当前世界环境

介绍

水是地球上宝贵的、可再生的、有限的自然资源。它支持所有形式的生命，没有水资源，地球上的生命是不可能的，因为每一个生物都需要水来维持生命。¹地球的整个生态系统是由水循环控制和调节的。²目前，人为加速的气候变化已经严重扰乱了喜马拉雅地区的水文系统，加剧了水危机。气候变量如温度和降水持续较长时间或几十年的变化称为气候变化。^3.多项研究表明，喜马拉雅生态系统对气候变化的敏感性高于世界上其他陆地生态系统。^{4、5、6所示}山区变暖的速度比低洼地区快。^4、7喜马拉雅是亚洲的水塔，拥有丰富的淡水资源，以雪/冰川、湖泊和强大的河流的形式存在。^5、8一些研究表明，气候变化已经影响到山区生态系统的各个部门，如区域春季水文，^{9、10、11、12}农业、¹³地下水，^{14日,15日,16岁}生物多样性,¹⁷园艺¹⁸还有畜牧业。¹⁹关于气候变化对喜马拉雅地区水文系统影响的工作仍然少于其他部门。气候变化正在影响喜马拉雅西北地区的水文现象。^20.最近的研究表明，在气候变化的影响下，冰川正在以前所未有的速度融化，²¹温度升高，²²季风降雨增加;²³降雨模式的变化、水体节律的扰动和河流从多年生向季节性的转变;^10、12地下水枯竭引起的基流期多年生河网减少^24日,25极端事件增多。^26日,27日

一些学者从不同的角度研究了气候变化引起的饮用水问题，例如水资源的干燥，¹²水不安全,²⁸水资源管理不善;²⁹水资源短缺,^30.水资源不可持续发展;³¹水利基础设施恶化和枯竭;³²饮用水质量和水传播疾病³³水文干旱。³⁴在Uttarakhand - himalayan地区，重力流方案在偏远村庄地区的饮用水供应中发挥了重要作用，并且这些方案比其他供水方式更可行。由于气候变化的影响，研究区地下水位呈稳定下降趋势，导致重力方案源头出水能力明显下降。

本文的具体目标是了解气候变化对北阿坎德邦小喜马拉雅泉源流域水资源的影响，引起区域和国际科学家和领导人对气候变化下可持续水资源开发的关注，以维持喜马拉雅脆弱生态系统的生命，并对流域水资源枯竭的空间分布进行分析。

材料与方法

关于研究区域

在地理上，研究区域，即上科西流域位于北阿坎德邦的阿尔莫拉地区，该地区在29°33到47°之间。北纬29°52°20°?北纬和79°33°12°?东经79°48°11°?经度为E，全长463.45公里²区(图1)。高西河上游流域海拔在1041米至2714米之间。研究区位于小喜马拉雅库曼地区。行政上，这个分水岭位于两个发展区，即Almora区的Hawalbag和Takula。流域上部落在Takula发育区块，下部落在Hawalbag发育区块。研究区与北部和东北部的Bageshwar区、东部的Bhaisiyachhana开发区块、东南部的Lamgara开发区块、南部的Nainital区、西南部的Tarikhet开发区块和西部的Dwarahat开发区块接壤。科西河是一条非冰川供给河，也被称为泉水供给河，发源于塔库拉开发区块考萨尼地区的Dharpanidhar。在开始的旅程中，戈西河被称为考沙利亚恒河，在查诺达和索米什维尔地区，考沙利亚恒河被称为戈西河。在Almora-Nainital地区边界附近，Swal河在Quarab与Kosi汇合。这条河从Dharpanidhar到Quarab的集水区被称为上科西流域。 The Kosi River makes confluence with the Western Ramganga River in Uttar Pradesh. There are total 323 villages in the watershed.

根据地质学，研究区岩石由4个不同的构造单元和6个岩性组组成。³⁵研究区经历了亚热带、冷温带和冷温带的气候条件。研究区平均坡度为20.41°()，从0°坡度(山谷区)到40°坡度(山顶区)不等。研究区地形特征表明，最大地形(14.31%)为南向，最小地形(10.80%)为西向。根据斯特拉勒的流顺序³⁶高溪河干流是第七级河流，共有3053条不同级别的河流。流域河流的总长度为1527公里，密度为3.29公里/公里²．基于2019年10月Sentinel-2卫星数据的土地利用/覆被分析显示，流域总面积中，森林占59.31%，荒地占31.11%，农业占8.57%，建成区占1.01%。

