應用人工干預措施減緩冰川消融試驗研究
——以達古冰川為例

謝宜達， 王飛騰， 黃仕海， 趙燦文

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅蘭州 730000； 2.中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000； 3.中國科學院大學，北京 100049； 4.達古冰川風景名勝區管理局，四川黑水 623500；5.成都理工大學旅游與城鄉規劃學院，四川成都 610059）

0 引言

21 世紀人類面臨的主要問題之一是預測和減緩全球氣候變化所帶來的影響［1］。有關研究表明，自19世紀末，地球陸地和海洋表面的平均溫度上升了0.85 ℃［2］，全球變暖因此引起人們的普遍關注［3］，而在此背景下，研究人員觀測到大量冰川加速消融［4-5］。具體為1960 年以來，冰川面積年均退縮率為0.35%。其中，冰川面積年均退縮率最大值出現在低緯度地區（2.28%），是全球平均退縮率的近7倍，最小值出現在加拿大北極北部（0.07%）［6-7］，僅為全球平均值的20%。Zemp等［8-9］研究發現1961—2016 年期間，冰川消融為全球平均海平面上升貢獻（27±22）mm，且冰川的大量消融將導致固體水資源的儲量減少，引發缺水危機，同時也會造成春汛夏汛。由此可見，全球冰川的大量消融已對全球海平面［10-11］和區域水循環［12-13］造成了一定影響。此外，持續不斷的冰川消融正通過改變季節水循環、增加自然災害和導致海平面上升影響人類社會［14］。

第二次冰川編目統計表明，我國目前共有冰川48 571 條，總面積約5.18×104km2，約占全國國土面積的0.54%［15］。而受全球氣候變暖影響，除喀喇昆侖山地區冰川較穩定外，中國其他區域冰川普遍呈退縮減薄狀態。冰川加劇融化已嚴重影響到水資源變化格局，同時夏季冰川消融量增加，引發冰湖潰決，洪澇災害增加，對水資源、水循環和生態環境等產生顯著影響［16-17］。此外，冰川加劇消融使得水資源年內與年際變率增加，可能引起未來水資源的長期供應短缺，使得現有水資源管理與災害防治對策與措施面臨巨大挑戰。因此，在當前區域迅速增溫、冰川快速退縮的情境下，應用科學方法減緩冰川消融和保持水資源的可持續利用顯得尤為重要。中國冰川數量和面積分別以面積＜0.5 km2的冰川和面積介于1.0～50.0 km2的冰川為主［15］。研究表明小冰川對氣候變化十分敏感，一旦小冰川呈現全面消融，如不加人工干預，則難以逆轉最終消亡的現實。因此在冰川關鍵區域應用減緩冰川消融的技術措施，降低太陽對冰川的直接輻射和近地層大氣湍流交換所產生的影響，增大冰川表面的反照率，使冰川表面與大氣層之間的能量交換過程處于局部較為穩定的狀態，以此了解冰川消融變化趨勢與機理，提出減緩冰川消融的適應措施。

人工減緩冰川消融的方法在過去很少得到關注［18］，但隨著全球變暖加速冰川消融趨勢愈加明顯，人為干預減緩冰川消融的措施越來越受到關注。自21世紀初以來，相關研究工作人員開始在阿爾卑山地區逐步進行人工減緩冰川消融試驗［19-20］。研究人員開發試驗了冰川覆蓋、冰川注水、梳理積雪、人工造雪的物質平衡管理法［21-22］來減緩冰川消融。在上述方法中冰川覆蓋土工織物被證明對冰川消融有顯著的減緩效果［20］，可減少50%～70% 的冰雪融化［23］。近幾年來，用白色土工織物覆蓋冰川表面已經變得越來越普遍，覆蓋白色土工織物逐漸成為局部減少冰融化的有效技術［21］。

當然，目前國內對冰川的研究主要集中在變化過程、機理和未來變化預估等方面，而在應對冰川消融的工程措施方面研究極少。本文基于國內典型山地冰川達古17 號冰川（32.22° N，102.75° E）開展人工措施減緩冰川消融，填補了國內人工措施減緩冰川積雪消融研究的空白，可為減緩冰川消融提供有益借鑒。

