凍土水文效應

凍土凍融過程對水文的影響是多方面的。土壤凍結可以增加徑流，阻滯土壤水補給，增加積雪春季徑流，以及延滯溶質向土壤深層輸移。由于積雪與凍土關系密切，兩者的水文相互關系也是被高度關注的問題。由于水的相變，融雪下滲過程受到許多因素影響，包括土壤溫度、凍結深度、前期土壤含水量、積雪厚度，以及這些因素之間復雜的相互作用。小尺度的過程研究表明，由于土壤中孔隙冰的存在，通常會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給。

多年凍土的存在主要影響地表產匯流過程。多年凍土覆蓋率不同的流域，其年內徑流過程（即年內徑流分配）有顯著差異；凍土年代際變化對徑流的影響主要出現在多年凍土覆蓋率高的流域，多年凍土退化導致下墊面和儲水條件的變化，進而導致冬季徑流增加（圖?1）。俄羅斯境內徑流變化的分析和模擬表明，由于凍土凍結鋒面下降及融化過程的改變，導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?50%—120%。例如，流入北極地區的?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系。

多年凍土及季節凍土退化已經引起中國相應地區河流冬季（枯水期）徑流增加，夏季徑流減少，以及年內徑流過程變緩。徑流變化的強度與流域多年凍土覆蓋率有關。未來隨著全球變暖，凍土持續退化，植被下墊面改變，可能會導致寒區流域徑流系統變小。氣候變暖可導致高海拔凍土高寒草原和灌叢草甸擴張；而沼澤草甸和高寒草甸退化，導致降水更多消耗于下墊面擴張引起的蒸散發量增加；區域的蒸散發量占降水量的比例增加會導致寒區流域未來的產流系數變小。

冰凍圈水文的生態與環境效應

冰凍圈水文過程變化與生態系統

冰凍圈水文變化不僅影響河川徑流的變化，而且通過水循環的改變影響生態系統的變化。在我國干旱區內陸河流域，高山冰川—山前綠洲—尾閭湖泊構成的流域生態系統中（圖?3），冰川變化對綠洲萎擴和湖泊消長具有重要的調節和穩定作用。冰川是我國干旱區綠洲穩定和發展的生命之源。實際上正是由于冰川和積雪的存在，才使得我國深居內陸腹地的干旱區形成了許多人類賴以生存的綠洲，也使得我國干旱區有別于世界上其他地帶性干旱區。這種冰川積雪—綠洲景觀及其相關的水文和生態系統穩定和持續存在的核心是冰川和積雪，沒有冰川和積雪就沒有綠洲，也就沒有千百年來在那里生息的人民。

圖 3內陸河流域（ a ）和青藏高原（ b ）冰凍圈 - 水文 - 生態關系

在高緯度及高海拔地區，冰凍圈變化除直接影響一些大江大河源區的水文情勢外，還與湖泊消長、沼澤濕地變化有密切聯系。冰川變化影響周圍地區的水循環過程，進而又影響到源區生態與環境。多年凍土活動層特殊的水熱交換是維持高寒生態系統穩定的關鍵所在，凍土區的高寒沼澤濕地和高寒草甸生態系統具有顯著的水源涵養功能，是穩定江河源區水循環與河川徑流的重要因素。凍土變化是導致江河源區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，冰凍圈—河流—湖泊—濕地緊密相連，在干旱區內陸河流域，冰凍圈—河流—綠洲—尾閭湖泊—荒漠不可分割，冰凍圈變化對寒區生態系統具有牽一發而動全身的作用。中國西部生態建設與水源保護重大工程，如“三江源”國家公園、塔里木河綜合治理工程、西藏生態屏障工程、祁連山生態保護工程及天山自然保護區等均與冰凍圈水文影響息息相關。

在南、北極地區，冰凍圈融化的冷、淡水對海洋生態具有顯著影響。冰凍圈融化的“冷水效應”可以改變高緯度大洋的溫度，而其“淡水效應”也可以改變大洋溫度。在全球變暖背景下，持續的冰凍圈融水進入海洋，改變了海洋生態系統的生存環境，從而會對海洋生態系統產生影響。在陸地上高海拔流域，冰凍圈變化會對湖泊生態系統產生同樣的影響。

高山冰凍圈融水對流域生物地球化學過程也具有重要影響。冰凍圈作用區強烈侵蝕、風化的大量松散堆積物及冰川表面長期累積的物理、化學和生物物質隨著冰川融水的搬運進入下游湖泊、農田、草地等，會影響湖泊的溫度、濁度、營養物等，也會影響農田和草地的土壤成分和營養成分。實際上，在內陸河流域，綠洲農田的土壤物理、化學和生物組成與上游冰凍圈地區物質組成不無關系，綠洲土壤的生物地球化學成分重要來源之一是冰凍圈侵蝕和積累的物質在冰凍圈水文作用下輸送并長期積累的結果。

