简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】黄河水利委员会黄河勘测规划设计有限公司

【课题编号】资0203482006

【课题起止时间】2006年8月～2007年12月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】王  浩、王  芳、燕华云、刘  佳、龙爱华、王  琳、高永胜、侯希斌、刘争胜、张会言　

立项背景

青海湖是我国最大的内陆咸水湖，是我国首批加入《国际湿地公约》的七大国际重要湿地之一，也是首批列入《中国国家自然遗产、国家自然与文化双遗产预备名录》的自然遗产。但是，区域生态环境脆弱、气候变暖、不合理的水资源利用、过度捕捞以及过度放牧，使青海湖面临严重的生态问题，不仅入湖水量减少，湖水位下降；而且湖内湟鱼数量锐减，湖滨草场退化和土地沙化，危及湿地鸟类的生存。

近年来，围绕青海湖开展了一系列生态恢复措施，包括全面禁渔，加大土地沙化的治理力度，实施退耕还草等。但是，青海湖水位的持续下降，主要是自然作用。当地政府曾提出“引大济湖”工程设想，即引大通河的水给青海湖，“全国第二次水资源综合规划”也将是否要引水作为问题之一。受黄河勘测规划设计有限公司的委托，开展本项目研究。

详细科学技术内容

①综合以往的研究成果，从认识青海湖的形成，以及地质历史时期的气候水文变化规律，分析了青海湖在地质历史时期演变的极端情况。根据近50年来实测的水文气象资料，详细分析了水文气象的演变规律及演变情势，为预测未来青海湖水文要素的变化奠定了基础。

②分析了流域坡面植被变化对径流形成的影响，明确了在气候变暖的大趋势下，高寒地区坡面植被变化的径流响应。

③分析流域的径流条件，水文地质特点及地下水赋存条件，流域水资源及其开发利用情况。并将湖泊与湖滨平原看成一个整体进行长系列日过程的水文模拟，揭示了常规观测难以得到的水文规律，比如岸冰、入湖地下水量，计算青海湖长系列的实际蒸发量，回答了不同来水条件下青海湖的水量亏缺情况，包括近10年以来增温幅度较大年份，不同来水频率下的亏缺水量。

④将湖泊与湖滨平原看成一个完整的湿地生态系统，通过分析生态系统食物网结构和顶级生物鸟类的栖息地，以保证生态系统结构完整为目标，分析出影响该系统的关键物种是青海湖裸鲤，关键环境影响因素是盐度。

⑤通过裸鲤的急性耐盐试验、现有子湖裸鲤存活情况的调查及其主要食物来源之一底栖生物的盐度限制，确定出青海湖生态稳定的临界盐度，并以此分析相应的临界水位。

⑥分别以现状平均气候和继续增温两种条件，预测了未来青海湖的水文情势，得出的结论是青海湖持续下降一段时间后水位逐渐趋于稳定，对比分析预测最低水位与生态稳定的临界水位，得出青海湖生态不会受到太大影响的结论。

发明及创新点

（1）提出将湖泊与湖滨作为完整系统进行长系列短时间步长的水文模拟，揭示了常规观测无法得到的水文规律。

青海湖在正常来水情况下，到底亏缺多少水？而且没有湖面蒸发资料，如何来计算？围绕这个问题，通过建立“湖泊与湖滨平原整体长系列水文模拟模型”来解决，主要出于三方面的考虑：一是流域平原区地表-地下径流转化频繁，泉水出露，沼泽发育，消耗一定水量，而已有水文站均建立在出山口，对平原地区径流不能控制。因此，水文站观测的径流不能作为入湖径流；加上湖底“泉华”发育与湖滨植被的动态变化，对入湖地下径流难以做出确切评价；为此，以出山口水文站为界，将湖泊与湖滨作为整体考虑，可以解决入湖水资源评价不准确的问题。二是缺乏长系列的湖面蒸发观测资料，以个别年份湖心岛蒸发实验资料与周边水文站长期蒸发观测结果建立起的关系，不能很好地反映不同水平年尤其是20世纪90年代增温幅度较大情况下的实际蒸发量；长系列短时间步长的水平衡连续计算，误差易积累，通过水位拟合可提高水量模拟精度；因此，以具有实测湖面蒸发时段的水文系列进行模拟，反推出水量平衡中其它要素如地下水等，再将其代入长系列模型中可以相对准确地计算出湖面的逐年蒸发量。三是因为湖滨是湖泊湿地鸟类的栖息地，其发育状态因河流来水和湖泊面积的变化而变化，从认识湖泊生态系统完整性及生态水文过程的目的考虑，将二者做为统一目标并进行短时间步长的长系列研究是必要的。

