冰川径流量变化对塔里木河流域河流径流量的影响研究

陈大新

(新疆玛纳斯县兰州湾镇农业(畜牧业)发展服务中心,新疆 玛纳斯 832201)

1 概 述

分布广泛的大型冰川是地表水资源的重要组成部分,冰川径流为中国西部干旱半干旱地区提供了宝贵的淡水,冰川径流通过在不同时间尺度上临时蓄水和放水,对流域水文产生重大影响。冰川质量平衡反映了冰川运动对气候变化的响应,控制着水流变化和冰川变化。

本文根据国家气象站的月降水量和温度数据,采用度日模型,评价塔里木河流域(TRB)中的冰川质量平衡和冰川径流,研究冰川径流量变化对塔里木河流域河流径流量的影响。

2 研究区概况

塔里木河流域位于中国西北干旱地区,是中国最大的内河,总面积约1.02×106km2。塔里木河流域由周围9个水系的114条河流组成。随着人类活动的剧烈干扰,特别是水资源的开发,近几十年来发生了巨大的变化。河流系统受到的干扰程度如此之大,以至于只有3个河流系统(阿克苏河、和田河、叶尔羌河)仍然保持着与主流的自然水力关系。在3条主要河流中,阿克苏河、和田河、叶尔羌河的补给水比例分别为73.2%、23.2%和3.6%。开都河有时将水从博斯腾湖输送至塔里木河下游的灌溉区,塔里木河干流长1 321km,塔里木河的主要水源来自天山、昆仑和喀喇昆仑山脉。流域共有11 665座冰川,冰川主要分布在叶尔羌河、和田河、阿克苏河、克里雅河和喀什噶尔河流域,塔里木河的冰川径流主要来源于上述河流。

3 数据来源及研究方法

3.1 数据收集

本次研究基于各种数据集,包括国家气象站1961-2006年的月度温度和降水数据、TRB水文站的山河径流量年流量、TRB的子盆地边界,数字高程从1:250 000地形图中获得的90m分辨率的模型(DEM),以及直接从CGI中获得TRB中的冰川面积数据,CGI主要来自基于1962-1977年期间获得的航空照片地形图(1∶100 000)。

3.2 研究方法

冰川质量平衡和冰川径流模拟采用修正的度日模型,以每月时间步长进行。在最初度日模型的基础上,该模型被修改为每月时间步长,度日模型基于消融和空气温度之间的假定关系,通常以正温度总和的形式表示,公式如下:

A=DDF·PDD

(1)

式中:DDF为雪和冰表面不同的度日因子,mm/(d·℃);A为融水深度,mm;PDD为每月正累积空气温度。PDD由以下公式表示:

式中:Tt为月平均气温;Ht为逻辑变量。

可以定义为:Tt≥0℃时,Ht=1;Tt<0℃时,Ht=0。在本次研究中,根据PDD与月平均气温之间的关系和观测值的标准偏差得出的函数,可以计算出PDD值。

年平均质量平衡根据模拟的积雪和模拟的冰雪融化计算得出,公式如下:

Bn=P-A

(3)

式中:Bn为年质量平衡,mm;P为年积雪量,mm;研究将年度定为10月1日至次年9月30日。

对于整个流域,给定年分的冰川径流Q是按年度计算的,公式如下:

式中:s(i)为第i个高程带的冰川面积,来源于DEM和冰川的数字矢量;f为再冻结率;Pliq(i)为直接转化为冰川径流的液体降水量。

在本次研究中,使用月度日模型计算冰川融化时,首先根据DDFsnow和PDD计算融雪量。如果雪已经完全融化,并且只有PDD可用,则冰融化的量由DDFice和剩余的PDD计算。基于梯度,计算研究区和邻近地区气象站相同海拔(3 000m)的月气温和降水量数据,然后通过反距离权重(IDW)方法对子流域的值进行插值,根据梯度计算每个海拔带的月气温和降水量。

