文章转载自“格致论道讲坛”
青藏高原河流输沙量的变化趋势，
和世界其他大江大河完全不同。
那么，我们就面临着一个新的科学问题：
为什么青藏高原发生了这样独特的变化？
张 凡· 中国科学院青藏高原研究所研究员
格致论道第77期 | 2022年2月26日 北京
大家好，我是来自中国科学院青藏高原研究所的张凡。很高兴在此和大家分享我们追踪、研究青藏高原河流泥沙的故事。
提到河流泥沙，我们都会想到黄河。自古以来，黄河就是我国泥沙比较多的一条河流。唐代诗人刘禹锡《浪淘沙》中的“九曲黄河万里沙”，就非常形象地描写了弯弯曲曲的黄河，裹挟着泥沙从远方而来的样子。
▲ 九曲黄河（图片来自网络）
黄河携带的大量泥沙会在下游不断沉积，形成所谓的地上河。这种地上河在遭遇暴雨和洪水时，非常容易决堤、泛滥成灾。上世纪60年代的监测数据显示，当时黄河平均每年入海的泥沙量有20多亿吨，远远高于世界上其他著名的大江大河。我们国家治理黄河，首先就要治理黄河的泥沙。
▲ 黄河输沙量的变化
在过去的70年里，黄河流域的水土保持成效非常显著。从80年代起，黄河的输沙量开始不断地降低，近期的监测结果显示，黄河的输沙量大约只是峰值时期的1/10左右，和长江的水平非常接近。可以说，这是一项非常伟大的成就。
▲ 全球河流输沙量变化
不仅黄河如此。英国学者对全球145条大河的研究发现，自上世纪60年代以来，由于水土保持及水库拦蓄等措施的影响，有接近一半的河流输沙量也在减少，还有接近一半的河流输沙量没有显著的变化；只有极少数的河流因为伐木采矿等地表扰动，输沙量有所增加。
青藏高原的河流，发生了怎样的变化？
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我当年读到英国学者的这篇文献时，注意到这个研究里并没有涉及青藏高原的河流。当时我就想，我们应该研究一下青藏高原的河流输沙量是怎么变化的。
▲ 青藏高原的位置（图片来自网络）
为什么这么关心青藏高原的河流呢？因为青藏高原是很多大江大河的发源地。其中发源于青藏高原南部的印度河、恒河、雅鲁藏布江和怒江，最终流入了印度洋。而发源于高原北部的阿姆河、塔里木河、疏勒河和黑河，最终流入了内陆湖泊或者消失在了沙漠里。这十几条亚洲大江大河都发源于青藏高原，所以青藏高原又被称为“亚洲水塔”。
▲ 青藏高原发源的主要河流
这里我们所说的高原河流，其实是指这些大江大河在高原上的部分。这些水是清是浊，关系到了水资源的利用问题。于是，我们开始了相关数据的收集。其中最关键的，就是水文站长期监测的输沙量数据。为了获得这些数据，我们可以说是费了九牛二虎之力。
▲ 左：四川与云南面积88万平方公里，水文站共320处
右：青海与西藏面积195万平方公里，水文站共84处
首先是因为，青藏高原的水文站点非常稀少。少到什么程度？我们可以和紧邻着青海、西藏的四川和云南做个对比：青海和西藏的面积是四川和云南的两倍多，但水文站点的数量只有四川和云南的1/4。并且这些为数不多的水文站点大多数只有径流数据，而没有泥沙数据。这又是为什么呢？
▲ 黄河头道拐水文站流量测量和泥沙采样
我们来看一下这些数据是怎么测量的，就可以明白其中的原因。上面的图片是黄河头道拐水文站径流和含沙量测量工作的场景。左边的这组工作人员在操作水中的流量仪进行测流，测流的工作在现场完成之后，可以直接导出数据。右边的这组工作人员正在船上采集河水样品，这些样品在运回实验室之后，还需要过滤、烘干、称重等操作才能算出含沙量。因此，含沙量的测量非常费时费力，青藏高原只有1/3左右的水文站点进行了含沙量的测量。
