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  中国地质 2019, Vol. 46 Issue (2): 359-368  
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引用本文
党学亚, 常亮, 卢娜. 2019. 青藏高原暖湿化对柴达木水资源与环境的影响[J]. 中国地质, 46(2): 359-368.  
Dang Xueya, Chang Liang, Lu Na. 2019. The impact of climatic warm-wet situation of the Tibetan Plateau on the water resources and environment in Qaidam Basin[J]. Geology in China, 46(2): 359-368. (in Chinese with English abstract).  

青藏高原暖湿化对柴达木水资源与环境的影响
党学亚1,2,3, 常亮1,2,3, 卢娜1,2,3    
1. 中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
2. 中国地质调查局干旱-半干旱地区地下水与生态重点实验室, 陕西 西安 710054;
3. 陕西省水资源与环境工程技术研究中心, 陕西 西安 710054
摘要: 通过分析研究格尔木和德令哈两个典型流域气象要素、径流及全盆地土地覆盖类型面积的变化,发现青藏高原暖湿化对柴达木盆地水资源与环境影响显著。研究区气温明显上升、干旱指数显著下降,暖湿化明显。2000-2016年与1960-1999年相比,格尔木和德令哈年均气温分别上升了1.7℃和1.3℃、年均降水量分别增加了2 mm和63 mm、年均径流量分别增加了240×106和90×106 m3。2000-2012年全盆地裸地减少,草地、永久冰雪、水体面积、开放灌丛面积增加,植被生态向好发展。暖湿化促使降水量增加是河川径流量和水资源增加及生态环境改善的主要原因。现阶段暖湿化环境对盆地水资源开发利用和生态环境保护有利,但其对改善环境的可持续性需要进一步监测和研究。
关键词: 青藏高原    气候暖湿化    柴达木盆地    水资源与环境    
中图分类号:P641;P627            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2019)02-0359-10
The impact of climatic warm-wet situation of the Tibetan Plateau on the water resources and environment in Qaidam Basin
DANG Xueya1,2,3, CHANG Liang1,2,3, LU Na1,2,3    
1. Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Key Laboratory for Groundwater and Ecology in Arid and Semi-arid Areas, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
3. Shaanxi Engineering Research Center of water resources and environment, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: Through studying the changes for meteorological factors, runoff and land cover in Golmud and Delingha in Qaidam Basin, it is found that the water resources and environment has been influenced significantly by climatic warm-wet situation in the-Tibetan Plateau. In the study area, the temperature increases significantly, the drought index decreases significantly, and the climatic warm-wet situation is significant. From 2000 to 2016, the annual average temperature increased respectively 1.7℃ and 1.3℃, annual average precipitation increased respectively 2 mm and 63 mm, annual average runoff increased respectively 240×106 and 90×106 m3, compared with 1960-1999, in Golmud and Delingha basin. From 2000 to 2012, the bare land in the whole basin decreased, the area of grassland, permanent ice, snow, water area and open shrub increased, and ecological vegetation was developed very well. The climatic warm-wet situation promotes the increase in precipitation, and it is the main reason for the increase of runoff, water resources, as well as the improvement of ecological environment. At the present stage, the warm-wet environment is beneficial to water resources development and ecological environmental protection in Qaidam Basin; nevertheless, the sustainable development of the water resources and environment needs further monitoring and deep research.
Key words: Tibetan Plateau    climatic warm-wet situation    Qaidam Basin    water resources and environment    

1 引言

柴达木盆地位于青藏高原东北部(图 1),总面积276.2×103 km2,是巨大的矿产资源和能源资源盆地,也是国家在建的最大循环经济试验区。其内部平原区面积130.5×103 km2,蕴藏着丰富的石油、天然气以及钾盐等盐湖矿产,是循环经济的核心布局区和工业园区所在地。但地处内陆腹地,干旱少雨、生态环境脆弱,循环经济试验区发展建设始终为水资源和生态环境两大因素所制约。20世纪中期,柴达木盆地的无序开发使区内土地严重沙化(许荣生等,1998王昱,2005)。当今,面对生态文明建设要求和气候变化对青藏高原水资源与生态环境带来的强烈影响(蒲健辰等,2004李治国,2012戴升等,2013郑然等,2015段安民等,2016胡凡盛等,2017),柴达木盆地开发建设科学决策迫切需要水资源与生态环境变化依据支持。

图 1 柴达木盆地地势及水系分布图 Fig. 1 Distribution of geomorphology and hydrographic net in Qaidam Basin

