近20年青藏高原水資源時空變化

周思儒，信忠保

(北京林業大學水土保持學院，北京 100083)

1 研究背景

青藏高原有著“亞洲水塔”和“第三極”之稱[1-3]，面積達250萬km2，東西長約2 900 km，南北寬約1 500 km，涉及西藏、青海、新疆、四川、甘肅、云南6個省區的201個縣(市)[4]，是長江、黃河、瀾滄江、雅魯藏布江等眾多大江大河的發源地，是維系中國乃至世界水資源安全的重要地區，影響著周邊眾多國家人民生活和社會穩定[5]。當今社會，全球化進程在不斷飛速發展，水資源是維護國家或地區經濟社會發展的戰略性基礎資源[6-7]，水資源安全已經成為各個國家十分重視的國家安全要素之一[8]。了解青藏高原地表水及地下資源分布及變化規律，對維護國家水資源安全，進行青藏高原地區水資源保護及開發利用，生態保護與建設以及人類生存環境評估有著重要的意義。近年來大量研究已表明，青藏高原正在經歷著氣候暖濕化過程[9-11]，造成多年凍土衰退、冰川積雪快速退縮[12-13]，對青藏高原水資源量產生了深刻影響[14-15]。青藏高原水資源變化的研究也逐漸增加[16]。

當前，現有對青藏高原水資源時空變化研究一般限于某一流域或者青藏高原某一地理單元[9,16]，對整個青藏高原水資源時空分布及其變化原因的研究較少，有必要對青藏高原水資源整體變化進行更完善的研究。青海省及西藏自治區約占青藏高原總面積的75%，也是絕大多數大江大河的源頭，是青藏高原最具代表性的地區，在水資源變化中起舉足輕重的作用。

本文利用1997—2018年青海省及西藏自治區水資源公報中相關數據，對青藏高原地表水資源及地下水資源時空變化進行分析，并從氣溫、降水量等氣象要素方面研究了水資源時空變化的驅動因素，為認識青藏高原水資源現狀，開展生態修復工作以及人類生存環境變化評估提供參考。

2 資料與方法

利用1997—2018年《青海省水資源公報》及《西藏水資源公報》中降水量、地表水資源量及地下水資源量年數據，對青藏高原地區的西藏、青海不同地級行政區和不同流域的降水量、地表水資源量及地下水資源量時空分布進行分析。采用線性傾向率定量地反映地表水資源及地下水資源隨時間的變化趨勢。采用世界氣象組織推薦并廣泛使用的Mann-Kendall(簡稱M-K)趨勢檢驗法[17-18]，此法計算簡便、檢測范圍寬、人為干擾少、定量化程度高。在M-K檢驗中，假設時間序列數據(X1，…，Xn)是相互獨立、隨機變量同分布的樣本，n為時間序列的長度，檢驗的統計變量S計算式為

(1)

其中,

(2)

式中xj，xi分別為j，i年的相應測量值。則檢驗統計量z定義為

(3)

式中：S含義同上，Z為正態分布統計量，Var(s)為方差。

這樣在雙邊的趨勢檢驗中，在α置信水平上，若|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設，即在α置信水平上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。分別在α=0.05(顯著)(|Z|>1.64)及α=0.01(非常顯著)(|Z|>2.32)水平，檢驗不同行政單位、流域的降水量、地表水資源量及地下水資源量標準化M-K統計量Z值的顯著性，分析不同地區相應指標的變化趨勢。采用M-K法[19-20]識別相應指標的突變點。該法不要求樣本遵從一定分布，也可以減少異常值的干擾?；跁r間序列數據(X2，X3，…，Xn)構建軼序列ri，ri表示xi>xj的樣本累計數，定義Sk為

(4)

其中,

(5)

式中秩序列Sk是第i時刻值大于第j時刻值個數的累計數。

定義統計量UFk為

(6)

式中:UF1=0；E(Sk)、Var(Sk)分別為累計數Sk的均值和方差，可由下式算出，即

(7)

