河西內陸河流域物質平衡和融水徑流的重建

河西內陸河流域物質平衡和融水徑流的重建

作為一個“固體水庫”，四川西北部干旱地區(qū)水資源豐富，是維持生產(chǎn)和生活的重要水源之一。深入開展中國西北內陸河流域冰川融水徑流的形成與轉化以及對徑流的影響與機理研究,是該地區(qū)水資源合理利用與生態(tài)環(huán)境建設的重要科學基礎。自20世紀中期以來,在全球性氣候轉暖的背景下,中國冰川普遍退縮,冰川融水徑流量增加,對中國西部生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。因此探討全球變暖背景下冰川水資源的可能變化及對河川徑流的影響已是當今水科學的熱點領域之一。河西內陸河流域冰川融水約占出山徑流的13.8%(疏勒河干流占32.8%),是河西商品糧基地賴以發(fā)展的命脈。20世紀80～90年代,楊針娘估算的河西內陸河流域冰川徑流總量為10.0億m3;康爾泗經(jīng)過修正補充發(fā)表的數(shù)字是9.99億m3;謝自楚應用冰川系統(tǒng)對氣候變化響應的功能模型,估算的數(shù)字為11.94億m3。然而上述研究都沒有給出河西內陸河流域冰川融水在長時間尺度的連續(xù)變化過程。因此,本研究以度日模型為基礎,從水量平衡的角度重建了流域內冰川物質平衡和融水徑流系列,分析了冰川融水徑流在不同流域分布的空間特征,并對其變化進行了綜合評估,為研究冰川與融水徑流變化及其對流域水資源的影響提供了科學基礎。1河西流域經(jīng)濟水系河西內陸河流域在地理位置上處于中國西北干旱地區(qū)和青藏高原邊緣,大致位于37°17′～42°48′N,93°23′～104°12′E之間,總面積為27.11萬km2。流域四周為高山、高原與盆地相間的地理環(huán)境所圍繞,形成了干旱地帶獨特的水循環(huán)系統(tǒng)。本區(qū)河流由東向西分屬石羊河、黑河和疏勒河3大水系,大小內陸河共56條。其中,設置水文測站的山區(qū)河流共23條,大部分已有40年以上的實測資料系列,本研究從中選取有代表性且實測系列長度超過40年的若干條河流出山口水文站的徑流觀測資料作為分析計算的基本數(shù)據(jù)(圖1)。據(jù)中國冰川編目結果統(tǒng)計,河西內陸河水系共發(fā)育有冰川2194條,冰川面積1334.77km2,冰儲量61.54km3。冰川主要分布在疏勒河水系和北大河水系,占全流域冰川面積的63.7%與21.8%。因而,冰川融水也主要來自這些流域。2數(shù)據(jù)和方法2.1氣溫系列的變化流域內部及周邊15個國家氣象臺站1961～2006年同期的月降水和月氣溫系列(圖1);1∶25萬的數(shù)字高程模型(DEM)和模擬流域內經(jīng)過修正的1∶10萬的第1次冰川編目矢量圖;受人類活動影響較小的出山口及其以上流域14個水文站(圖1)1961～2005年的年徑流資料。2.2冰的融水徑流及冰的整理流程采用度日物質平衡模型模擬冰川融水的變化,模型以氣溫和降水作為計算物質平衡的驅動數(shù)據(jù),并計算相應的冰川融水徑流。模擬的時間尺度為月尺度,計算單元為水文站控制的子流域。對于冰川與積雪消融來說,度日物質平衡模型的計算方法如下:A=FDDPDD(1)A=FDDΡDD(1)式中A為某時段內冰川或雪的消融水當量,mm;FDD是冰川或雪的度日因子,mm/(d·℃);PDD為同一時段內的正積溫,一般由下式獲取:PDD=∑t=1nHtTt(2)ΡDD=∑t=1nΗtΤt(2)式中Tt為某天的日平均氣溫,℃;Ht為邏輯變量,當Tt≥0℃時,Ht=1;當Tt<0℃時,Ht=0。