黄河源区水源涵养有关问题探讨

2023-01-12田世民王弯弯曹永涛

水利水运工程学报 2022年1期

田世民，韩冰，梁帅，王弯弯，曹永涛

(1. 黄河水利科学研究院，河南郑州 450003； 2. 河南省黄河水生态环境工程技术研究中心，河南郑州 450003；3. 河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南郑州 450003)

青藏高原是我国重要的生态安全屏障和水资源安全战略基地，在世界水塔指数排名中，青藏高原位于世界第7和亚洲第1[1]，水源涵养是青藏高原重要生态功能之一。黄河源区位于青藏高原东北部，以唐乃亥水文断面为出口，多年（1950—2020年）平均径流量204.0亿m3，占黄河流域年径流量的三分之一，是黄河流域重要产水区和水源涵养区。黄河流域是一个动态的复杂开放巨系统[2]，系统内部上中下游紧密联系并存在互馈关系，源区水源涵养对全流域水资源安全和经济社会发展具有举足轻重的作用。2019年习总书记提出了黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略，特别强调了黄河源区水源涵养能力提升的问题。2020年国家“十四五”规划及2021年中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，均提出要加强上游水源涵养能力建设，强化水源涵养功能。然而，当前针对水源涵养概念还存在一定的分歧，黄河源区水源涵养状况及亟待开展的下一步工作缺乏系统梳理。基于此，本文从水源涵养概念、黄河源区水源涵养状况、问题及下一步工作重点等方面，对黄河源区水源涵养有关问题进行探讨，为黄河源区水源涵养研究提供参考和借鉴。

1 水源涵养概念解析

“水源涵养”最早于20世纪60年代以“森林水源涵养”的概念由苏联传入我国。国外研究中，水源涵养一般泛指水资源保护，我国水源涵养研究主要强调生态系统的水文调节作用，属生态系统服务范畴[3]。早期研究将水源涵养定义为森林对河流径流量的影响[4]，后来拓展为森林生态系统拦蓄降水，从而有效涵蓄土壤水分和调节河川流量的功能[5]，森林对降水、蒸散发、径流及水质的影响也被纳入其中[6]。如今，水源涵养的内涵进一步扩展，指生态系统通过对降水的截留、吸收和贮存，改变流域产流特征、水文循环路径和水分存储形式，调节流域地表水、土壤水和地下水之间存储和交换关系，从而既能保障和维持流域生态系统健康，又能最大限度为流域外部提供生态产品和服务的功能[7]。

水源涵养包含大气、水分、植被和土壤等自然过程[8]，其变化直接影响区域气候水文、植被和土壤状况，是区域生态系统状况的重要指示器。当前研究对水源涵养能力和水源涵养量的理解存在一定的分歧，有研究者用单位时间单位面积的水源涵养量来表征水源涵养能力[9]。从概念上讲，水源涵养能力和水源涵养量都是水源涵养功能的具体体现。水源涵养能力是指某一区域或某一类型生态系统在水源涵养方面表现出来的能力，和温度、辐射、风速、蒸散发等气候条件及下垫面、土壤、地形等区域基底特征密切相关。而水源涵养量则和时空尺度有关，在提到水源涵养量时一定是指某一区域在某一时间尺度内的水源涵养总量[7]。水源涵养能力高的区域水源涵养量不一定也高，但在相同的降水条件下即外部输入一致时，相同时间尺度内水源涵养能力高的区域，其水源涵养量也就越高。

气候变化和人类活动是影响黄河源区水源涵养能力的主要因素，而人类活动影响水源涵养能力的本质是改变了区域下垫面条件。因此，对黄河源区或其他区域来说，提升水源涵养能力，需要从气候条件和基底特征两个方面进行改善，但气候条件及土壤、地形等基底特征是无法通过人工进行调控的，只能通过改善下垫面来对水源涵养能力进行调节。

2 黄河源区水源涵养状况

在全球气候变化影响下，黄河上游地区年均气温在近50年呈现持续攀升的趋势，尤其是黄河源区，上升趋势约为0.053 ℃/a[10]，降水量整体呈增加趋势，并表现出冬季显著增多、秋季略有减少的特征，蒸散发强度除西南部外其他地区也呈上升趋势（0.27 mm/a）[11-12]。20世纪80—90年代，黄河源区生态环境受到一定破坏，2000年后，随着三江源国家公园的建立，三江源地区得到了较好的保护和恢复，生态退化情势减缓，生态环境质量得以提升。根据《三江源国家公园公报（2019）》，2019年三江源地区草地覆盖率、产草量分别比10年前提高了11%、30%以上，水源涵养量年均增幅6%以上[13-14]。