按時間序列X的逆序Xn,Xn-1,…,X1，重復上述過程，并使UBk(序列的逆序值)=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。

分析UFk及UBk曲線，若兩條曲線存在交點且位于基于0.05顯著水平的臨界線內，則交點對應時刻即突變開始時間。

采用青藏高原及周邊地區105個氣象站點年平均氣溫數據，采用克里金插值法計算出每個地市及流域年平均氣溫，利用Pearson相關系數法[21]判斷降水量及氣溫對地表水資源和地下水資源的關系。

3 研究結果

3.1 水資源空間分布格局

3.1.1 地表水資源空間分布

青藏高原地區多年平均地表水資源量為(5 112.68±300.74)億m3，青海省多年平均地表水資源量為(675.41±26.61)億m3，西藏自治區多年平均地表水資源量為(4 437.27±265.14)億m3。

地表水資源分布南多北少、東多西少的態勢(圖1)。產水模數最高的流域為藏南諸河，達(124.8±6.12)萬m3/km2，產水模數最低的流域為柴達木盆地，產水模數僅有(2.0±0.42)萬m3/km2。西北諸河產水模數較低，均在10萬m3/km2以下，東部各流域產水模數多在(10～30)萬m3/km2。南部各流域中，怒江及伊洛瓦底河流域產水模數達到40萬m3/km2，雅魯藏布江流域則達70萬m3/km2以上。從各地級行政區來看也呈現相似的地表水資源量分布規律，產水模數最高的地市為林芝市，多年平均產水模數為(201.0±10.42)萬m3/km2，產水模數最低的地市為阿里地區，多年平均產水模數僅有(3.8±0.69)萬m3/km2。西北部海西州、海南州均未達到10萬m3/km2；東部各地市產水模數多在(10～20)萬m3/km2之間。南部各地市產水模數較高，拉薩市及昌都市達到30萬m3/km2以上，山南市達到90萬m3/km2以上。

圖1 青藏高原產水模數空間分布Fig.1 Spatial distribution of water yield modulus in Qinghai-Tibet Plateau

3.1.2 地下水資源空間分布

青藏高原1998—2018年平均地下水資源量為(1 396.59±151.52)億m3，青海省1997—2018年平均地表水資源量為(305.35±56.42)億m3，西藏自治區1998—2018年平均地下水資源量為(1 086.59±174.06)億m3。

西藏地區地下水資源分布與地表水分布特征基本一致，呈現南多北少、東多西少的態勢(圖2)。按流域分布，地下水資源模數最高的為藏南諸河，為(23.5±4.89)萬m3/km2，模數最低的為柴達木盆地，為(1.7±0.41)萬m3/km2。西北諸河地下水資源模數較低，均為3.0萬m3/km2，東部各流域在(4.0～8.0)萬m3/km2之間，南部瀾滄江、怒江、伊洛瓦底河及雅魯藏布江各流域地下水資源模數則較高，達到(11～16)萬m3/km2。地下水資源模數最高的地市為林芝市，多年平均地下水資源模數為(38.1±4.94)萬m3/km2，地下水資源模數最低的地市為阿里地區，多年平均地下水資源模數僅為(1.9±0.38)萬m3/km2。西北部海西州、海南州、那曲市均未達到5萬m3/km2；東部各地市地下水資源模數多在(5～10)萬m3/km2之間；南部各地市地下水資源則較為豐富，昌都市達到12萬m3/km2以上，山南市則達到了18萬m3/km2以上。

圖2 青藏高原地下水資源模數空間分布Fig.2 Spatial distribution of groundwater resource modulus in Qinghai-Tibet Plateau

3.2 水資源量年際變化

3.2.1 地表水資源年際變化

1997—2018年青藏高原地表水資源量整體呈現增加趨勢，上升速率約為73.2億m3/(10 a)，年變化量占青藏高原多年平均地表水資源量的1.43%(圖3(a))，通過M-K檢驗，M-K檢測值為0.39，呈現微弱的上升趨勢；而在青海省，地表水資源量上升速率約為98.3億m3/(10 a)，占青海省多年平均地表水資源量的14.55%，M-K檢測值為2.26，呈顯著的上升趨勢；西藏自治區地表水資源量下降速率為-25.2億m3/(10 a)，年變化量占西藏自治區多年平均地表水資源量的0.57%，M-K檢測值為-0.22，呈微弱的下降趨勢。

