跨境流域水文变化归因及生态影响--澜沧江-湄公河案例

目录

第1章　跨境流域研究综述 1

1.1　跨境流域概况 1

1.2　研究进展与存在问题 3

1.2.1　研究进展 3

1.2.2　存在问题 6

1.3　研究展望 7

1.3.1　跨境流域资源环境与社会经济大数据 7

1.3.2　跨境流域水文、生态变化归因及影响 8

1.3.3　跨境流域“水-能源-粮食-生态”耦合关系 8

参考文献 10

第2章　澜湄流域概况 11

2.1　流域自然概况 11

2.1.1　地理位置 11

2.1.2　地形与地貌 14

2.1.3　土壤与植被 17

2.2　流域气候与水文 21

2.2.1　水系特征 21

2.2.2　水文特征 27

2.2.3　气候特征 29

2.3　流域社会经济基本状况 30

2.3.1　人口与经济 30

2.3.2　农业与灌溉 31

2.3.3　水电开发 32

参考文献 32

第3章　澜湄流域降水时空变异 35

3.1　流域降水量时空分布特征 35

3.1.1　数据及主要研究方法 35

3.1.2　流域降水量空间分布特征 37

3.1.3　流域降水量时间变化特征 38

3.1.4　流域雨季开始、结束及持续时间 41

3.2　流域降水量年际变化影响因素 41

3.2.1　流域降水量年际变化主要模式 41

3.2.2　夏季风变化对流域雨季降水量的影响 43

3.2.3　ENSO对流域降水变化的影响 44

参考文献 50

第4章　澜湄流域水文变化归因及气候响应 52

4.1　流域区间径流年代际变化 52

4.1.1　区间径流量计算方法 52

4.1.2　1960～2012年区域径流演变趋势 53

4.2　不同区域气候驱动要素演变及径流响应 57

4.2.1　区间气温演变趋势 57

4.2.2　区间降水演变趋势 59

4.2.3　水文阶段性划分及降水径流响应关系 61

4.3　流域水文过程模拟时空分异 63

4.3.1　RCCC-WBM水量平衡模型 63

4.3.2　参数率定及区间水文过程模拟 64

4.4　流域径流变化归因 67

4.4.1　径流变化归因定量识别方法 67

4.4.2　区间天然径流量还原 68

4.4.3　不同区间径流变化归因定量识别 69

参考文献 73

第5章　澜湄流域水电开发对水文的影响 74

5.1　水电开发现状 74

5.2　水电开发对水文情势的影响 76

5.2.1　研究数据与方法 76

5.2.2　水文指标变化 78

5.2.3　生态水文指标改变程度 84

5.3　澜沧江梯级水电开发对下游洪水频率的影响 89

5.3.1　时变矩方法 90

5.3.2　洪水系列非一致性诊断 93

5.3.3　*优分布模型选择线型比较 94

5.3.4　变化环境下线型响应规律及洪水重现期变化 94

5.3.5　影响因素分析 96

5.4　水文变异下湄公河河道生态流量评估 97

5.4.1　研究数据与方法 98

5.4.2　水文变异分析 99

5.4.3　生态流量估算结果 102

5.4.4　变异后生态流量满足率变化 104

参考文献 106

第6章　澜湄流域土地利用/覆盖变化及其对水文变化的响应 110

6.1　流域LUCC 111

6.1.1　流域土地利用/覆盖特征 111

6.1.2　流域LUCC时空动态 114

6.1.3　流域LUCC的地域分异 120

6.2　洞里萨湖湖滩区LUCC及其对干流水位的响应 126

6.2.1　湖滩区土地利用/覆盖特征及变化 126

6.2.2　湖滩区LUCC对干流水位的响应 132

参考文献 135

第7章　澜湄流域水环境变化及监测 137

7.1　流域水环境变化 137

7.1.1　流域水环境监测评估 137

7.1.2　水电开发河段水环境监测示范 145

7.1.3　流域水环境特征 152

7.2　流域水温变化 169

7.2.1　水电工程对河道水温影响研究进展 169

7.2.2　澜沧江高坝大库运行对水温影响 170

7.3　流域水环境智能监测与优化方案 180

7.3.1　澜沧江数字流域 180

7.3.2　澜沧江流域水环境监测优化方案 183

参考文献 187

