河西內(nèi)陸河流域物質(zhì)平衡和融水徑流的重建

河西內(nèi)陸河流域物質(zhì)平衡和融水徑流的重建

作為一個(gè)“固體水庫(kù)”，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(kāi)展中國(guó)西北內(nèi)陸河流域冰川融水徑流的形成與轉(zhuǎn)化以及對(duì)徑流的影響與機(jī)理研究,是該地區(qū)水資源合理利用與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要科學(xué)基礎(chǔ)。自20世紀(jì)中期以來(lái),在全球性氣候轉(zhuǎn)暖的背景下,中國(guó)冰川普遍退縮,冰川融水徑流量增加,對(duì)中國(guó)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(duì)河川徑流的影響已是當(dāng)今水科學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。河西內(nèi)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(lài)以發(fā)展的命脈。20世紀(jì)80～90年代,楊針娘估算的河西內(nèi)陸河流域冰川徑流總量為10.0億m3;康爾泗經(jīng)過(guò)修正補(bǔ)充發(fā)表的數(shù)字是9.99億m3;謝自楚應(yīng)用冰川系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的功能模型,估算的數(shù)字為11.94億m3。然而上述研究都沒(méi)有給出河西內(nèi)陸河流域冰川融水在長(zhǎng)時(shí)間尺度的連續(xù)變化過(guò)程。因此,本研究以度日模型為基礎(chǔ),從水量平衡的角度重建了流域內(nèi)冰川物質(zhì)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(duì)其變化進(jìn)行了綜合評(píng)估,為研究冰川與融水徑流變化及其對(duì)流域水資源的影響提供了科學(xué)基礎(chǔ)。1河西流域經(jīng)濟(jì)水系河西內(nèi)陸河流域在地理位置上處于中國(guó)西北干旱地區(qū)和青藏高原邊緣,大致位于37°17′～42°48′N(xiāo),93°23′～104°12′E之間,總面積為27.11萬(wàn)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(dú)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(nèi)陸河共56條。其中,設(shè)置水文測(cè)站的山區(qū)河流共23條,大部分已有40年以上的實(shí)測(cè)資料系列,本研究從中選取有代表性且實(shí)測(cè)系列長(zhǎng)度超過(guò)40年的若干條河流出山口水文站的徑流觀測(cè)資料作為分析計(jì)算的基本數(shù)據(jù)(圖1)。據(jù)中國(guó)冰川編目結(jié)果統(tǒng)計(jì),河西內(nèi)陸河水系共發(fā)育有冰川2194條,冰川面積1334.77km2,冰儲(chǔ)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(lái)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(nèi)部及周邊15個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站1961～2006年同期的月降水和月氣溫系列(圖1);1∶25萬(wàn)的數(shù)字高程模型(DEM)和模擬流域內(nèi)經(jīng)過(guò)修正的1∶10萬(wàn)的第1次冰川編目矢量圖;受人類(lèi)活動(dòng)影響較小的出山口及其以上流域14個(gè)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(zhì)平衡模型模擬冰川融水的變化,模型以氣溫和降水作為計(jì)算物質(zhì)平衡的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),并計(jì)算相應(yīng)的冰川融水徑流。模擬的時(shí)間尺度為月尺度,計(jì)算單元為水文站控制的子流域。對(duì)于冰川與積雪消融來(lái)說(shuō),度日物質(zhì)平衡模型的計(jì)算方法如下:A=FDDPDD(1)A=FDDΡDD(1)式中A為某時(shí)段內(nèi)冰川或雪的消融水當(dāng)量,mm;FDD是冰川或雪的度日因子,mm/(d·℃);PDD為同一時(shí)段內(nèi)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(dāng)Tt≥0℃時(shí),Ht=1;當(dāng)Tt<0℃時(shí),Ht=0。本研究中計(jì)算的正積溫是根據(jù)劉時(shí)銀等提出的算法,假定氣溫呈正態(tài)分布來(lái)計(jì)算的。每個(gè)高度帶上物質(zhì)平衡與融水徑流計(jì)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(zhì)平衡量,mm;Ai為第i高度帶冰川或雪的消融水當(dāng)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(jié)比例,即冰川融水在產(chǎn)匯流過(guò)程中重新凍結(jié)的比例,根據(jù)天山烏魯木齊河源1號(hào)冰川的研究確定;t0、t1為平衡年代起、止時(shí)間(當(dāng)年10月到次年9月)。整個(gè)流域平均冰川物質(zhì)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(zhì)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(jìn)行計(jì)算時(shí),假定冰川消融中先用雪度日因子計(jì)算積雪消融,若積雪完全融化并有剩余正積溫時(shí),則用冰度日因子和剩余正積溫計(jì)算冰川冰的消融。具體的計(jì)算流程及主要參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)。重點(diǎn)對(duì)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(xiàn)資料提供的結(jié)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(hào)冰川積累區(qū)海拔4900m、大本營(yíng)4189m以及疏勒河流域的魚(yú)兒紅氣象站海拔2417m實(shí)測(cè)資料計(jì)算所得(表1)。(2)氣溫遞減率測(cè)定石羊河流域根據(jù)國(guó)家氣象臺(tái)站的氣溫?cái)?shù)據(jù)按緯度與月份進(jìn)行氣溫梯度的統(tǒng)計(jì)所得;黑河流域氣溫遞減率由文獻(xiàn)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(hào)冰川粒雪盆海拔5040m、大本營(yíng)4189m氣象站實(shí)測(cè)資料計(jì)算所得(表2)。