图1:研究区域位置图。 点击此处查看图

数据收集和数据分析

在本研究中，气象数据来自北阿坎德邦自然资源数据管理系统卓越中心(NRDMS)，阿尔莫拉SSJ校园和大学，水文数据来自阿尔莫拉Jal Sansthan部门，这是北阿坎德邦饮用水供应的节点部门。本研究对研究区不同微生态水文区Khunt、Salla Rautela、Deolikhan、Kaneli、Kausani和Sitlakhet 6个气象站1992-2019年的长期气象数据进行了计算。在水文分析方面，分析了该流域93个重力流方案3个基准年(即建立年、2017年和2018年)的基流流量数据以及基流流量的减少情况。用给定浮子法方程测量了排水量:

Q= V x A(其中;Q=流量，V=速度，A=面积)。

计算了过去28年(即1992-2019年)的月平均气温和降雨量数据，以了解月模式，并使用年平均统计数据分析趋势。趋势分析的目的是了解被分析参数的值在这段时间内是增加、减少还是无趋势。利用近28年的气象资料进行了相关和回归分析。为了呈现重力流方案的空间分布图，在ArcGIS软件中对GPS采集的坐标进行了利用和处理。

结果与讨论

气象分析:模式和趋势

研究区年平均气温17°C，最高21.5°C，最低12.4°C，年平均降雨量987 mm。月平均气温分析表明，研究区1月最冷(9.5°C)， 6月最热(22.1°C)。7月降水量最大(即1992-2019年平均234.97毫米)，11月最小(8.34毫米)。利用1992-2019年的气温数据，进行相关和回归分析(图2和图3)²=0.470表明时间与平均温度呈正相关。根据回归方程y=0.059x +(-) 102.07, 1992年的平均气温为16.2°C, 2019年的平均气温为17.8°C。最高温度相关值r²=0.461表明时间与最高温度呈正相关。根据回归方程y=0.072x +(-) 123.27, 1992年的平均最高气温为20.6℃，2019年的平均最高气温为22.6℃。最小温度相关值r²=0.011表明时间与最低温度呈正相关。根据回归方程y=0.046x +(-) 80.886, 1992年的平均最低气温为11.8°C, 2019年的平均最低气温为13°C。雨量相关值r²=0.296表明降水时间与强度呈正相关。根据回归方程y=2.759x +(-) 4546.41, 1992年的平均降雨量为950毫米，2019年增加到1024毫米。因此，气象参数与时间呈正相关，趋势线随时间呈增加趋势。

图2:研究区域的平均、最高和最低温度(℃)及其趋势线(来源:COE, NRDMS, 2019)。37 点击此处查看图

图3:研究区年平均降雨量及其趋势线(来源:COE, NRDMS, 2019)。37 点击此处查看图

重力方案的历史背景

饮用水重力流方案是研究区仅次于天然泉水的第二重要饮水方式。在很长一段时间内，天然泉水满足了研究区对水的需求，但逐渐地，天然泉水的排水量开始减少，现在天然泉水已不能满足研究区对饮用水的需求。因此，为满足研究区的饮水需求，启动了一种新的饮水方案，即重力流饮水方案。第一个重力流饮用水方案是在1884年英国时期开发的，名为Baldhauti饮用水方案，以满足Almora镇地区的饮用水需求。³⁷目前，整个研究区内的重力流方案多达93种，这些重力流方案按其源处流量大小的空间分布情况见图4和5。在气候变化的影响下，这些方案的基流排放能力不断下降，导致研究区村庄出现严重的饮用水危机。为了解决这一饮用水问题，研究地区开发了其他饮用水方式。

重力流方案的空间分布

直到19世纪晚期，我们可以说有饮用水的瑙拉和陀罗时代，因为这是唯一的饮用水方式。随着人口的增加，naula和dhara无法满足研究区所需的饮用水需求。然后，另一种饮用水方式出现了，被称为重力流饮用水方案。简单来说，重力流的含义就是利用地球的重力将水从高处移动到低处。在重力流方案中，水按照重力或坡度运行。在重力流中，水是利用重力原理供应给村庄和城镇的。³⁸一般来说，在高海拔地区(第1板块)的水源附近建造一个储水箱(水室)，向低海拔地区的村庄供水。在重力流方案中，储水罐、配水罐和管线的建设是必不可少的。

