谢宜达， 王飞腾， 黄仕海， 赵灿文

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000； 2.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州 730000； 3.中国科学院大学，北京 100049； 4.达古冰川风景名胜区管理局，四川黑水 623500；5.成都理工大学旅游与城乡规划学院，四川成都 610059）

0 引言

21 世纪人类面临的主要问题之一是预测和减缓全球气候变化所带来的影响［1］。有关研究表明，自19世纪末，地球陆地和海洋表面的平均温度上升了0.85 ℃［2］，全球变暖因此引起人们的普遍关注［3］，而在此背景下，研究人员观测到大量冰川加速消融［4-5］。具体为1960 年以来，冰川面积年均退缩率为0.35%。其中，冰川面积年均退缩率最大值出现在低纬度地区（2.28%），是全球平均退缩率的近7倍，最小值出现在加拿大北极北部（0.07%）［6-7］，仅为全球平均值的20%。Zemp等［8-9］研究发现1961—2016 年期间，冰川消融为全球平均海平面上升贡献（27±22）mm，且冰川的大量消融将导致固体水资源的储量减少，引发缺水危机，同时也会造成春汛夏汛。由此可见，全球冰川的大量消融已对全球海平面［10-11］和区域水循环［12-13］造成了一定影响。此外，持续不断的冰川消融正通过改变季节水循环、增加自然灾害和导致海平面上升影响人类社会［14］。

第二次冰川编目统计表明，我国目前共有冰川48 571 条，总面积约5.18×104km2，约占全国国土面积的0.54%［15］。而受全球气候变暖影响，除喀喇昆仑山地区冰川较稳定外，中国其他区域冰川普遍呈退缩减薄状态。冰川加剧融化已严重影响到水资源变化格局，同时夏季冰川消融量增加，引发冰湖溃决，洪涝灾害增加，对水资源、水循环和生态环境等产生显著影响［16-17］。此外，冰川加剧消融使得水资源年内与年际变率增加，可能引起未来水资源的长期供应短缺，使得现有水资源管理与灾害防治对策与措施面临巨大挑战。因此，在当前区域迅速增温、冰川快速退缩的情境下，应用科学方法减缓冰川消融和保持水资源的可持续利用显得尤为重要。中国冰川数量和面积分别以面积＜0.5 km2的冰川和面积介于1.0～50.0 km2的冰川为主［15］。研究表明小冰川对气候变化十分敏感，一旦小冰川呈现全面消融，如不加人工干预，则难以逆转最终消亡的现实。因此在冰川关键区域应用减缓冰川消融的技术措施，降低太阳对冰川的直接辐射和近地层大气湍流交换所产生的影响，增大冰川表面的反照率，使冰川表面与大气层之间的能量交换过程处于局部较为稳定的状态，以此了解冰川消融变化趋势与机理，提出减缓冰川消融的适应措施。

人工减缓冰川消融的方法在过去很少得到关注［18］，但随着全球变暖加速冰川消融趋势愈加明显，人为干预减缓冰川消融的措施越来越受到关注。自21世纪初以来，相关研究工作人员开始在阿尔卑山地区逐步进行人工减缓冰川消融试验［19-20］。研究人员开发试验了冰川覆盖、冰川注水、梳理积雪、人工造雪的物质平衡管理法［21-22］来减缓冰川消融。在上述方法中冰川覆盖土工织物被证明对冰川消融有显著的减缓效果［20］，可减少50%～70% 的冰雪融化［23］。近几年来，用白色土工织物覆盖冰川表面已经变得越来越普遍，覆盖白色土工织物逐渐成为局部减少冰融化的有效技术［21］。

当然，目前国内对冰川的研究主要集中在变化过程、机理和未来变化预估等方面，而在应对冰川消融的工程措施方面研究极少。本文基于国内典型山地冰川达古17 号冰川（32.22° N，102.75° E）开展人工措施减缓冰川消融，填补了国内人工措施减缓冰川积雪消融研究的空白，可为减缓冰川消融提供有益借鉴。

1 研究区概况

达古冰山地处青藏高原东南部边缘［图1（a）］，横断山脉中段，四川盆地西北边缘山地向高原丘陵过渡的高山峡谷地带。属于季风高原型气候区，旱、雨季分明，日照充足，气温年差较小，日差较大，气候随海拔高度不同，差异很大。2016 年，达古仅存13 条冰川，总面积仅为1.70 km2，相比第二次冰川编目减少4 条冰川。1975—2017 年期间，达古冰川面积减少5.094 km2，缩减率为0.12 km2·a-1，其退缩趋势与中国西南地区季风性海洋冰川变化一致［24］。