本研究中計算的正積溫是根據(jù)劉時銀等提出的算法,假定氣溫呈正態(tài)分布來計算的。每個高度帶上物質平衡與融水徑流計算如下:ba,i=∫t1t0PS?[(1?f)Ai]dt,QR,i=∫t1t0[(1?f)Ai+PL]dt(3)ba,i=∫t0t1ΡS-[(1-f)Ai]dt,QR,i=∫t0t1[(1-f)Ai+ΡL]dt(3)式中ba,i為第i高度帶冰川物質平衡量,mm;Ai為第i高度帶冰川或雪的消融水當量,mm;PS、PL分別為固態(tài)和液態(tài)降水,mm;QR,i為第i高度帶冰川融水徑流深,mm;f為再凍結比例,即冰川融水在產(chǎn)匯流過程中重新凍結的比例,根據(jù)天山烏魯木齊河源1號冰川的研究確定;t0、t1為平衡年代起、止時間(當年10月到次年9月)。整個流域平均冰川物質平衡與融水徑流為B=1Sg∑i=1ns(i)ba,i,Q=∑i=1ns(i)QR,i(4)B=1Sg∑i=1ns(i)ba,i,Q=∑i=1ns(i)QR,i(4)式中B、Q分別為子流域平均冰川物質平衡與冰川融水徑流;s(i)為第i高度帶的冰川面積,Sg為子流域的冰川面積。度日模型進行計算時,假定冰川消融中先用雪度日因子計算積雪消融,若積雪完全融化并有剩余正積溫時,則用冰度日因子和剩余正積溫計算冰川冰的消融。具體的計算流程及主要參數(shù)見文獻。重點對模型的雪、冰度日因子、降水梯度、氣溫遞減率確定如下。(1)選取降水梯度石羊河、黑河與北大河流域的降水梯度是依據(jù)文獻資料提供的結果(表1),在最大降水高度帶上下取不同的降水梯度。疏勒河和黨河流域的降水梯度依據(jù)2009年疏勒河流域老虎溝12號冰川積累區(qū)海拔4900m、大本營4189m以及疏勒河流域的魚兒紅氣象站海拔2417m實測資料計算所得(表1)。(2)氣溫遞減率測定石羊河流域根據(jù)國家氣象臺站的氣溫數(shù)據(jù)按緯度與月份進行氣溫梯度的統(tǒng)計所得;黑河流域氣溫遞減率由文獻得到;北大河、疏勒河和黨河流域的氣溫遞減率依據(jù)2009年疏勒河流域老虎溝12號冰川粒雪盆海拔5040m、大本營4189m氣象站實測資料計算所得(表2)。(3)日度因子確定河西內陸河流域到目前為止只有祁連山“七一”冰川有度日因子的計算。模型所用的度日因子首先根據(jù)鄰區(qū)的度日因子觀測值進行反距離倒數(shù)插值獲得初值,進而通過模型驗證,對度日因子進行調整。在調整的過程中假定度日因子是流域冰川的平均度日因子,沒有考慮其時空變化。同時,張勇等的研究表明雪度日因子大約是冰度日因子的58%,模型基本以這個統(tǒng)計值來確定積雪和冰川冰度日因子的比例。調整后的度日因子如表3。3地層物質平衡與年冰流量相關分析河西內陸河流域在流域尺度上是沒有實測冰川物質平衡與冰川融水徑流資料的,只有老虎溝12號冰川、“七一”冰川和冷龍嶺水管河4號冰川以及羊龍河5號冰川有相對全面的觀測,可作為參考。因此,模擬結果的對比驗證只能從以下幾方面進行:(1)物質平衡將北大河流域“七一”冰川的實測年物質平衡與模型模擬的北大河冰川物質平衡進行對比分析,可以看出二者在變化趨勢上是基本一致的(圖2),表明區(qū)域尺度上的物質平衡與單條冰川的物質平衡在多年尺度上變化規(guī)律基本一致。(2)冰川融水楊針娘利用單條冰川的實測冰川區(qū)徑流量,并將流量資料延長,求得1957～1983年冰川融水徑流的同步系列,這與模型計算的河西內陸河流域1961～1983年冰川融水徑流量較為一致(表4)。