夏季氣溫對(duì)天山巴音溝河徑流量影響分析

馬紅剛，張金寶，賈偉康

(1.新疆石河子市水利工程管理服務(wù)中心，新疆 石河子 832000；2.新疆石河子市巴音溝河流域管理處，新疆 石河子 832000)

1 概況

在全球變暖的趨勢(shì)下， 2000—2018年天山北坡的烏魯木齊河1號(hào)冰川面積縮小了 19%。以冰川融水為主要水源的天山冰川河流，徑流受到了溫度升高冰川融化影響。目前，對(duì)天山夏季高空氣溫及日內(nèi)氣溫對(duì)冰川融水徑流影響的研究較少，所以研究夏季氣溫變化對(duì)徑流影響在應(yīng)用層面很有必要。也可以為今后研究氣溫對(duì)冰川影響提供部分依據(jù)。

天山北坡的河流水源主要為冰雪融水、地下水以及降水。在6—8月，氣溫逐漸升高，0℃層高度不斷上升，中、高山區(qū)終年積雪和冰川融化形成徑流。這3月融水徑流占全年總徑流的75%。所以研究冰川積雪融水徑流是重點(diǎn)。

新疆巴音溝河是天山北麓11條中小河流之一，位于新疆沙灣縣和烏蘇市的交界處，全長(zhǎng)120km。河流發(fā)源于天山北坡依連哈比爾尕山脈 33號(hào)冰川，北至準(zhǔn)噶爾盆地南緣，西臨奎屯河，東抵金溝河。具有新疆冰川河流典型特征。其地理位置介于東經(jīng) 84°45′～85°27′，北緯 43°29′～44°58′之間。

巴音溝河又稱安集海河、八音溝河，年均徑流量3.1億m3，最大年均徑流量4.33億m3(2007年)，最小年均徑流量2.2億m3(1992年)。巴音溝河高山冰川儲(chǔ)冰92億m3，折合水量74億m3，年平均融水1.50億～2.00億m3，徑流量由冰川融水約占年徑流量的25%～35%、地下水占年徑流量的15%～25%組成。中低山區(qū)暴雨山洪補(bǔ)給占年徑流量的1.2%。降雨融雪混合補(bǔ)給約占年徑流量的45%～55%(不穩(wěn)定補(bǔ)給)，如圖1所示。

圖1 巴音溝河徑流補(bǔ)給組成圖

從巴音溝河月均溫度與月均徑流來(lái)看，1—12月基礎(chǔ)徑流主要依靠地下水均勻補(bǔ)給，日徑流量小于3m3/s。隨著氣溫逐漸升高，5月下旬至6月上旬，當(dāng)日均最低氣溫達(dá)到14℃(3000m)以上時(shí)中山冰川融雪開(kāi)始。7月上旬，當(dāng)日最低氣溫達(dá)到17.5℃(0℃層高度3500m)以上時(shí)高山冰川融雪過(guò)程開(kāi)始，7月中下旬至8月上旬，日均最低氣溫達(dá)到19℃(0℃層高度3800m)以上時(shí)高山冰雪融水最活躍徑流最大。8月中下旬至9月下旬。氣溫下降，0℃層高度逐漸緩慢降低，高山帶冰川融雪過(guò)程首先停止，中山帶的冰川和融雪也逐漸停止徑流逐漸變小。當(dāng)9月中旬氣溫降低到14℃以下時(shí)。中山冰川融雪開(kāi)始減弱停止。當(dāng)10月份月均氣溫降低為8.47℃時(shí)，中山冰雪融水過(guò)程逐漸停止，如圖2所示。

圖2 巴音溝河月均氣溫和徑流變化規(guī)律

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

0℃層最低高度數(shù)據(jù)采用石河子氣象臺(tái)數(shù)據(jù)。氣溫采用石河子氣象臺(tái)巴音山莊自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)。巴音溝河徑流采用巴音溝河渠首樞紐水文站徑流數(shù)據(jù)。

2.2 主要方法

根據(jù)2019年7月5日開(kāi)始公布的高空氣溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)天山北坡的巴音溝河進(jìn)行分析。選取2019年夏季7—8月、2020年夏季6—8月的0℃層最低高度與8：00徑流進(jìn)行對(duì)比，分析影響徑流高空溫度指標(biāo)。

利用巴音溝河2020年主汛期的日內(nèi)最低溫度，按照每升高1000m，氣溫降低6.5℃的氣溫垂直地帶性關(guān)系，對(duì)高空數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，研究估算高空最低高度和徑流變化規(guī)律。分析影響徑流關(guān)鍵氣溫指標(biāo)。

利用巴音溝河2020年6—8月日內(nèi)典型6h氣溫和徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究日內(nèi)氣溫和徑流變化規(guī)律。分析影響徑流氣溫指標(biāo)。

3 高空氣溫對(duì)徑流影響

冰川作為天然的固體水庫(kù)對(duì)天山大氣物理過(guò)程和天氣氣候變化產(chǎn)生著深刻的響應(yīng)。對(duì)流層中氣溫會(huì)隨著海拔的升高而遞減，當(dāng)?shù)孛鏆鉁卦?0℃以上時(shí)，在高空中就會(huì)出現(xiàn) 0℃等溫面，稱之為0℃層高度。

3.1 實(shí)測(cè)高空氣溫與徑流變化

根據(jù)新疆石河子市氣象臺(tái)烏蘭烏蘇站2019年7月5日通過(guò)對(duì)汛期高空0℃層最低高度監(jiān)測(cè)。對(duì)比2019年，2020年夏季巴音溝河的早8：00徑流變化，分析高空氣溫與其早8：00徑流變化關(guān)系。

