山區供水或將改變二十億人的生活

在尼泊爾亞拉冰川末端海拔 5300 米的帳篷裡，夜晚漫長。晚上 8:00，在吃完尼泊爾達爾巴特（扁豆和米飯）後，我們探險隊的 10 名成員躲進小帳篷裡的睡袋裡避寒，這些小帳篷構成了我們的臨時營地。很難入睡，因為低氧濃度會欺騙我們的身體，使其心率加快。因此，我會在許多個夜晚聆聽遠處傳來雪崩和冰層破裂的轟鳴聲，思考是否要離開睡袋去外面小便，以及第二天要記住什麼。太陽一升起，營地就熙熙攘攘，我們正前往陡峭的冰川上，在海拔 5600 米處安裝特殊的儀器。

我們的團隊包括來自尼泊爾國際綜合山地發展中心的同事，自 2012 年以來，我們一直在名為朗塘流域的這個地方進行一年兩次的實地考察。我們在大本營和更高海拔地區架設了自動氣象站，測量降水量、積雪深度、輻射、溫度、相對溼度和風，使朗塘成為亞洲監測最好的高海拔流域之一。我們需要每六個月訪問一次氣象站，以維護儀器並下載資料；沒有蜂窩網路可以自動傳輸讀數，而且山脈往往會阻擋衛星訊號。在當前的攀登中，我們將把新的感測器安裝在一個三米高的金屬框架上，我們將把它鑽入冰層中。這些感測器將透過每秒取樣 10 次溫度和蒸汽來測量昇華——冰直接轉化為水蒸氣的相變。

這些考察幫助我們收集了解高海拔水迴圈所需的資訊：雪落在山頂上，逐漸變成冰川冰，冰川冰緩慢地向下流動並融化。水傾瀉而下，匯入不斷增長的河流，為眾多高海拔居民點以及梯田、水電站、森林、山谷農業田地和下方的大城市和工業區供水。當我們開始研究時，高海拔水迴圈在很大程度上仍然是一個謎。我們不知道實際降了多少雨雪，有多少水流入和流出積雪層，或者為什麼被周圍山坡侵蝕的碎屑覆蓋的冰川似乎與其無碎屑的冰川融化速度一樣快。我們需要了解這些細節，以確定最終有多少水從積雪層和冰川中流出，以及流量的體積和時間安排在未來可能會發生怎樣的變化。

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朗塘流域是一個小流域，彙集了幾個山峰和冰川的水。它為特里蘇里河供水，特里蘇里河是最近在山腰處修建的水電站和更下游的灌溉田的重要水源。彙集的水流最終流入數百公里外的恆河三角洲，為 4 億人供水，最終注入印度以東的孟加拉灣。喜馬拉雅山脈有數百個像朗塘這樣的流域。

同樣的動態也發生在許多其他山脈，如阿爾卑斯山脈、安第斯山脈和落基山脈。我們在 2019 年 12 月發表在《自然》雜誌上的一項研究表明，從中國的塔里木到秘魯的拉普納，78 座這樣的“水塔”為全球近 20 億人提供大部分淡水。計算機模型顯示，氣候變化可能會威脅到這些重要的供水。溫度、降水模式、積雪的積累和融化以及空氣中顆粒物的分佈都有助於決定有多少水流下來。然而，大多數與氣候變化和可持續性相關的計劃和政策都忽視了山區水的作用。現在我們已經系統地研究了世界頂級水塔，這種情況可能會開始改變。

季風主導

山脈就像水塔一樣發揮作用，因為高海拔地區的雨雪比周圍低窪地形的雨雪更多，而且大部分降水暫時以積雪和冰川冰的形式儲存起來。這些冰雪緩慢而穩定地融化，提供可靠、可預測的供水，並充當對抗乾旱的天然緩衝器。

儲存在尼泊爾高山中的水對居住在山下的人們至關重要，因為 6 月至 9 月之間的季風為喜馬拉雅山脈提供了 70% 至 80% 的年降水量。來自我們氣象站的資料，結合天氣模型，揭示了季風如何與山脈相互作用。即使在朗塘這樣的小流域，降雨量也差異很大。山谷東西走向，海拔也向那個方向升高。大部分溫暖潮溼的空氣在山谷入口（海拔約 1350 米）和喇嘛酒店村（海拔 2480 米）之間凝結。我們在這個地點測量到約 250 釐米的年降雨量，是山谷中最潮溼的地方。位於東邊僅 15 公里處的海拔 3900 米的姜金村，我們測量到約 80 釐米的年降雨量——乾燥程度是那裡的三倍多，但卻如此之近。

山脈的位置和形狀會產生其他區域性效應。如果我們從姜金村上升到海拔 5300 米的亞拉冰川，降水量平均再次增加 40%。大型、中型和山谷尺度的過程共同塑造了整個地區雨雪的分佈。例如，如果大部分降水以雨水的形式降落在較低海拔地區，那麼下游河流的流淌方式將與大部分降水以降雪的形式降落在高海拔地區時不同。