直到1884年，泉水和达拉都是研究地区唯一的饮用水。1884年，Almora镇的当地水源(天然泉水)达到了最低流量，政府计划开发一种新的饮用水方案，称为重力流方案，以满足Almora镇地区的饮用水需求。随着Baldhauti饮用水重力流方案的建立，重力流时代开始了。1884 - 1931年在研究区不同水源建立了Baldhauti方案(1884)、Shail方案(1885)和Syahidevi方案(1931)3个饮用水重力流方案。³⁹Baldhauti计划从Simtola和Baldhauti森林地区开始，该计划利用了五个水源，即Kajiro Gadhera, Kafligair Gadhera, Chimasim Gadhera, Dhobighat Gadhera和Ganganath Gadhera。Shail重力流方案于1885年从Shail村庄开始，Syahidevi重力方案是从Syahidevi森林地区发展起来的。在研究区域，目前的重力流方案是在2013年以Hawalbag街区的周边村庄的名义开发的，该方案之后没有开发新的重力方案。

自1884年至今，研究区不同地区共开发了93个重力流饮水方案，以满足流域村庄的饮水需求。在总重力流饮用水方案中，44个重力方案属于Takula开发区块，其余49个方案属于Hawalbag开发区块。这些计划共有225个受益村。

板块1:储水箱和重力流管线(村马哈特Gaon, Hawalbag)。 点击此处查看车牌

重力流方案的排出型式

目前，大多数重力流方案的源头流量都在减少，这是造成研究区村镇特别是夏季饮用水短缺的主要原因。本文分析了研究区内93个饮用水重力流方案的基流排放规律。研究区重力流方案建立当年的平均放水量为40.11 l/m, 2017年降至26.30 l/m, 2018年降至23.46 l/m。近几十年来，研究区重力流水量明显减少，即减少16.65 l/m。因此，研究表明，该流域重力流方案在其源头的水流能力是非常稳定地下降的。本文还对各方案建立年、2017年、2018年三个基准年的放水量及放水量减少情况进行了分析(表1、表2)。下面将详细介绍重力流方案源的放水量分布。

成立年度的排水模式

重力流方案在其源头的年平均流量为41.11 l/m，最小为15 l/m，最大为90 l/m。所有重力流方案根据建立年份的排水能力划分为9类。在建立年份，重力流饮用水方案最多(32个)在21-30水排放组，重力流方案最少(0个)在0-10水排放组(表1)。重力流饮用水方案的空间分布图是根据其建立年份的流量大小绘制的，如图4A所示。

表1:不同流量组下重力流方案数量(来源:Jal Sansthan部门，Almora)。

2017年水排放格局

2017年重力流方案的平均流量为26.30 l/m，最小为08 l/m，最大为85 l/m。所有重力流方案根据其2017年的排水量模式划分为9类。2017年，重力流饮用水方案的最大数量(31个)在11-20水排放组，最小数量(01个)在71-80和81-90水排放组。2017年重力流方案源及其基流流量的空间分布如图4B所示。其中，0-40流量组重力流方案62个，41-90流量组重力流方案31个，2017年该情景发生变化，0-40流量组重力流方案81个，41-90流量组重力流方案12个。由此可见，研究区饮用水重力流方案正由高排放能力向低排放能力转变(表1)。

图4重力流饮用水方案建立年份(A)和2017年(B)水源及流量空间分布图。 点击此处查看图

图5高斯上游流域重力流饮用水方案来源及2018年流量空间分布(A)和建立年份至2018年流量减少情况(B) 点击此处查看图

2018年水排放格局

在2018年,这些重力流方案的平均流量为23.46 l/m，最小为07 l/m，最大为78 l/m。所有重力流方案根据其2018年基流流量大小分为9类。2018年，重力流饮用水方案的最大数量(33个)在11-20水排放组内，最小数量(00个)在80-90水排放组内。给出了2018年重力流方案源及其基流流量的空间分布图5。其中，建立当年0-40流量组重力流方案62个，41-90流量组重力流方案31个，2018年同一流量组重力流方案分别为84个和09个(表1)。这一分析表明，重力流饮用水方案从高排水量方案向低排水量方案转变的速度是非常快的。

排水能力下降

表2详细描述了流域重力流饮用水方案的减水排放规律。本节分析了建厂年与2018年的水量差异。在此期间，流域平均减少约16.65升/米/方案水。有58个重力流方案低于平均减少水量，35个方案高于平均减少水量。以减少水量为基础，将重力流方案划分为减少水量的9类。最大的重力流方案数量(31个)在6-10 l/m(占总方案的33.33%)以内，最小的重力流方案数量(03个)在36-40 l/m(占总方案的3.23%)以内(表2)。重力流饮用水方案的空间分布基于其减少的流量模式(图4D)。因此，研究表明，气候变化对研究区水资源造成了严重的干扰，如果目前的状况持续下去，在不久的将来，由于饮用水工程水源缺水，饮用水问题将会加剧。