1 研究區概況

達古冰山地處青藏高原東南部邊緣［圖1（a）］，橫斷山脈中段，四川盆地西北邊緣山地向高原丘陵過渡的高山峽谷地帶。屬于季風高原型氣候區，旱、雨季分明，日照充足，氣溫年差較小，日差較大，氣候隨海拔高度不同，差異很大。2016 年，達古僅存13 條冰川，總面積僅為1.70 km2，相比第二次冰川編目減少4 條冰川。1975—2017 年期間，達古冰川面積減少5.094 km2，縮減率為0.12 km2·a-1，其退縮趨勢與中國西南地區季風性海洋冰川變化一致［24］。

圖1 達古冰川示意圖（a～b為達古冰川地理位置；c～f為達古冰川景觀變化）Fig.1 The diagram on the Dagu Glacier No.17：geographical location（a，b），the landscape changes of Dagu Glacier No.17（c～f）

本試驗基于達古17號冰川（32.22° N，102.75° E）。根據第二次冰川編目，達古17 號冰川海拔4 780～4 970 m a.s.l.，冰儲量3.38×106m3，坡度多在30°～50°之間。1971—2016 年，達古冰川17號冰川末端退縮約0.76 km，面積減少0.78 km2［25］。達古17號冰川作為該區域內最大的冰川，消融趨勢十分明顯，且在2020 年左右消融分裂成3 條小冰川［圖1（b）］。因此，綜合冰川面積、交通和景觀觀賞性等因素，試驗區設于達古17號冰川分裂后的上端小冰川，這有助于相關工作人員攜帶試驗儀器到達目的地，同時節省了大量的人力，為試驗調查研究提供了良好的條件。

2 試驗方法

本研究以四川達古冰川為研究標靶開展相關試驗研究。在達古冰川消融季，應用覆蓋光熱阻隔物（土工織物）方法，通過在冰川表面鋪設隔熱和反光材料，增大冰川表面反照率，在冰面阻擋太陽輻射和冰川的熱交換，以此達到減緩達古冰川消融的目的。具體試驗是在達古冰川中下部的消融區，建立1 個500 m2左右的試驗場，開展光熱阻隔物減緩達古冰川消融的試驗研究，研究人工干預的方法對減緩冰川消融的作用，并評估其試驗效果。此外，為定量監測試驗區物質平衡變化，采用傳統的花桿-雪坑方法進行觀測。

2.1 施工方案

傳統的保溫隔熱材料有擠塑聚苯乙烯隔熱板、硬質聚氨酯隔熱板、無機真空絕熱板、鏡面反射膜、土工織物等。其中擠塑聚苯乙烯隔熱板和硬質聚氨酯隔熱板屬于傳統的多孔隔熱材料，主要是通過內部存在的大量孔隙以及孔隙中的導熱系數較小的氣體進行隔熱［26］；這兩種隔熱材料由于質量輕、強度高、隔熱效果好因此在保溫節能工程被廣泛使用［27］。聚氨酯同樣作為一種重要的有機隔熱材料，它的吸濕率低、防潮性能好、導熱系數為0.024 W·m-1·K-1，隔熱性能較擠塑聚苯乙烯隔熱板好［26］，但其成本較高，達110 元·m-2（人民幣）。無機真空絕熱板屬于新型的真空隔熱材料，它通過不良導體體芯破壞熱傳導、超強真空破壞熱對流、鋁箔結構反射熱輻射，使導熱系數降低到只有0.008 W·m-1·K-1。鏡面反射膜屬于熱反射型隔熱材料，它主要是通過熱反射減少輻射傳熱，具有高反射、低發射輻射性質，常用作多層隔熱材料中的反射屏和絕熱結構的外保護層［28］。土工織物具有較強的抗拉性［29］，可以使冰川受荷載能力增強，且成本較低，適合范圍性應用。由于達古冰川區域地勢險峻，常有泥石流、暴雨、滑坡等自然災害，因此綜合考慮導熱系數、厚度、熱容、成本等，本次試驗擬使用的隔熱材料為土工織物。