為了解水塔的動態，我們廣泛調查了儲存在亞拉冰川附近積雪層中的水量。這個量，稱為雪水當量，受降雪量、融化和再凍結量、昇華量以及風的分佈的影響。我們在海拔 5300 米的大本營的儀器測量了許多這類變數。條件可能很惡劣：極度寒冷導致電池爆炸，強風扭曲了感測器，雪崩推倒了支撐我們儀器的腳手架。

測量昇華尤其棘手，昇華是一個湍流過程，發生在寒冷、陽光充足、多風和乾燥的條件下，這在喜馬拉雅山的冬季很常見。我們在海拔 5600 米處架設的儀器等透過測量空氣溼度和溫度的變化來量化昇華。我們發現，在多風、暴露的位置，約有 21% 的降雪量從未最終流入河流，因為它昇華到大氣中。這種現象表明，即使在遠低於零攝氏度的溫度下，積雪層也會縮小。

我們還發現，當雪地上方兩米處的空氣溫度低於零度時，雪表面仍有足夠的能量使其融化。能量是來自太陽的短波輻射、表面和大氣發射的長波輻射以及湍流熱通量的淨結果。積雪層內部也有有趣的動態。白天融化成水的雪至少有 30% 在夜間重新凍結。融化積雪所需的能量遠高於僅根據其質量預期的能量。

我們安裝在雪上方的另一個儀器測量伽馬輻射的變化，作為雪水當量的替代指標。雪下的岩石自然會發出伽馬射線，其訊號衰減的程度與實際儲存在積雪層中的水量有關。

有時，我們會偶然發現收集資訊的意外方法。大約八年前，一位在塔斯馬尼亞工作的同事將無人機升到那裡的山體滑坡上方，並帶回了關於山體滑坡體積和速度的有趣資料。我們意識到我們可以使用相同的方法來獲取關於被碎屑覆蓋的冰川的資料，這些冰川很難接近。我們的第一次嘗試是在 2013 年，在姜金村上方的冰川舌上。

無人機拍攝了冰川表面的重疊照片。軟體確定了表面海拔，解析度驚人地達到了約 10 釐米。我們每六個月左右重複一次調查，直到 2019 年。我們發現，冰川邊緣每年後退約 40 米，表面每年變薄約 80 釐米，而且日漸減少的冰幾乎不再流動。不久之後，這塊寒冷的冰體將不再符合冰川的條件。相反，它將是一塊緩慢枯萎的死冰，就像一堆髒雪被犁到停車場盡頭一樣。從理論上講，覆蓋著碎屑的冰川應該比同一海拔高度的無碎屑冰川融化得慢得多，因為碎屑起到了隔熱作用。但我們發現了融化的熱點，這些熱點放大了整個過程。我們永遠無法透過傳統衛星影像找到它們，因為它的解析度太粗糙。

我們將所有這些難題拼湊到我們的模型中，以瞭解未來河流中的水量。然而，最後一個重要的部分是今天河流中的水量。僅憑水位無法指示流量。我們需要所謂的評級曲線——水位和河流流量之間的關係。而且這條曲線必須代表季風洪水從山上傾瀉而下和冬季徑流稀少的兩種情況。在這裡生成可靠的資料也是一個挑戰。在河流中，我們要麼將壓力感測器安裝在河底的鋼管中，要麼將雷達感測器安裝在從河面向上突出幾米的框架上。我們還將鹽撒到測量儀上游的河流中，並測量測量點電氣電導率的變化；鹽的稀釋程度可以幫助我們確定流量。即使這裡的條件比海拔 5300 米處更宜人，感測器也會被季風洪水沖走。但經過多年的努力，我們現在對水流量有了相當好的瞭解。

雪崩和洪水

幾年來，我們一直在將來自不同流域的發現整合到一個模型中，該模型描述了影響喜馬拉雅水流的所有過程；世界各地其他山區的科學家也在做同樣的事情。氣候變化帶來了一些相互作用的因素。其中之一是海拔依賴性變暖，其中山脈的變暖速度快於低窪平原，這是因為大氣反饋，如雲層形成、溼度增加和積雪消退導致的反照率升高。全球變暖 1.5 攝氏度意味著喜馬拉雅山脈變暖 2.1 攝氏度。

另一個因素是季節性。更溫暖的大氣可以容納更多水分，這導致山區降水量增加。而且更多的降水以降雨而不是降雪的形式落下，落在以前被冰雪覆蓋的岩石表面上，迅速流入河流。根據去年 7 月發表的研究，大多數模型預測氣候會變得更加潮溼，儘管該地區的情況可能差異很大。與處於穩定狀態的冰川相比，融化的冰川短期內將提供更多的河水，但隨著冰川向上退縮和冰層變薄，長期來看將提供更少的水。我們估計朗塘將在 2060 年左右達到供水高峰；此後，供應量將穩步下降。