圖3 青藏高原地表水資源量年際變化及M-K檢驗結果Fig.3 Interannual variation and M-K test result of surface water resources in Qinghai-Tibet Plateau

根據M-K突變點檢驗，青藏高原與西藏自治區地表水資源量未發生明顯的突變(圖3(b))，而青海省地表水資源量在2005年前后發生了突變，產生了由降轉升的變化趨勢。青海省地表水資源從1997—2005年的(618.82±96.35)億m3，迅速上升到2005—2018年的(714.59±120.86)億m3，上升了95.77億m3，占前期的15.47%。

3.2.2 地下水資源年際變化

青藏高原地下水資源量整體呈下降趨勢，下降速率約為-142.7億m3/(10 a)，年變化量占青藏高原多年平均地下水資源量的10.22%，通過M-K檢驗，可得青藏高原檢測值為-2.38，下降趨勢十分顯著(圖4(a))；而在青海省，地下水資源量上升速率約為58.0億m3/(10 a)，年變化量占青海省多年平均地下水資源量的18.99%，M-K檢測值為3.27，呈十分顯著的上升趨勢；西藏自治區地下水資源量上升速率為-195.4億m3/(10 a)，占西藏自治區多年平均地下水資源量的17.98%，M-K檢測值為-2.56，呈十分顯著的下降趨勢。

圖4 青藏高原地下水資源量年際變化及M-K檢驗結果Fig.4 Interannual variation and M-K test result of groundwater resources in Qinghai-Tibet Plateau

根據M-K突變點檢驗，青藏高原與西藏自治區地下水資源由升轉降，突變點發生在2002年(圖4(b))；青海省地下水資源量則由降轉升，突變點發生在2005年。青海省地下水資源量從1997—2005年的(266.86±43.75)億m3，迅速上升到2005—2018年的(332.00±48.22)億m3，上升了65.14億m3，占前期的24.41%。青藏高原和西藏地下水資源量分別從1998—2002年的(1 614.39±62.45)和(1 357.58 ±49.29)億m3，迅速下降到2002—2018年的(1 328.53±62.45)和(1 001.91±83.61)億m3，分別下降了355.67億和285.85億m3，占前期的17.71%和26.19%。

3.3 水資源時空變化

3.3.1 流 域

3.3.1.1 地表水資源

分析青藏高原1997—2018年不同流域地表水資源變化趨勢，通過M-K檢驗，青藏高原大部分流域地表水資源量呈上升趨勢。僅有瀾滄江流域、羌塘高原區及怒江及伊洛瓦底江流域地表水資源量呈下降趨勢，其中怒江及伊洛瓦底河流域下降趨勢顯著。在呈上升趨勢的流域中，龍羊峽以上流域、龍羊峽至蘭州流域呈顯著上升趨勢，河西內陸河流域、青海湖水系、柴達木盆地流域呈十分顯著的上升趨勢。通過M-K突變點檢驗，青藏高原多數流域地表水資源量突變點位于2008年前后，部分流域無明顯的突變點(表1)。

表1 1997—2018年青藏高原不同流域地表水資源及 地下水資源變化特征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 地下水資源

分析青藏高原不同流域地下水資源量變化趨勢，通過M-K檢驗，青藏高原大部分流域地下水資源量呈上升趨勢。在呈上升趨勢的流域中，只有金沙江、瀾滄江及藏西諸河的上升趨勢不顯著，黃河流域龍羊峽以上段、岷沱江流域呈顯著的上升趨勢，黃河流域龍羊峽至蘭州段、河西內陸河流域、青海湖水系、柴達木盆地流域呈十分顯著的上升趨勢。在地下水資源呈下降趨勢的流域中，只有羌塘高原區流域下降趨勢不顯著，怒江、伊洛瓦底河流域、雅魯藏布江流域及藏南諸河流域均呈十分顯著的下降趨勢。通過M-K突變點檢驗，青藏高原北部地區大多數流域地下水資源量突變點位于2007年前后，南部地區流域突變點多位于2003年前后，部分地區無明顯突變點(表1)。