第8章　澜湄流域水文变化对鱼类生态影响及保护 191

8.1　流域鱼类多样性 191

8.1.1　澜沧江鱼类多样性 191

8.1.2　下湄公河鱼类多样性 196

8.1.3　澜沧江与下湄公河鱼类区系关系 198

8.2　水文条件变化背景下的鱼类生态响应 198

8.2.1　数据来源与整理 198

8.2.2　数据分析方法 201

8.2.3　澜沧江鱼类功能特征对水文条件变化的响应 201

8.2.4　澜沧江鱼类功能特征响应与环境因子的关系 206

8.2.5　下湄公河鱼类对水文变化的可能响应 207

8.3　流域鱼类资源综合保护实践与模式 209

8.3.1　鱼类资源保护实践 209

8.3.2　鱼类资源综合保护与调控模式 213

参考文献 213

第1章　跨境流域研究综述

跨越或形成国家边界的河流，统称国际河流(international river)，其有别于国内河流的*大特点是“跨境”(何大明等，2014)。国际河流所在的集水区称为跨境流域(transboundary river basin或transboundary watershed)或国际河流流域(international river basin)(De Stefano et al.，2012)。国际河流的内涵相对宽泛，但缺乏整体概念，其研究范围通常是跨境流域的一部分；跨境流域更强调国际河流水系集水区的整体性、研究的综合性及国际或跨境视野。因此，本书统一采用“跨境流域”。

1.1　跨境流域概况

在自然属性方面，跨境流域与国内河流没有本质的不同，其根本的区别在于社会属性的差异(跨越或形成国家边界)。各流域国之间的社会经济发展层次、科学技术发展水平(包括技术标准)和管理政策(包括体制或机制)等的差异，导致同一跨境流域下垫面条件及其变化驱动因子的差异。在跨境流域尺度上，水道系统的连通性、河水的流动性和生态系统的完整性，突破了流域国家边界的约束，其跨境资源环境问题，如水文与生态环境变化的跨境影响，因涉及国家主权和地缘安全，具有区域*特、问题敏感、归因复杂的极高研究难度。

相对于国内河流而言，跨境流域的变化，特别是其数量的变化，不仅受自然因素(如地震、洪水)的影响，更受地缘政治关系的影响。自20世纪90年代初期以来，随着国家政治地理疆界的变化和空间信息科学技术(主要是全球数字高程模型)的进步，跨境流域数量也发生了极大变化，从1978年的214个增至2017年的310个(表1.1)。

表1.1　1978～2017年全球跨境流域数量的变化

全球跨境流域分布广泛，如2016年统计的286个跨境流域，其跨境流域面积占全球陆地面积的42%，跨境流域水资源占全球河川径流水资源的54%，跨境流域人口占全球人口的42%，涉及151个国家(表1.1)。中国与周边国家主要的跨境流域有17个(表1.2)，其中，近20年*受关注的有鸭绿江流域、图们江流域、黑龙江-阿穆尔河流域、伊犁河流域、阿克苏河-塔里木河流域、森格藏布-印度河流域、澎*-恒河流域、雅鲁藏布江-布拉马普特拉河流域、*龙江-伊洛瓦底江流域、怒江-萨尔温江流域、澜沧江-湄公河流域(简称澜湄流域)、元江-红河流域。珠江流域虽然流域面积大、水量丰富、社会经济较发达，但因只有2条支流发源于越南，99%的流域面积在我国，其在跨境流域方面的战略地位并不突出。

表1.2　中国与周边国家主要跨境流域

中国因发育了亚洲主要国际河流，是亚洲乃至全球*为重要的跨境流域上游国家。中国跨境流域面积约占陆地国土面积的1/4，地表跨境流域水资源约占全国河川径流水资源的1/3，中国50%以上的水能资源和1/3的陆疆边境线分布于跨境流域区(何大明等，2014)。因此，中国跨境流域的资源环境问题直接关系到国家的西部发展、水安全、粮食安全、能源安全、生态安全、国土安全及周边安全，其对国家的可持续发展、地缘政治经济合作以及国家的周边水外交与环境外交等有重大影响。

跨境流域的资源环境问题中，水文及生态变化引发的水安全及生态问题影响极为广泛，引发的跨境纠纷也*多；跨境流域水资源的合理利用与科学调控、国际水分配与利益共享、跨境补偿与权益保障等，涉及科技、政治、外交、法律等多个层面，应在全流域尺度上照顾各流域国的合理关切，平衡各流域国的正当利益诉求；解决跨境流域水安全调控与利益共享所涉及的关键问题，亟须相关学科的深度交叉融合。