图1 达古冰川示意图（a～b为达古冰川地理位置；c～f为达古冰川景观变化）Fig.1 The diagram on the Dagu Glacier No.17：geographical location（a，b），the landscape changes of Dagu Glacier No.17（c～f）

本试验基于达古17号冰川（32.22° N，102.75° E）。根据第二次冰川编目，达古17 号冰川海拔4 780～4 970 m a.s.l.，冰储量3.38×106m3，坡度多在30°～50°之间。1971—2016 年，达古冰川17号冰川末端退缩约0.76 km，面积减少0.78 km2［25］。达古17号冰川作为该区域内最大的冰川，消融趋势十分明显，且在2020 年左右消融分裂成3 条小冰川［图1（b）］。因此，综合冰川面积、交通和景观观赏性等因素，试验区设于达古17号冰川分裂后的上端小冰川，这有助于相关工作人员携带试验仪器到达目的地，同时节省了大量的人力，为试验调查研究提供了良好的条件。

2 试验方法

本研究以四川达古冰川为研究标靶开展相关试验研究。在达古冰川消融季，应用覆盖光热阻隔物（土工织物）方法，通过在冰川表面铺设隔热和反光材料，增大冰川表面反照率，在冰面阻挡太阳辐射和冰川的热交换，以此达到减缓达古冰川消融的目的。具体试验是在达古冰川中下部的消融区，建立1 个500 m2左右的试验场，开展光热阻隔物减缓达古冰川消融的试验研究，研究人工干预的方法对减缓冰川消融的作用，并评估其试验效果。此外，为定量监测试验区物质平衡变化，采用传统的花杆-雪坑方法进行观测。

2.1 施工方案

传统的保温隔热材料有挤塑聚苯乙烯隔热板、硬质聚氨酯隔热板、无机真空绝热板、镜面反射膜、土工织物等。其中挤塑聚苯乙烯隔热板和硬质聚氨酯隔热板属于传统的多孔隔热材料，主要是通过内部存在的大量孔隙以及孔隙中的导热系数较小的气体进行隔热［26］；这两种隔热材料由于质量轻、强度高、隔热效果好因此在保温节能工程被广泛使用［27］。聚氨酯同样作为一种重要的有机隔热材料，它的吸湿率低、防潮性能好、导热系数为0.024 W·m-1·K-1，隔热性能较挤塑聚苯乙烯隔热板好［26］，但其成本较高，达110 元·m-2（人民币）。无机真空绝热板属于新型的真空隔热材料，它通过不良导体体芯破坏热传导、超强真空破坏热对流、铝箔结构反射热辐射，使导热系数降低到只有0.008 W·m-1·K-1。镜面反射膜属于热反射型隔热材料，它主要是通过热反射减少辐射传热，具有高反射、低发射辐射性质，常用作多层隔热材料中的反射屏和绝热结构的外保护层［28］。土工织物具有较强的抗拉性［29］，可以使冰川受荷载能力增强，且成本较低，适合范围性应用。由于达古冰川区域地势险峻，常有泥石流、暴雨、滑坡等自然灾害，因此综合考虑导热系数、厚度、热容、成本等，本次试验拟使用的隔热材料为土工织物。

本试验的目的是了解土工织物对冰川消融的影响。2020 年8 月5 日，单幅宽2 m、长度为50 m 的6 卷土工织物布置在达古17 号冰川主流线高度为4 870 m a.s.l.的区域，覆盖面积为500 m2，约占冰川总面积的0.2%，于10 月17 日被移除。在试验铺设前期，利用达古冰川观光缆车，将纺织材料运输至海拔4 860 m a.s.l.处，然后再搬运至施工作业区。试验场铺设时，如图2所示，首先自高海拔向低海拔铺设，利用材料本身的重力向下滚动［图2（a）］。在图2（c）整幅材料铺设完毕后，相邻的材料搭接在一起，重叠宽度40 cm，对有收缩的地方及时展平在布设完成之后，如此，利用6卷土工织物搭建的10 m×50 m的试验区搭建完成。冰川表面铺设的土工织物，由于其渗透性，土工织物会主动吸附在冰川表面，因此它自然地粘在冰川上。由于高山冰川上常发生重力风，以免破坏试验区域，土工织物会用岩石压好，同时，每间隔3 m 用拴着岩石的绳索固定［图2（c）］，最后用胶带粘接。为了避免岩石对试验区太阳辐射的影响，岩石被放入由相同的土工织物制成的袋子中。在安装布设过程的最后，整个表面看起来是白色和均匀的，并且在2020年整个试验期间，对该地区定期进行维护。