表2:高泗上游流域重力流方案数量及径流量减少情况(来源:Jal Sansthan, Almora部门)．

具体方案具体分析

表2详细描述了流域重力流饮用水方案的减水排放规律。本节分析了建厂年与2018年的水量差异。在此期间，流域平均减少约16.65升/米/方案水。有58个重力流方案低于平均减少水量，35个方案高于平均减少水量。以减少水量为基础，将重力流方案划分为减少水量的9类。最大的重力流方案数量(31个)在6-10 l/m(占总方案的33.33%)以内，最小的重力流方案数量(03个)在36-40 l/m(占总方案的3.23%)以内(表2)。根据重力流饮用水方案的减少流量模式，建立了重力流饮用水方案的空间分布(图5 b)。因此，研究表明，气候变化对研究区水资源造成了严重的干扰，如果目前的状况持续下去，在不久的将来，由于饮用水工程水源缺水，饮用水问题将会加剧。

研究表明，不同重力流方案的排水量和排水量减少量不同(表3)。由于表3中的方案不可能全部解释清楚，所以这里只给出最大和最小水量减少方案。根据表3，巴杜拉计划于1990年建立，其排水能力为60升/米，2017年降至25升/米，2018年降至21升/米。因此，在过去的28年里(即1990-2018年)，巴杜拉计划的39升/米的排水能力下降了。Petshalbari计划于1999年建立，当时其水排放能力为18升/米，2018年降至14升/米。因此，在过去的20年里(即1999-2018年)，Petshalbari计划的4升/米的水排放能力下降了。

表3:重力流方案选择数量及其建立年份、流量及建立年份至2018年的流量差值。

地下水的场景

研究区重力流方案的流型完全取决于夏冬降水期间地下水的补给。由于人为加速的气候变化，水文气象行为，即降雨节奏和降雨周期发生了改变，即在短时间内出现高强度降雨，降雨日数也在减少，这影响了研究区的地下水位。¹²研究表明，尽管年降水格局呈增加趋势，但由于降雨节奏的变化，扰乱了土壤向含水层补水的能力和重力流源基底流的排放，导致研究区地下水资源明显枯竭，即气候变化对地水气象循环产生了显著影响。导致降水周期缩短，降雨强度增大，导致雨水入渗时间缩短，径流量大，地下水补给少，最终导致重力流方案基流流量小。因此，研究区重力流源的基流排放能力受到了严重的扰动。

建议和结论

在气候变化的影响下，研究区水资源承受着巨大的压力，水文系统受到严重干扰，导致天然水源特别是小喜玛拉雅、北阿坎德邦的雨水/泉水河流干涸。随着时间的推移，气温和降雨量呈上升趋势。研究区有多达93个重力流饮用水系由于气候变化引起的降雨模式和节奏的干扰而面临水源枯竭的问题。研究表明，研究区重力流方案建立年平均基流流量为40.11 l/m, 2017年降至26.30 l/m, 2018年降至23.46 l/m。因此，自重力方案开始实施以来，其源头的基流排放能力平均减少了约16.65升/米。研究还发现，重力流方案正逐步从高流量方案向低流量方案转变，即在建立年，重力流方案在0-40 l/m排水量组有62个方案，2018年增加到84个;在41-90 l/m排水量组有31个方案，2018年减少到09个方案。因此，北阿坎德邦小喜马拉雅地区的水资源正在不断枯竭，为生存而苦苦挣扎。如果目前的情况继续下去，在不久的将来，由于人为加速的气候变化所造成的饮水计划的水源缺乏，饮水问题将会加剧。

鉴于这一严重问题，本研究建议紧急启动水源地振兴计划，采用机械和生物处理措施来维持水源。为应对气候变化对水资源的影响，迫切需要将干旱区水源地振兴工程纳入国家气候行动和生态系统维护水政策。

确认

这项工作得到了Jal Sansthan系和Almora SSJ大学Uttarakhand自然资源数据管理系统卓越中心的支持。

利益冲突

作者没有任何利益冲突。

资金来源

作者在研究、撰写和/或发表这篇文章时没有得到任何经济支持。

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