(3)日度因子確定河西內(nèi)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(jì)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(cè)值進(jìn)行反距離倒數(shù)插值獲得初值,進(jìn)而通過(guò)模型驗(yàn)證,對(duì)度日因子進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整的過(guò)程中假定度日因子是流域冰川的平均度日因子,沒(méi)有考慮其時(shí)空變化。同時(shí),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(gè)統(tǒng)計(jì)值來(lái)確定積雪和冰川冰度日因子的比例。調(diào)整后的度日因子如表3。3地層物質(zhì)平衡與年冰流量相關(guān)分析河西內(nèi)陸河流域在流域尺度上是沒(méi)有實(shí)測(cè)冰川物質(zhì)平衡與冰川融水徑流資料的,只有老虎溝12號(hào)冰川、“七一”冰川和冷龍嶺水管河4號(hào)冰川以及羊龍河5號(hào)冰川有相對(duì)全面的觀測(cè),可作為參考。因此,模擬結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證只能從以下幾方面進(jìn)行:(1)物質(zhì)平衡將北大河流域“七一”冰川的實(shí)測(cè)年物質(zhì)平衡與模型模擬的北大河冰川物質(zhì)平衡進(jìn)行對(duì)比分析,可以看出二者在變化趨勢(shì)上是基本一致的(圖2),表明區(qū)域尺度上的物質(zhì)平衡與單條冰川的物質(zhì)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(shí)測(cè)冰川區(qū)徑流量,并將流量資料延長(zhǎng),求得1957～1983年冰川融水徑流的同步系列,這與模型計(jì)算的河西內(nèi)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(jì)算的1961～2006年平均平衡線高度(AELg)與中國(guó)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(jié)果4.1石羊河—冰川物質(zhì)平衡變化模型估算了河西內(nèi)陸河流域1961～2006年冰川物質(zhì)平衡變化序列(圖3)。可以看出2000年之后是河西內(nèi)陸河流域自1960年以來(lái)物質(zhì)虧損最嚴(yán)重的時(shí)期,石羊河和黑河從1961年以來(lái)一直呈現(xiàn)負(fù)平衡,46年累積物質(zhì)平衡分別為-5.9m和-4.7m,疏勒河、北大河和黨河從1961年以來(lái)從正平衡逐步轉(zhuǎn)為顯著的負(fù)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(zhì)平衡基本穩(wěn)定,在1990年之后才出現(xiàn)強(qiáng)烈的虧損狀態(tài)。從東段的石羊河到西部的疏勒河物質(zhì)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(zhì)平衡從強(qiáng)烈的負(fù)平衡到微弱的負(fù)平衡狀態(tài)過(guò)渡。東段石羊河主要受夏季季風(fēng)影響并且處于迎風(fēng)面,降水較多;西段的疏勒河和黨河流域主要受西風(fēng)氣流的控制,降水和東部相比偏少;而黑河處于這兩個(gè)氣流的交匯帶,降水居中;同時(shí),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(zhì)水平來(lái)維持,而西部冰川發(fā)育以其較大的冷儲(chǔ)條件和較高的海拔高度來(lái)維持。在氣候變化背景下,東部冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)相對(duì)西部冰川較敏感。1961～2006年整個(gè)河西內(nèi)陸河流域平均冰川物質(zhì)平衡為-49.5mm/a,累積物質(zhì)平衡-2.3m(圖4)。1991年之后物質(zhì)平衡呈顯著的負(fù)平衡,平均物質(zhì)平衡為-208.0mm/a,與1961～1990年相比物質(zhì)平衡平均年增加-243.0mm。4.2區(qū)域冰川融水補(bǔ)給模型估算的河西內(nèi)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(nèi)陸河流域各河流冰川融水都呈增加趨勢(shì),整個(gè)河西內(nèi)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(lái)冰川融水徑流量最大的時(shí)期,平均融水徑流量達(dá)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(bǔ)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(dá)4.79億m3、1.66億m3,融水補(bǔ)給比重超過(guò)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(bǔ)給比重也達(dá)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(bǔ)給率在5%～15%之間。東段的石羊河流域具有高積累強(qiáng)消融的特點(diǎn),物質(zhì)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(bǔ)給率不到10%。模型計(jì)算的冰川融水補(bǔ)給比重與楊針娘估算的融水補(bǔ)給率相比總體偏大,這主要是由于1990年以來(lái)冰川融水急劇增大,冰川退縮對(duì)河流徑流的影響在不斷加強(qiáng)。圖6為河西內(nèi)陸河流域冰川融水徑流總量和融水補(bǔ)給率(出山口水文站控制流域的冰川融水補(bǔ)給比重)變化趨勢(shì),二者變化過(guò)程基本一致,總體呈上升的趨勢(shì),融水補(bǔ)給率從1961～1990年的15.1%增加到1990年之后的19.4%。在模型計(jì)算中冰川面積取第一次編目資料,沒(méi)有考慮近年來(lái)由于氣候變暖、冰川退縮變化帶來(lái)的冰川融水徑流的減少,這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的冰川融水徑流在后期偏大,這一問(wèn)題的解決要依賴(lài)于冰川動(dòng)力模式。氣候變暖將會(huì)加劇冰川消融,導(dǎo)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(shí)刻將開(kāi)始減少。5物質(zhì)平衡與融水補(bǔ)給(1)以冰川編目數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),應(yīng)用月尺度的度日模型,建立了以流域?yàn)閱卧谋ㄈ谒畯搅髂Ｐ汀?2)河西內(nèi)陸河流域1961～