 应用该方法模拟分析，给出了青海湖多年平均亏缺水量3.3亿m3，在上世纪90年代以来增温幅度较大，正常来水情况下（接近平水年）亏缺水量5.4亿m3；而且给出青海湖的各种水文过程，尤其是湖面蒸发过程、入湖地下水过程和岸冰过程。

归纳其创新点为：湖泊与湖滨平原整体长系列水文模拟模型的建立，属于方法创新；给出青海湖不同时期和不同来水情况下的亏缺水量，湖面蒸发、入湖地下水、岸冰等水文过程，属于成果创新。

（2）提出了湖泊与湖滨沼泽为一个完整生态系统的理念，并给出其生态系统结构，将以往的水域生态系统结构与陆面生态系统结构通过鸟类的食物链有机地结合起来；给出了鸟类栖息地+生态系统结构关键物种主要环境因子水文条件的生态水文机理分析方法；给出青海湖湿地生态系统的关键物种为青海湖裸鲤、主要环境影响因素为盐度以及生态系统稳定的水位阈值为3190.25m。

青海湖来水减少，湖水位下降，如何对湿地生态系统产生影响，可以分解出三个科学问题，一是如何指示湿地生态系统，二是如何建立指示生物与湖泊水文要素的关系，三是如何给出影响指示物种的临界水文指标。

针对问题一本次研究提出的解决方法是：将湖泊与湖滨沼泽作为完整的湿地生态系统，以维护青海湖生态系统结构完整为目标，从顶级生物鸟类的栖息地和食物链二条途径，率定系统的关键物种，用关键物种来代表整个湿地生态系统。青海湖湿地生态系统以鸟类为顶级生物，以沼泽生物为食的鸟类因为青海湖退缩湖滨沼泽草甸扩大而不受影响，以湖中鱼类为食的鸟类因为青海湖单一鱼类——青海湖裸鲤的衰减会有所影响。青海湖裸鲤的唯一性及其饵料的不唯一性，可以作为生态系统的关键物种。

针对问题二本次研究提出的解决方法是：从影响关键物种的因素，分析主要环境影响因子，建立关键物种与主要环境因子的关系，并进一步建立该环境因子与水文要素的关系，从而搭建起关键物种与水文要素的关系。青海湖裸鲤的衰减，主要是过度捕捞、河道建闸和河流减少破坏产卵场、湖水矿化度升高的影响，其中过度捕捞、建坝引水、污染等影响青海湖裸鲤的人为因素已经或正在纠正或弥补，来水减少对天然产卵地的影响，可以通过工程将水深不足的河口挖深，或建设人工产卵场，人为的弥补使产卵环境不足以成为青海湖生态稳定最关键的制约因素。而湖水位下降、盐度升高对湖泊生态系统关键物种及其主要饵料底栖生物的影响可以牵动食物链的其他环节，因此青海湖生态稳定取决于青海湖的盐度或水位。

针对问题三本次研究采用关键物种极限生存环境的调查、毒性试验及其主要饵料极限生存环境的调查三种途径寻找系统临界点。即在高盐度子湖海晏湾进行青海湖裸鲤生存状况的调查，青海湖裸鲤耐盐的急性试验，相似环境中底栖生物盐度阈值已有成果的收集。从青海湖子湖的裸鲤存活情况、裸鲤急性耐盐试验以及裸鲤食物来源之一底栖生物的盐度限制，分析出盐度为16.5‰~17.0‰时，青海湖裸鲤的自然生长将会受到严重威胁。在未来一个冷暖周期内，分析湖泊自身盐分累积可忽略，以盐度16.8‰为标准计算青海湖的水位阈值为3190.25m。

