近20年青藏高原水资源时空变化

周思儒，信忠保

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

1 研究背景

青藏高原有着“亚洲水塔”和“第三极”之称[1-3]，面积达250万km2，东西长约2 900 km，南北宽约1 500 km，涉及西藏、青海、新疆、四川、甘肃、云南6个省区的201个县(市)[4]，是长江、黄河、澜沧江、雅鲁藏布江等众多大江大河的发源地，是维系中国乃至世界水资源安全的重要地区，影响着周边众多国家人民生活和社会稳定[5]。当今社会，全球化进程在不断飞速发展，水资源是维护国家或地区经济社会发展的战略性基础资源[6-7]，水资源安全已经成为各个国家十分重视的国家安全要素之一[8]。了解青藏高原地表水及地下资源分布及变化规律，对维护国家水资源安全，进行青藏高原地区水资源保护及开发利用，生态保护与建设以及人类生存环境评估有着重要的意义。近年来大量研究已表明，青藏高原正在经历着气候暖湿化过程[9-11]，造成多年冻土衰退、冰川积雪快速退缩[12-13]，对青藏高原水资源量产生了深刻影响[14-15]。青藏高原水资源变化的研究也逐渐增加[16]。

当前，现有对青藏高原水资源时空变化研究一般限于某一流域或者青藏高原某一地理单元[9,16]，对整个青藏高原水资源时空分布及其变化原因的研究较少，有必要对青藏高原水资源整体变化进行更完善的研究。青海省及西藏自治区约占青藏高原总面积的75%，也是绝大多数大江大河的源头，是青藏高原最具代表性的地区，在水资源变化中起举足轻重的作用。

本文利用1997—2018年青海省及西藏自治区水资源公报中相关数据，对青藏高原地表水资源及地下水资源时空变化进行分析，并从气温、降水量等气象要素方面研究了水资源时空变化的驱动因素，为认识青藏高原水资源现状，开展生态修复工作以及人类生存环境变化评估提供参考。

2 资料与方法

利用1997—2018年《青海省水资源公报》及《西藏水资源公报》中降水量、地表水资源量及地下水资源量年数据，对青藏高原地区的西藏、青海不同地级行政区和不同流域的降水量、地表水资源量及地下水资源量时空分布进行分析。采用线性倾向率定量地反映地表水资源及地下水资源随时间的变化趋势。采用世界气象组织推荐并广泛使用的Mann-Kendall(简称M-K)趋势检验法[17-18]，此法计算简便、检测范围宽、人为干扰少、定量化程度高。在M-K检验中，假设时间序列数据(X1，…，Xn)是相互独立、随机变量同分布的样本，n为时间序列的长度，检验的统计变量S计算式为

(1)

其中,

(2)

式中xj，xi分别为j，i年的相应测量值。则检验统计量z定义为

(3)

式中：S含义同上，Z为正态分布统计量，Var(s)为方差。

这样在双边的趋势检验中，在α置信水平上，若|Z|≥Z1-α/2，则拒绝原假设，即在α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。分别在α=0.05(显著)(|Z|>1.64)及α=0.01(非常显著)(|Z|>2.32)水平，检验不同行政单位、流域的降水量、地表水资源量及地下水资源量标准化M-K统计量Z值的显著性，分析不同地区相应指标的变化趋势。采用M-K法[19-20]识别相应指标的突变点。该法不要求样本遵从一定分布，也可以减少异常值的干扰。基于时间序列数据(X2，X3，…，Xn)构建轶序列ri，ri表示xi>xj的样本累计数，定义Sk为

(4)

其中,

(5)

式中秩序列Sk是第i时刻值大于第j时刻值个数的累计数。

定义统计量UFk为

(6)

式中:UF1=0；E(Sk)、Var(Sk)分别为累计数Sk的均值和方差，可由下式算出，即

(7)

按时间序列X的逆序Xn,Xn-1,…,X1，重复上述过程，并使UBk(序列的逆序值)=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。