2.1 黄河源区水源涵养主体

冻土、草地、湿地、冰川等是黄河源区水源涵养的主体。黄河源区分布着大片连续、不连续和岛状多年冻土、季节冻土，是高寒地区重要的固态水源[15]。草地约占黄河源区面积的71.02%[16]，通过植被与土壤间的相互作用蓄存水分并发挥水源涵养功能[17]。湿地占黄河源区面积的8.4%[18]，源区若尔盖湿地被誉为黄河上游的蓄水池[19]。源区冰川面积较小且集中分布于阿尼玛卿山区域，发育现代冰川50余条，面积超过10 km2的大冰川有3条[20]。

2.2 水源涵养主体演变特征

2.2.1 冻土消融黄河源区多年冻土、高寒生态、水文过程等相互作用十分强烈[21]，黄河源区多年冻土主要发育在海拔4 000 m以上的区域，黄河沿以上的源头区，多年冻土面积占85%以上[22]。季节性冻土主要分布在鄂陵湖以下区域，约占整个源区面积的9.7%。源区冻土变化趋势可分为两个阶段，1972—1992年部分季节性冻土转变为多年冻土，多年冻土面积增加323 km2[23]；20 世纪 80 年代以来源区冻土发生区域性退化，主要表现为冻土深度减小、永久冻土层向季节性冻土转变、冻土层分布逐渐破碎化等[24-25]，多年冻土面积从2.4万 km2减少到2.2万 km2[26]。气候是黄河源区多年冻土空间分布的主控因子，冻土温度升高、活动层加深、季节冻深变浅，造成融区扩展乃至贯通[27-28]，改变了局部地区水文循环。

2.2.2 草地退化自 20 世纪 60 年代以来，黄河源区草地整体退化，过度放牧导致草地承载力下降，再加上鼠类大量繁殖，加速了草地的退化[29]。研究表明，与20世纪80年代相比，近年来黄河源区高覆盖高寒草地分别有8%和15%演变为中覆盖和低覆盖草地，中覆盖高寒草地有29%演变为低覆盖草地，部分天然草地演变为人工草地[30-31]。本研究利用1980—2018年30 m Landsat遥感数据分析黄河源区土地利用类型变化，发现2000年之前，黄河源区中、高覆盖草地面积持续减少，2000年后由于三江源、甘南等区域生态保护与修复工程的实施，草地面积有所恢复。

2.2.3 湿地萎缩黄河源区湿地主要包括湖泊湿地、河流湿地和沼泽湿地，其中沼泽湿地和湖泊湿地分别占湿地总面积的65.8%和33.6%[32]。20世纪70年代以来，源区湿地呈萎缩状态，其中以沼泽湿地面积减少最为显著[33]，与70年代相比，2015年源区沼泽草甸、泥炭湿地、湖泊等面积分别减少了619.3、213.5和5.49 km2[34]。若尔盖泥炭湿地面积约占整个若尔盖流域的13%，储水量约45亿 m3，1981—2011年平均向黄河补水（67.1±14.9）亿 m3/a[35]。随着放牧需求增加，人们在若尔盖流域进行了大规模的挖沟排水活动，导致湿地地下水位下降，大片湿地消失[36]，水源涵养指数持续减小[37]。在三江源生态保护修复背景下，黄河源区湿地逐步得到有效保护。根据《青海省2018年生态气象监测公报》，2018年黄河源头扎陵湖、鄂陵湖湖泊面积较2004年分别增加74.6 km2和117.4 km2，源区湿地面积增加104 km2，“千湖之县”玛多县湖泊数量由原来的4 077个增加到5 849个，重现千湖美景。

2.2.4 冰川退缩黄河源区冰川覆盖面积约为126.7 km2，集中分布于阿尼玛卿山区域。哈龙冰川、唯格勒当雄冰川、耶和龙冰川是3条面积较大的冰川，约占冰川面积的41%[38]。自1960年以来，阿尼玛卿山冰川整体处于亏损状态，主体冰川面积退缩幅度为8%～13%，其中最大的冰川长度退缩了900 m[39]。与20世纪80年代相比，黄河源区永久性冰川雪地面积减少52%[40]，冰储量从113亿m3减少至85亿 m3，减少了24.8%[24,26]，期间有个别冰川存在前进现象，但无法扭转整体退缩趋势[41-42]。冰川持续消融退缩，严重降低了冰川融水对径流的调节作用，对黄河流域水资源配置及生态系统产生不利影响[38,42]。