归纳创新点为：提出了湖泊与湖滨沼泽为一个完整生态系统的理念，并给出其生态系统结构，将以往的水域生态系统结构与陆面生态系统结构通过鸟类的食物链有机地结合起来，属于理论层面的创新；给出了鸟类栖息地+生态系统结构关键物种主要环境因子水文条件的生态水文机理分析方法，包括：①率定湿地生态系统关键物种的方法；②关键物种与水文要素关系分析思路和确定方法；③从关键物种自身的耐受性和主要饵料的耐受性分析临界水文指标的方法。属于技术方法的创新。给出青海湖湿地生态系统的关键物种为青海湖裸鲤、主要环境影响因素为盐度以及生态系统稳定的水位阈值为3190.25m，属于成果创新。

（3）建立了多变量同变率的随机模型，并与湖泊-湖滨整体水量平衡模型相结合，进行青海湖水位预测；给出青海湖按现状平均气候条件和气候变化趋势两种情况下青海湖水位变化趋势，以及生态系统演变的趋势。

在全球气候变暖的背景下，未来青海湖水位下降趋势怎样，对生态系统有何影响，用什么方法来预测，围绕这个问题，综合已有的关于区域气候变化趋势的研究成果，以及本次研究对青海湖近50年来各项水文要素变化趋势的分析，总体的气候变化趋势是温度升高，降水增加，陆面蒸发增加，水面蒸发以20世纪90年代为界从减少趋势转为增加趋势（已有研究成果提出了增温勃反原理来解释），河川径流在没有融雪径流的情况下50年来有的河流呈减少趋势而有的河流基本不变，并有部分小河流自然干涸。迄今关于气候变化对青海湖水位影响的预测研究，都是通过水文要素与气象因子的关系，以及气象因子变化的趋势，对未来水位变化做趋势性预测，没有给出未来水文要素的过程、基于水文要素的水平衡计算以及水位结果。

鉴于各项水文要素变化的趋势不完全一致，以及基于气候模式预测结果不能反映变化过程，本次研究对可以反映水文随机变量趋势性、周期性以及随机性的周期性自回归模型，通过水文变量之间水文频率的一致性以及气候模式预测的总体水文演变趋势进行扩展，应用该方法生成相近水文变率的各项水文要素过程，结合水量平衡模型，预测青海湖未来水文要素过程以及水位动态。同时，为了保守起见，以历史平均气候条件即50年实测水文要素均值进行长系列水量平衡演算来预测水位。在综合分析未来水位的基础上，根据生态稳定的水文阈值，给出青海湖未来生态稳定状况。

分析结果：按照现状气候条件进行保守的预测，在未来30年内青海湖水位仍会持续下降，到2100年左右，水位维持在3192.20m，青海湖面积基本维持稳定，为4090km2。此时还没有达到最低水位阈值3190.25m，青海湖的生态不会有太大改变。该法虽不精确，但姑且可作为判断的基准。同时，按照现状气候发展趋势，用随机模型生成十组未来的水平衡项进行预测，未来30年青海湖水位是未来50年序列中水位最低的时期，最低水位3190.73~3192.32m，距离最低水位阈值3190.25m还有一定的空间，这段时期内青海湖的生态不会受到太大的影响；2040年后进入高水位期，水位开始回升，其水位将高于生态最小水位。按照两种预测情势，虽然青海湖的水位仍会存在一段时期的降落，但湖泊生态不会受到太大的威胁。