分析UFk及UBk曲线，若两条曲线存在交点且位于基于0.05显著水平的临界线内，则交点对应时刻即突变开始时间。

采用青藏高原及周边地区105个气象站点年平均气温数据，采用克里金插值法计算出每个地市及流域年平均气温，利用Pearson相关系数法[21]判断降水量及气温对地表水资源和地下水资源的关系。

3 研究结果

3.1 水资源空间分布格局

3.1.1 地表水资源空间分布

青藏高原地区多年平均地表水资源量为(5 112.68±300.74)亿m3，青海省多年平均地表水资源量为(675.41±26.61)亿m3，西藏自治区多年平均地表水资源量为(4 437.27±265.14)亿m3。

地表水资源分布南多北少、东多西少的态势(图1)。产水模数最高的流域为藏南诸河，达(124.8±6.12)万m3/km2，产水模数最低的流域为柴达木盆地，产水模数仅有(2.0±0.42)万m3/km2。西北诸河产水模数较低，均在10万m3/km2以下，东部各流域产水模数多在(10～30)万m3/km2。南部各流域中，怒江及伊洛瓦底河流域产水模数达到40万m3/km2，雅鲁藏布江流域则达70万m3/km2以上。从各地级行政区来看也呈现相似的地表水资源量分布规律，产水模数最高的地市为林芝市，多年平均产水模数为(201.0±10.42)万m3/km2，产水模数最低的地市为阿里地区，多年平均产水模数仅有(3.8±0.69)万m3/km2。西北部海西州、海南州均未达到10万m3/km2；东部各地市产水模数多在(10～20)万m3/km2之间。南部各地市产水模数较高，拉萨市及昌都市达到30万m3/km2以上，山南市达到90万m3/km2以上。

图1 青藏高原产水模数空间分布Fig.1 Spatial distribution of water yield modulus in Qinghai-Tibet Plateau

3.1.2 地下水资源空间分布

青藏高原1998—2018年平均地下水资源量为(1 396.59±151.52)亿m3，青海省1997—2018年平均地表水资源量为(305.35±56.42)亿m3，西藏自治区1998—2018年平均地下水资源量为(1 086.59±174.06)亿m3。

西藏地区地下水资源分布与地表水分布特征基本一致，呈现南多北少、东多西少的态势(图2)。按流域分布，地下水资源模数最高的为藏南诸河，为(23.5±4.89)万m3/km2，模数最低的为柴达木盆地，为(1.7±0.41)万m3/km2。西北诸河地下水资源模数较低，均为3.0万m3/km2，东部各流域在(4.0～8.0)万m3/km2之间，南部澜沧江、怒江、伊洛瓦底河及雅鲁藏布江各流域地下水资源模数则较高，达到(11～16)万m3/km2。地下水资源模数最高的地市为林芝市，多年平均地下水资源模数为(38.1±4.94)万m3/km2，地下水资源模数最低的地市为阿里地区，多年平均地下水资源模数仅为(1.9±0.38)万m3/km2。西北部海西州、海南州、那曲市均未达到5万m3/km2；东部各地市地下水资源模数多在(5～10)万m3/km2之间；南部各地市地下水资源则较为丰富，昌都市达到12万m3/km2以上，山南市则达到了18万m3/km2以上。

图2 青藏高原地下水资源模数空间分布Fig.2 Spatial distribution of groundwater resource modulus in Qinghai-Tibet Plateau

3.2 水资源量年际变化

3.2.1 地表水资源年际变化

1997—2018年青藏高原地表水资源量整体呈现增加趋势，上升速率约为73.2亿m3/(10 a)，年变化量占青藏高原多年平均地表水资源量的1.43%(图3(a))，通过M-K检验，M-K检测值为0.39，呈现微弱的上升趋势；而在青海省，地表水资源量上升速率约为98.3亿m3/(10 a)，占青海省多年平均地表水资源量的14.55%，M-K检测值为2.26，呈显著的上升趋势；西藏自治区地表水资源量下降速率为-25.2亿m3/(10 a)，年变化量占西藏自治区多年平均地表水资源量的0.57%，M-K检测值为-0.22，呈微弱的下降趋势。