1.2　研究进展与存在问题

1.2.1　研究进展

从流域尺度和国际视野对跨境流域资源环境的研究，因涉及问题敏感、复杂和需要流域国家间的合作，进展较滞后。从世界范围看，跨境流域集中、区域社会经济条件和国际地缘关系相对好的欧洲，其对跨境流域的研究、开发和保护进展比其他各大洲都好；其次是国际关系相对稳定的美洲，其中，经济条件和地缘关系较好的北美洲比南美洲情况更好一些；社会经济发展相对滞后的非洲，由于前期研究和合作基础好，其对跨境流域的研究整体上也优于亚洲；亚洲一些跨境流域的地缘合作开展得早，但从流域尺度进行研究、开发和管理的合作进展较慢。

20世纪90年代后期，云南省地理研究所的国际河流研究小组，在国家自然科学基金重点项目等支持下，在国内率先从流域尺度和跨境视野开展跨境流域研究，对中国与周边国家共享的15个跨境流域的水文地理特征、社会经济现状和面临的问题等方面进行了综合研究，出版了中国**部国际河流著作《中国国际河流》(何大明等，2000)。在此基础上，该研究团队开展了我国西南与东南亚、南亚五大跨境流域资源环境本底、水文地理特征、水文生态过程变化规律及归因、国际水分配和多目标合理利用、区域生态环境变化与跨境影响、界河变动与国土安全、国际河流开发与地缘合作等综合研究，系统性地发表了大量学术论文，出版了系列著作，逐步建立起中国跨境流域研究的理论基础。

进入21世纪，在经济全球化和全球变化日益加强趋势下，相关研究从不同尺度探讨全球环境变化和人类活动影响下的水循环及与之相关的资源与环境问题，使其成为水科学研究的热点和前沿(V?r?smarty et al.，2000，2010)。在跨境流域，气候变化与人类活动对流域水文-水生态-水环境的影响、跨境水资源冲突与合作等是研究的前沿问题；跨境水纠纷、跨境水分配与利用则是研究的热点；合理的水权界定与划分规则，水资源公平合理利用模式与权益保障机制，以及跨境生态安全、跨界含水层、跨境水争端解决机制等是研究的难点；跨境水安全-粮食安全-能源安全-生态安全的关联研究是当前的主要发展趋势(He et al.，2017)。

《国际水道非航行使用法公约》于2014年生效后，国际上对跨境流域的研究进一步受到广泛关注，但从跨境流域尺度特别是从全球跨境流域尺度进行的研究仍然缺乏。近年来，联合国环境规划署(United Nations Environment Programme，UNEP)等基于水量、水质、生态系统、治理和社会经济5个专题组别的15项核心评估指标对全球286个跨境流域进行了全面的分析和评估。研究表明(UNEP，2016)，受气候变化、水利水电工程建设和社会经济用水增加等影响，跨境流域的水压力特别是环境用水压力增大，约9亿人生活在受水灾和旱灾威胁程度很高的流域(这些跨境流域主要集中在亚洲中部及西南部、美洲中南部和非洲的大部分地区)；生活在跨境流域的14亿人(约占总人口的50%)面临日益严峻的富营养化风险；跨境流域80%以上的人口和70%的面积面临中等到很高的生物灭绝风险。研究认为，随着气候变化、社会经济发展及人口增长，这些风险在今后15～30年将上升。针对人口增长和水需求增加对全球跨境流域水压力的影响，De Stefanoa等(2017)分析了跨境流域上游国家水资源开发对下游国家水压力的影响，认为全球288个跨境流域中，下游国家的水压力因上游的水利用至少增加1%，影响2.9亿～11.3亿人口。

发源于我国西南地区的澎*-恒河、森格藏布-印度河、雅鲁藏布江-布拉马普特拉河、*龙江-伊洛瓦底江、怒江-萨尔温江、澜沧江-湄公河、元江-红河，是亚洲大陆水资源、水电能源、生物多样性和文化多样性等的集中分布区；其上游在我国境内，也是国家水电能源基地、生态屏障和我国与东南亚、南亚国家地缘政治经济合作的关键区。21世纪以来，该区系列大规模的基础设施建设，如梯级水电站、交通运输体系(特别是跨境公路、铁路、航道、油气管道)等所引起的日益突出的跨境资源环境问题，不仅在国内引起过诸多争议，更在国际上引发了广泛的讨论。Kattelus等(2015)评估了这些跨境流域的生态环境和社会经济状况，认为各跨境流域下游地区的变化更具复杂性和敏感性，而地处上游的中国在这些跨境流域的社会经济发展和生态环境保护中发挥着举足轻重的作用；研究进一步指出，面对大规模的水利水电工程建设、快速的城市化过程和农业灌溉发展，需要流域国家共同参与，多尺度地开展流域-区域跨境资源环境问题的研究。

