水塔在青藏高原的作用

摘　要:青藏高原是維持我國乃至東亞地區生態系統的重要水塔。高原平均海拔在4 000 m以上,與周邊地區形成了巨大的地勢差。高原東南部不僅具有豐富的降水,而且在3 500 m以上以冰川雪被形態儲存了巨大的水資源,因此,高原具有重要的水塔功能。基于高原潛在輸出總水量和不同海拔區域水體所具有的勢能兩個方面,建立了高原水塔功能的模型,從而利GIS方法,通過對我國1∶400萬系列圖和相關資料的統計分析,計算出高原不同高度帶貯存的大氣降水、冰川儲水量、湖泊水量以及工農業用水量。計算結果表明,青藏高原冰川湖泊的淡水儲量達39 921×108m3,其中冰川儲水量為39 228×108m3,可利用湖泊儲水量為693×108m3平均每年由降水獲得的水資源量為8 495×108m3,高原工農業用水量為129×108m3。因此,高原的輸出水量即出境河川徑流量為6 870×108m3。高原儲水主要分布在海拔3 000~5 000 m間,與高原周圍相比,平均勢差在2 000~4 000 m間,最大的勢差達5 500 m。水體具有巨大的勢能,在勢能的作用下,自然向周邊區域輸送匯集,維持著周邊地區的生態過程和社會經濟活動,因此,青藏高原的水塔功能對于周邊地區的生態系統和社會經濟系統是極其重要的。
關鍵詞:水塔功能;水資源儲量;青藏高原
　　由于山地對水汽的阻擋作用,容易形成降雨,產生了所謂山地效應。因此,降雨隨著海拔高度的增加而增大,一般海拔每上升100 m,降雨量增加5~750 mm,降雨量的多少主要取決于氣候帶。近年來,山地和高原的水塔功能已經引起了學者的關注[1-3]。山地和高原具有較高的降水量、具有自然儲存和保持水的功能,具有通過人工修建水庫保存水的可能性,能夠在高海拔地區以冰雪形態儲存降水等特征。在濕潤地區,山地產生的水量有30%~60%提供給低地,在干旱和半干旱地區山地通常是能產生徑流并補給地下水的唯一區域,一般可以向周邊低地提供70%~585%的水量[2]。所以研究認為,在淡水資源短缺的當今世界,沒有任何一個地區象山地和高原那樣具有更重要的環境價值。山地和高原作為人類的水塔,其水資源的管理和區域的可持續發展是21世紀應該優先考慮的議題。青藏高原面積約250×104km2,平均海拔在4 000 m以上,與周圍地形反差極大。昆侖山與塔里木盆地的高差在4 000 m以上,而喜馬拉雅山與南側恒河平原高差達6 000 m。同時,青藏高原降水豐沛,冰雪廣布,這就使它成為亞洲主要河流的發源地。外流水系如長江、黃河、恒河、印度河等,分布在高原的東南和西南部。其中黃河總水量的49%,長江水量的25%,瀾滄江(湄公河)水量的10%都來自青藏高原。內陸水系主要分布在高原的北部和西部,如喀什河、和田河、克里雅河等。豐富的水資源與巨大的勢差一起使得高聳的青藏高原就如同世界上一個最大的水塔,向周邊低地區域輸送著大量的水資源。所以,有學者指出[4]青藏高原不僅是中華水塔,而且是萬川之源。1　青藏高原水塔功能的模型構建青藏高原作為一個龐大的綜合自然體,猶如亞洲中部一座高聳的巨塔,由于熱力和地形的抬升作用,降水豐沛,冰雪廣布,蘊涵著較豐富的水資源和水能資源。青藏高原的水塔功能主要表現為兩個方面:第一,高原有豐富的貯水量。青藏高原水資源量占全國水資源總量的20•23%,高原上單位面積的產水量為22•55×104m3/km2,接近全國均值[5]第二,高層勢必然產生質量匯。高原與周邊地區之間巨大的高差形成了強大的勢差,這種勢能驅動水體向周邊地勢較低的方向匯集。因此,青藏高原大大提高了高原面地表水的勢能。在重力勢能的作用下,這些水體向周邊地區輸送。由此高原達成了水利工程建設中水塔所具有的功能。因此,可以用兩個物理過程共同來構建青藏高原的水塔功能模型。E=Hi*Mi,其中E為勢能,Hi為i處的海拔高度,Mi為i處水體的質量Wp=Wc-Wh(Wp為地表潛在輸出水量, Wc為河川年徑流量,Wh為工農業用水量)從上面的模型可知,E和W愈大,高原的水塔功能愈強。海拔高度Hi愈大,水體的質量愈高,水體的勢能越大。