本文采用从短期实地工作中获得的雪线高度、从水文数据中获得的质量平衡、从CGI中的雪线海拔以及20世纪80年代的冰川径流模块,来获得模型的性能。从遥感数据中,获得冰川的变化,特别是体积的变化,然后将其与建模的质量平衡进行比较。利用冰川质量平衡和径流量,可以评估冰川径流量对河流径流量的影响。

3.3 参数设置

塔里木河流域(TRB)中冰川面积的分布。基于DEM和冰川的数字矢量,TRB中水文站控制的子流域冰川化区域可以划分为一组每隔100m的高程带。本文使用度日法计算冰川融化时,假设每个高程带都表现出不同的同质水文特征。

首先设置降水梯度参数,降水梯度是从短期实地工作或文献中获得的。考虑到与子流域季节性降水分布的关联,可先计算TRB子流域的月降水梯度,见表1。在高山集水区的冰川化区域,降水的空间变异性较高。此外,在降水数据稀少的TRB冰川化区域,很难估计降水梯度。降水梯度不考虑最大降水高度,月降水梯度只是整个次流域的降水梯度。因此,对于某些高程带,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,因为冰川径流也在子流域尺度。

表1 塔里木河流域主要支流月降水梯度 /mm·(100m)-1

其次设置温度下降率,根据1961-2007年中国西部242个气象站资料,考虑海拔高度,计算气温梯度。区分不同的海拔高度或不同的海拔和月份,可以明显增加统计相关性。此外,比较不同海拔和月份的统计相关性,高于不同海拔和海拔的统计相关性。因此,本次研究中的温度下降率是通过区分不同的海拔高度和月份来计算的,见表2。

表2 塔里木河流域不同纬度和月份的温度下降率 /℃·(100m)-1

然后设置度日因素,度日模型有两个待确定的参数(DDFsnow和DDFice)。本次研究中使用的6座冰川位于塔里木河流域(TRB),并在不同时期进行了调查或监测。由于只有6个观测到的冰川,当直接从邻近冰川插值时,DDFsnow和DDFice的值可能存在误差。因此,从短期实地工作或CGI中获得的平衡线海拔、从文献或观测中获得的质量平衡,以及20世纪80年代的雪线海拔和冰川径流模块数据中,检查和调整了DDFsnow和DDFice值,见表3。

表3 塔里木河流域子流域中度日因子 /mm·(d·℃)-1

4 研究结果与分析

4.1 质量平衡变化

利用国家气象站的月降水量和温度,本文计算了1961-2006年的冰川质量平衡。由图1可知,过去46年,特别是2000年以来冰川质量平衡的10年期,总体呈下降趋势。冰川质量平衡也显示出子盆地之间明显的区域格局。开都河流域和帕米尔高原东部地区出现了显著的负质量平衡,累积质量平衡分别约为-15.1和-15.7m。叶尔羌河流域46年的总累积质量平衡约为-8.7m。和田、喀什噶尔和克里雅盆地,冰川存在轻微的负质量平衡。由于区域气候的不同,各汇水盆地之间的冰川质量平衡变化存在一定差异,特别是在和田和克里雅盆地,冰川质量平衡表现出轻微的负平衡。

因为可能存在不连续的温度下降带,1961-2006年期间,整个TRB的冰川质量平衡呈显著下降趋势。整个TRB的年均冰川质量平衡为-142.3mm/年,46年期间的累积质量平衡为-6.8m。负质量平衡在20世纪90年代变得更加明显。将1991-2006年的平均值与1961-1990年的平均数进行比较发现,年平均质量平衡增加-169.1mm。1961-2006年间,气候状况从暖干转向暖湿,年平均降水量增加11.4mm,平均气温略有上升。

图1 冰川质量平衡和累积质量平衡的变化

由图2可知,虽然降水量总体呈增加趋势,但1961-2006年期间的累积量有所减少,负质量平衡与研究区域的降水量和温度增加有关。这一结果表明,变暖的影响可能会克服TRB同期降水增加的影响。

