本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第4期“热点述评”栏目。
气候变化下该过程存在极大不确定性。完善现有分布式水沙模型以量化冰冻圈要素的影响是解析该过程的重要方向。基于广泛的文献调研, 总结这3类要素如何影响侵蚀产沙过程及相关模型算法, 并比较多个模型在寒区的适用性。
全球泥沙循环是地球系统的基本过程之一，体现了气候变化、造山运动、物理化学侵蚀和人类活动的相互作用。陆地系统中，河流泥沙对河流形态、水质与生态系统、河道冲淤、水利设施的建设与管理、冲积平原与河口三角洲的发展等方面有很大的影响。在气候变化和人类活动影响下，全球大多数河流输沙量呈现无明显变化或减少的趋势，而寒区河流的输沙量变化整体以增加趋势为主。例如，喜马拉雅高山区河流输沙量在近60 a增加速率达到1.299%/a，对河道疏浚以及下游水利工程的正常运行等造成了不利影响；在北极地区、欧洲山脉、亚洲高山区和安第斯山脉的研究同样表明，实测点位中侵蚀输沙通量呈增加趋势的比例高达95%。寒区输沙量变化的特殊性主要在于气温升高导致寒区出现冰川退缩、积雪减少以及多年冻土退化等现象，使冰冻环境(如冰川区、多年冻土区和冰冻河床)封存的泥沙在冰雪融水携带下逐渐释放。然而，由于冰川径流拐点的存在以及冻融作用对水沙过程的影响尚不明确，寒区河流输沙量的未来变化存在极大不确定性。因此，量化分析气候变化背景下冰川消融、融雪以及土壤冻融这3种冰冻圈过程对寒区流域输沙量的影响，对进一步理解气候变化下寒区侵蚀产沙过程具有重要意义。
目前寒区侵蚀产沙过程研究，主要包括模型模拟、统计类方法分析、同位素示踪以及室内外实验观测，流域及区域尺度的研究多采用前2类方法。其中，统计类方法包括多重双累积曲线法、泥沙恒等式以及经验回归模型等。虽然部分研究计算出了冰冻圈要素对输沙量变化的贡献，但这些方法对于过程和机理的认识存在一定的局限性。同时在降雨和冰雪融水的影响下，寒区流域输沙量季节变化与年际变化很大，只用观测数据进行归因得出的结论代表性有限。模型模拟方面的研究多以数据需求量较少的坡面降雨侵蚀模型应用为主，极少数研究采用耦合了流域泥沙输送过程模拟的水沙综合模型。例如，Aygün等采用Modified Universal Soil Loss Equation(MUSLE)模型对位于加拿大东部的Acadie流域进行模拟得出，随着融雪期的提前，该流域土壤侵蚀最严重的时期从春季提前到了冬季；Wang等将分布式水文模型Jena Adaptable Modelling System 2000(J2000)与坡面降雨侵蚀模型Revised Universal Soil Loss Equation(RUSLE)耦合，计算得到黑河流域降雨期和融雪期对全年土壤侵蚀率的贡献率分别为90.67%和9.33%；Tian等采用不包含冰川模块的SWAT模型模拟并预测了拉萨河流域水沙过程，发现在气温升高驱动下蒸散发增加导致径流减少，使20世纪末的河流输沙量显著减少。然而，这些水沙模型仅部分考虑了冰冻圈要素的影响，难以进行具体的贡献划分以解析侵蚀产沙过程的物理机制。因此，在现有水沙模型的基础上完善模型结构，是定量研究气候变化下冰冻圈要素如何影响侵蚀产沙过程的重要方向。
为此，笔者分别梳理冰川消融、融雪和土壤冻融影响下的侵蚀产沙过程及相关模型算法，对比现有流域尺度分布式水沙模型在寒区的适用性，并基于现有模型的不足及考虑单个冰冻圈要素影响下水沙过程的算法提出模型结构改进的建议，以期未来能够采用改进后的模型进行寒区水沙过程的模拟，以降低其不确定性，并更具体地量化各冰冻圈要素对流域输沙量的影响，进一步明确寒区流域侵蚀产沙过程的变化机制及未来变化。