图3 青藏高原地表水资源量年际变化及M-K检验结果Fig.3 Interannual variation and M-K test result of surface water resources in Qinghai-Tibet Plateau

根据M-K突变点检验，青藏高原与西藏自治区地表水资源量未发生明显的突变(图3(b))，而青海省地表水资源量在2005年前后发生了突变，产生了由降转升的变化趋势。青海省地表水资源从1997—2005年的(618.82±96.35)亿m3，迅速上升到2005—2018年的(714.59±120.86)亿m3，上升了95.77亿m3，占前期的15.47%。

3.2.2 地下水资源年际变化

青藏高原地下水资源量整体呈下降趋势，下降速率约为-142.7亿m3/(10 a)，年变化量占青藏高原多年平均地下水资源量的10.22%，通过M-K检验，可得青藏高原检测值为-2.38，下降趋势十分显著(图4(a))；而在青海省，地下水资源量上升速率约为58.0亿m3/(10 a)，年变化量占青海省多年平均地下水资源量的18.99%，M-K检测值为3.27，呈十分显著的上升趋势；西藏自治区地下水资源量上升速率为-195.4亿m3/(10 a)，占西藏自治区多年平均地下水资源量的17.98%，M-K检测值为-2.56，呈十分显著的下降趋势。

图4 青藏高原地下水资源量年际变化及M-K检验结果Fig.4 Interannual variation and M-K test result of groundwater resources in Qinghai-Tibet Plateau

根据M-K突变点检验，青藏高原与西藏自治区地下水资源由升转降，突变点发生在2002年(图4(b))；青海省地下水资源量则由降转升，突变点发生在2005年。青海省地下水资源量从1997—2005年的(266.86±43.75)亿m3，迅速上升到2005—2018年的(332.00±48.22)亿m3，上升了65.14亿m3，占前期的24.41%。青藏高原和西藏地下水资源量分别从1998—2002年的(1 614.39±62.45)和(1 357.58 ±49.29)亿m3，迅速下降到2002—2018年的(1 328.53±62.45)和(1 001.91±83.61)亿m3，分别下降了355.67亿和285.85亿m3，占前期的17.71%和26.19%。

3.3 水资源时空变化

3.3.1 流 域

3.3.1.1 地表水资源

分析青藏高原1997—2018年不同流域地表水资源变化趋势，通过M-K检验，青藏高原大部分流域地表水资源量呈上升趋势。仅有澜沧江流域、羌塘高原区及怒江及伊洛瓦底江流域地表水资源量呈下降趋势，其中怒江及伊洛瓦底河流域下降趋势显著。在呈上升趋势的流域中，龙羊峡以上流域、龙羊峡至兰州流域呈显著上升趋势，河西内陆河流域、青海湖水系、柴达木盆地流域呈十分显著的上升趋势。通过M-K突变点检验，青藏高原多数流域地表水资源量突变点位于2008年前后，部分流域无明显的突变点(表1)。

表1 1997—2018年青藏高原不同流域地表水资源及 地下水资源变化特征Table 1 Variation characteristics of surface water resource and groundwater resource in different basins of Qinghai-Tibet Plateau from 1997 to 2018

3.3.1.2 地下水资源

分析青藏高原不同流域地下水资源量变化趋势，通过M-K检验，青藏高原大部分流域地下水资源量呈上升趋势。在呈上升趋势的流域中，只有金沙江、澜沧江及藏西诸河的上升趋势不显著，黄河流域龙羊峡以上段、岷沱江流域呈显著的上升趋势，黄河流域龙羊峡至兰州段、河西内陆河流域、青海湖水系、柴达木盆地流域呈十分显著的上升趋势。在地下水资源呈下降趋势的流域中，只有羌塘高原区流域下降趋势不显著，怒江、伊洛瓦底河流域、雅鲁藏布江流域及藏南诸河流域均呈十分显著的下降趋势。通过M-K突变点检验，青藏高原北部地区大多数流域地下水资源量突变点位于2007年前后，南部地区流域突变点多位于2003年前后，部分地区无明显突变点(表1)。