▲ 青藏高原河流输沙量变化
我们搜集了青藏高原的8条主要河流、十几个站点、近60年的径流量和含沙量的数据。通过对这些数据的分析，我们发现青藏高原绝大多数的河流输沙量都呈现显著地增加，少数的河流输沙量没有统计意义上的显著变化，但这些河流大部分也是有微弱的增加趋势的。因此，青藏高原河流输沙量的变化趋势和世界其他大江大河的变化趋势是完全不同的。那么，我们就面临着一个新的科学问题：为什么青藏高原河流输沙量发生了这样独特的变化？
降雨侵蚀，是问题的唯一答案吗？
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首先，我们开始了青藏高原土壤侵蚀方面的研究。
▲ 土壤侵蚀
土壤侵蚀是指在水力、风力以及重力等外营力作用下，土壤和土壤母质会发生分离、搬运和沉积，因此，土壤侵蚀会为河流提供泥沙的来源。
▲ 土壤侵蚀抽样调查
为了评估区域土壤侵蚀的强度，我们对不同土地利用类型、不同植被覆盖度的地区展开了抽样调查，比如藏东南的灌木林地、那曲的草地、日喀则的农地、羌塘的荒漠等等。
▲ 土壤侵蚀野外冲刷实验
除此之外，为了定量地分析坡度、流量等因素对侵蚀强度的影响，我们还在野外开展了坡面侵蚀的监测和实验。这两张照片是我们在祁连山冰沟开展相关实验的场景。
▲ 土壤侵蚀室内人工降雨模拟实验
除了野外的工作，我们还在人工降雨大厅开展了室内的人工降雨模拟实验，来观察不同降雨条件下的侵蚀过程。
通过这些野外和室内的研究工作，我们锁定了两个对青藏高原的土壤侵蚀变化有重要影响的因素：一方面是降水量，另一方面就是植被。我们来看看这些因素在青藏高原是如何变化的。
▲ 青藏高原平均降水量（左）
和植被指数（右）变化
上方左图是我们用气象数据分析得到的结果。可以看到，青藏高原的降水量在过去几十年间总体呈现了增加的趋势，这种变化同时也伴随着降水强度的增加。简单来说，就是大雨和中雨更多了。关于植被，我们通过分析遥感数据得到了上方右图的结果。可以看到，青藏高原的植被覆盖度总体也是有所增加的。降水增加，会增加侵蚀力；而植被的增加，会产生更多的保护作用，减少侵蚀。两方面的作用是相反的，没办法解释为什么青藏高原的河流会出现输沙量一致增加的现象。因此，我们需要补充分析新的数据，来更全面地认识这个问题。
高原特有的冰川与冻土的变化
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我们在青藏高原开展了河流浊度的野外监测。
▲ 高原河流浊度监测点分布
上图里的点都是我们在野外开展长期观测的地点。我们在6个小流域的8个高海拔断面开展了浊度的观测。
▲ 廓琼岗日冰川径流断面水体浊度监测系统
这是其中的一个，在廓琼岗日冰川径流断面上布设的水体浊度监测系统。上方左图中左上角是安装在高处的主机，里面有数据采集器和无线传输的模块。上方右图是我们固定在河水里的浊度仪探头。它的顶端有个光学窗口，可以感知河水浊度的变化，就好像我们的眼睛一样。
布设在青藏高原的这些仪器，帮助我们获取了河水浊度的动态变化过程。相比水文站公布的输沙数据信息，这些是更精细的资料。我们把这些浊度数据和气象数据，包括气温降水，来进行对比，就获得了青藏高原的河水浊度变化和其他地区相同及不同的一些认识。
▲ 冬克玛底冰川河水浊度数据（2021）