2.3 水源涵养功能对水源涵养主体变化的响应

2.3.1 水源涵养功能对冻土变化的响应黄河源区多年冻土对地下水的补径排关系起主要控制作用，当前黄河源区季节冻土与多年冻土界限正在发生变化，对源区径流年内分配具有较大影响。研究表明，在多年冻土覆盖率大于40%的区域，冻土退化导致流域退水过程减缓，冬季径流增大[43]，春季气温回升时冻土活动层消融引起土壤孔隙增大，导致径流系数显著降低[44]。黄河源区冻土活动层和融化夹层厚度的变化与径流关系密切，活动层和融化层厚度每增加1 m，冬季径流分别增加约150 m3/s和400 m3/s[45]。冻土土壤颗粒间充填分凝冰、胶结冰等地下冰体，渗透性极低，具有较强的隔水和贮水作用。随着多年冻土退化，渗透系数增强，冻土隔水效应弱化甚至破坏，一方面降水更多入渗从而减少地表径流，另一方面层上水和层下水之间形成更多水力通道并改变基流，从而影响水源涵养功能[43]。

2.3.2 水源涵养功能对草地变化的响应草地通过植被、水、土壤间的相互作用起到截留降水、调节坡面径流、净化水质等作用，从而体现水源涵养功能[9]。水分在土壤、植被、大气连续体系统间发生运移，影响草地生态系统中储水量和水量平衡，草地在恢复重建过程中，土壤的理化性质得到了改善，水源涵养能力有所提高[46]。近年来，在西北地区气候暖湿化及黄河源区生态保护工程叠加效应下，黄河源区植被状况有所改善。自1982年以来，黄河源区年平均植被归一化指数与气温存在显著的正相关性[14]，高寒地区气温上升可延长植被生长季并增加其光合作用，从而促进植被生长[47]，提升水源涵养能力。

2.3.3 水源涵养功能对湿地变化的响应湿地水源涵养功能涉及土壤内多个水文过程及其水文效应[48]，湿地在涵养水源、调节径流及生物多样性维持等方面具有十分重要的作用[49]。储存水量是湿地水源涵养能力的关键表征指标。湿地储水量不仅受泥炭层厚度影响，还受泥炭层物理特性以及地下水位的直接影响。水力侵蚀对泥炭湿地的土壤结构、孔隙流以及地下水位等均有一定的影响，并直接影响湿地储水量和水源涵养能力[50]。作为源区最大的湿地，若尔盖泥炭湿地内分布着纵横交织的近1 400条人工沟渠，沟道侵蚀和溯源侵蚀对湿地内水系演化和湿地演变具有直接影响，是若尔盖湿地退化和萎缩的主要驱动力[51]。受水力侵蚀影响，若尔盖湿地土壤有机质含量及泥炭层厚度不断下降，部分区域土壤沙化，导致若尔盖湿地水源涵养能力下降[52]，每年补给黄河的水量约减少0.48亿m3[53]。

2.3.4 水源涵养功能对冰川变化的响应黄河源区冰川融水对径流的补给量约3.9亿 m3/a，占源区径流的1.9%[46]。黄河源区冰储量约为8.34 km3，对应水资源量为7.09×1012kg[54]。冰川为黄河源区提供了巨大的生态缓冲容量，干旱年份冰川融水在一定程度上补给河川径流，湿润年份这种补给作用又使得河川径流量的变化趋于平缓，这对源区水源涵养具有重要作用。研究表明，阿尼玛卿山所在区域气温升高幅度较大，气温升高影响大于降水影响，未来一定时期温度上升引起的冰川消融将持续存在[55]。冰川消退后，补给河流的淡水量也会随之减少，源区水文过程受到影响，水源涵养能力降低。

2.3.5 水源涵养功能对水源涵养主体变化的综合响应总体而言，自20世纪60年代以来，黄河源区水源涵养主体的变化导致源区水源涵养能力下降[56]。研究表明，近30年来，黄河源区水源涵养量以1.15 mm/a的速率减少，尤其是2002年之前，减少速率达4.12 mm/a[12]。2000年以来，国家实施了一系列重大生态保护和建设工程，有效遏制了黄河源区生态退化的趋势，源区生态状况呈现稳定提升，进入了整体好转与局部退化并存的阶段。但受气候条件及人类活动的影响，黄河源区局部地区生态退化状况仍未得到根本改观，冰川、冻土、草地等水源涵养主体分布格局尚不稳定，现状水源涵养能力仍然偏低[42]。

3 水源涵养能力演变面临的形势

3.1 气候变化影响长期存在

气候变化是一个缓慢而长期的过程，近几十年来黄河源区及整个青藏高原地区的温度均呈上升态势，未来一定时期该区域的温度仍将呈现升高的趋势。预计到2040年，黄河源区温度与气候基准年（1961—1990年）相比将显著升高，最低气温升高2.48 ℃，最高气温升高2.67 ℃[57]。预计到2050年，在RCP4.5和RCP8.0情景下黄河源区降水量与基准年（1971—2010）相比呈现减少趋势，减少幅度分别为0.53 mm/a和0.89 mm/a[58]。因此，气候变化的影响将长期存在，并将持续对水源涵养功能产生不利影响。