隨著我們架設更多的感測器，使觀測網路更加密集，特別是在高海拔地區，以及我們將資料與極其詳細的模型整合，我們將獲得更深入的瞭解。衛星遙感還可以幫助我們更好地估計流域內感測器之間的降水模式，從而使我們能夠微調我們的模型。其他研究團隊也在山區地形方面取得了類似的進展。例如，阿爾卑斯山脈和安第斯山脈有大量可用的資料集。隨著加德滿都大學和特里布萬大學的研究人員將注意力轉移到更高海拔地區，並在安納普爾納山脈和珠穆朗瑪峰山脈進行測量，喜馬拉雅山脈的覆蓋範圍正在變得更好。

我的團隊也透過使用水文模擬分析了全球的供應情況。我們的《自然》雜誌研究對全球山地水塔進行了排名。如果一個水塔富含冰川、積雪或湖泊，並且下游人們對水的需求量很大，我們就認為該水塔“重要”。重要的水塔包括科羅拉多河、加拿大西部的弗雷澤河和阿根廷的內格羅河，以及為萊茵河和波河供水的歐洲阿爾卑斯山。

我們的模型顯示，亞洲山脈，如為阿姆河和印度河等主要河流供水的山脈，是世界上最重要的山脈。它們也是最脆弱的山脈之一：模型預測那裡的升溫速度很快，而且人口和經濟的快速增長將極大地增加用水需求。平均可用水量不太可能在 21 世紀中葉之前減少，部分原因是季風降雨量增加，但長期預測令人沮喪。我們預測，除非世界大幅減少溫室氣體排放，否則到本世紀末，冰量將損失 50% 至 60%。

亞洲高山地區短期內的巨大挑戰將是應對河流流量時間安排的變化和自然災害。在一些流域，融雪可能會比以前提前幾周開始，這需要農民改變作物或播種時間表。由於積雪提供的緩衝作用減弱，河流將在一個每年都面臨嚴重洪水的地區增加。

山區極端降雨也導致更多的山體滑坡，尤其是在季風期間。更嚴重的融化使冰川湖泊的水位達到頂峰，當湖泊後方的巨大水壓導致岩石山脊決堤時，就會造成災難性的洪水。在過去的二十年中，雪崩、山體滑坡和突發洪水等自然災害已造成數千人傷亡和數億美元的經濟損失。未來極端降雨和變暖的加劇將使這些災害更加嚴重。隨著越來越多的人口在高海拔地區建造城鎮和水電站，損失也將增加。

儘管這些總體趨勢是明確的，但必須詳細研究每個區域，以便為那裡的人們提供有用的資訊。一個異常現象是連線帕米爾東部和喀喇崑崙山脈與崑崙山西部的中亞地區。那裡的冰川穩定甚至正在增加質量，這在地球上其他地方几乎看不到。過去一年左右收集的資料顯示，附近塔里木盆地農業和灌溉的增加可能發揮了作用。從地下水和地表水源抽取的灌溉水蒸發到大氣中，農作物的蒸騰作用增加了更多的水分。這種蒸汽在山脈上凝結並以降雪的形式落下——這是一個重要的提醒，即人類的活動可以改變自然系統。

山區政策

對高海拔水迴圈的研究已經讓人們意識到山區水對全球數十億人的重要性。官員們現在應該開始採取行動來保護它。

第一步是將山區納入更廣泛的關於保護地球自然資源的討論中。在當地，領導人可以建立國家公園來保護山峰免受開發。他們可以制定政策來減少汙染物和黑碳的排放，以減少空氣中的碎屑。他們還可以修建水庫來儲存雨水和春季快速融化的積雪——只要他們分析建築物的規模和對水流的影響可能如何幹擾生態系統。朗塘谷就是一個很好的例子。直到兩年前，上村還沒有電力，當時一個非政府組織和社群建造了一個水電站，現在為村民提供電力，從而也提供了網際網路。

鄰國可以共同努力減少用水需求；條約可以涵蓋從高山流下的河流的競爭性取水，這些河流經常跨越國界。與印度庫什喜馬拉雅地區接壤的八個國家的部長們在 2020 年 10 月召開山峰峰會並簽署宣言，承諾利用科學改善山區政策，聽取該地區高度多樣化的人口的建議，並在全球談判中發出統一的聲音，樹立了榜樣。阿富汗、孟加拉國、不丹、中國、印度、緬甸、尼泊爾和巴基斯坦的數百萬人依靠印度庫什喜馬拉雅山脈供水，那裡的降雨模式和作物產量已經發生變化。

世界高峰正在迅速變化。在未來幾十年內，許多居住在下游的人們將不得不適應更多的極端天氣、更大的自然風險和供水變化。科學家、工程師和政策制定者應攜手合作，立即採取行動，以確保未來世代能夠獲得可持續的山區水資源。