3.3.2 地級行政區

3.3.2.1 地表水資源

分析青藏高原(1997—2018年)不同地級行政區的水資源變化趨勢，青海省所有地級市地表水資源均呈上升趨勢，皆通過M-K檢驗的p<0.05顯著性檢驗；西寧市、海南州、黃南州及海西州呈十分顯著的上升趨勢，海北州、玉樹州呈顯著的上升趨勢，只有果洛州和海東市上升趨勢并不顯著。西藏自治區昌都市、拉薩市、那曲地區及山南市地表水資源量呈下降趨勢，其中只有山南市下降趨勢顯著；日喀則市、阿里地區及林芝市地表水資源量呈上升趨勢，其中只有林芝市上升趨勢顯著。

通過M-K突變點檢驗，青海省北部大部分地市地表水資源上升趨勢的突變點在2002年前后，青海南部大部分地市水資源上升趨勢的突變點位于2007年前后。西藏自治區大部分地市突變點則在2004年前后(表2)。

表2 1997—2018年青藏高原不同地級行政區地表水資源 及地下水資源變化特征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 地下水資源

分析青藏高原地級行政區劃地下水資源量變化趨勢，通過M-K檢驗，青海省地級市地下水資源量均呈上升趨勢，且除海東市外皆通過M-K檢驗的p<0.05顯著性檢驗，除玉樹州外其他地市均呈十分顯著的上升趨勢。在西藏自治區，大部分地市地下水資源量呈下降趨勢，只有昌都市呈不顯著的上升趨勢；其中拉薩市、日喀則市及阿里地區下降趨勢不顯著，山南市、那曲市及林芝市呈非常顯著的下降趨勢。通過M-K突變點檢驗，青海省大多數地市地下水資源量突變點位于2005年前后，西藏自治區各市突變點多位于2002年前后，少部分地市未有明顯突變點(表2)。

4 討 論

4.1 氣象因子對水資源的影響

4.1.1 氣 溫

氣候變化對地表及地下水資源產生深刻的影響[22]，1997—2018年青藏高原氣溫變化趨勢如圖5(a)所示。整體呈現上升趨勢，上升速率約為0.49 ℃/(10 a)，遠遠高于全球平均升溫幅度[23]，通過M-K檢驗，檢測值為2.93。青海省氣溫上升速率約為0.42 ℃/(10 a)，M-K檢測值為2.62，西藏自治區氣溫上升速率為0.52 ℃/(10 a)，M-K檢測值為2.71，均呈十分顯著的上升趨勢。根據M-K檢驗突變點檢驗，青藏高原與青海省氣溫突變點位于2006年(圖5(b))。西藏自治區氣溫突變點發生在2004年，均呈持續的上升趨勢

圖5 青藏高原氣溫年際變化及M-K檢驗結果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年的氣溫變化趨勢，通過M-K檢驗，青藏高原所有流域氣溫均呈現上升趨勢。除河西內陸河、青海湖水系及藏南諸河外，其他流域氣溫均呈顯著的上升趨勢。其中藏西諸河、柴達木盆地及龍羊峽至蘭州流域氣溫呈顯著的上升趨勢，其余流域氣溫則呈極顯著的上升趨勢。青藏高原所有地級市均呈上升趨勢，除海東市、西寧市及海北州外上升趨勢均顯著。在上升趨勢顯著的各地市中，除果洛州、海西州、日喀則市、林芝市呈顯著的上升趨勢外，其他地市均呈十分顯著的上升趨勢。