气候变化的影响正如2007年IPCC(政府间气候变化专门委员会)第四次评估报告描述的那样——“从来没有像今天这样向人类展示着它的威力”(孙颖等,2007)。其对水资源与环境的影响备受科学界、环境智库、各国政府和社会公众关注(Piao Shilong等,2010张秀琴等,2015杜譞等,2018)。1988年以来,联合国的教科文组织、环境规划署、发展署,以及世界气象组织(WMO)、国际水文科学协会(IAHS)等陆续实施了一系列国际水科学方面的合作项目或研究计划,从全球、区域和流域等不同尺度研究变化环境下的水循环及其变化的检测与归因、水资源变化趋势、影响评估模型及气候变化的阈值等问题(陶涛等,2007刘昌明,2008王国庆等,2008张彧瑞等,2012宋晓猛等,2013李峰平等,2013)。目前的研究正朝着气候变化对淡水资源的影响,变化环境下水安全、水资源的脆弱性、适应性管理(夏军等, 2008, 2011, 2012, 2015, 2016)以及环境地质工作方向等方面扩展(张永双,2017中国地质编辑部,2017)。目前,已有研究建立了GCMs气候模型和近30种耦合此气候模型的水文模型(王国庆等,2008),预测流域水资源未来的变化趋势(宋晓猛等,2013)。模型模拟的效果与适应性对于湿润半湿润地区较好,对干旱半干旱地区受模型结构和参数识别的不确定性影响仍然面临挑战(王国庆等,2008於凡等,2008)。青藏高原作为全球气候变化的驱动机和放大器(潘保田等,1996),是专家学者们关注的重点,并从区域尺度对高原的气温、降水、湖泊和冰川变化开展了大量的研究工作,得出了较一致的认识:青藏高原在1997—2000年开始加快变暖并有湿化现象,气温升高(吴绍洪等,2005戴升等,2013郑然等,2015段安民等,2016)、湖泊扩张(李治国,2012董斯扬等,2014)与冰川退缩明显(蒲健辰等,2004胡凡盛等,2017)。另外,刘晓东等(2009)基于IPCC-AR4的A1B情景、张人禾等(2015)基于IPCC-AR5的RCP情景的气候模型及物理统计模型预估了青藏高原气候未来的发展趋势,结果显示:在RCP2.6和RCP8.5情景下,2006—2035年年平均降水较1961—2005年将增加3.2%;在RCP4.5情景下,2016—2035年年平均降水将增加4.4%。同时指出,受自然条件差异的影响,气候变化对青藏高原水资源影响在各地有所不同。但过往针对柴达木盆地开展的研究不多且较为粗略。因此,本文选择盆地产业规模最大、水资源需求最强烈格尔木河流域和巴音河流域开展相关研究,利用柴达木盆地1:5万水文地质调查最新获得的气象水文数据序列与环境遥感监测数据,采用简单可靠的动态变化分析法,通过分析两流域控制性气象站降水量和水文站径流的动态变化特征,以及全盆地的土地覆盖类型面积变化特征,以期揭示青藏高原气候暖湿化对柴达木盆地水资源与环境的影响,为柴达木循环经济试验区建设提供参考依据。

2 研究区概况

柴达木盆地属于高寒干燥大陆性气候,自然环境以荒漠为特征。区内植被主要分布于平原区冲洪积扇前缘的地下水泄出带附近、河流的漫滩与阶地、湖泊周边,以及山区海拔在4200~4700 m的高原草甸和高山草甸地带。盆地中心地带的盐壳、盐湖,西北部的风蚀残丘和沙漠、戈壁荒漠以及祁连山、昆仑山高山积雪、冰川和高山裸岩、碎石带寒漠等地带基本无植被(陈志人,1987马俊飞等,2008朱文彬等,2010)。土地覆盖类型主要为裸地、草地、永久冰雪、开放灌丛、水体、耕地。研究区格尔木河流域、巴音河流域分别位于昆仑山北麓中部和祁连山南麓东部。两流域分别拥有柴达木盆地第二大河格尔木河和第四大河巴音河。

格尔木河由东、西两条支流汇合而成。东支发源于巴颜喀拉山北坡,河源海拔5692 m,河长317 km,集水面积10723 km2;西支发源于昆仑山北坡的狼牙山,河源海拔5400 m,河道长248 km,集水面积7527 km2。河水来源于冰雪融水、降水和地下水补给。该河流在其两支流汇合口下游6.8 km处有控制性水文站——格尔木(三)站,集水面积为18648 km2

巴音河发源于祁连山脉的野牛山,河源海拔4900 m左右,接受降水和地下水补给。其切穿宗务隆山,流经泽林沟、德令哈、尕海戈壁,最后注入可鲁克湖和托素湖。该河流在出山口有控制性水文站——德令哈站控制。水文站以上河道长约200 km,集水面积7281 km2