3.2 人类活动强度趋于平稳

随着生态文明理念不断深入人心，政府正在采取一系列措施来调整人的行为、纠正人的错误行为，减少人类活动对生态环境的不利影响。同时，三江源国家公园建设过程中采取的退牧还草、生态移民等重大工程和非工程措施，将进一步减缓人类活动对黄河源区的不利影响。在黄河流域国家战略的大背景下，黄河源区社会经济发展模式将进一步优化。长期来看，未来人类活动强度将趋于平稳，不会再以牺牲生态环境为代价来发展经济，人类活动对黄河源区的干扰将向有利方向发展。

3.3 冰川冻土仍将持续退化

全球气候变暖无法逆转，冰川冻土仍将持续退化。最新研究结果表明，青藏高原及周边冰川变化的前景不容乐观，预计冰川面积减少至当前一半所需的时间将提前约10年[59]。预测认为，未来全球温度升高1.5 ℃情景下，青藏高原地区将升温约2.1 ℃。中国气候变化蓝皮书（2021）表明，这种异常升温趋势将加速青藏高原及周边地区冰川冻土的消融，预计在RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下，青藏高原及周边地区冰川将减少49%、51%和64%，冻土减少27.7%、21.1%和35.5%。冰川和冻土的消融、消退将对黄河源区水源涵养功能产生较大的负面效应。

3.4 草地湿地面积逐步恢复

草地和湿地生态系统的退化，既有气候变化的影响，也有人类活动的影响，其中人类活动影响为主要因素。随着人类活动不利影响的减缓及人工修复等正面影响的不断增强，源区退化草地将得到进一步治理和恢复，湿地萎缩趋势得到遏制、面积将有所恢复。据统计，截止到2018年，黄河源区草地面积与2000年相比增加了11.4%，森林面积增加了2.6%[42]。未来黄河源区草地和湿地面积将逐步恢复，生态环境质量将进一步好转，重点区域水源涵养能力将得到稳定提高。

4 黄河源区水源涵养能力提升对策建议

（1）完善黄河源区水文监测体系。受气候和地形条件影响，黄河源区水文测量难度较大。目前黄河源区水文站密度约为1.1万km2/站，站点密度远低于黄河流域水文站网的平均密度（2 330 km2/站），也低于全国水文站网的平均密度（3 000 km2/站）。需在现有水文测站的基础上，选择较大和重要支流建立水文测站，完善水文监测体系，提升水文站点密度，以更准确掌握黄河源区径流来源的空间分布及变化特征。整合黄河源区气象、水文、生态等监测数据，形成统一、数据共享的监测网，为黄河源区水源涵养演变模拟与诊断研究提供基础数据。

（2）实施精准化生态环境治理。习总书记在“9·18”讲话中提到，上游水源涵养能力稳定提升，同时黄河上游局部地区生态系统退化、水源涵养功能降低。因此，下一步需要摸清生态系统退化的局部地区，在退化草地和湿地实施精准化生态修复。基于水文响应特性将黄河源区划分为不同的水源涵养单元，识别各水源涵养单元水源涵养功能演变的主要驱动因子，基于水源涵养特征的空间差异，确立自然修复与人工修复相结合的黄河源区空间管控策略。采取具有针对性的修复措施，因地制宜，促进生态平衡，提升水源涵养能力。

（3）建立黄河流域生态补偿机制。尽快建立黄河流域生态补偿机制，逐步实现流域内省区之间尤其是青海省与其他各省区间的生态补偿，进一步加大生态环境保护力度。同时，建立黄河源区不同区域和主体之间的生态补偿，协调好生态环境保护和社会经济高质量发展之间的关系。通过生态补偿机制建设，建立黄河源区生态保护与社会经济发展相协调的长效机制，为源区水源涵养能力稳定提升提供长效保障。

（4）加强水源涵养相关科学研究。黄河源区水源涵养变化受水文、气象、人类活动等多要素影响，涉及到生态系统内部及不同类型生态之间等多个过程，同时体现在不同的时间和空间尺度上。因此，亟需开展黄河源区水源涵养变化机理研究，揭示多要素、多过程、多尺度下黄河源区水源涵养变化驱动机制，构建源区水源涵养演变计算模型，定量评估黄河源区水源涵养能力及历史与未来演变特征，为水源涵养能力提升提供理论支撑。