图2 试验区铺设示意图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 实地测量

由于高海拔地区实地观测数据获取困难，许多冰川研究大都采用建模或遥感的方法［30-31］。为更准确研究达古冰川物质平衡在试验期内的变化，依照国际冰川监测服务中心（WGMS）［32］物质平衡观测规范于2020年采用传统的观测方法花杆-雪坑法测量达古冰川物质平衡。为保证试验场的稳定性与完整性，如图3所示，花杆设立在距离土工织物边缘绝对距离不超过一米的非试验区，以此来观测非试验区域和试验区域的冰川消融量变化。其中试验区消融量则可以通过观测、测量非试验区域与试验区域边缘的高度差，利用高度差与非试验区域的消融变化测定试验区域的消融情况。花杆观测时间为8 月5 日至10 月17 日，每隔一周进行一次物质平衡观测，两周进行一次数据汇总。具体观测内容包括：每根花杆至冰川表面的垂直高度、附加冰的厚度、粒雪层的厚度和密度及雪坑剖面结构。此外，密度测量必须要求雪坑垂直高度大于5 cm，否则冰雪密度采用野外观测经验值，冰和雪的密度分别取值为900 kg·m-3和300 kg·m-3。非试验区单点消融量（bn，m w.e.）计算公式为：

图3 2020年8月5日至17日达古17号冰川试验区物质平衡变化（左图为花杆点位置；右方的I～VI为相应的花杆点数据记录，黄线代表覆盖区，蓝线代表未覆盖区）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分别为雪、冰川冰以及附加冰的物质平衡，具体可参见已有研究［33］。

试验区消融量（Bn，m w.e.）计算如下：

式中：ΔH为试验区与非试验区的高度差，bΔH则为试验区与非试验区高度差部分的水当量。由此获得6根花杆的非试验区与试验区消融量，最后，取其平均值作为冰川试验区与非试验区整体消融量的实测数据。

3 结果与讨论

3.1 物质平衡实地观测变化

冰川的消融与冰川表面的能量平衡密切相关。当冰川表面获得的能量大于释放的能量，冰川开始融化或升华，而冰川表面的这种能量收支主要受控于辐射平衡，而且冰川消融主要发生在夏季，以冰面消融为主；太阳直接辐射和近地层大气湍流交换是引起冰川消融的主要热源。因此，在冰面阻挡太阳辐射和冰面的热交换能够有效的减缓冰川消融。

根据图3 所示，试验区冰川消融量显著低于非试验区。 非试验区下、中、上端消融量分别为-1.33、-1.20、-1.11 m w.e.，而试验区下、中、上端消融量分别为-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。区域物质平衡不一致的原因可能是因为冰川消融过程与水热条件、气象要素、冰面局地和周边地形以及冰川表面状况等密切相关［34］。

除了上述试验区与非试验区消融区域差异外，试验区与非试验区消融速率从试验中期开始逐渐呈现下降趋势，直至试验结束。8月5日—9月2日，非试验区的消融速率为0.018 m w.e.·d-1，而试验区的消融速率为0.014 m w.e.·d-1。然而，从10 月1 日—10 月17 日，非试验区的消融速率为0.013 m w.e.·d-1，试验区为0.008 m w.e.·d-1（图3）。消融速率的降低可能与达古17 号冰川试验期间气温逐渐下降有关，如试验初期到8 月末达古冰川平均气温为4.7 ℃，其9 月平均气温为2.8 ℃，而10 月初期到试验结束达古冰川平均气温仅为1.5 ℃（图4）。气温的下降可较好地解释实验末期冰川消融速率低于试验初期。根据试验工作人员记录，9 月份达古冰川降水开始以固体降水为主。如图4 所示，达古冰川共发生3 次降雪事件（图4 用蓝色柱体标注）。根据Wang 等［35］的研究表明：降雪将直接增加冰川的质量，促进冰川的物质积累，同时增加冰川表面反照率；增加的反照率将减少地表对太阳辐射的吸收，有利于减缓冰川消融。降雪事件大大增加了反照率，在一定程度上与冰川表面覆盖光热阻隔物作用相似，减少了冰川表面与外界的热交换，对减缓冰川消融具有一定的影响，导致试验末期冰消融速率逐渐减缓。

