黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)能力研究綜述

周冰玉，李志威，田世民，游宇馳

(1.長沙理工大學水利與環(huán)境工程學院，湖南 長沙 410114; 2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072; 3.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

黃河源區(qū)地處青藏高原東北部，平均高程3 500 m以上，包括黃河源至唐乃亥水文站的地域。源區(qū)面積約占整個黃河流域的17.0%，1950—2015 年平均年徑流量為200.6億 m3，約占黃河流域年徑流量的1/3，是“中華水塔”青藏高原的主要構成部分。作為黃河的重要水源涵養(yǎng)區(qū)和主要產(chǎn)流區(qū)，黃河源區(qū)是中國西部地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障。

水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)服務功能之一，是反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指示器[1]。黃河源區(qū)的主要水源涵養(yǎng)單元包括草地、濕地、凍土、冰川等，其中，草地面積約占黃河源區(qū)總面積的71.0%，其通過土壤與植被間的相互作用蓄存水分并發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能[2-3]；濕地面積占黃河源區(qū)總面積的8.4%，源區(qū)的若爾蓋濕地是我國面積最大的泥炭沼澤濕地，被譽為黃河上游的蓄水池[4]；大片連續(xù)、不連續(xù)和島狀凍土交錯分布于源區(qū)，是高寒地帶重要的固態(tài)水源[5]；源區(qū)的冰川面積較小且集中分布于阿尼瑪卿山區(qū)域，發(fā)育現(xiàn)代冰川50余條，有3條大冰川的面積超過10 km2，冰川對黃河源區(qū)水資源變化的影響相對較小。

自1960年以來，受氣候變化和人類活動的雙重影響，黃河源區(qū)的水源涵養(yǎng)單元發(fā)生了顯著變化：草地覆蓋度降低，湖泊水域萎縮，濕地面積不斷減少(若爾蓋泥炭濕地逆向演替[6])，多年凍土嚴重退化[7]，冰川面積減少，沙漠化土地面積增加。黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)演變呈現(xiàn)多過程、多因素耦合驅(qū)動的特征，各水源涵養(yǎng)主體的結(jié)構和功能在環(huán)境變化下相互影響且不斷變化。國內(nèi)外學者圍繞黃河源區(qū)生態(tài)景觀演變、水文過程、氣候和人類活動等主要影響因素變化以及不同地域和不同生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能開展了一系列研究[8-10]。然而，以往的研究側(cè)重于黃河中下游河段的水沙變化、河床演變和防洪保安，對于黃河源區(qū)的水源涵養(yǎng)演變機理缺少系統(tǒng)研究和科學認識。當前我國西北地區(qū)的氣候呈現(xiàn)由冷干向暖濕化發(fā)展的趨勢[11]，在此背景下開展黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)能力研究，揭示多尺度、多過程、多因素耦合驅(qū)動下水源涵養(yǎng)演變機理，對于深入了解黃河源區(qū)水源演變過程，提升水源涵養(yǎng)能力有重要意義。

本文在現(xiàn)有黃河源區(qū)蓄水量研究以及2011—2020年野外考察與觀測的基礎上，總結(jié)了水源涵養(yǎng)功能及其評估方法，對黃河源區(qū)生態(tài)景觀演變及水文過程響應進行了綜合分析，探討了草地退化、濕地萎縮、凍土消融對黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能的影響。

表1 水源涵養(yǎng)功能評估方法的發(fā)展歷程

1 水源涵養(yǎng)功能及其評估方法

1.1 水源涵養(yǎng)功能和影響因素

水源涵養(yǎng)指陸地生態(tài)系統(tǒng)通過對降水的截留、吸收和儲存，改變水文循環(huán)路徑、區(qū)域產(chǎn)流特性和水分儲存方式，調(diào)節(jié)地表水、土壤水和地下水之間的補-徑-排關系，進而對流域水文過程產(chǎn)生影響[12]。隨著多學科研究的深入，水土保持攔蓄降水和土壤含水等水源涵養(yǎng)功能逐漸受到關注，水源涵養(yǎng)功能的內(nèi)涵也不斷擴大和外延。

