥感等新技术手段，建立无人值守站点等方式降低运行成本和维护难度。要建立观测数据共享机制，并加强与国际冰冻圈科学协会等国际组织之间的交流与合作。构建多部门多学科、不同国家和地区合作的长江源区高寒观测站网和数据共享平台。

(3)加强科学研究创新。在长江源区选择典型流域，通过分析冰川冻土等寒区元素及水文气象观测数据，研究不同下垫面的径流效应；加强水循环机制、地下水运移规律、大气水分循环等基础理论研究。在水循环机理研究的基础上，开发适合当地的高寒流域水文模型，并在不同地区、不同流域验证模型的适用性和通用性。开展气候变化影响研究，揭示长江源区水资源变化趋势及其影响。要鼓励各种研究单位包括高校、中国科学院系统、国土资源、水利、生态环境等部委所属科研单位参与研究，加强国际合作与交流，借鉴国外先进的研究方法和经验，形成多层次、多部门参与的长江源区水循环研究体系。

(4)推动应用服务。将观测数据和研究成果应用于流域管理、水资源开发利用和长江源区生态环境保护中，为经济社会发展服务，以此赢得更多的支持和投入，提高研究能力和水平，实现长江源水循环研究与经济社会发展和生态环境保护之间的良性循环。

5 研究展望

目前长江源区水循环研究还处于初步探索阶段，需要研究的问题很多。展望未来，应重点关注以下几个方面：

(1)加强原位观测的技术创新。经济发展和技术进步使物联网、大数据、遥感观测等新技术手段应用于长江源区水循环观测成为可能。同时，当地特殊环境也需要观测方法和手段的创新。如监测设备的选取需要考虑当地高寒、高辐射、低气压对设备元器件的影响，风速对固态降水仪器捕捉能力的影响，设备供电、通讯、防护等方面的特殊要求和标准。要因地制宜研究一套适用于当地的观测设备和方法体系。

(2)加强水循环机理机制等基础理论研究。长江源区在由降水、蒸发、下渗到径流形成的整个水循环过程中，冰川冻土等寒区元素始终参与其中，积雪既影响下垫面的热量平衡，又影响水分的下渗，日照长、辐射强使蒸散发比例大，影响流域水量平衡，下渗和地热影响地下水运移并改变径流时间分配。温度和水分成为水循环过程中最重要的影响因素，是能量和水量相互作用的过程。长江源区的三水转换和水热耦合等基础性课题是水循环研究的主题。研究冰川、冻土、积雪等寒区元素对径流的影响机制，温度和水分对水循环过程及径流的影响机制，下渗和地热等对地下水运移的影响机制；探讨亚洲乃至全球大气水分循环对长江源区降水气温的影响，开展冰川-冻土-水文-生态协同耦合模式等基础理论研究。

(3)开展适合长江源区的高寒水文模型研发。开发能够针对我国高海拔低气温江源区的水文模型，重点发展适应长江源区水循环特点的高寒流域分布式生态水文耦合模型。

(4)注重气候变化对长江源区水循环的影响。在分析长江源区更多观测数据资料和全球气候变化研究成果的基础上，定量分析气候变化条件下长江源区的冰川消融、冻土退化、植被演替对径流和水循环的影响；系统分析气候变化和人类活动影响下江源区冰川-冻土-植被协同变化及其径流效应，模拟预测气候变化情景下典型流域及整个源区生态水文变化，揭示长江源区水循环演变的驱动机制和径流变化规律及其对长江中下游的影响。

致谢：感谢水利部长江江源区水生态系统野外科学观测研究站的同志给予的帮助。