图4 试验期间达古冰川气象状况（浅蓝色标注代表该时间段发生降雪事件）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 试验区与非试验区物质平衡变化

在达古17 号冰川设立了500 m2的试验场地（2020 年8 月5 日），铺设时，试验区和非试验区冰川表面平整，无积雪覆盖，物质平衡保持一致性。随着时间的推移，试验区与非试验区开始出现高度差，并且高度差逐渐增大（图5），直到10 月17 日，即试验结束时，试验区平均高于周围的非试验区表面0.46 m（图6）。根据图3消融观测记录，土工织物覆盖的试验区域的冰川消融速率显著低于无土工织物覆盖区域，导致试验区域的物质平衡变化低于非试验区域。例如：试验区消融量为-0.80 m w.e.，消融速率为0.011 m w.e.·d-1；非试验区消融量为-1.21 m w.e.，消融速率为0.017 m w.e.·d-1。试验区消融速率明显低于非试验区主要是因为土工织物具有高反照率，其通过反射比非试验区冰川表面更多的入射短波辐射来减缓冰川消融的趋势，而太阳辐射恰是冰川消融的主要因素之一，则冰川表面反照率的变化将引起冰川吸收的太阳短波辐射发生较大的改变，从而导致冰川消融速率发生变化。同时土工织物具有良好的热性能，减少了冰川表面与外界的湍流热通量。此外，土工织物的半透性也抑制了冰川表面水洼的形成，降低了水洼渗水促进冰川的消融的影响［19］。

图5 试验期间不同阶段的试验区实景图：试验初期实景（a），试验中期实景（b），试验末期实景（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）

图6 土工织物有效性示意图Fig.6 Schematic drawing showing the effectiveness of the non-woven geotextile on Dagu Glacier

在试验中期阶段，发现土工织物搭接重叠（重叠宽度40 cm）的试验区域，比其他覆盖区域试验效果更为为明显，土工织物重叠区域的冰川表面高度显著高于单层土工织物覆盖区域，换言之，重叠区比单层土工织物覆盖区域的保护效果更为优越。这种现象的主要原因是土工织物重叠的区域比单层土工织物对太阳辐射具有更大的反照率，对冰川与外界的热交换具有更为明显的保护作用。而到试验末期，土工织物重叠的区域与单层土工织物覆盖的区域高度差逐渐缩减，如图5（b）～5（d）所示，其主要是因为试验末期达古冰川降水以固体降水为主，对冰川具有更好地减缓消融作用，而且试验中后期太阳辐射、气温逐渐下降，土工织物覆盖下的冰川内部温度逐渐趋于一致，进而导致高度差逐渐缩减。

试验末期，土工织物覆盖的长度并无变化，而宽度缩减为9.72 m，覆盖面积缩减为486 m2，面积缩减了2.8%。未被覆盖的区域消融1.34 m，覆盖区域消融0.88 m，表明土工织物对冰的保护深度介于0.46～1.34 m，对应初始厚度的65.7%。试验初期，被覆盖土工织物的冰川表面形状是一个平整的面，随着试验的开展，越来越多的冰川开始融化，最终试验区被保护冰川的形状近似一个梯形的固体（图6）。所以土工织物覆盖下冰的体积是将其视作梯形固体来计算的。试验区上表面面积为291 m2，与非试验区相邻的表面面积486 m2，高度为0.44 m。所以最终试验区固体的总体积为227 m3，即204 m3w.e.。换而言之，500 m2的土工织物使总消融量减少了34%，使得204 m3w.e.的冰川免于消融。