3 数据来源与处理 3.1 数据来源 3.1.1 气象水文数据来源

柴达木盆地四周高山环抱,内部平原区水资源主要来自山区河流的输入。山区因自然环境恶劣,缺少气象和水文观测站点,但两流域在河流出山口均设有水文站。同时两河的山前平原作为柴达木盆地主要城市格尔木市、德令哈市所在地均有专业的气象站。1960—2016年两地气象与水文观测积累了长达57年的资料序列。其中,降水量和气温数据可从http://cdc.cma.gov.cn(中国气象科学数据共享服务网)取得,蒸发量和水文数据采用中国地质调查项目——柴达木盆地巴音河—塔塔凌河流域1︰5万水文地质调查所收集的资料(德令哈缺失2000—2010年蒸发量数据,表 1)。

表 1 格尔木和德令哈主要气象要素历年观测值一览 Table 1 A list of annual observations of main meteorological elements in Golmud and Delingha
3.1.2 遥感数据来源

遥感数据采用NASA免费提供的3级陆地标准数据集MCD12q1。它为Terra和Aqua数据联合开发的土地覆盖分类数据,空间分辨率为500 m×500 m,每年一期。交叉验证分析结果表明其精度较高,达到了75%。该数据包括5种分类方案,其中常用的为国际地圈与生物圈计划IGBP的土地覆盖分类系统(IGBP-Type 1)。其将全球分成水体、常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林、郁闭灌丛、开放灌丛、多树草原、稀树草原、草地、永久湿地、耕地、城市建设用地、耕地/自然植被镶嵌体、冰雪、裸地或极稀疏植被等17个土地覆盖类型。柴达木盆地现有2000—2012年13期土地覆盖类型数据。

3.2 数据分析处理 3.2.1 气象与水文数据处理

气象数据可直接用于动态分析和分段平均值统计。水文数据在格尔木站涉及到迁站造成数据不统一而不能直接利用的问题,需做还原和修正方可进行动态分析和分段平均值统计。1959年1月1日至1990年8月格尔木水文站为格尔木(三)站(东经94°49′、北纬36°00′),集水面积为18648 km2;因修建乃吉里水库,1990年9月下迁37 km至出山口下游,为今天的格尔木(四)站(东经94°47′、北纬36° 18′),集水面积扩大至19621 km2图 1)。之后,(四)站上游有温泉水库、大干沟水库、小干沟水库和乃吉里水库相继建成。对此,将观测数据还原统一至格尔木(三)站。鉴于后3个水库为峡谷型水库,水面面积小,库区蒸发损失可以忽略不计,还原主要考虑温泉水库蓄水变量、库区蒸发损失量,以及格尔木(三)站至乃吉里电站段的河道渗漏和库区渗漏。其中河水在两站之间的河道及乃吉里库区的渗漏量根据青海省柴达木综合地质勘测大队《格尔木河中下游冲洪积扇地下水数学模型及环境地质研究》报告,分别为43.68×106 m3/a和53.29×106 m3/a,二者合计为96.97×106 m3/a。两站集水面积相为差973 km2,区间来水量为17.03×106 m3/a。还原计算即采用此区间渗漏量和来水量。由此得到统一到格尔木(三)站的1960—2016年径流数据序列。

3.2.2 遥感数据处理

直接根据土地覆盖类型数据集MCD12Q1数据,按国际地圈与生物圈计划(IGBP)的土地覆盖分类系统,分别统计各种类型2000—2012年的面积,分析其变化特征。

4 结果与讨论 4.1 盆地暖湿化分析

通过绘制1960—2016年的年降水量、气温、蒸发量及干旱指数历时曲线并计算变化趋势(图 2)可见:①德令哈站降水量年际变化较大,而格尔木站变化不大;两站降水量均呈增加趋势,但德令哈站增加更为显著,梯度近乎是格尔木站的9倍。②两站气温年际历时曲线形态相似,均呈显著增大趋势,格尔木站的变化梯度略大于德令哈站。③两站的蒸发量和干旱指数均呈现减小趋势,蒸发量历时曲线形态十分相似,干旱指数曲线形态差异较大;格尔木站蒸发量和干旱指数减小的梯度明显大于德令哈站。

图 2 格尔木与德令哈气象站要素历时曲线及其变化趋势图 Fig. 2 Meteorological factors duration curve and changing trend of Golmud and Delingha