國內(nèi)關于水源涵養(yǎng)功能的研究開始于1920年，相關學者對黃土高原以及大江大河流域的水源涵養(yǎng)功能均進行了不同程度的研究[13]。我國水源涵養(yǎng)的空間分布規(guī)律總體上呈東南高西北低、由東向西逐漸遞減的特點，2010年全國生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量為12 224.33億 m3，其中森林部分的水源涵養(yǎng)量占60.80%，其次為草地和灌叢，水源涵養(yǎng)量分別占15.65%和14.10%[1]。黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)量在1980年相對較高，之后顯著降低，2000年后又有所恢復，其中2001—2017年若爾蓋流域年均水源涵養(yǎng)總量為65.7億 m3，在黃河源區(qū)及黃河上游發(fā)揮了重要的水源涵養(yǎng)作用[10,14]。然而，受降水減少和潛在蒸散增加的共同影響，近30年來黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)量以1.15 mm/a的速率減少[10]。

水源涵養(yǎng)功能受自然因素和人類活動的雙重影響，其中，降水量以及大氣水分需求能力變化對水源涵養(yǎng)量有重要影響，降水、氣溫、蒸散發(fā)、輻射及下墊面等因子是影響水源涵養(yǎng)的主要氣候因素[10]。在這些因素中，降水和蒸散發(fā)對徑流變化的貢獻率為87.9%[15]。近幾十年來，黃河源區(qū)降水表現(xiàn)出冬季顯著增加、秋季略有減少的特征，降水和徑流在年際變化上具有一致性，但在年內(nèi)尺度上徑流響應具有滯后性。黃河源區(qū)氣溫在過去幾十年總體表現(xiàn)為上升趨勢，即氣溫每升高1℃，黃河源區(qū)蒸散發(fā)量將提高5.0%～10.0%[16]。20世紀90年代黃河源區(qū)東南部降水減少，蒸散發(fā)顯著增大，導致了源區(qū)徑流量減少[17]。

1.2 水源涵養(yǎng)功能評估方法

水源涵養(yǎng)功能評估方法的發(fā)展大致經(jīng)歷了森林水文過程研究、量化計算及多模型集成3個階段[18-20]，見表1。

除表1所列的主要評估計算方法外，多因子回歸法、林冠截留剩余量法、降水儲存量法等也可用于計算水源涵養(yǎng)能力，但由于數(shù)據(jù)獲取困難、普遍適用性低而較少使用。具體運用過程中，應根據(jù)實際情況選取不同的方法，如具備蒸散發(fā)數(shù)據(jù)則通常使用水量平衡法，大時空尺度研究區(qū)適用多模型集成方法等。

2 黃河源區(qū)生態(tài)景觀演變和泥炭地儲水量

2.1 黃河源區(qū)生態(tài)景觀演變及水文過程響應

在自然因素和人類活動的雙重影響下，黃河源區(qū)草地、濕地、凍土、冰川等生態(tài)景觀類型均發(fā)生了不同程度的退化[21-24]，導致水源涵養(yǎng)能力下降[8]，其中，草地覆蓋度下降(8%和15%的高覆蓋高寒草原分別演變?yōu)橹懈采w和低覆蓋高寒草原，部分天然草地演變?yōu)槿斯げ莸?；泥炭濕地自然疏干，濕地景觀趨向破碎化，出現(xiàn)旱化沼澤草甸、草甸和沙化草甸等并存的景觀格局；凍土退化顯著(活動層加深、季節(jié)凍深變淺、融區(qū)擴展或貫通增加了儲水空間，使得基流并不隨降水增加而增加)；冰川融水大幅減少(阿尼瑪卿山冰川整體處于物質(zhì)虧損狀態(tài)，1966—2000年耶和龍冰川的冰面海拔下降了1 950 m，2000—2013年哈龍冰川厚度呈減薄趨勢)。水文過程是黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)能力的一個重要體現(xiàn)。自1956年以來，黃河源區(qū)徑流經(jīng)歷了“豐—枯—豐—枯—豐”的交替變化過程[25-26]，徑流量總體呈下降趨勢[9]。黃河源區(qū)徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期，唐乃亥站汛期徑流量占全年徑流量的71%。源區(qū)年內(nèi)徑流存在單峰和雙峰兩種峰型，峰值一般出現(xiàn)在7月和9月，1990年后演變?yōu)閱畏逍蚚27]。1956—2018年除6月和12月的徑流量呈上升趨勢，1—5月和7—11月的徑流量呈下降趨勢，其中5月、8月和9月的徑流下降幅度較大[28]。相比1990年以前，黃河源區(qū)徑流量已減少15%～20%。1960年以來，黃河源區(qū)下墊面不斷發(fā)生凍土退化、植被覆蓋度降低、湖泊及濕地萎縮等變化，對黃河源區(qū)的水文過程產(chǎn)生了一定影響[29-30]。近期，隨著三江源國家公園的建設以及草地與濕地生態(tài)修復措施的實施，黃河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況有所好轉(zhuǎn)，但局部地區(qū)水源涵養(yǎng)能力仍持續(xù)降低。

