冰川徑流量變化對塔里木河流域河流徑流量的影響研究

陳大新

(新疆瑪納斯縣蘭州灣鎮農業(畜牧業)發展服務中心,新疆 瑪納斯 832201)

1 概 述

分布廣泛的大型冰川是地表水資源的重要組成部分,冰川徑流為中國西部干旱半干旱地區提供了寶貴的淡水,冰川徑流通過在不同時間尺度上臨時蓄水和放水,對流域水文產生重大影響。冰川質量平衡反映了冰川運動對氣候變化的響應,控制著水流變化和冰川變化。

本文根據國家氣象站的月降水量和溫度數據,采用度日模型,評價塔里木河流域(TRB)中的冰川質量平衡和冰川徑流,研究冰川徑流量變化對塔里木河流域河流徑流量的影響。

2 研究區概況

塔里木河流域位于中國西北干旱地區,是中國最大的內河,總面積約1.02×106km2。塔里木河流域由周圍9個水系的114條河流組成。隨著人類活動的劇烈干擾,特別是水資源的開發,近幾十年來發生了巨大的變化。河流系統受到的干擾程度如此之大,以至于只有3個河流系統(阿克蘇河、和田河、葉爾羌河)仍然保持著與主流的自然水力關系。在3條主要河流中,阿克蘇河、和田河、葉爾羌河的補給水比例分別為73.2%、23.2%和3.6%。開都河有時將水從博斯騰湖輸送至塔里木河下游的灌溉區,塔里木河干流長1 321km,塔里木河的主要水源來自天山、昆侖和喀喇昆侖山脈。流域共有11 665座冰川,冰川主要分布在葉爾羌河、和田河、阿克蘇河、克里雅河和喀什噶爾河流域,塔里木河的冰川徑流主要來源于上述河流。

3 數據來源及研究方法

3.1 數據收集

本次研究基于各種數據集,包括國家氣象站1961-2006年的月度溫度和降水數據、TRB水文站的山河徑流量年流量、TRB的子盆地邊界,數字高程從1:250 000地形圖中獲得的90m分辨率的模型(DEM),以及直接從CGI中獲得TRB中的冰川面積數據,CGI主要來自基于1962-1977年期間獲得的航空照片地形圖(1∶100 000)。

3.2 研究方法

冰川質量平衡和冰川徑流模擬采用修正的度日模型,以每月時間步長進行。在最初度日模型的基礎上,該模型被修改為每月時間步長,度日模型基于消融和空氣溫度之間的假定關系,通常以正溫度總和的形式表示,公式如下:

A=DDF·PDD

(1)

式中:DDF為雪和冰表面不同的度日因子,mm/(d·℃);A為融水深度,mm;PDD為每月正累積空氣溫度。PDD由以下公式表示:

式中:Tt為月平均氣溫;Ht為邏輯變量。

可以定義為:Tt≥0℃時,Ht=1;Tt<0℃時,Ht=0。在本次研究中,根據PDD與月平均氣溫之間的關系和觀測值的標準偏差得出的函數,可以計算出PDD值。

年平均質量平衡根據模擬的積雪和模擬的冰雪融化計算得出,公式如下:

Bn=P-A

(3)

式中:Bn為年質量平衡,mm;P為年積雪量,mm;研究將年度定為10月1日至次年9月30日。

對于整個流域,給定年分的冰川徑流Q是按年度計算的,公式如下:

式中:s(i)為第i個高程帶的冰川面積,來源于DEM和冰川的數字矢量;f為再凍結率;Pliq(i)為直接轉化為冰川徑流的液體降水量。

在本次研究中,使用月度日模型計算冰川融化時,首先根據DDFsnow和PDD計算融雪量。如果雪已經完全融化,并且只有PDD可用,則冰融化的量由DDFice和剩余的PDD計算?；谔荻?計算研究區和鄰近地區氣象站相同海拔(3 000m)的月氣溫和降水量數據,然后通過反距離權重(IDW)方法對子流域的值進行插值,根據梯度計算每個海拔帶的月氣溫和降水量。