2　青藏高原水塔功能的分析
2•1　青藏高原蘊涵的潛在輸出水量及其分布
2•1•1　青藏高原地表儲水量
為了便于進行空間分析,本文應用中國1∶400萬降水等值線圖和中國1∶400萬DEM圖,分析計算青藏高原的大氣降水的空間分布特征,并結合已有的冰川和湖泊分布資料,對高原地表的儲水量、輸出水量及其勢能分布進行評估。計算高原儲水量的勢能時,取海拔1 000 m高程的勢能為高原水塔的零勢能。
1•青藏高原的冰川儲水量及其勢能
我國現代冰川絕大部分分布在青藏高原。青藏高原發育有現代冰川36 793條,冰川面積49 873•44 km2,冰川冰儲量4 561•385 7 km3,分別占我國冰川總數的79•4%、84•0%和81•6%。冰川折合水量為39 227•92×108m3,冰川融水是青藏高原河流主要的補給來源。高原冰川主要分布在海拔5 500~6 000 m間,幾乎占總冰川儲水量的一半。高原每年可提供冰川融水504×108m3來補給河流徑流(表2)[6]。在西北內流區,冰川融水對河流的補給比重較大,如在塔里木盆地的策勒河可達年徑流量的60%[6]。青藏高原地區的河流,大多靠冰川融水補給,長江和黃河就直接孕育于冰川。因此,青藏高原冰川水資源對我國主要河流的形成與維持、對于區域社會經濟發展和生態環境保護具有重要的支撐功能。
2•青藏高原的湖泊儲水量
青藏高原湖泊總面積達36 889 km2,湖水儲量為5 460×108m3,占全國的73%。高原湖泊主要分布在海拔4 000~5 000 m的區域(表3),占高原湖泊總儲水量的75%。高原湖泊中以內陸咸水湖或鹽湖為主,淡水湖為外流湖,淡水占湖泊水貯量的12•7%。因此,高原可利用的湖泊水資源量實際上只有693•42×108m3。
2•1•2　高原大氣降水資源
青藏高原年降水量一般在278~1 158 mm間。
根據中國1∶400萬降雨量等值線圖,應用GIS統計了青藏高原的年降水量在不同海拔高度的分布。計算結果表明,青藏高原平均每年由降水獲得的水資源量為8 495×108m3。不同海拔的年降雨量分布
2•2　高原水塔的輸出水量
青藏高原以及高原內的極高山地其地表水主要以冰雪和湖泊形式存在。由于青藏高原的大部分河流主要形成于冰川融水,湖泊對河川徑流也一定的補給。因此,從理論上講,冰川湖泊儲水量大,高原的河川徑流量愈大,高原水塔的輸出水量也愈大。河川徑流量是山地和高原向周圍低地輸送的出境水量。因此,高原水塔的輸出水量取決于大氣降水所產生的地表徑流量和冰川融水每年對河川徑流的補給量。根據估算[4],青藏高原河川徑流量Wc(含境外)約7 000×108m3。青藏高原現有耕地112•86×104hm2,有效灌溉面積為42•5×104hm2。我國西部地區農田每公頃的平均用水量為9 450 m3,[8]因此,高原農田的灌溉用水總量為40•2×108m3。