綜上，前期研究主要揭示了黃河源區(qū)生態(tài)景觀類型的演變過程以及徑流的長期變化特征，沒有基于水文響應過程劃分水源涵養(yǎng)單元并開展源區(qū)水源涵養(yǎng)能力變化研究，且不同水源涵養(yǎng)單元或涵養(yǎng)主體間的相互作用機制也不明晰。此外，有關徑流演變的研究主要依托黃河沿、瑪曲、吉邁、唐乃亥等干流水文站，且同時采用以上4個水文站徑流序列的研究僅占17%[9]，干支流徑流演變空間特征闡述也不夠，徑流變化與水源涵養(yǎng)單元演變的對應關系和響應機制尚不明確。

2.2 若爾蓋泥炭地儲水量研究

若爾蓋盆地是黃河上游極其重要的水源地，被譽為我國黃河上游的“蓄水池”。分布于若爾蓋盆地的泥炭濕地是一個巨大的離散海綿，作為我國最重要的高原沼澤濕地，其豐富的地下水資源量對區(qū)域生態(tài)平衡和黃河上游水量供給產(chǎn)生了重要的影響[31]。研究表明，若爾蓋泥炭沼澤面積不斷減少，但地下水儲存量仍較大[32]。儲水量可通過白河唐克水文站、黑河大水和若爾蓋水文站、黃河干流瑪曲水文站等站點的水文數(shù)據(jù)間接證實和粗略估算。根據(jù)泥炭持水量公式測算，若爾蓋泥炭地儲水量可達45.0億m3，若爾蓋盆地每年向黃河源區(qū)的補水量約為(67.1±14.9)億 m3，且呈逐年減少趨勢[33]，其中20.0億 m3的地表水入滲成為地下水，主要儲存于泥炭層中，可補給超過1/3的河道徑流量。

若爾蓋泥炭地儲水量研究對于黃河流域的水資源可持續(xù)利用與保護具有重要的意義[32]，但目前對具體水資源量以及其隨時間的變化趨勢仍然未知，主要原因是：①泥炭層分布存在明顯的空間差異[34]。②泥炭層的儲水量并不完全取決于其厚度，還受到泥炭層的物理性質(zhì)、地下水位的高低及其變化的影響。③泥炭層地下水位不僅受降雨強度、雨量和時間的影響，還與無雨期的長短、地表形態(tài)和植被分布等密切相關。此外，泥炭地的人工開溝排水[35-36]、自然水系溯源下切疏水[37]、城鎮(zhèn)及牧民生活用水等都對若爾蓋泥炭層的輸水量變化過程產(chǎn)生了不同程度的持續(xù)擾動，且存在較大的時空差異。人工溝道和自然溝道對地下水位及橫向排水量均有影響，其中人工溝道大多溝深較淺，對地下水的影響有限，自然沖溝切穿泥炭層后將增加地下水出流量。但隨著垂直溝道的橫向距離的增加，兩者的影響力均逐步減弱[38]。

綜上，估算泥炭層的儲水量及其變化較為困難，僅粗略估計泥炭層儲水量的上限與下限還遠遠不夠。眾所周知，泥炭地儲水量的減少是沼澤萎縮和泥炭退化的必要條件之一，而泥炭沼澤退化的發(fā)生是一個在時間尺度上以10 a為單位的漸變過程。因此，泥炭層儲水量的減少也至少是一個以a為單位的漸變水文過程。研究典型小流域在一個水文年內(nèi)降雨期和非降雨期泥炭層內(nèi)各種水文過程和儲水量的時空變化及其水量平衡，對于認識整個若爾蓋盆地的沼澤濕地水文過程及萎縮機制具有十分重要的意義，對于黃河上游水資源的優(yōu)化配置與可持續(xù)利用也具有一定參考價值。