本文采用從短期實地工作中獲得的雪線高度、從水文數據中獲得的質量平衡、從CGI中的雪線海拔以及20世紀80年代的冰川徑流模塊,來獲得模型的性能。從遙感數據中,獲得冰川的變化,特別是體積的變化,然后將其與建模的質量平衡進行比較。利用冰川質量平衡和徑流量,可以評估冰川徑流量對河流徑流量的影響。

3.3 參數設置

塔里木河流域(TRB)中冰川面積的分布?；贒EM和冰川的數字矢量,TRB中水文站控制的子流域冰川化區域可以劃分為一組每隔100m的高程帶。本文使用度日法計算冰川融化時,假設每個高程帶都表現出不同的同質水文特征。

首先設置降水梯度參數,降水梯度是從短期實地工作或文獻中獲得的?？紤]到與子流域季節性降水分布的關聯,可先計算TRB子流域的月降水梯度,見表1。在高山集水區的冰川化區域,降水的空間變異性較高。此外,在降水數據稀少的TRB冰川化區域,很難估計降水梯度。降水梯度不考慮最大降水高度,月降水梯度只是整個次流域的降水梯度。因此,對于某些高程帶,降水量可能不合理。本次研究只要求子流域尺度的降水精度,因為冰川徑流也在子流域尺度。

表1 塔里木河流域主要支流月降水梯度 /mm·(100m)-1

其次設置溫度下降率,根據1961-2007年中國西部242個氣象站資料,考慮海拔高度,計算氣溫梯度。區分不同的海拔高度或不同的海拔和月份,可以明顯增加統計相關性。此外,比較不同海拔和月份的統計相關性,高于不同海拔和海拔的統計相關性。因此,本次研究中的溫度下降率是通過區分不同的海拔高度和月份來計算的,見表2。

表2 塔里木河流域不同緯度和月份的溫度下降率 /℃·(100m)-1

然后設置度日因素,度日模型有兩個待確定的參數(DDFsnow和DDFice)。本次研究中使用的6座冰川位于塔里木河流域(TRB),并在不同時期進行了調查或監測。由于只有6個觀測到的冰川,當直接從鄰近冰川插值時,DDFsnow和DDFice的值可能存在誤差。因此,從短期實地工作或CGI中獲得的平衡線海拔、從文獻或觀測中獲得的質量平衡,以及20世紀80年代的雪線海拔和冰川徑流模塊數據中,檢查和調整了DDFsnow和DDFice值,見表3。

表3 塔里木河流域子流域中度日因子 /mm·(d·℃)-1

4 研究結果與分析

4.1 質量平衡變化

利用國家氣象站的月降水量和溫度,本文計算了1961-2006年的冰川質量平衡。由圖1可知,過去46年,特別是2000年以來冰川質量平衡的10年期,總體呈下降趨勢。冰川質量平衡也顯示出子盆地之間明顯的區域格局。開都河流域和帕米爾高原東部地區出現了顯著的負質量平衡,累積質量平衡分別約為-15.1和-15.7m。葉爾羌河流域46年的總累積質量平衡約為-8.7m。和田、喀什噶爾和克里雅盆地,冰川存在輕微的負質量平衡。由于區域氣候的不同,各匯水盆地之間的冰川質量平衡變化存在一定差異,特別是在和田和克里雅盆地,冰川質量平衡表現出輕微的負平衡。

因為可能存在不連續的溫度下降帶,1961-2006年期間,整個TRB的冰川質量平衡呈顯著下降趨勢。整個TRB的年均冰川質量平衡為-142.3mm/年,46年期間的累積質量平衡為-6.8m。負質量平衡在20世紀90年代變得更加明顯。將1991-2006年的平均值與1961-1990年的平均數進行比較發現,年平均質量平衡增加-169.1mm。1961-2006年間,氣候狀況從暖干轉向暖濕,年平均降水量增加11.4mm,平均氣溫略有上升。

圖1 冰川質量平衡和累積質量平衡的變化

由圖2可知,雖然降水量總體呈增加趨勢,但1961-2006年期間的累積量有所減少,負質量平衡與研究區域的降水量和溫度增加有關。這一結果表明,變暖的影響可能會克服TRB同期降水增加的影響。