本試驗的目的是了解土工織物對冰川消融的影響。2020 年8 月5 日，單幅寬2 m、長度為50 m 的6 卷土工織物布置在達古17 號冰川主流線高度為4 870 m a.s.l.的區域，覆蓋面積為500 m2，約占冰川總面積的0.2%，于10 月17 日被移除。在試驗鋪設前期，利用達古冰川觀光纜車，將紡織材料運輸至海拔4 860 m a.s.l.處，然后再搬運至施工作業區。試驗場鋪設時，如圖2所示，首先自高海拔向低海拔鋪設，利用材料本身的重力向下滾動［圖2（a）］。在圖2（c）整幅材料鋪設完畢后，相鄰的材料搭接在一起，重疊寬度40 cm，對有收縮的地方及時展平在布設完成之后，如此，利用6卷土工織物搭建的10 m×50 m的試驗區搭建完成。冰川表面鋪設的土工織物，由于其滲透性，土工織物會主動吸附在冰川表面，因此它自然地粘在冰川上。由于高山冰川上常發生重力風，以免破壞試驗區域，土工織物會用巖石壓好，同時，每間隔3 m 用拴著巖石的繩索固定［圖2（c）］，最后用膠帶粘接。為了避免巖石對試驗區太陽輻射的影響，巖石被放入由相同的土工織物制成的袋子中。在安裝布設過程的最后，整個表面看起來是白色和均勻的，并且在2020年整個試驗期間，對該地區定期進行維護。

圖2 試驗區鋪設示意圖Fig.2 Map showing the construction of test area：the laying of geotextiles（a）；the fixing of geotextiles（b）；the coverage area（c）

2.2 實地測量

由于高海拔地區實地觀測數據獲取困難，許多冰川研究大都采用建模或遙感的方法［30-31］。為更準確研究達古冰川物質平衡在試驗期內的變化，依照國際冰川監測服務中心（WGMS）［32］物質平衡觀測規范于2020年采用傳統的觀測方法花桿-雪坑法測量達古冰川物質平衡。為保證試驗場的穩定性與完整性，如圖3所示，花桿設立在距離土工織物邊緣絕對距離不超過一米的非試驗區，以此來觀測非試驗區域和試驗區域的冰川消融量變化。其中試驗區消融量則可以通過觀測、測量非試驗區域與試驗區域邊緣的高度差，利用高度差與非試驗區域的消融變化測定試驗區域的消融情況。花桿觀測時間為8 月5 日至10 月17 日，每隔一周進行一次物質平衡觀測，兩周進行一次數據匯總。具體觀測內容包括：每根花桿至冰川表面的垂直高度、附加冰的厚度、粒雪層的厚度和密度及雪坑剖面結構。此外，密度測量必須要求雪坑垂直高度大于5 cm，否則冰雪密度采用野外觀測經驗值，冰和雪的密度分別取值為900 kg·m-3和300 kg·m-3。非試驗區單點消融量（bn，m w.e.）計算公式為：

圖3 2020年8月5日至17日達古17號冰川試驗區物質平衡變化（左圖為花桿點位置；右方的I～VI為相應的花桿點數據記錄，黃線代表覆蓋區，藍線代表未覆蓋區）Fig.3 The mass balance measured at the sites（stakes I-VI）in the Dagu 17 Glacier test area from 5 to 17 August 2020（The left picture shows the position of the ablation stakes，and the I～VI on the right are the ablation stakes’data records.The yellow line represents the mass balance of coverage area，and the blue line represents the mass balance of uncovered area）

式中：bs、bice、bsi分別為雪、冰川冰以及附加冰的物質平衡，具體可參見已有研究［33］。

試驗區消融量（Bn，m w.e.）計算如下：

式中：ΔH為試驗區與非試驗區的高度差，bΔH則為試驗區與非試驗區高度差部分的水當量。由此獲得6根花桿的非試驗區與試驗區消融量，最后，取其平均值作為冰川試驗區與非試驗區整體消融量的實測數據。