姚晓军(2013)杜玉娥(2018)等研究发现,2000年为青藏高原可可西里气温升高、降水增加与湖泊扩张最显著的时间节点。据此,本文按1960— 1999年与2000—2016年两个时段,进一步统计比较降水量、气温、蒸发量、干旱指数的变化(表 2),结果显示:①格尔木站年均降水量增加了2 mm、增率为4.5 %,年均气温升高了1.7℃、增率为35.4 %,年均蒸发量减少了670 mm、下降了25.8%,干旱指数由50.0下降至38.2。②德令哈站年均降水量增加了63 mm、增率为38.5 %,年均气温升高了1.3℃、增率为36.1 %,年均蒸发量减少了739 mm、下降了34.6 %,干旱指数由9.8降低为4.9。这些气象指标的变化表明柴达木盆地出现了暖湿化。

表 2 格尔木和德令哈气象要素特征值统计 Table 2 Statistical table of meteorological features in Golmud and Delingha
4.2 径流变化分析

通过绘制1960—2016年格尔木和德令哈水文站年径流量历时曲线(图 3)可见:两水文站径流曲线形态类似,同步变化特征明显。径流量均呈现显著增加趋势,与气温升高、降水量增大的趋势总体一致,与蒸发量、干旱指数减小的趋势相反,显然径流量的增加主要为暖湿化所致。

图 3 格尔木与德令哈气象要素及径流量历时变化对比图 Fig. 3 Duration curve of meteorological factors and river runoff in Golmud and Delingha station

同样按1960—1999、2000—2016年两个时段统计径流变化发现:格尔木站平均径流量从750×106 m3/a增大到990×106 m3/a、增幅32.0%,德令哈站平均径流量从320×106 m3/a增大到410× 106m3/a、增幅28.1%。

两站的径流量增减变化与两地各自降水量增减变化基本同步,尤其是德令哈地区同步性更高,显示出降水量多寡控制了河流径流大小。

4.3 土地覆盖类型面积变化分析

根据从NASA下载的MCD12Q1遥感数据,统计土地覆盖类型面积变化(表 3图 4),结果显示:

图 4 柴达木盆地土地覆盖类型 Fig. 4 Land cover types in Qaidam Basin
表 3 柴达木盆地2000-2012年主要的土地覆盖类型面积(km2)变化一览 Table 3 Area change statistics of main land cover types from 2000 to 2012 in Qaidam Basin(km2)

2000—2012年13年间柴达木盆地的裸地减少了20807 km2,草地、永久冰雪、水体面积、开放灌丛分别增加了18951 km2、888 km2、169 km2、739 km2,生态植被明显向好发展。

盆地生态植被明显改善的变化趋势在时间轴上与降水增加一致性较高,显然与降水增加的影响有关,其中裸地面积在2006—2009年呈现增大趋势、草地面积在2007—2009年呈现减小趋势的同时,水体和永久冰雪面积却表现出相对稳定略有增加,说明降水增加对改善生态环境发挥了控制性作用。

4.4 环境条件变化对水资源影响分析

MCD12Q1数据显示2000年以来柴达木盆地水体与永久冰雪面积均有所增加,说明河川径流量增加的主控因素是山区降水量显著增加,冰川融化的贡献有限。与此同时盆地降水量、河川径流量、水域面积增大、气象站测得的蒸发量减小,表明进入内部平原的水资源增加。这与王洋等(2018)基于GRACE研究柴达木盆地水资源量呈现明显增加的结果一致。但研究区的水体面积增大、植被面积增加势必增加蒸发量,而气象站所测的蒸发量在减小与其并不一致,说明气象站蒸发皿测得的潜在蒸发量减少并不代表近年来实际的总蒸发量一定减小。因此,暖湿化究竟使盆地内水资源量增加了多少,需要对全盆地水均衡进行分析研究,但目前受观测数据不足的局限,本研究尚未涉及,建议给予关注。

5 结论

(1)青藏高原暖湿化大背景下,柴达木盆地暖湿化明显。研究区降水量、河川径流量增大,水资源量增加,有利于区内水资源开发利用。

(2)暖湿化使柴达木盆地的裸地面积减少,草地、永久冰雪、水体、开放灌丛的面积增加,促使生态环境改善,有利于试验区生态环境保护。

(3)暖湿化促使降水增加是柴达木盆地河川径流量和水资源增加以及生态环境改善的主要原因,冰川融化非主要因素。

(4)暖湿化影响下全盆地生态环境改善、格尔木与德令哈地区水资源增加。其是否可持续向好发展,需要对降水、冰川和生态植被等方面全面系统地开展监测,研究判断是否存在大气环流将域外水源带进了柴达木盆地。现阶段,区内资源开发过程中对水资源和生态环境的保护绝不可掉以轻心。

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