3.3.2 地级行政区

3.3.2.1 地表水资源

分析青藏高原(1997—2018年)不同地级行政区的水资源变化趋势，青海省所有地级市地表水资源均呈上升趋势，皆通过M-K检验的p<0.05显著性检验；西宁市、海南州、黄南州及海西州呈十分显著的上升趋势，海北州、玉树州呈显著的上升趋势，只有果洛州和海东市上升趋势并不显著。西藏自治区昌都市、拉萨市、那曲地区及山南市地表水资源量呈下降趋势，其中只有山南市下降趋势显著；日喀则市、阿里地区及林芝市地表水资源量呈上升趋势，其中只有林芝市上升趋势显著。

通过M-K突变点检验，青海省北部大部分地市地表水资源上升趋势的突变点在2002年前后，青海南部大部分地市水资源上升趋势的突变点位于2007年前后。西藏自治区大部分地市突变点则在2004年前后(表2)。

表2 1997—2018年青藏高原不同地级行政区地表水资源 及地下水资源变化特征Table 2 Variation characteristics of surface water resource and groundwater resource in different prefecture-level cities of Qinghai-Tibet Plateau from 1997 to 2018

3.3.2.2 地下水资源

分析青藏高原地级行政区划地下水资源量变化趋势，通过M-K检验，青海省地级市地下水资源量均呈上升趋势，且除海东市外皆通过M-K检验的p<0.05显著性检验，除玉树州外其他地市均呈十分显著的上升趋势。在西藏自治区，大部分地市地下水资源量呈下降趋势，只有昌都市呈不显著的上升趋势；其中拉萨市、日喀则市及阿里地区下降趋势不显著，山南市、那曲市及林芝市呈非常显著的下降趋势。通过M-K突变点检验，青海省大多数地市地下水资源量突变点位于2005年前后，西藏自治区各市突变点多位于2002年前后，少部分地市未有明显突变点(表2)。

4 讨 论

4.1 气象因子对水资源的影响

4.1.1 气 温

气候变化对地表及地下水资源产生深刻的影响[22]，1997—2018年青藏高原气温变化趋势如图5(a)所示。整体呈现上升趋势，上升速率约为0.49 ℃/(10 a)，远远高于全球平均升温幅度[23]，通过M-K检验，检测值为2.93。青海省气温上升速率约为0.42 ℃/(10 a)，M-K检测值为2.62，西藏自治区气温上升速率为0.52 ℃/(10 a)，M-K检测值为2.71，均呈十分显著的上升趋势。根据M-K检验突变点检验，青藏高原与青海省气温突变点位于2006年(图5(b))。西藏自治区气温突变点发生在2004年，均呈持续的上升趋势

图5 青藏高原气温年际变化及M-K检验结果Fig.5 Intraannual variation and M-K test result of air temperature over Qinghai-Tibet Plateau

分析青藏高原所有流域1997—2018年的气温变化趋势，通过M-K检验，青藏高原所有流域气温均呈现上升趋势。除河西内陆河、青海湖水系及藏南诸河外，其他流域气温均呈显著的上升趋势。其中藏西诸河、柴达木盆地及龙羊峡至兰州流域气温呈显著的上升趋势，其余流域气温则呈极显著的上升趋势。青藏高原所有地级市均呈上升趋势，除海东市、西宁市及海北州外上升趋势均显著。在上升趋势显著的各地市中，除果洛州、海西州、日喀则市、林芝市呈显著的上升趋势外，其他地市均呈十分显著的上升趋势。