3 黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)能力影響因素

3.1 草地退化與濕地萎縮對水源涵養(yǎng)的影響

草地約占陸地總面積的27%，是地表面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型，同時草地也是黃河源區(qū)占比最大的植被覆蓋類型。水分在土壤-植被-大氣連續(xù)體系統(tǒng)間發(fā)生運移，影響著草地生態(tài)系統(tǒng)的儲水量和水量平衡。在草地生態(tài)系統(tǒng)中植被覆蓋度與土壤水分存在顯著相關，通過植被、水、土壤間的相互作用起到截留降水、調(diào)節(jié)坡面徑流、凈化水質(zhì)等作用，并體現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能[3]。土壤特性對草地水源涵養(yǎng)功能具有重要影響，研究發(fā)現(xiàn)黃河源區(qū)的草地在恢復重建過程中，土壤的理化性質(zhì)得到了持續(xù)改變，水源涵養(yǎng)能力得到一定提高[39]。同時，草地面積增加在一定程度上又引起耗水增加，在干旱半干旱地區(qū)草地的增加部分導致了產(chǎn)水量的減少[20]。

濕地處于水生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間，作為多功能過渡性生態(tài)系統(tǒng)，其對于徑流調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)及生物多樣性形成等方面起到主要作用。濕地的蓄水能力因土壤特性而異，當土壤有機質(zhì)含量較高時可發(fā)育成泥炭層，從而具備良好的蓄水能力[40]。從全球范圍來看，泥炭濕地面積占全球陸地面積的3%，占全球濕地面積的40%～70%，儲蓄了10%的淡水資源[41]。泥炭濕地是黃河源區(qū)主要的濕地類型，其儲存水量的變化是水源涵養(yǎng)能力的關鍵表征指標。

草地和濕地作為黃河源區(qū)重要的生態(tài)景觀類型，其各種水文過程、儲水量時空變化及水量平衡對于深入了解黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)演變過程及演變機制具有重要的科學意義。近幾十年來，隨著人類活動強度的增大，人工排水導致的草地和濕地水文過程干擾日趨嚴重。若爾蓋濕地分布著縱橫交織的近1 400條人工溝渠，總長度達1 800.0 km[29,42]，不斷增強的水力侵蝕對泥炭濕地的土壤結(jié)構、孔隙流以及地下水位等均有一定的影響，對濕地內(nèi)水系演化和濕地演變具有直接影響和加速作用，從而影響濕地儲水量和水源涵養(yǎng)能力[43]。溝道侵蝕和溯源侵蝕是切穿泥炭層、降低地下水位、增加側(cè)向排水和疏干泥炭沼澤的關鍵水力過程，是若爾蓋泥炭濕地退化和萎縮的主要驅(qū)動力[29,42]。受水力侵蝕的影響，若爾蓋濕地土壤有機質(zhì)含量及泥炭層厚度不斷下降，部分地區(qū)土壤沙化，水源涵養(yǎng)能力有所下降。受濕地萎縮的影響，若爾蓋泥炭濕地補給黃河的水量也以約0.5億m3/a的速度減少[44]。

然而，當前關于水力侵蝕對黃河源區(qū)草地和濕地地下水位及排水量變化的影響研究較少。由于缺乏長期和系統(tǒng)的監(jiān)測，定量闡述地下水運動過程的數(shù)據(jù)支撐不足，因而水力侵蝕對草地和濕地水量平衡及水源涵養(yǎng)功能的影響機制尚不明確。

3.2 凍土水熱過程對水源涵養(yǎng)的影響

黃河源區(qū)位于青藏高原的多年凍土區(qū)，地處東北部邊緣地帶，是季節(jié)凍土、島狀多年凍土和連續(xù)多年凍土并存地帶[30]，凍土空間分布格局十分復雜，對河湖沼澤、高寒草地乃至動植物生境都產(chǎn)生了深遠影響。多年凍土是黃河源區(qū)重要水源涵養(yǎng)單元，據(jù)統(tǒng)計，青藏高原多年凍土總地下冰含量為1.3萬km3，其中黃河源區(qū)地下冰含量為(49.6±18.0)km3，主要分布在3.0～10.0 m深度，其儲水量相當于鄂陵湖、扎陵湖的2.8倍[45-46]。多年凍土被分凝冰、膠結(jié)冰等地下冰體填充，因而滲透性極低，具有較強的隔水和貯水作用[47]。針對黃河源區(qū)不同凍土區(qū)凍融過程的監(jiān)測表明，凍土溫度越低，其凍結(jié)持續(xù)時間相對越長，由下向上的凍結(jié)過程就越明顯，對大氣降水和地表及壤中流的駐留作用也就相對越強[48]。

