凍土水文效應(yīng)

凍土凍融過(guò)程對(duì)水文的影響是多方面的。土壤凍結(jié)可以增加徑流，阻滯土壤水補(bǔ)給，增加積雪春季徑流，以及延滯溶質(zhì)向土壤深層輸移。由于積雪與凍土關(guān)系密切，兩者的水文相互關(guān)系也是被高度關(guān)注的問(wèn)題。由于水的相變，融雪下滲過(guò)程受到許多因素影響，包括土壤溫度、凍結(jié)深度、前期土壤含水量、積雪厚度，以及這些因素之間復(fù)雜的相互作用。小尺度的過(guò)程研究表明，由于土壤中孔隙冰的存在，通常會(huì)降低土壤的下滲能力，形成較大的地表融雪徑流并減少地下水的補(bǔ)給。

多年凍土的存在主要影響地表產(chǎn)匯流過(guò)程。多年凍土覆蓋率不同的流域，其年內(nèi)徑流過(guò)程（即年內(nèi)徑流分配）有顯著差異；凍土年代際變化對(duì)徑流的影響主要出現(xiàn)在多年凍土覆蓋率高的流域，多年凍土退化導(dǎo)致下墊面和儲(chǔ)水條件的變化，進(jìn)而導(dǎo)致冬季徑流增加（圖?1）。俄羅斯境內(nèi)徑流變化的分析和模擬表明，由于凍土凍結(jié)鋒面下降及融化過(guò)程的改變，導(dǎo)致俄羅斯歐洲部分地表冬季徑流顯著增加，徑流增加量高達(dá)?50%—120%。例如，流入北極地區(qū)的?4?條主要河流（Lena、 Yenisei、 Ob、 Mackenzie），冬春季徑流增加顯著，而夏季徑流減少，這與凍土融化和春季積雪消融提前有密切關(guān)系。

多年凍土及季節(jié)凍土退化已經(jīng)引起中國(guó)相應(yīng)地區(qū)河流冬季（枯水期）徑流增加，夏季徑流減少，以及年內(nèi)徑流過(guò)程變緩。徑流變化的強(qiáng)度與流域多年凍土覆蓋率有關(guān)。未來(lái)隨著全球變暖，凍土持續(xù)退化，植被下墊面改變，可能會(huì)導(dǎo)致寒區(qū)流域徑流系統(tǒng)變小。氣候變暖可導(dǎo)致高海拔凍土高寒草原和灌叢草甸擴(kuò)張；而沼澤草甸和高寒草甸退化，導(dǎo)致降水更多消耗于下墊面擴(kuò)張引起的蒸散發(fā)量增加；區(qū)域的蒸散發(fā)量占降水量的比例增加會(huì)導(dǎo)致寒區(qū)流域未來(lái)的產(chǎn)流系數(shù)變小。

冰凍圈水文的生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)

冰凍圈水文過(guò)程變化與生態(tài)系統(tǒng)

冰凍圈水文變化不僅影響河川徑流的變化，而且通過(guò)水循環(huán)的改變影響生態(tài)系統(tǒng)的變化。在我國(guó)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，高山冰川—山前綠洲—尾閭湖泊構(gòu)成的流域生態(tài)系統(tǒng)中（圖?3），冰川變化對(duì)綠洲萎?dāng)U和湖泊消長(zhǎng)具有重要的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。冰川是我國(guó)干旱區(qū)綠洲穩(wěn)定和發(fā)展的生命之源。實(shí)際上正是由于冰川和積雪的存在，才使得我國(guó)深居內(nèi)陸腹地的干旱區(qū)形成了許多人類賴以生存的綠洲，也使得我國(guó)干旱區(qū)有別于世界上其他地帶性干旱區(qū)。這種冰川積雪—綠洲景觀及其相關(guān)的水文和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和持續(xù)存在的核心是冰川和積雪，沒(méi)有冰川和積雪就沒(méi)有綠洲，也就沒(méi)有千百年來(lái)在那里生息的人民。