3 結果與討論

3.1 物質平衡實地觀測變化

冰川的消融與冰川表面的能量平衡密切相關。當冰川表面獲得的能量大于釋放的能量，冰川開始融化或升華，而冰川表面的這種能量收支主要受控于輻射平衡，而且冰川消融主要發生在夏季，以冰面消融為主；太陽直接輻射和近地層大氣湍流交換是引起冰川消融的主要熱源。因此，在冰面阻擋太陽輻射和冰面的熱交換能夠有效的減緩冰川消融。

根據圖3 所示，試驗區冰川消融量顯著低于非試驗區。 非試驗區下、中、上端消融量分別為-1.33、-1.20、-1.11 m w.e.，而試驗區下、中、上端消融量分別為-0.92、-0.78、-0.72 m w.e.。以此可以看出冰川上端消融量略低于冰川末端消融量。區域物質平衡不一致的原因可能是因為冰川消融過程與水熱條件、氣象要素、冰面局地和周邊地形以及冰川表面狀況等密切相關［34］。

除了上述試驗區與非試驗區消融區域差異外，試驗區與非試驗區消融速率從試驗中期開始逐漸呈現下降趨勢，直至試驗結束。8月5日—9月2日，非試驗區的消融速率為0.018 m w.e.·d-1，而試驗區的消融速率為0.014 m w.e.·d-1。然而，從10 月1 日—10 月17 日，非試驗區的消融速率為0.013 m w.e.·d-1，試驗區為0.008 m w.e.·d-1（圖3）。消融速率的降低可能與達古17 號冰川試驗期間氣溫逐漸下降有關，如試驗初期到8 月末達古冰川平均氣溫為4.7 ℃，其9 月平均氣溫為2.8 ℃，而10 月初期到試驗結束達古冰川平均氣溫僅為1.5 ℃（圖4）。氣溫的下降可較好地解釋實驗末期冰川消融速率低于試驗初期。根據試驗工作人員記錄，9 月份達古冰川降水開始以固體降水為主。如圖4 所示，達古冰川共發生3 次降雪事件（圖4 用藍色柱體標注）。根據Wang 等［35］的研究表明：降雪將直接增加冰川的質量，促進冰川的物質積累，同時增加冰川表面反照率；增加的反照率將減少地表對太陽輻射的吸收，有利于減緩冰川消融。降雪事件大大增加了反照率，在一定程度上與冰川表面覆蓋光熱阻隔物作用相似，減少了冰川表面與外界的熱交換，對減緩冰川消融具有一定的影響，導致試驗末期冰消融速率逐漸減緩。

圖4 試驗期間達古冰川氣象狀況（淺藍色標注代表該時間段發生降雪事件）Fig.4 The values of meteorological condition of Dagu Glacier during the test period（The light blue label represents the occurrence of snow events during this time period）

3.2 試驗區與非試驗區物質平衡變化

在達古17 號冰川設立了500 m2的試驗場地（2020 年8 月5 日），鋪設時，試驗區和非試驗區冰川表面平整，無積雪覆蓋，物質平衡保持一致性。隨著時間的推移，試驗區與非試驗區開始出現高度差，并且高度差逐漸增大（圖5），直到10 月17 日，即試驗結束時，試驗區平均高于周圍的非試驗區表面0.46 m（圖6）。根據圖3消融觀測記錄，土工織物覆蓋的試驗區域的冰川消融速率顯著低于無土工織物覆蓋區域，導致試驗區域的物質平衡變化低于非試驗區域。例如：試驗區消融量為-0.80 m w.e.，消融速率為0.011 m w.e.·d-1；非試驗區消融量為-1.21 m w.e.，消融速率為0.017 m w.e.·d-1。試驗區消融速率明顯低于非試驗區主要是因為土工織物具有高反照率，其通過反射比非試驗區冰川表面更多的入射短波輻射來減緩冰川消融的趨勢，而太陽輻射恰是冰川消融的主要因素之一，則冰川表面反照率的變化將引起冰川吸收的太陽短波輻射發生較大的改變，從而導致冰川消融速率發生變化。同時土工織物具有良好的熱性能，減少了冰川表面與外界的湍流熱通量。此外，土工織物的半透性也抑制了冰川表面水洼的形成，降低了水洼滲水促進冰川的消融的影響［19］。