分析青藏高原地下水资源量、地下水资源量与平均气温之间的关系，在整体上，青藏高原地表水资源量(相关系数R=-0.079，p>0.05)和地下水(R=-0.43，p>0.05)与气温均呈不显著的负相关关系。在青藏高原11个流域中，怒江及伊洛瓦底江流域地表水资源量(R=-0.595，p<0.01)及地下水资源量(R=-0.624，p<0.01)与气温存在十分显著的负相关关系，岷沱江流域地表水资源量(R=0.471，p<0.05)与气温呈显著的正相关关系；在青藏高原15个地市中，那曲市地表水资源量(R=-0.558，p<0.01)及地下水资源量(R=-0.581，p<0.01)、拉萨市地表水资源量(R=-0.674，p<0.01)及地下水资源量(R=-0.512，p<0.05)、山南市(R=-0.512，p<0.05)地下水资源量、阿里地区地表水资源量(R=-0.545，p<0.05)均与气温存在显著的负相关关系，整体来看，青藏高原各个地市及流域的地表及地下水资源量与年平均气温的相关性不高。

4.1.2 降水量

1997—2018年青藏高原降水量变化趋势如图6(a)所示。整体呈现增加趋势，上升速率约为11.3 mm/(10 a)，通过M-K检验，检测值为1.3，增加趋势并不显著；而在青海省，降水量上升速率约为35.9 mm/(10 a)，M-K检测值为3.05，呈十分显著的上升趋势；西藏自治区降水量上升速率为-3.2 mm/(10 a)，M-K检测值为-0.03，呈微弱的下降趋势。根据M-K检验突变点检验，青藏高原与西藏自治区降水量均明显无突变点(图6(b))，青海省地下水资源量突变点发生在2004年。

图6 青藏高原降水量年际变化及M-K检验结果Fig.6 Intraannual variation and M-K test result of precipitation over Qinghai-Tibet Plateau

分析青藏高原1997—2018年不同流域的降水量变化趋势，通过M-K检验，青藏高原大部分降水量呈上升趋势。北部地区流域多呈显著上升趋势黄河流域龙羊峡以上段呈显著上升趋势；龙羊峡至兰州段、河西内陆河、青海湖水系、柴达木盆地及藏西诸河流域则呈十分显著的上升趋势，南部地区金沙江、岷沱江及雅鲁藏布江流域上升趋势则并不显著。而呈下降趋势的流域除藏南诸河外下降趋势均不显著，且多分布在南部地区。分析青藏高原地级行政区划的1997—2018年降水量变化趋势，通过M-K检验，青海省所有地级市均呈上升趋势。除海东市外上升趋势均显著，其中海北州与海南州上升趋势最为显著。西藏自治区的拉萨、昌都、山南地区降水量呈下降趋势，其中山南市下降趋势十分显著；日喀则、那曲、阿里、林芝则呈上升趋势，其中阿里地区呈显著上升趋势，林芝地区呈十分显著的上升趋势。

在青藏高原，降水量变化在南北部存在显著的空间差异，甚至存在相反的态势[24]。降水是青藏高原地表水的主要来源，也是地下水的主要补给来源。分析青藏高原各地市及流域地表水资源、地下水资源和降水量之间的关系，青海省地表水资源(R=0.962，p<0.01)和地下水资源(R=0.976，p<0.01)均与降水呈十分显著的正相关关系(R=0.947，p<0.01)西藏自治区地表水资源量(R=0.952，p<0.01)和地下水资源量(R=0.507，p<0.05)也与降水呈显著的正相关关系。在青藏高原11个流域中，除藏南诸河(R=0.123，p>0.05)地表水资源与降水量相关性不显著外，其余流域地表水资源均与降水量呈十分显著的正相关关系。除雅鲁藏布江流域(R=0.238，p>0.05)地下水资源与降水量相关性不显著外，其余流域地下水资源均与降水量呈十分显著的正相关关系。在15个地市中，那曲地区(R=0.526，p=0.014)、阿里地区(R=0.511，p<0.05)地下水资源量与降水量呈显著的正相关关系，林芝市地下水资源量(R=-0.378，p<0.01)与降水量相关关系不显著，其余地市地表水资源量、地下水资源量与降水量均呈十分显著的正相关关系。