圖 3內(nèi)陸河流域（ a ）和青藏高原（ b ）冰凍圈 - 水文 - 生態(tài)關(guān)系

在高緯度及高海拔地區(qū)，冰凍圈變化除直接影響一些大江大河源區(qū)的水文情勢(shì)外，還與湖泊消長(zhǎng)、沼澤濕地變化有密切聯(lián)系。冰川變化影響周圍地區(qū)的水循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而又影響到源區(qū)生態(tài)與環(huán)境。多年凍土活動(dòng)層特殊的水熱交換是維持高寒生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，凍土區(qū)的高寒沼澤濕地和高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)具有顯著的水源涵養(yǎng)功能，是穩(wěn)定江河源區(qū)水循環(huán)與河川徑流的重要因素。凍土變化是導(dǎo)致江河源區(qū)高寒草甸與沼澤濕地大面積退化的主要原因。總之，在高海拔、高緯度地區(qū)，冰凍圈—河流—湖泊—濕地緊密相連，在干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，冰凍圈—河流—綠洲—尾閭湖泊—荒漠不可分割，冰凍圈變化對(duì)寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)具有牽一發(fā)而動(dòng)全身的作用。中國(guó)西部生態(tài)建設(shè)與水源保護(hù)重大工程，如“三江源”國(guó)家公園、塔里木河綜合治理工程、西藏生態(tài)屏障工程、祁連山生態(tài)保護(hù)工程及天山自然保護(hù)區(qū)等均與冰凍圈水文影響息息相關(guān)。

在南、北極地區(qū)，冰凍圈融化的冷、淡水對(duì)海洋生態(tài)具有顯著影響。冰凍圈融化的“冷水效應(yīng)”可以改變高緯度大洋的溫度，而其“淡水效應(yīng)”也可以改變大洋溫度。在全球變暖背景下，持續(xù)的冰凍圈融水進(jìn)入海洋，改變了海洋生態(tài)系統(tǒng)的生存環(huán)境，從而會(huì)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在陸地上高海拔流域，冰凍圈變化會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生同樣的影響。

高山冰凍圈融水對(duì)流域生物地球化學(xué)過(guò)程也具有重要影響。冰凍圈作用區(qū)強(qiáng)烈侵蝕、風(fēng)化的大量松散堆積物及冰川表面長(zhǎng)期累積的物理、化學(xué)和生物物質(zhì)隨著冰川融水的搬運(yùn)進(jìn)入下游湖泊、農(nóng)田、草地等，會(huì)影響湖泊的溫度、濁度、營(yíng)養(yǎng)物等，也會(huì)影響農(nóng)田和草地的土壤成分和營(yíng)養(yǎng)成分。實(shí)際上，在內(nèi)陸河流域，綠洲農(nóng)田的土壤物理、化學(xué)和生物組成與上游冰凍圈地區(qū)物質(zhì)組成不無(wú)關(guān)系，綠洲土壤的生物地球化學(xué)成分重要來(lái)源之一是冰凍圈侵蝕和積累的物質(zhì)在冰凍圈水文作用下輸送并長(zhǎng)期積累的結(jié)果。

冰凍圈水文災(zāi)害

冰川、積雪融水可形成洪水，影響低地人類聚集區(qū)經(jīng)濟(jì)、交通及生命財(cái)產(chǎn)安全。①融雪型洪水。高緯度及高海拔積雪在融雪期由于凍土活動(dòng)層尚無(wú)融化，前期積雪量較大，或升溫較快且高，往往會(huì)形成融雪型洪水并引發(fā)災(zāi)害。融雪型洪水可分為山區(qū)型和平原型，在高海拔地區(qū)往往形成山區(qū)型洪水。例如天山、喜馬拉雅山、阿爾泰山等地，是山區(qū)型融雪洪水多發(fā)區(qū)。2010?年?3?月新疆北部升溫與雨雪天氣反復(fù)交錯(cuò)，導(dǎo)致伊犁、阿勒泰、塔城等地融雪性洪水頻發(fā)，部分地區(qū)交通屢次受阻。異常的天氣變化給群眾的生產(chǎn)生活造成很大損失，導(dǎo)致伊犁河谷?31?萬(wàn)人受災(zāi)，1?萬(wàn)多座溫室大棚、2?萬(wàn)多座房屋倒塌，4?萬(wàn)多頭牲畜死亡。而在高緯度地區(qū)，除山區(qū)型融雪洪水外，還有平原型融雪洪水，影響更加廣泛，在歐洲這種情況也時(shí)有發(fā)生。②冰川消融型洪水。一般發(fā)生在消融最大的?7、8?月，在前期持續(xù)高溫影響下，冰川消融加速，形成洪水。融冰型洪水由于凍土已經(jīng)融化，其對(duì)泥沙搬運(yùn)能力也大大增強(qiáng)，因此，融冰型洪水往往會(huì)形成泥石流，對(duì)下游的危害性也增大。③混合型洪水。融雪洪水和融冰洪水與降水洪水疊加，往往形成混合型洪水，影響更加嚴(yán)重。④冰湖潰決型洪水。具有突發(fā)、快速、能量大等特點(diǎn)，對(duì)下游影響更具威脅。由于其形成機(jī)制復(fù)雜、預(yù)測(cè)困難，難以預(yù)防，造成的災(zāi)害程度往往也較大。

冰凍圈水資源的地緣效應(yīng)