圖5 試驗期間不同階段的試驗區實景圖：試驗初期實景（a），試驗中期實景（b），試驗末期實景（c～d）Fig.5 The view of the test area at different stages during the experiment：the initial view of the experiment（a）；the mid-term view of the experiment（b）；the ending view of the experiment（c～d）

圖6 土工織物有效性示意圖Fig.6 Schematic drawing showing the effectiveness of the non-woven geotextile on Dagu Glacier

在試驗中期階段，發現土工織物搭接重疊（重疊寬度40 cm）的試驗區域，比其他覆蓋區域試驗效果更為為明顯，土工織物重疊區域的冰川表面高度顯著高于單層土工織物覆蓋區域，換言之，重疊區比單層土工織物覆蓋區域的保護效果更為優越。這種現象的主要原因是土工織物重疊的區域比單層土工織物對太陽輻射具有更大的反照率，對冰川與外界的熱交換具有更為明顯的保護作用。而到試驗末期，土工織物重疊的區域與單層土工織物覆蓋的區域高度差逐漸縮減，如圖5（b）～5（d）所示，其主要是因為試驗末期達古冰川降水以固體降水為主，對冰川具有更好地減緩消融作用，而且試驗中后期太陽輻射、氣溫逐漸下降，土工織物覆蓋下的冰川內部溫度逐漸趨于一致，進而導致高度差逐漸縮減。

試驗末期，土工織物覆蓋的長度并無變化，而寬度縮減為9.72 m，覆蓋面積縮減為486 m2，面積縮減了2.8%。未被覆蓋的區域消融1.34 m，覆蓋區域消融0.88 m，表明土工織物對冰的保護深度介于0.46～1.34 m，對應初始厚度的65.7%。試驗初期，被覆蓋土工織物的冰川表面形狀是一個平整的面，隨著試驗的開展，越來越多的冰川開始融化，最終試驗區被保護冰川的形狀近似一個梯形的固體（圖6）。所以土工織物覆蓋下冰的體積是將其視作梯形固體來計算的。試驗區上表面面積為291 m2，與非試驗區相鄰的表面面積486 m2，高度為0.44 m。所以最終試驗區固體的總體積為227 m3，即204 m3w.e.。換而言之，500 m2的土工織物使總消融量減少了34%，使得204 m3w.e.的冰川免于消融。

3.3 試驗對比

此次在達古冰川上進行的試驗與在歐洲地區進行的其他同類試驗相比效果并不突出。如表1所示，四組國外研究人工措施減緩冰川消融試驗都是在阿爾卑斯山進行的，其中三組試驗都減緩了至少40% 的冰川消融，有一組減少了50% 左右。究其原因可能是由調節當地能量平衡的因素造成的，例如在阿爾卑斯山進行的試驗大都選擇在低海拔區域，試驗區海拔大都在2 800 m a.s.l.左右，而達古冰川試驗區海拔在4 850 m a.s.l.。由于冰川消融速率與海拔高度呈負相關關系，而高海拔地區受到氣溫限制，導致低海拔區域冰川消融速率大于高海拔區域，所以在阿爾卑斯山的試驗結果優于本文所述的試驗。另外，阿爾卑斯山的試驗區位于滑雪場，考慮到經濟因素，試驗投入資本較高、材料較好，例如阿爾卑斯所進行的試驗其所用的土工織物質量約為0.5 kg·m-2，厚度為3～4 mm，減少1 m3的冰免于消融大約需要0.6～7.9 瑞士法郎（換算為人民幣約為4～57 元）不等［36］；達古試驗所用的土工織物質量約為0.3～0.4 kg·m-2，厚度為2～3 mm，減少1 m3的冰免于消融需要人民幣5 元左右。相較之下，歐洲對冰川的保護投入力度相對較大，對土工織物的導熱系數、厚度和熱容要求相對較高，所以其所用材料對太陽輻射的反照率效果更好。此外，在Mount Aragatz 和Presena Ovest 進行的試驗，試驗面積都大于本實驗區域面積，其結果也優于達古冰川試驗，這也許是更廣泛的冰川覆蓋區域可以反射更多的太陽輻射，從而有力的阻止冰川表面與外界的熱交換。當然試驗周期的長短也制約著試驗效果，國外試驗時間周期比達古試驗長。國外研究在滑雪場進行，試驗時間一般是滑雪場不盈利階段（4—10 月左右），而達古冰川是旅游景區，冰川消融期恰是旅游旺季，為景觀盈利考量，達古試驗一般從8 月開始。換而言之，達古試驗周期小于阿爾卑斯山試驗周期，所以試驗效果也就較國外研究相對較差。當然其他因素也制約著試驗的效果，例如：反照率變化、當地氣候條件（決定了消融季節的長度和消融速率）、地形效應都決定了試驗效果。