近幾十年來，在氣候變化和人類活動的雙重影響下，黃河源區(qū)凍土顯著退化，具體表現(xiàn)為島狀多年凍土消失、融區(qū)擴展或貫通、活動層加深、季節(jié)凍深變淺等[45]，深刻影響并改變了局部地區(qū)水文循環(huán)和高寒生態(tài)環(huán)境。測溫記錄表明，最近10 a黃河源區(qū)地下15.0 m處升溫達0.2℃，數(shù)值模擬揭示活動層厚度在過去40 a平均增加50.0 cm，而多年凍土面積則年均減少1.1%[30,49]。研究表明，多年凍結(jié)層上水在20 a內(nèi)減少了約1.5億m3[50]，黃河源區(qū)活動層和融化層厚度每增加1.0 m，冬季徑流分別約增加150.0 m3/s和400.0 m3/s。在氣候變暖以及強降水作用下，淺表層土壤溫度因強降水入滲攜帶熱量可能升至0℃以上，滲透性增大，其隔水效應弱化，凍結(jié)層上水將向下滲漏，從而減少地表徑流，局部地區(qū)水文結(jié)構也因之改變，并由此影響到水源涵養(yǎng)功能[51]。

當前黃河源區(qū)凍土研究多側(cè)重于淺表層凍土水熱過程交換及機制、多年凍土熱狀態(tài)時空分布格局及影響因素、凍結(jié)層上水的動態(tài)變化等，而關于水源涵養(yǎng)功能的研究尚未實質(zhì)性展開。雖在多年凍土變化的水文徑流效應上有所涉及，但也多基于黃河干流水文站徑流分割并結(jié)合多年凍土熱狀態(tài)退化進行假設，其結(jié)論尚缺乏原型觀測驗證[52]。有關黃河源區(qū)多年凍土區(qū)的淺表層凍融過程和地表、地下徑流變化對降水的響應，不僅缺少相應機理研究，也缺乏相應原型監(jiān)測。此外，黃河源區(qū)凍土與高寒草地、泥炭濕地等不同水源涵養(yǎng)主體間的相互作用機制也不明晰。

4 結(jié) 語

黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展已成為國家重大發(fā)展戰(zhàn)略，這對源區(qū)水源涵養(yǎng)能力提升有了更高的要求。然而，由于黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)單元演變涉及諸多要素，過程極為復雜，現(xiàn)有研究未能將其進行有機耦合，相關機制和機理揭示還遠遠不夠。主要存在如下問題：①研究手段不完善。受氣候、環(huán)境、交通及監(jiān)測條件等因素的影響，現(xiàn)有監(jiān)測體系仍不完善甚至缺失。同時，在水源涵養(yǎng)計算模型方面，現(xiàn)有模型多通過參數(shù)率定和驗證來體現(xiàn)其合理性，缺乏水源涵養(yǎng)演變物理過程和演變機制的支撐。②研究方法不系統(tǒng)。現(xiàn)有研究多以黃河源區(qū)生態(tài)景觀類型為對象，選擇一定的區(qū)域開展監(jiān)測和研究，沒有基于水文響應過程區(qū)分不同的水源涵養(yǎng)單元。此外，在野外監(jiān)測布局方面，監(jiān)測區(qū)域的代表性不足,沒有從黃河源區(qū)整體出發(fā)。③內(nèi)在機制揭示不夠。當前研究在宏觀上注重對生態(tài)景觀演變格局的描述，在微觀上偏重于對局部過程的描述，對演變機制的揭示不夠深入。

針對這些問題，未來在對黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能的研究可從以下3個方面進行提升：①融合多種研究手段、研究方法劃分水源涵養(yǎng)單元，分析不同水源涵養(yǎng)單元間的相互作用機制，闡明黃河源區(qū)各水源涵養(yǎng)單元的長期演變過程及對水源涵養(yǎng)功能的影響機制。②結(jié)合黃河源區(qū)多個水文站的徑流序列資料，分析干、支流徑流的空間變化特征，明晰徑流變化對水源涵養(yǎng)單元的影響及對應關系。③黃河源區(qū)水源涵養(yǎng)涉及多尺度(時間和空間尺度)、多過程(時間和空間過程)、多要素(水文、氣象、下墊面等)，應不斷豐富研究方法，結(jié)合多種影響因素構建基于水源涵養(yǎng)演變物理機制的計算模型，并提出提升水源涵養(yǎng)能力的有效對策與建議。