上图左侧展示的浊度变化和其他地区类似，在降雨之后，河水的浊度有一个急剧的增加。这就是降雨侵蚀造成的，也是我们前面所研究的水力侵蚀的内容。右侧是青藏高原特有的一种现象，随着气温的昼夜变化，河水的浊度也会有一个随之的变化。气温升高，浊度升高；气温降低，浊度也降低。这是青藏高原非常独特的现象。这个独特的现象就让我们意识到，一定是青藏高原一些特有的、受温度影响的因素，会对河水的浊度产生影响。
▲ 青藏高原冰川分布
我们首先就想到了冰川。青藏高原海拔高、气温低，所以发育了很多高山冰川。根据统计，青藏高原现有冰川48571条，总面积达51840平方公里。
▲ 冰川动态图
冰川和想象中冻结的冰块不同。这些冰川因为体积非常巨大，重量非常可观，在重力的作用下会从上而下缓慢地移动。我们如果用快进的方式来看冰川的移动，就会发现它很像流动的河水。
▲ 冰川磨蚀和拔蚀示意图
冰川在运动过程中，在巨大冰体的压力下，对底部的基岩产生磨蚀和拔蚀的作用，因而在冰川底部会产生很多岩石的碎屑。
▲ 日喀则康马县的冰川底部溶洞
这些碎屑会通过冰川底部的排水系统输送到冰川的末端。上图展示的就是西藏日喀则康马县冰川底部的一个溶洞。我们可以看到，冰川融水实际上有可能不像解冻的冰水那么清澈，而是非常浑浊的。
▲ 珠峰绒布河冰川融水（左）
长江源姜根迪如冰川融水（右）
冰川表面的融水还有冰川底部的融水，汇集在冰川末端，会把冰川末端的碎屑物进一步输送到下游的河水中。由于不同冰川的基岩类型不同，产生的碎屑物颜色不同，导致我们看到的冰川融水的颜色也会有所不同，但是我们可以发现，这些冰川的融水都是非常浑浊的，这就明确了冰川侵蚀对于河流输沙的贡献。
接下来，我们进一步对影响冰川侵蚀的几个关键因素进行了分析。首先，通过对气象数据的分析，我们得到了下方左图，也就是气温的变化。我们可以看到，在过去几十年里，青藏高原的气温是显著上升的。
▲ 青藏高原气温（左）和
雅江上游融水径流（右）变化
我们又利用气温数据来驱动水文模型，进行数值模拟，得到了不同流域的冰川融水径流量，并对其进行了分析。通过上方右图，我们可以看到，冰川融水径流也是在增加的。这样我们就知道，冰川融水径流会携带更多的泥沙进入到河水里。所以，我们又找到了一个会促进河水输沙量增加的因素。
除了冰川之外，我们还想到了另一个因素——冻土。下方展示了青藏高原的冻土分布，其中粉色的区域是季节性冻土，蓝色的区域是多年冻土，黄色的区域是未冻区。
▲ 青藏高原冻土分布广泛
我们可以看到，除了南部非常少的一部分未冻区，青藏高原的冻土分布是非常广泛的。上图右方的几张照片是冻土的一些形态。
▲ 冻土表层的反复冻融，
导致土体或岩石破裂
随着温度的变化，冻土的表层会在冬天冻结，在夏天融化，有的甚至会在晚上冻结，在白天融化。因为水和冰的密度不同，这种反复的冻结-融化就会导致土体发生反复的膨胀和收缩，进而导致土体或者岩石的破裂。下方右图是我们出野外在祁连大冬树山拍到的因为冻融导致的土层表面破碎。我们可以看出，这种反复的冻融作用会增加土壤的可蚀性。
▲ 融冻泥流（视频来源：
https://www.sohu.com/a/192066289_99917830）
在一些极端情况下，当解冻的松散土层含水量较大时，会在重力的作用下沿着山坡向下蠕动，进而形成融冻泥流。上方这个视频就是2017年9月青海省玉树发生的一次融冻泥流。
▲ 布设土壤温湿度监测探头
类似这样的变化，既会破坏地表的植被，同时也会产生大量的堆积物，形成新的沙源，所以也会导致河流泥沙的增加。因为冻土会随着表层温度的变化产生这样的现象和作用，所以我们就在多个地点布设了土壤温湿度的探头，来对冻土进行监测。上图就是我们布设土壤温湿度探头的现场。在这些探头布设好之后，我们会把挖出来的土一层一层地按照原来的顺序填回去。