表1 國內外土工織物保護冰川試驗研究對比（?0是指覆蓋區域相對于未覆蓋區域融化的百分比）Table 1 Studies documenting the local melt reduction by geotextiles（The ?0 refers to the percentage reduction in melting compared to an uncovered location）

3.4 推廣性分析

基于對達古冰川的研究結果，應用人工措施減緩冰川消融效果顯著，在一定程度上可以減緩全球變暖背景下冰川加速消融的趨勢。就其效果而言，此技術可以應用與更廣泛的冰川。然而，此次達古試驗區共用6 卷2 m×50 m 的土工織物，約為人民幣1 200元。由6名工人組成的小組花費1天左右的工作時間將織物覆蓋在冰川上。而且在夏季結束的時候，為保護環境考慮，所有的土工織物都將從冰川表面移走。移走的土工織物不會再次利用，這是因為土工織物由于表面寒冷和結冰，經常會斷裂，因此經常需要部分更換新的土工織物；在夏季，土工織物的表面會因為自然的灰塵沉積而變黑，減少反照率，即使它們仍然完好無損，也需要更換。除此以外，達古冰川試驗結果表明，減少1 m3的冰川消融需要5元左右覆蓋成本的投入，此外，土工織物無法循環利用，從一定程度上提高了成本。根據Huss 等［36］研究得出，覆蓋土工織物進一步擴大冰川覆蓋力度，從成本、環境、景觀生態而言，是不可行的。在此主張將合理和有利可圖的減緩冰川消融措施與理論上的大規模應用明確分開，所以此技術僅可以向西北部小冰川或冰川旅游景觀推廣，以此來減緩氣候變暖條件下的冰川消融趨勢，保護中國冰川資源。

4 結論

2020 年8 月5日—10月17日期間，于達古17號冰川鋪設了500 m2的試驗區域，開展了應用人工措施減緩冰川消融試驗，即在達古冰川表面覆蓋光熱阻隔物——土工織物，緩解全球變暖對山地冰川的影響，并對其應對策略進行適用性及有效性研究。結果表明：

（1）試驗期間，試驗區消融量為-0.80 m w.e.，消融速率為0.011 m w.e.·d-1；非試驗區消融量為-1.21 m w.e.，消融速率為0.017 m w.e.·d-1。土工織物覆蓋區域物質平衡消融速率明顯低于無土工織物覆蓋區域。

（2）500 m2的土工織物使總消融量減少了34%，保護了204 m3w.e.的冰川免于消融。

（3）面對中國西北冰川持續消融，給冰川覆蓋光熱阻隔物從成本（即材料、運輸、安裝和維護）、人力角度而言，僅可以向西北部小冰川或冰川旅游景點推廣，以此來應對氣候變暖條件下的冰川消融趨勢。

致謝：本研究離不開達古冰川管理局與野外工作人員辛苦的野外工作，在此表示感謝。