青海省地下水资源增加的趋势很可能是由周围融水及降水增加的径流补给造成的[25]，而在青藏高原南部部分地区可能是受到该区域气候变暖及降水减少的影响[26-27]，使该区域的冰川和积雪在加速融化[28-29]，水资源量减少。绝大多数流域及地市的地表与地下水资源量与降水呈显著的正相关性，部分地区地下水资源量与气温呈显著的负关系。综合降水与气温的影响，青藏高原地表水资源与地下水资源变化的主要影响因素为降水[31-32]。

4.2 人类活动对水资源的作用

青藏高原1997—2018年多年平均供水量为(58.24±7.28)亿m3、用水量为(58.98±7.08)亿m3、耗水量为(41.8±4.95)亿m3，占水资源总量比重很低，分别只有为1.14%、1.15%和0.82%，变化速率分别为4.60亿、4.16亿、3.93亿m3/(10 a)；青海省多年平均供水量为(28.57±3.45)亿m3、用水量为(28.92±2.99)亿m3、耗水量为(17.40±1.43)亿m3，占水资源总量比重分别为4.23%、4.28%、2.58%，变化速率为0.48亿、0.14亿、0.36亿m3/(10 a)；西藏自治区多年平均供水量为(29.68±5.14)亿m3、用水量为(30.05±5.22)亿m3、耗水量为(24.40±4.23)亿m3，占水资源总量比重分别为0.67%、0.68%和0.55%，变化速率为4.12亿、4.31亿、3.57亿m3/(10 a)。蓄水量方面，1997—2018年间青海省蓄水量累计增加88.55亿m3，西藏自治区蓄水量累计增加12.76亿m3。整体来说，由于青藏高原地区人口的快速增长、经济的快速发展，人类活动对水资源的影响逐渐增加，但人类利用水资源总量占整体水资源量比重在1%左右，供水、用水及耗水量占水资源总量比重也远低于全国平均水平，人类活动整体对水资源影响不大。

近年来，在青藏高原地区铁路公路网络建设、矿产资源开发利用、引水蓄水工程及青藏高原地区旅游资源开发等人类活动逐渐增多[33]。但在国家对青藏高原地区自然环境的保护政策下，地区内植被覆盖状况整体改善[34-35]，有利于地区内的水资源保护。通常来说，灌溉引水及地下水汲取通常是人类活动对水储量影响的主要途径[36]，但青藏高原地区水资源开发利用程度很低[37]，青藏高原水资源变化主要影响因素仍然为自然因素。

5 结 论

通过对我国青藏高原1997—2018年水资源量时空变化特征分析，可以得到如下结论：

(1)青藏高原地表水资源与地下水资源总量丰富，但分布集中，呈现东南多，西北少的分布趋势，水资源主要分布在青藏高原东南部的林芝市和山南市，雅鲁藏布江流域和藏南诸河流域。

(2)青藏高原地表和地下水资源量存在相似的变化趋势，均在21世纪初期发生了显著变化。青海省地表水资源量及地下水资源量均显著上升，上升速率分别为98.3亿m3/(10 a)和58.0亿m3/(10 a)，突变点在2005年左右；西藏自治区地表水资源量呈不显著的下降趋势，下降速率为25.2亿m3/(10 a)，突变点在2001年；地下水资源量呈显著的下降趋势下降速率，为-195.4亿m3/(10 a)，突变点在2002年。

(3)青藏高原所有流域及地市的气温均呈显著上升趋势，青海省降水量呈显著上升趋势，西藏自治区降水量呈不显著的下降趋势。青藏高原地表水资源与地下水资源均与降水呈显著的正相关关系，部分流域及地市地下水资源与气温呈显著的负相关关系，虽然人类活动对水资源的影响逐渐增加，但在青藏高原地区自然因素仍是影响水资源变化的主要因素，综合气温与降水的影响，降水增加是青海省水资源显著上升的主要影响因素。