▲ 升温增加了冻土表层解冻天数，
增加了地表侵蚀的可能
结合这些土壤温湿度的数据和地表温度的遥感数据，我们进一步分析出了冻土表层每年年内解冻的天数。从上图可以看出，随着青藏高原的升温，冻土表层的解冻天数也在不断增加。那么，这就增加了地表侵蚀的可能性，所以我们又确定了一个会增加地表侵蚀、从而增加河流泥沙的因素。
定量分析河流泥沙的来源
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我们明确了这些因素之后，还要对它们进行综合的评价和定量的评估。在第二次青藏科考项目的支持下，我们对雅江、也就是雅鲁藏布江流域展开了重点的研究。
▲ 雅江科考路线和团队照片
上图上方的是雅江流域的样子和我们考察的路线。雅江在我国境内全长有2000多公里，是青藏高原上最长的一条河流。在过去的3年中，我们对雅江进行了多次考察，包括雅江的源区、各个主要支流以及干流。图中下方的这些照片展示的是我们在雅江进行浊度、流量以及泥沙监测，还有对冰川区和冰川径流进行考察监测以及开展植被和土壤侵蚀的抽样调查的照片。通过这些科学考察，我们收集了雅江的气象、水文、植被、土壤等多方面的数据。
通过对这些多元数据进行分析，我们获得了在暖湿化条件下，雅江上游不同因素对输沙量增加的贡献率。从上方的柱状图我们可以看出，植被覆盖度的确对水土保持有积极的作用，但其他因素反向的作用力更强，所以导致了输沙量的增加。图中贡献率最大的是降水强度增加导致的侵蚀力增加，其次是降水量增加导致的挟沙能力的增加，再者就是土壤解冻天数的增加以及冰川融水的增加。
事实上，雅江上游的冰川面积占比非常小，只有1.17%，但是面积占比这么少的冰川，其冰川融水增加导致输沙量增加的贡献率却可以达到14%。所以，冰川的作用是非常大的。在其他冰川面积占比更大的流域，冰川和冻土的作用或者是贡献率会更大。到这里，我们就基本上回答了前面提出的科学问题。
为什么我们要研究高原河流泥沙？
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那么，回答了这些问题，对当地的生产实践有什么用处呢？
▲ 河流泥沙造就了高原上的沃土良田
我们可以先看看高原河流的泥沙本身有什么用。从长时间尺度看，河流泥沙的沉积形成了河流的阶地和一些冲积扇，它们造就了高原上的沃土良田。
▲ 年楚河河道清淤
但青藏高原近年来河流输沙量的快速增加，也导致了一系列负面的问题。首先，就是河道淤积的加剧。年楚河是雅江的四大支流之一，2019年7月，我们在考察年楚河时，就看到了上方图中河道清淤的场景。大家看到这张照片前，可能很难想象青藏高原的河流可以淤堵到这么严重的地步。事实上，当地人告诉我们，近几年来年楚河每年都要进行这样的清淤，来疏通河道。
除了河道的淤积，输沙量的增加还会导致水库的淤积。下方左图是长江上游金沙江的溪洛渡水库，它的库容随着泥沙的淤积在不断地减少。这种变化会导致水库使用年限比设计的年限短。
▲ 水库淤积（左）
水轮机磨损（右）
除此之外，如果泥沙进入到水轮机中，还会对水轮机的组件造成磨损。上方右图展示了水轮机的转轮因泥沙的磨损而明显变薄。所以，河流泥沙也会影响水利水电工程的长效运行。
除了这些直接的影响之外，河流泥沙还有一些间接的影响。每年冬春季节，西藏拉萨的贡嘎机场都会因为沙尘暴被迫间歇性关闭几十天。这些沙尘暴的来源主要就是雅江中游宽谷地段河床沉积的泥沙。由于这些泥沙非常松散，在枯水期水位下降之后出露，如果遭遇了大风天气，就非常容易形成沙尘暴。