归纳创新点：

采用多变量同变率的随机模型与湖泊-湖滨整体水量平衡模型相结合的方法，进行青海湖水位预测，具有一定创新性。创新之一是对随机水文模拟的扩展，通常随机水文模拟只能就单一水文要素进行生成，由于同一时段的水文要素之间有关系，为了避免水平衡各项水文要素在同一时段完全随机组合，采用保证水文要素同变率的办法保持各要素的相关性，然后再根据气候模式预测的水文要素变化量，对该水文要素的预测值进行趋势性修正。创新之二是与水平衡模型相结合，可以预测出未来的水位动态。创新之三是主水文要素径流的生成采用多组结果，通过取平均的办法确定参与平衡计算的数据，减少序列生成的随机误差。总体上属于技术方法创新。

给出青海湖按现状平均气候条件和气候变化趋势两种情况下青海湖水位变化趋势，以及生态系统演变的趋势，属于成果创新。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

①湖泊水文过程是湖泊相关研究的基础。在已有的研究中，对湖泊泥沙、污染物运移等水文要素的研究，多应用水动力模型；对径流、水位等，采用时间序列分析方法，建立多项输入单项输出系统，如用线性扰动模型(LPM)进行现状模拟和趋势预测；在湿润地区，有的用灰色系统模型建立降水与湖泊水位的关系；在干旱半干旱地区，多以单纯的水平衡长序列模拟为主，如岱海和青海湖的年序列研究，呼伦湖的月序列研究。多数方法对入湖水量的计算都不考虑湖滨区水量收支及其植被的水量消耗。该项目将湖泊与湖滨看成一个整体，建立时间步长较短的水文过程模拟，以研究青海湖各项水文要素的过程，为研究水文过程与生态过程的响应关系奠定基础。

②生态系统的稳定性，理论上还属于焦点问题，没有统一的概念，该项目从基本生态规律考虑，保证生态系统结构完整是维护生态系统稳定的高标准，就青海湖的重要性来看，以维护生态系统结构完整来保障生态稳定，对保护青海湖生态具有一定的可靠性。

③国内外就湖泊生态系统的结构、功能及其时空演变规律的研究，主要是针对富营养化现象，研究的要素相对比较集中，如磷的循环和浮游植物生长变化等，没有涉及湿地鸟类及其生息相关的湖滨沼泽。对于湖滨湿地生态系统，国内的研究仅就系统稳定进行框架性评价，没有把湖泊与湖滨作为一个完整的系统考虑。国内有关湿地生态系统结构的研究，主要是分析环境因子对各类生物的影响，生态系统结构特点，构建评价指标体系，以及研究生态需水。在湿地生态需水研究中尽管强调维护生态系统结构稳定，但都没有进行生态系统结构本身的研究。本项目将湖泊与湖滨沼泽作为完整的生态系统，分析其结构，探索关键物种的生态水文过程，推求生态稳定的水文条件。

④青海湖成为气候变化对湖泊水文影响的典型，多数已有研究结果认为暖干气候是导致青海湖水位下降的主要原因。迄今关于气候变化对青海湖水位影响的预测研究，都是通过水量平衡要素与气象因子的关系，以及气象因子变化的趋势，对未来水位变化的总体趋势做预测，没有给出水文要素的过程及其综合影响的水位结果。本项目对可以反映水文随机变量趋势性、周期性以及随机性的随机水文模型，通过水文变量之间的关系及水文演变趋势进行同变率扩展，结合水量平衡模型，预测青海湖未来水文要素过程、水位变化及其对生态系统稳定性的影响。

成果应用情况及社会经济效益

该成果回答了“黄河流域（片）水资源综合规划”中是否要考虑从大通河给青海湖补水的问题，成果被水规总院完成的“全国水资源综合规划”以及黄河水利委员会和青海省水利厅的相关规划和管理工作采用。

提出的“湿地生态水文机理以及生态系统稳定水文阈值的分析方法”为湖泊湿地生态水文研究规划提供理论依据和主要技术方法，被中科院盐湖所、河北省水文局、浙江省水文局等技术部门采用。

该成果关于青海湖生态稳定的结论以及相关分析过程，被我国国际湿地履约办公室采用，成为该机构关于青海湖保护政策以及相关工作的重要支撑。

青海湖南岸植被遥感定位和退化情况的调查