(3)平衡線高度模型計算的1961～2006年平均平衡線高度(AELg)與中國冰川編目中用赫斯法量算的平衡線高度(AELh)基本吻合(表5)。4模擬結果4.1石羊河—冰川物質平衡變化模型估算了河西內陸河流域1961～2006年冰川物質平衡變化序列(圖3)?？梢钥闯?000年之后是河西內陸河流域自1960年以來物質虧損最嚴重的時期,石羊河和黑河從1961年以來一直呈現(xiàn)負平衡,46年累積物質平衡分別為-5.9m和-4.7m,疏勒河、北大河和黨河從1961年以來從正平衡逐步轉為顯著的負平衡,在1990年之前以正平衡為主,表明祁連山西段河流流域冰川物質平衡基本穩(wěn)定,在1990年之后才出現(xiàn)強烈的虧損狀態(tài)。從東段的石羊河到西部的疏勒河物質平衡出現(xiàn)明顯的區(qū)域差異,從東段山系到西段山系,物質平衡從強烈的負平衡到微弱的負平衡狀態(tài)過渡。東段石羊河主要受夏季季風影響并且處于迎風面,降水較多;西段的疏勒河和黨河流域主要受西風氣流的控制,降水和東部相比偏少;而黑河處于這兩個氣流的交匯帶,降水居中;同時,由于地形條件、氣候背景的差異,氣溫的分布也呈東高西低的格局。所以,東部冰川發(fā)育以其巨大的物質水平來維持,而西部冰川發(fā)育以其較大的冷儲條件和較高的海拔高度來維持。在氣候變化背景下,東部冰川對氣候變化的響應相對西部冰川較敏感。1961～2006年整個河西內陸河流域平均冰川物質平衡為-49.5mm/a,累積物質平衡-2.3m(圖4)。1991年之后物質平衡呈顯著的負平衡,平均物質平衡為-208.0mm/a,與1961～1990年相比物質平衡平均年增加-243.0mm。4.2區(qū)域冰川融水補給模型估算的河西內陸河流域各水系冰川融水徑流變化序列如圖5,可以看出從1961～2006年河西內陸河流域各河流冰川融水都呈增加趨勢,整個河西內陸河流域年平均冰川融水量為10.2億m3,2000年之后是46年來冰川融水徑流量最大的時期,平均融水徑流量達14.8億m3,高出多年平均值45.0%。由于各流域冰川面積不一,冰川融水徑流量以及補給比重差異較大,西段的疏勒河和黨河冰川融水徑流量可達4.79億m3、1.66億m3,融水補給比重超過30%;北大河流域(包括洪水壩河)冰川融水徑流量為1.88億m3,融水補給比重也達到了22.9%;黑河流域冰川面積較小,融水徑流量為1.06億m3,各支流的融水補給率在5%～15%之間。東段的石羊河流域具有高積累強消融的特點,物質平衡水平較高,但是冰川面積較小,冰川融水徑流量只有0.61億m3,融水補給率不到10%。模型計算的冰川融水補給比重與楊針娘估算的融水補給率相比總體偏大,這主要是由于1990年以來冰川融水急劇增大,冰川退縮對河流徑流的影響在不斷加強。圖6為河西內陸河流域冰川融水徑流總量和融水補給率(出山口水文站控制流域的冰川融水補給比重)變化趨勢,二者變化過程基本一致,總體呈上升的趨勢,融水補給率從1961～1990年的15.1%增加到1990年之后的19.4%。在模型計算中冰川面積取第一次編目資料,沒有考慮近年來由于氣候變暖、冰川退縮變化帶來的冰川融水徑流的減少,這會導致計算的冰川融水徑流在后期偏大,這一問題的解決要依賴于冰川動力模式。氣候變暖將會加劇冰川消融,導致冰川融水的增加,但隨著冰川退縮,冰川面積減小,冰川融水徑流在某一時刻將開始減少。5物質平衡與融水補給(1)以冰川編目數(shù)據(jù)庫為基礎,應用月尺度的度日模型,建立了以流域為單元的冰川融水徑流模型。(2)河西內陸河流域1961～