分析青藏高原地下水資源量、地下水資源量與平均氣溫之間的關系，在整體上，青藏高原地表水資源量(相關系數R=-0.079，p>0.05)和地下水(R=-0.43，p>0.05)與氣溫均呈不顯著的負相關關系。在青藏高原11個流域中，怒江及伊洛瓦底江流域地表水資源量(R=-0.595，p<0.01)及地下水資源量(R=-0.624，p<0.01)與氣溫存在十分顯著的負相關關系，岷沱江流域地表水資源量(R=0.471，p<0.05)與氣溫呈顯著的正相關關系；在青藏高原15個地市中，那曲市地表水資源量(R=-0.558，p<0.01)及地下水資源量(R=-0.581，p<0.01)、拉薩市地表水資源量(R=-0.674，p<0.01)及地下水資源量(R=-0.512，p<0.05)、山南市(R=-0.512，p<0.05)地下水資源量、阿里地區地表水資源量(R=-0.545，p<0.05)均與氣溫存在顯著的負相關關系，整體來看，青藏高原各個地市及流域的地表及地下水資源量與年平均氣溫的相關性不高。

4.1.2 降水量

1997—2018年青藏高原降水量變化趨勢如圖6(a)所示。整體呈現增加趨勢，上升速率約為11.3 mm/(10 a)，通過M-K檢驗，檢測值為1.3，增加趨勢并不顯著；而在青海省，降水量上升速率約為35.9 mm/(10 a)，M-K檢測值為3.05，呈十分顯著的上升趨勢；西藏自治區降水量上升速率為-3.2 mm/(10 a)，M-K檢測值為-0.03，呈微弱的下降趨勢。根據M-K檢驗突變點檢驗，青藏高原與西藏自治區降水量均明顯無突變點(圖6(b))，青海省地下水資源量突變點發生在2004年。

圖6 青藏高原降水量年際變化及M-K檢驗結果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變化趨勢，通過M-K檢驗，青藏高原大部分降水量呈上升趨勢。北部地區流域多呈顯著上升趨勢黃河流域龍羊峽以上段呈顯著上升趨勢；龍羊峽至蘭州段、河西內陸河、青海湖水系、柴達木盆地及藏西諸河流域則呈十分顯著的上升趨勢，南部地區金沙江、岷沱江及雅魯藏布江流域上升趨勢則并不顯著。而呈下降趨勢的流域除藏南諸河外下降趨勢均不顯著，且多分布在南部地區。分析青藏高原地級行政區劃的1997—2018年降水量變化趨勢，通過M-K檢驗，青海省所有地級市均呈上升趨勢。除海東市外上升趨勢均顯著，其中海北州與海南州上升趨勢最為顯著。西藏自治區的拉薩、昌都、山南地區降水量呈下降趨勢，其中山南市下降趨勢十分顯著；日喀則、那曲、阿里、林芝則呈上升趨勢，其中阿里地區呈顯著上升趨勢，林芝地區呈十分顯著的上升趨勢。

在青藏高原，降水量變化在南北部存在顯著的空間差異，甚至存在相反的態勢[24]。降水是青藏高原地表水的主要來源，也是地下水的主要補給來源。分析青藏高原各地市及流域地表水資源、地下水資源和降水量之間的關系，青海省地表水資源(R=0.962，p<0.01)和地下水資源(R=0.976，p<0.01)均與降水呈十分顯著的正相關關系(R=0.947，p<0.01)西藏自治區地表水資源量(R=0.952，p<0.01)和地下水資源量(R=0.507，p<0.05)也與降水呈顯著的正相關關系。在青藏高原11個流域中，除藏南諸河(R=0.123，p>0.05)地表水資源與降水量相關性不顯著外，其余流域地表水資源均與降水量呈十分顯著的正相關關系。除雅魯藏布江流域(R=0.238，p>0.05)地下水資源與降水量相關性不顯著外，其余流域地下水資源均與降水量呈十分顯著的正相關關系。在15個地市中，那曲地區(R=0.526，p=0.014)、阿里地區(R=0.511，p<0.05)地下水資源量與降水量呈顯著的正相關關系，林芝市地下水資源量(R=-0.378，p<0.01)與降水量相關關系不顯著，其余地市地表水資源量、地下水資源量與降水量均呈十分顯著的正相關關系。