▲ 2018年10月20日
雅鲁藏布江林芝段河谷的风沙
2018年10月，我们在雅江考察时，就看到了一次河谷的风沙。当时水位并不是很低，风也不是很大，都可以看到非常明显的沙尘。
▲ 2018年10月17日
雅鲁藏布江堵江灾害
另外，青藏高原的河流泥沙还可能受到一些高原独有的灾害影响。2018年10月，雅江在大拐弯附近发生了一次严重的堵江，大量的堆积物堵住了雅江的干流，导致水位迅速地上升。回水不仅淹没了岸边的一些农田，还冲毁了上游的一座跨江大桥，就是上图右边的这座桥，我们可以看到它破损的样子。
▲ 雅江堵江应急科考队（左）
雅江堵江堰塞体（右）
灾害发生后，自治区水利厅第一时间联系了我们青藏所，所里也立刻组织了雅江堵江的应急科考队。我们在姚檀栋院士的带领下赶赴了灾害现场，对雅江堵江的冰崩体以及周围的情况进行了近距离的观察。
我们可以看到上面右图中，堵江堰塞体上有很多白色的碎屑状冰块，同时再结合做地震的同事布设的地震台站数据，以及做遥感的同事分析获得的冰川动态变化，判断出了这次堵江是自然冰崩引起的，并且有很大可能会再次发生。自治区根据这个信息，就对当地的村民实行了紧急搬迁。我们也在考察之后，完成了冰崩堵江事件的科学评估报告。
▲ 雅江冰崩堵江新闻报道（左）
科学评估报告（右）
在这次事件发生后不到两周，在10月29日，同一个地点又发生了一次严重的冰崩堵江事件。我们当时看到新闻报道时，就非常庆幸当地的村民已经及时搬迁，没有二次受灾。我们也通过这次事件深刻感受到了我们研究的意义。
眼睛的天堂，身体的地狱
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有人说，青藏高原是眼睛的天堂，身体的地狱，我的感受的确是这样。我2009年回国进入青藏所工作，2010年第一次去青藏高原。因为没有经验，在青藏所的拉萨部公寓楼，也就是下方照片里的这个小楼里，我上楼时像在北京一样动作很快。然后，我就突然眼冒金星，失去了知觉。
▲ 青藏所拉萨部
还好当时我的同事就在旁边，我被扶住才没有摔倒。但是，我开始出现了头疼、恶心、呕吐等一系列的高原反应症状。因为一直呕吐，所里就把我送到军区医院，进行了简单的治疗，第二天就让我马上乘飞机、坐最早的航班回到了北京。这就是我第一次去青藏高原的经历。
虽然我的第一次西藏之旅可以说是惨淡收场，但吃一堑长一智，我之后每次去西藏都会随身携带一个小血氧仪，来测量血氧含量，及时了解自己身体的状况。我也会在车里准备医用氧气钢瓶，在需要的时候及时吸氧。
▲ 痛并快乐的科研路
大家可以看看我这么多年来曾经到过的海拔。从拉萨的3750米，到我们观测的廓琼岗日冰川末端的5500米，我在一次次突破自己身体的极限，同时也对青藏高原的河流泥沙有了一次次新的认识。
▲ 守护美丽而脆弱的青藏高原
青藏高原是非常美丽的，同时也是非常脆弱的。在全球变暖的大背景下，青藏高原的气侯环境正在发生着快速的变化。希望对青藏高原河流泥沙的研究，能够让我们更好地应对气侯变化给江河源区带来的影响。
我的分享就到这里，谢谢大家！
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关键词： 近70年来 黄河在不断变清 而青藏高原上的河流却在变浊
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