受冰凍圈影響的跨境河流眾多，如何系統(tǒng)認(rèn)識(shí)冰凍圈變化的水文、水資源效應(yīng)，不僅關(guān)系到所在國(guó)的可持續(xù)發(fā)展，而且也涉及到周邊國(guó)家的水資源利用。一旦冰凍圈水資源變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，可導(dǎo)致河川徑流發(fā)生顯著變化，將會(huì)引發(fā)國(guó)際問(wèn)題。這一問(wèn)題受到國(guó)際上的廣泛關(guān)注，一些國(guó)際組織紛紛發(fā)出警示。例如，聯(lián)合國(guó)發(fā)展署發(fā)布的《2006?年人類發(fā)展報(bào)告》中指出，中亞、南亞和青藏高原“未來(lái)?50?年冰川融化可能是對(duì)人類進(jìn)步和糧食安全最嚴(yán)重的威脅之一”。世界銀行在《2005?年世界發(fā)展指標(biāo)》中也指出，未來(lái)?50?年喜馬拉雅山（青藏高原）冰川變化將嚴(yán)重影響那里的河川徑流。問(wèn)題的關(guān)鍵是冰凍圈所在國(guó)的冰凍圈水資源對(duì)下游影響到底有多大，也就是影響的時(shí)間尺度多長(zhǎng)、空間范圍多大。這些定量影響程度的理解是十分重要的，否則會(huì)帶來(lái)上、下游國(guó)家之間的一系列的猜忌誤解，甚至引發(fā)國(guó)際爭(zhēng)端。中國(guó)許多冰川融水流出境外，也有一些國(guó)外冰川融水補(bǔ)給中國(guó)境內(nèi)河流。掌握冰凍圈水文變化的過(guò)程、量值、影響的時(shí)空尺度是爭(zhēng)取國(guó)際“水談判”話語(yǔ)權(quán)和主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵。

 冰凍圈水文過(guò)程的主要特點(diǎn)是其產(chǎn)匯流過(guò)程與溫度密切相關(guān)，在氣候變暖背景下，冰凍圈水文過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了很大變化，對(duì)“亞洲水塔”的安危已產(chǎn)生重要影響。

冰凍圈的水文功能主要表現(xiàn)在水源涵養(yǎng)、徑流補(bǔ)給、水資源調(diào)節(jié)?3?個(gè)方面，其對(duì)“亞洲水塔”的作用尤為明顯。

在氣候變暖的背景下，冰凍圈水文過(guò)程已經(jīng)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為冰川融水徑流增加，冰川儲(chǔ)量減少，融雪徑流峰值提前，以及多年凍土退化導(dǎo)致徑流年內(nèi)分配發(fā)生變化。預(yù)估未來(lái)冰凍圈水資源將減少，其調(diào)節(jié)功能也將下降。

冰凍圈水文過(guò)程的未來(lái)變化對(duì)“亞洲水塔”、寒區(qū)的生態(tài)過(guò)程及可持續(xù)發(fā)展、災(zāi)害等具有重要影響。

 隨著冰凍圈的快速變化，冰凍圈融水也呈現(xiàn)加速變化之勢(shì)，由此引發(fā)的冰凍圈水量補(bǔ)給和水文循環(huán)將出現(xiàn)許多潛在的后果。目前，人們對(duì)冰凍圈水文變化的認(rèn)識(shí)程度大多數(shù)還停留在對(duì)冰凍圈融水量的現(xiàn)象描述階段，冰凍圈水文帶來(lái)的深層、系統(tǒng)和廣泛影響還認(rèn)識(shí)不夠。例如，冰川融水的水源涵養(yǎng)和調(diào)節(jié)作用、凍土水文的水量補(bǔ)給和不同時(shí)間尺度的調(diào)蓄作用、大尺度冰凍圈水文循環(huán)過(guò)程及其對(duì)大洋水文、生態(tài)和環(huán)流的影響等，這些科學(xué)問(wèn)題的深入理解，不僅是準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)流域徑流變化、明晰全球水循環(huán)過(guò)程的基礎(chǔ)性問(wèn)題，也是流域水資源可持續(xù)利用、區(qū)域生態(tài)科學(xué)保育、全球水文影響定量辨識(shí)的重大科學(xué)問(wèn)題。因此，未來(lái)的冰凍圈水文學(xué)研究不僅需要針對(duì)冰凍圈水文基礎(chǔ)問(wèn)題，開(kāi)展以觀測(cè)和模擬為基本手段的機(jī)理、過(guò)程研究，而且更需要以全新的視角，以冰凍圈水文整體觀的思路，以流域、區(qū)域和全球水問(wèn)題實(shí)際需求為著眼的冰凍圈水文整體性、系統(tǒng)化研究。

（作者：丁永建，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院研究員、博士生導(dǎo)師；張世強(qiáng)，陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院；陳仁升，中國(guó)科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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