圖2 4條源頭河流的年降水量和累積量

4.2 冰川徑流變化及其對河流流量的影響

冰川質量平衡的變化反映了冰川系統的預算,負質量平衡是由消融高于積聚引起的?；貧w分析表明,冰川徑流與質量平衡呈負相關,見圖3。冰川徑流與質量平衡的相關性給出了小于-0.93的R系數,在0.01水平上非常顯著。此關系是合理的,因為更負的質量平衡會導致更多的冰川融化。以上結果表明,冰川徑流量的變化主要受質量平衡波動的控制。

圖3 冰川徑流與質量平衡的回歸關系

由于溫度升高,塔里木河流域(TRB)的冰川徑流顯著增加。對1961-2006年各子流域的年度冰川徑流序列進行估算,見圖4。結果表明,冰川徑流在過去46年中有所增加。在1961-2006年的整個TRB研究期間,使用月度日模型模擬的冰川年平均徑流量約為146.32×108m3。

10年分析表明,1961-1970年冰川平均徑流量為123.57×108m3,1971-1980和1981-1990年冰川平均徑流為142.24×108m3。冰川徑流量在2000年代達到最大值,年均冰川徑流量為183.67×108m3。2000年代,TRB的冰川徑流比長期年平均值增加20.6%,1961-2006年,冰川徑流占河流總流量的42.2%(359.2×108m3)。TRB的4條源頭河流(阿克蘇河、開都河、和田河、葉爾羌河),1961-2006年的年均河流流量為234.54×108m3,占河流總流量的70.46%。1961-1990年,冰川徑流占TRB的4條源頭河流流量的46.2%。1991-2006年,冰川對河流流量的貢獻率上升至49.1%。

圖4 塔里木河流域子流域冰川徑流變化

在過去的46年間,河流流量和冰川徑流量發生了顯著變化,TRB的4條源河的累積年河流流量和冰徑流量異常表明,1993年是一個關鍵年份,從強烈的減少趨勢轉變為強烈的增加階段,見圖5。

圖5 4條源頭河流的累積年河流流量和冰川徑流異常

塔里木河流域(TRB)的河流流量和冰川徑流清晰地反映了氣候的變化。由圖6可知,1961-2006年期間,河流流量和冰川徑流量變化一致,總體呈增加趨勢,表明河流流量的變化主要受冰川徑流變化的控制。由于冰川收縮,TRB中冰川徑流對河流流量的影響增加。

圖6 4條源頭冰川徑流對河流流量貢獻的變化

表4為平均降水量、氣溫、質量平衡、冰川徑流和河流流量的變化。表4中,Qgd為冰川徑流深度,Qg為冰川徑流體積。由表4可知,冰川徑流量增加約180.5mm(24.45×108m3),約占26.5%;降水量增加11.4mm,占1.9%;氣溫增加0.51℃;冰川質量平衡減少169.1mm,表明約1.7%的冰川徑流來自降水量的增加,另有24.8%的徑流來自冰川質量的損失。河流流量增加28.63×108m3(占12.9%),其中約1.9%來自降水量增加,其余11.0%來自冰川徑流,表明冰川徑流量的增加占河流流量增加的85.8%。氣溫升高0.51℃造成每年169.1mm的冰川質量損失,年降水量增加11.4mm彌補了這一損失,相當于在不增加降水的情況下-361mm/℃的質量平衡變化。

通過分析河流流量和質量平衡發現,質量平衡的100mm變化可能導致16.94×108m3的河流流量波動。46年期間,TRB的總累積質量平衡為-6.8m,相當于對河流流量的1 151.92×108m3貢獻,約為塔里木河流域(TRB)年度河流徑流量的3.2倍。

表4 平均降水量、氣溫、質量平衡、冰川徑流及河流流量的變化

5 結 論

本文根據國家氣象站的月降水量和溫度數據,采用度日模型,評價了塔里木河流域(TRB)中的冰川質量平衡和冰川徑流,研究了冰川徑流量變化對塔里木河流域河流徑流量的影響。結果表明,1961-2006年間,塔里木河流域(TRB)的冰川質量平衡呈顯著下降趨勢。河流流量和冰川徑流量變化總體呈增加趨勢,約1.7%的冰川徑流來自降水量的增加,有24.8%的徑流來自冰川質量的損失。塔里木河流域(TRB)的總累積質量平衡為-6.8m,相當于對河流流量1 151.92×108m3的貢獻,約為塔里木河流域(TRB)年度河流徑流量的3.2倍。