综上所述，发展适用于寒区的分布式水沙模型从而量化气候变化下冰川、融雪和土壤冻融对径流量及输沙量的影响，是研究气候变化下寒区侵蚀产沙过程变化的重要方向。已有很多研究分别从冰川、融雪以及土壤冻融这3个角度探讨了其对侵蚀产沙过程的影响及对应的算法。笔者对此进行了总结，并比较了现有分布式水沙模型在寒区的适用性。具体结论如下：
1) 冰川对侵蚀产沙过程的影响主要包括通过冰川融水改变径流侵蚀力和水流挟沙力，以及通过冰川基岩侵蚀作用提供冰川区侵蚀输沙的泥沙物源。其中冰川融水量的计算包括能量平衡算法、温度指数算法及其改进版本，部分水文模型还会辅以冰川动态算法及对冰川融水量采用不同分配方式得到冰川径流；基岩侵蚀的影响则可以通过经验方法将冰川区作为整体得到总输沙量后再与水文模型耦合。
2) 融雪对侵蚀产沙过程的影响主要是通过促进地表产流增加融雪期的径流侵蚀力。现有模型同样采用能量平衡算法、温度指数算法或其改进版本计算融雪量，然后被视作动能为0的降雨参与下一步的侵蚀计算。
3) 土壤冻融作用对侵蚀产沙过程的影响包括冻融深度影响产流量，频繁的冻融循环增加土壤可蚀性以及冻融深度限制坡面土壤可侵蚀范围，通常采用概念性或经验性的方法对这些过程进行计算。
4) 现有分布式水沙模型对寒区侵蚀产沙过程的考虑各有不足，其中较为完善的SWAT和CRHM模型考虑了冰川消融、融雪径流以及土壤冻融影响下的径流过程，但未全面考虑冰川消融和土壤冻融对侵蚀产沙过程的影响。
因此，为了提高现有流域水沙模型在寒区的适用性，结合前文总结的冰川消融、融雪和土壤冻融影响下的侵蚀产沙相关算法，同时考虑到模型改进的实用性与可行性，建议未来可以对SWAT或CRHM的模型结构做出以下改进：
1) 在水沙模型对冰川区径流模拟的基础上，利用分侵蚀力、分径流组分或者机器学习这3种方案建立相关变量与输沙量的关系，结合冰川区末端实测输沙数据进行单独校验后，以此为上边界条件带入模型中进一步模拟下游区域的输沙量，从而反映冰川区输沙模数较大且对气候变化敏感的特点。
2) 在水沙模型对土壤冻融过程计算的基础上，采用表层土壤的冻融循环次数修正模型侵蚀模块中的土壤可蚀性因子，同时基于冻融深度引入“土壤可侵蚀范围”的概念对发生侵蚀的流域面积和土壤厚度加以限制，从而捕捉叠加土壤冻融的融雪期侵蚀输沙量较大的特点。具体而言，对于单位面积土壤，未冻结土壤厚度决定了可被侵蚀的土壤有多少，未冻结土壤厚度>0的流域范围才能发生侵蚀。因此，冻融深度决定了土壤可侵蚀范围，土壤可侵蚀范围再与水流挟沙力一起限制土壤侵蚀量。
未来研究应当采用改进后的水沙模型进行寒区水沙过程的模拟，以减少模型结构带来的不确定性，同时能够更具体地量化冰川消融、融雪及土壤冻融这3类冰冻圈过程对侵蚀产沙过程的影响，从而明确寒区侵蚀产沙过程的物理机制以及流域输沙量的未来变化趋势，为寒区流域的生态保护和可持续发展提供科学依据。
寒区分布式水沙模型对比总结
许杏, 张凡, 曾辰, 郭蓓蓓, 向宇轩, 刘超. 寒区侵蚀产沙过程及模型算法研究进展[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(4): 1-13. DOI: 10.16843/j.sswc.2024094.
XU Xing, ZHANG Fan, ZENG Chen, GUO Beibei, XIANG Yuxuan, LIU Chao. Advances in erosion and sediment generation processes and related model algorithms in cold region[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(4): 1-13. DOI: 10.16843/j.sswc.2024094.
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