1999年西藏的工業產值為7•43×108元,青海省為100•52×108元(1990年不變價),兩省區萬元工業產值的用水量分別為389 m3和180 m3[9-10],則兩省區的工業用水總量為2•08×108m3。由于缺少位于高原上的其他省區部分的工業產值資料,且青海和西藏的工業產值應該占高原工業產值的主體,因此,用兩省區的萬元產值用水量可以代表高原的工業用水量。青高原總人口為1 100萬左右,青海人均綜合用水量為540 m3,西藏為1 040 m3,以兩省區的人均用水量作為高原的人均用水量,則人口的總消耗水量為86•9×108m3。綜上所述,青藏高原工農業用水量Wh為129•2×108m3。青藏高原的輸出水量為6 870×108m3。根據徑流量的海拔高度分布,徑流量主要產流于海拔3 000~5 000 m間。因此,我國的主要河流長江、黃河、雅魯藏布江、瀾滄江等大都發源于這一海拔區域,這些河流象水塔的輸水管道將高原貯水輸送到周邊區域。尤其是高原的太平洋水系和內陸水系,其輸送的水量對于我國西部地區和華北地區
生態系統的維持與人類的生存的具有至關重要的支撐作用。
結　論
山地有較高的降雨量。山地對水汽的阻擋作用,容易形成降雨,即所謂的山地效應。因此降雨隨著海拔的高度增加而增大,一般海拔每上升100 m降雨量增加5~750 mm,這主要取決于氣候帶。在海拔1 500~4 000 m間時,降雨量達到最大值。在干旱半干旱地區,只有山區具有充分的降水來產生徑流和地下水補給。高海拔的寒溫帶地區具有較低的蒸散率,所以,在山區的水平衡是正的。而在周圍低地,降雨少而蒸散率高,水平衡通常是負的。這種不平衡通過山地河流的調節而得到緩解。我國西北的河西走廊,塔里木盆地、柴達木盆地等內陸干旱區的水系主要依靠來自青藏高原的冰川融水補給,因此,這些地區的工農業生產和生態系統、生態環境均依靠高原來水維持和支撐。高原的水塔功能在干旱的西北內陸表現尤為突出。青藏高原作為龐大的自然綜合體,對于周邊地區的生態系統具有巨大的生命支持功能。從對大氣過程的影響來看,它隨季節在熱塔與冷塔功能之間轉換,因而影響著東亞地區的氣候變化;從水的角度來看,它就象一個巨大的水塔,向周邊地區輸送大量的水資源。本研究基于高原潛在輸出總水量和不同海拔區域水體所具有的勢能兩個方面,建立了高原水塔功能的模型,從而利用GIS方法,通過對我國1∶400萬系列圖和相關資料的統計分析,計算了不同高度地帶貯存的大氣降水、冰川水儲量、湖泊水量以及工農業用水量。結果表明,青藏高原冰川湖泊的淡水儲水量為39 921•3×108m3。由于冰川主要分布在海拔4 500~6 000 m間,因此這些儲水具有巨大的勢能,為冰川融水徑流向周邊地區的輸送具備了優越的能量條件。這與冰川主要分布在這一區域一致。如果從高原貯水總量的情形來看,分布在海拔4 500~6 500 m間的大量貯水,在巨大的高差和強大的勢能驅動下,向周遍區域輸送匯集。顯然,青藏高原具有強大的水塔功能。高原水塔的輸出水量———高原的河川徑流量,除去高原的工農業用水量之外,則高原的實際輸出總水量達6 870×108m3。高原產流區主要分布在海拔3 000~5 000 m間,與高原周圍相比,平均勢差在2 000~4 000 m間,最大的勢差達5 500 m。水體具有巨大的勢能,在勢能的作用下,水體自然向周邊區域輸送匯集,因此,使青藏高原具有顯著的水塔功能。青藏高原的水塔功能對于維持與保護周邊地區的生態系統具有重要的作用。近年來,由于全球氣候干旱化和人為活動的干擾,青藏高原的自然生態環境呈現惡化趨勢。冰川快速退縮、河流干涸斷流、湖泊自然萎縮,江河源地的地下水位下降,大面積草場正朝荒漠化演退。沙漠、礫漠、泥漠、鹽漠的擴展顯著地改變著高原陸地的性質,使昔日水草豐茂的草場,漸漸失去涵養水源的能力。認識青藏高原是人類重要的水塔,將有助于我們采取有效的措施,保護高原的生態環境,確保高原水塔的持續利用。