青海省地下水資源增加的趨勢很可能是由周圍融水及降水增加的徑流補給造成的[25]，而在青藏高原南部部分地區可能是受到該區域氣候變暖及降水減少的影響[26-27]，使該區域的冰川和積雪在加速融化[28-29]，水資源量減少。絕大多數流域及地市的地表與地下水資源量與降水呈顯著的正相關性，部分地區地下水資源量與氣溫呈顯著的負關系。綜合降水與氣溫的影響，青藏高原地表水資源與地下水資源變化的主要影響因素為降水[31-32]。

4.2 人類活動對水資源的作用

青藏高原1997—2018年多年平均供水量為(58.24±7.28)億m3、用水量為(58.98±7.08)億m3、耗水量為(41.8±4.95)億m3，占水資源總量比重很低，分別只有為1.14%、1.15%和0.82%，變化速率分別為4.60億、4.16億、3.93億m3/(10 a)；青海省多年平均供水量為(28.57±3.45)億m3、用水量為(28.92±2.99)億m3、耗水量為(17.40±1.43)億m3，占水資源總量比重分別為4.23%、4.28%、2.58%，變化速率為0.48億、0.14億、0.36億m3/(10 a)；西藏自治區多年平均供水量為(29.68±5.14)億m3、用水量為(30.05±5.22)億m3、耗水量為(24.40±4.23)億m3，占水資源總量比重分別為0.67%、0.68%和0.55%，變化速率為4.12億、4.31億、3.57億m3/(10 a)。蓄水量方面，1997—2018年間青海省蓄水量累計增加88.55億m3，西藏自治區蓄水量累計增加12.76億m3。整體來說，由于青藏高原地區人口的快速增長、經濟的快速發展，人類活動對水資源的影響逐漸增加，但人類利用水資源總量占整體水資源量比重在1%左右，供水、用水及耗水量占水資源總量比重也遠低于全國平均水平，人類活動整體對水資源影響不大。

近年來，在青藏高原地區鐵路公路網絡建設、礦產資源開發利用、引水蓄水工程及青藏高原地區旅游資源開發等人類活動逐漸增多[33]。但在國家對青藏高原地區自然環境的保護政策下，地區內植被覆蓋狀況整體改善[34-35]，有利于地區內的水資源保護。通常來說，灌溉引水及地下水汲取通常是人類活動對水儲量影響的主要途徑[36]，但青藏高原地區水資源開發利用程度很低[37]，青藏高原水資源變化主要影響因素仍然為自然因素。

5 結 論

通過對我國青藏高原1997—2018年水資源量時空變化特征分析，可以得到如下結論：

(1)青藏高原地表水資源與地下水資源總量豐富，但分布集中，呈現東南多，西北少的分布趨勢，水資源主要分布在青藏高原東南部的林芝市和山南市，雅魯藏布江流域和藏南諸河流域。

(2)青藏高原地表和地下水資源量存在相似的變化趨勢，均在21世紀初期發生了顯著變化。青海省地表水資源量及地下水資源量均顯著上升，上升速率分別為98.3億m3/(10 a)和58.0億m3/(10 a)，突變點在2005年左右；西藏自治區地表水資源量呈不顯著的下降趨勢，下降速率為25.2億m3/(10 a)，突變點在2001年；地下水資源量呈顯著的下降趨勢下降速率，為-195.4億m3/(10 a)，突變點在2002年。

(3)青藏高原所有流域及地市的氣溫均呈顯著上升趨勢，青海省降水量呈顯著上升趨勢，西藏自治區降水量呈不顯著的下降趨勢。青藏高原地表水資源與地下水資源均與降水呈顯著的正相關關系，部分流域及地市地下水資源與氣溫呈顯著的負相關關系，雖然人類活動對水資源的影響逐漸增加，但在青藏高原地區自然因素仍是影響水資源變化的主要因素，綜合氣溫與降水的影響，降水增加是青海省水資源顯著上升的主要影響因素。