图2 4条源头河流的年降水量和累积量

4.2 冰川径流变化及其对河流流量的影响

冰川质量平衡的变化反映了冰川系统的预算,负质量平衡是由消融高于积聚引起的。回归分析表明,冰川径流与质量平衡呈负相关,见图3。冰川径流与质量平衡的相关性给出了小于-0.93的R系数,在0.01水平上非常显著。此关系是合理的,因为更负的质量平衡会导致更多的冰川融化。以上结果表明,冰川径流量的变化主要受质量平衡波动的控制。

图3 冰川径流与质量平衡的回归关系

由于温度升高,塔里木河流域(TRB)的冰川径流显著增加。对1961-2006年各子流域的年度冰川径流序列进行估算,见图4。结果表明,冰川径流在过去46年中有所增加。在1961-2006年的整个TRB研究期间,使用月度日模型模拟的冰川年平均径流量约为146.32×108m3。

10年分析表明,1961-1970年冰川平均径流量为123.57×108m3,1971-1980和1981-1990年冰川平均径流为142.24×108m3。冰川径流量在2000年代达到最大值,年均冰川径流量为183.67×108m3。2000年代,TRB的冰川径流比长期年平均值增加20.6%,1961-2006年,冰川径流占河流总流量的42.2%(359.2×108m3)。TRB的4条源头河流(阿克苏河、开都河、和田河、叶尔羌河),1961-2006年的年均河流流量为234.54×108m3,占河流总流量的70.46%。1961-1990年,冰川径流占TRB的4条源头河流流量的46.2%。1991-2006年,冰川对河流流量的贡献率上升至49.1%。

图4 塔里木河流域子流域冰川径流变化

在过去的46年间,河流流量和冰川径流量发生了显著变化,TRB的4条源河的累积年河流流量和冰径流量异常表明,1993年是一个关键年份,从强烈的减少趋势转变为强烈的增加阶段,见图5。

图5 4条源头河流的累积年河流流量和冰川径流异常

塔里木河流域(TRB)的河流流量和冰川径流清晰地反映了气候的变化。由图6可知,1961-2006年期间,河流流量和冰川径流量变化一致,总体呈增加趋势,表明河流流量的变化主要受冰川径流变化的控制。由于冰川收缩,TRB中冰川径流对河流流量的影响增加。

图6 4条源头冰川径流对河流流量贡献的变化

表4为平均降水量、气温、质量平衡、冰川径流和河流流量的变化。表4中,Qgd为冰川径流深度,Qg为冰川径流体积。由表4可知,冰川径流量增加约180.5mm(24.45×108m3),约占26.5%;降水量增加11.4mm,占1.9%;气温增加0.51℃;冰川质量平衡减少169.1mm,表明约1.7%的冰川径流来自降水量的增加,另有24.8%的径流来自冰川质量的损失。河流流量增加28.63×108m3(占12.9%),其中约1.9%来自降水量增加,其余11.0%来自冰川径流,表明冰川径流量的增加占河流流量增加的85.8%。气温升高0.51℃造成每年169.1mm的冰川质量损失,年降水量增加11.4mm弥补了这一损失,相当于在不增加降水的情况下-361mm/℃的质量平衡变化。

通过分析河流流量和质量平衡发现,质量平衡的100mm变化可能导致16.94×108m3的河流流量波动。46年期间,TRB的总累积质量平衡为-6.8m,相当于对河流流量的1 151.92×108m3贡献,约为塔里木河流域(TRB)年度河流径流量的3.2倍。

表4 平均降水量、气温、质量平衡、冰川径流及河流流量的变化

5 结 论

本文根据国家气象站的月降水量和温度数据,采用度日模型,评价了塔里木河流域(TRB)中的冰川质量平衡和冰川径流,研究了冰川径流量变化对塔里木河流域河流径流量的影响。结果表明,1961-2006年间,塔里木河流域(TRB)的冰川质量平衡呈显著下降趋势。河流流量和冰川径流量变化总体呈增加趋势,约1.7%的冰川径流来自降水量的增加,有24.8%的径流来自冰川质量的损失。塔里木河流域(TRB)的总累积质量平衡为-6.8m,相当于对河流流量1 151.92×108m3的贡献,约为塔里木河流域(TRB)年度河流径流量的3.2倍。