在亚洲大陆的跨境流域中，研究进展差距极大。中国西南与南亚*为重要的雅鲁藏布江-布拉马普特拉河流域，是目前全世界整体综合研究基础*为薄弱的大型跨境流域。中国与东南亚*大的跨境流域——澜湄流域研究进展*好，主要得益于湄公河委员会过去50多年来的持续贡献和21世纪以来中国对该流域合作的大力支持。近年来，除了气候变化影响外，从流域国家到国际社会，都较为关注该跨境流域梯级水电开发的社会经济和生态环境变化的影响。

跨境流域水文水资源与生态环境变化的影响跨越国界，成为科学研究难题，其中，尤以水电开发相关的跨境影响问题*为敏感。梯级大坝的建设和运行，极大地改变了流域天然河川径流的时空分配模式、河流泥沙输送和冲淤变化规律，来自上游的污染物在水库中滞留转化，使水库成为二次污染源，对河流水域生态环境产生影响，并通过水库泄水将影响带至下游；大坝阻断了河流的连通性，导致水域生态系统(包括河岸两侧的陆生生态系统)破碎化，影响生物多样性；大坝库区和移民安置区人居环境、土地利用方式、社会经济发展等也会发生较大改变。在流域及区域层面，大规模梯级水电开发，会带来下垫面条件和近地表水汽循环的改变，进而大尺度影响水文过程及生态过程。

2000年以来，在中国与东南亚、南亚跨境流域，针对备受关注的重大工程主驱动下水文生态变化归因、影响评估及安全调控等关键难题，本研究团队通过自主研发，克服了跨境流域研究基础薄弱、关键数据和技术规范缺失等诸多瓶颈，创建了跨境流域水文生态变化评估体系，团队研发的相关调控技术在境内外跨境流域得以应用，取得如下突出创新研发成果。

1)跨境流域生态环境大数据

以澜沧江流域为案例建立的跨境流域水环境监测信息系统，实现了流域水环境、气象环境历史与实时数据的统一管理，预设了水动力水质模拟预警功能，可接收野外示范区长效、免维护、自动监测设备的回传数据和计划开展的常规性水环境监测数据，实现了20世纪90年代以来流域内70万条各类水环境、生态要素和水库运行数据的同源异构规整化；统一规范了澜沧江鱼类184个物种名称，建立的鱼类多样性及栖息地空间格局数据库具有按物种或河段(库区)快速查询等功能。在此基础上，进一步开展了跨境流域遥感信息采集与分析，目前正待出版的《东南亚南亚国际河流生态与环境遥感图集》，*次系统性地介绍东南亚、南亚跨境流域生态与环境现状。

2)跨境流域梯级水电开发生态风险评估与多尺度规避

以怒江流域为案例，提出并应用了关键生态敏感对象概念和评估理论框架，界定了生态敏感对象类型和评判指标；制定了关键生态敏感对象(如具有高保护价值的自然和人文对象、需要规避的大型山地灾害等)判识及类型划分标准，从生态功能性、脆弱性和管理相关性等维度，进行敏感度评估和风险区划；针对大坝建设关键风险源，从梯级电站开发规模与强度(大坝高、大坝数)、空间布局(坝址选取)、开发方式(堤坝式、引水式、混合式)等方面提出了生态风险多尺度规避模式；将该成果推广应用到“三江并流区”，构建了流域-区域多尺度梯级水电开发生态风险综合规避方案。

3)跨境流域高坝大库生态环境变化累积效应监测评估

以小湾高坝大库为原型，自主研发了水温、泥沙分层采集，超深水探视，坝下溶解性气体监测，分布式消落带土壤水分和重金属变化监测，网箱养殖水环境自动化监测等成套技术，攻克了水深大于150m高坝大库水域生态环境变化监测技术瓶颈，*次实现了库区水下200m范围内水温数据连续采集；在糯扎渡等电站对该成果进行推广应用，建立了含21个干支流站点的澜沧江流域水环境同步连续监测和评估示范基地；基于多要素监测数据，明晰了大坝的水文生态累积影响。

跨境流域的资源环境问题，具有区域*特、问题敏感、归因复杂的极大研究难度。《跨境流域水文变化归因及生态影响：澜沧江-湄公河案例》以研究基础较好、广受国内外关注的澜沧江-湄公河流域为案例，分析跨境流域研究进展与水文地理特征；构建流域水环境变化监测与大数据平台；量化揭示流域水文过程对气候变化与梯级水电开发、土地利用与覆盖变化等驱动的区域响应及其生态影响；多尺度评估流域水文变化对鱼类的生态效应，提出鱼类资源保护模式。