3.3 试验对比

此次在达古冰川上进行的试验与在欧洲地区进行的其他同类试验相比效果并不突出。如表1所示，四组国外研究人工措施减缓冰川消融试验都是在阿尔卑斯山进行的，其中三组试验都减缓了至少40% 的冰川消融，有一组减少了50% 左右。究其原因可能是由调节当地能量平衡的因素造成的，例如在阿尔卑斯山进行的试验大都选择在低海拔区域，试验区海拔大都在2 800 m a.s.l.左右，而达古冰川试验区海拔在4 850 m a.s.l.。由于冰川消融速率与海拔高度呈负相关关系，而高海拔地区受到气温限制，导致低海拔区域冰川消融速率大于高海拔区域，所以在阿尔卑斯山的试验结果优于本文所述的试验。另外，阿尔卑斯山的试验区位于滑雪场，考虑到经济因素，试验投入资本较高、材料较好，例如阿尔卑斯所进行的试验其所用的土工织物质量约为0.5 kg·m-2，厚度为3～4 mm，减少1 m3的冰免于消融大约需要0.6～7.9 瑞士法郎（换算为人民币约为4～57 元）不等［36］；达古试验所用的土工织物质量约为0.3～0.4 kg·m-2，厚度为2～3 mm，减少1 m3的冰免于消融需要人民币5 元左右。相较之下，欧洲对冰川的保护投入力度相对较大，对土工织物的导热系数、厚度和热容要求相对较高，所以其所用材料对太阳辐射的反照率效果更好。此外，在Mount Aragatz 和Presena Ovest 进行的试验，试验面积都大于本实验区域面积，其结果也优于达古冰川试验，这也许是更广泛的冰川覆盖区域可以反射更多的太阳辐射，从而有力的阻止冰川表面与外界的热交换。当然试验周期的长短也制约着试验效果，国外试验时间周期比达古试验长。国外研究在滑雪场进行，试验时间一般是滑雪场不盈利阶段（4—10 月左右），而达古冰川是旅游景区，冰川消融期恰是旅游旺季，为景观盈利考量，达古试验一般从8 月开始。换而言之，达古试验周期小于阿尔卑斯山试验周期，所以试验效果也就较国外研究相对较差。当然其他因素也制约着试验的效果，例如：反照率变化、当地气候条件（决定了消融季节的长度和消融速率）、地形效应都决定了试验效果。

表1 国内外土工织物保护冰川试验研究对比（ϵ0是指覆盖区域相对于未覆盖区域融化的百分比）Table 1 Studies documenting the local melt reduction by geotextiles（The ϵ0 refers to the percentage reduction in melting compared to an uncovered location）

3.4 推广性分析

基于对达古冰川的研究结果，应用人工措施减缓冰川消融效果显著，在一定程度上可以减缓全球变暖背景下冰川加速消融的趋势。就其效果而言，此技术可以应用与更广泛的冰川。然而，此次达古试验区共用6 卷2 m×50 m 的土工织物，约为人民币1 200元。由6名工人组成的小组花费1天左右的工作时间将织物覆盖在冰川上。而且在夏季结束的时候，为保护环境考虑，所有的土工织物都将从冰川表面移走。移走的土工织物不会再次利用，这是因为土工织物由于表面寒冷和结冰，经常会断裂，因此经常需要部分更换新的土工织物；在夏季，土工织物的表面会因为自然的灰尘沉积而变黑，减少反照率，即使它们仍然完好无损，也需要更换。除此以外，达古冰川试验结果表明，减少1 m3的冰川消融需要5元左右覆盖成本的投入，此外，土工织物无法循环利用，从一定程度上提高了成本。根据Huss 等［36］研究得出，覆盖土工织物进一步扩大冰川覆盖力度，从成本、环境、景观生态而言，是不可行的。在此主张将合理和有利可图的减缓冰川消融措施与理论上的大规模应用明确分开，所以此技术仅可以向西北部小冰川或冰川旅游景观推广，以此来减缓气候变暖条件下的冰川消融趋势，保护中国冰川资源。

4 结论

2020 年8 月5日—10月17日期间，于达古17号冰川铺设了500 m2的试验区域，开展了应用人工措施减缓冰川消融试验，即在达古冰川表面覆盖光热阻隔物——土工织物，缓解全球变暖对山地冰川的影响，并对其应对策略进行适用性及有效性研究。结果表明：

（1）试验期间，试验区消融量为-0.80 m w.e.，消融速率为0.011 m w.e.·d-1；非试验区消融量为-1.21 m w.e.，消融速率为0.017 m w.e.·d-1。土工织物覆盖区域物质平衡消融速率明显低于无土工织物覆盖区域。

（2）500 m2的土工织物使总消融量减少了34%，保护了204 m3w.e.的冰川免于消融。

（3）面对中国西北冰川持续消融，给冰川覆盖光热阻隔物从成本（即材料、运输、安装和维护）、人力角度而言，仅可以向西北部小冰川或冰川旅游景点推广，以此来应对气候变暖条件下的冰川消融趋势。

致谢：本研究离不开达古冰川管理局与野外工作人员辛苦的野外工作，在此表示感谢。