冰凍圈水文災害

冰川、積雪融水可形成洪水，影響低地人類聚集區經濟、交通及生命財產安全。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層尚無融化，前期積雪量較大，或升溫較快且高，往往會形成融雪型洪水并引發災害。融雪型洪水可分為山區型和平原型，在高海拔地區往往形成山區型洪水。例如天山、喜馬拉雅山、阿爾泰山等地，是山區型融雪洪水多發區。2010?年?3?月新疆北部升溫與雨雪天氣反復交錯，導致伊犁、阿勒泰、塔城等地融雪性洪水頻發，部分地區交通屢次受阻。異常的天氣變化給群眾的生產生活造成很大損失，導致伊犁河谷?31?萬人受災，1?萬多座溫室大棚、2?萬多座房屋倒塌，4?萬多頭牲畜死亡。而在高緯度地區，除山區型融雪洪水外，還有平原型融雪洪水，影響更加廣泛，在歐洲這種情況也時有發生。②冰川消融型洪水。一般發生在消融最大的?7、8?月，在前期持續高溫影響下，冰川消融加速，形成洪水。融冰型洪水由于凍土已經融化，其對泥沙搬運能力也大大增強，因此，融冰型洪水往往會形成泥石流，對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，影響更加嚴重。④冰湖潰決型洪水。具有突發、快速、能量大等特點，對下游影響更具威脅。由于其形成機制復雜、預測困難，難以預防，造成的災害程度往往也較大。

冰凍圈水資源的地緣效應

受冰凍圈影響的跨境河流眾多，如何系統認識冰凍圈變化的水文、水資源效應，不僅關系到所在國的可持續發展，而且也涉及到周邊國家的水資源利用。一旦冰凍圈水資源變化出現拐點，可導致河川徑流發生顯著變化，將會引發國際問題。這一問題受到國際上的廣泛關注，一些國際組織紛紛發出警示。例如，聯合國發展署發布的《2006?年人類發展報告》中指出，中亞、南亞和青藏高原“未來?50?年冰川融化可能是對人類進步和糧食安全最嚴重的威脅之一”。世界銀行在《2005?年世界發展指標》中也指出，未來?50?年喜馬拉雅山（青藏高原）冰川變化將嚴重影響那里的河川徑流。問題的關鍵是冰凍圈所在國的冰凍圈水資源對下游影響到底有多大，也就是影響的時間尺度多長、空間范圍多大。這些定量影響程度的理解是十分重要的，否則會帶來上、下游國家之間的一系列的猜忌誤解，甚至引發國際爭端。中國許多冰川融水流出境外，也有一些國外冰川融水補給中國境內河流。掌握冰凍圈水文變化的過程、量值、影響的時空尺度是爭取國際“水談判”話語權和主動權的關鍵。

 冰凍圈水文過程的主要特點是其產匯流過程與溫度密切相關，在氣候變暖背景下，冰凍圈水文過程已經發生了很大變化，對“亞洲水塔”的安危已產生重要影響。

冰凍圈的水文功能主要表現在水源涵養、徑流補給、水資源調節?3?個方面，其對“亞洲水塔”的作用尤為明顯。

在氣候變暖的背景下，冰凍圈水文過程已經發生變化，主要表現為冰川融水徑流增加，冰川儲量減少，融雪徑流峰值提前，以及多年凍土退化導致徑流年內分配發生變化。預估未來冰凍圈水資源將減少，其調節功能也將下降。

冰凍圈水文過程的未來變化對“亞洲水塔”、寒區的生態過程及可持續發展、災害等具有重要影響。

 隨著冰凍圈的快速變化，冰凍圈融水也呈現加速變化之勢，由此引發的冰凍圈水量補給和水文循環將出現許多潛在的后果。目前，人們對冰凍圈水文變化的認識程度大多數還停留在對冰凍圈融水量的現象描述階段，冰凍圈水文帶來的深層、系統和廣泛影響還認識不夠。例如，冰川融水的水源涵養和調節作用、凍土水文的水量補給和不同時間尺度的調蓄作用、大尺度冰凍圈水文循環過程及其對大洋水文、生態和環流的影響等，這些科學問題的深入理解，不僅是準確認識流域徑流變化、明晰全球水循環過程的基礎性問題，也是流域水資源可持續利用、區域生態科學保育、全球水文影響定量辨識的重大科學問題。因此，未來的冰凍圈水文學研究不僅需要針對冰凍圈水文基礎問題，開展以觀測和模擬為基本手段的機理、過程研究，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、區域和全球水問題實際需求為著眼的冰凍圈水文整體性、系統化研究。

（作者：丁永建，中國科學院西北生態環境資源研究院研究員、博士生導師；張世強，陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室、西北大學城市與環境學院；陳仁升，中國科學院內陸河流域生態水文重點實驗室?！吨袊茖W院院刊》供稿）

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