3.2 2019年7—8月高空氣溫對(duì)徑流影響

7—8月，當(dāng)0℃層最低高度在3800m以上時(shí)，巴音溝河早8：00流量，總體上跟隨高度的變化而變化。當(dāng)0℃層最低高度在3600m以下時(shí)，高山帶冰川融雪過(guò)程突然減弱，徑流明顯減少，影響徑流過(guò)程為7d以內(nèi)，如圖3所示。

圖3 2019年汛期0℃層最低高度與巴音溝河徑流變化特征

3.3 2020年高空氣溫對(duì)徑流影響

當(dāng)6月0℃層最低高度在3600m以下時(shí)，徑流較小，隨高度而變化，當(dāng)0℃層最低高度低于3000m時(shí)，受降溫影響較大。

當(dāng)7—8月，0℃層最低高度在4000m以上時(shí)，冰川融水最活躍，徑流達(dá)到峰值。當(dāng)0℃層最低高度在3800m以上時(shí)，總體上跟隨高度的變化而變化。當(dāng)0℃層最低高度在3600m時(shí)，受降溫影響較大。

6月是融水徑流的升溫漲水關(guān)鍵期。由于兩次降溫0℃層都低于3000m，所以6月8日影響了7d漲水過(guò)程，6月22日影響了3d漲水過(guò)程。7月1日降溫僅影響1d。隨著累積溫度升高，降溫對(duì)徑流過(guò)程影響減弱，6月兩次大的降溫導(dǎo)致中山帶融水減弱，是2020年天山北坡巴音溝河夏季旱情的加劇主要原因，如圖4所示。

圖4 2020年汛期0℃層最低高度與巴音溝河早8：00徑流變化特征

綜上，巴音溝河及附近河流徑流主要受到高空氣溫影響。徑流跟隨高空0℃層高度變化而變化。6月主要影響中山帶3000～3600m高度丘陵的山峰積雪融水，由于中山帶的積雪冰川發(fā)育較差，所以6月的徑流在10～20m3/s流量區(qū)間變化。7—8月高空0℃層最低高度主要在4000m振蕩，主要影響高山帶3800m以上天山山脈永久冰川融水，由于高山帶的積雪冰川發(fā)育較好，徑流在較高流量21～60m3/s區(qū)間變化。

4 估算高空氣溫對(duì)夏季徑流影響

4.1 估算高空氣溫的方法

在高空氣溫觀測(cè)中存在0℃層最低高度多日不變的情況，這與高空氣溫實(shí)際變化情況是不符的。由于徑流對(duì)最低溫度和0℃層最低高度最為敏感，就需要將日最低氣溫轉(zhuǎn)換為0℃層最低高度。將出山口實(shí)測(cè)最低氣溫?cái)?shù)據(jù)按照每升高1000m降低6.5℃的氣溫垂直地帶性規(guī)律，得出估測(cè)的高空氣溫與日均徑流進(jìn)行比較。估算0℃層高度公式：

(Tmin÷6.5)×1000+K出=K0

(1)

式中，K0—0℃層海拔高度；Tmin—出山口日最低溫度；K出—出山口海拔高度。

4.2 2020年夏季估測(cè)高空氣溫對(duì)徑流影響

將巴音溝河2020年汛期出山口巴音山莊氣象站(844m)的日最低氣溫帶入公式換算。對(duì)比日均徑流量。6月徑流的漲水期，0℃層最低高度在3000～4000m之間。徑流也在較低區(qū)間徘徊。當(dāng)0℃層最低高度低于3000m時(shí)，徑流也發(fā)生較大減少。7—8月，最低溫度0℃層在3600～5000m之間，變化趨勢(shì)一致，當(dāng)0℃層最低高度低于3600m時(shí)，徑流減少。估測(cè)的0℃層高度較實(shí)測(cè)0℃層高度精度較高，存在早于徑流變化特征，如圖5所示。

圖5 估測(cè)0℃層最低高度與日均徑流變化特征

綜上，通過(guò)日最低氣溫轉(zhuǎn)換的日0℃層最低高度可以看出，6—8月徑流與估算0℃層最低高度變化過(guò)程一致，呈跟隨氣溫變化而變化規(guī)律。由于估測(cè)值比觀測(cè)值精度高，可以作為徑流預(yù)測(cè)的指標(biāo)。影響徑流具體指標(biāo)為，6月低于3000m(14℃)，7—8月低于3500m(17.5℃)，影響較大。

5 出山口氣溫對(duì)徑流影響

5.1 夏季氣溫和徑流變化關(guān)系及流程關(guān)系

在巴音山莊工作時(shí)發(fā)現(xiàn)每天下午越熱時(shí)，夜間的徑流就會(huì)越大，估算日最高氣溫和最高日徑流有12h的時(shí)差。為驗(yàn)證這一猜想，將每天凌晨4：00(日徑流最大)，早上10：00(日氣溫最低)，下午16時(shí)(日氣溫最高)，下午22：00(日徑流最小)的氣溫?cái)?shù)據(jù)和徑流數(shù)據(jù)放到同一表中。

(1)流速計(jì)算。巴音溝河出山口，渠首至上游安集海大峽谷，河道長(zhǎng)度21.89km，根據(jù)以往洪水觀測(cè)，洪水從安集海大峽谷到巴音溝河渠首耗時(shí)2.5h，推算出洪水在河道的平均流速為2.43m/s。所以統(tǒng)一采用2.43m/s為主河道流速。

(2)流程推算。巴音溝河出山口至高山區(qū)天山主峰(3600～5000m)河道距離為99km。河道流程為11.29h。出山口至中山區(qū)山脈主峰(3000～3600m)。河道距離為50km。河道流程為5.71h，約為6h，如圖6所示。

圖6 巴音溝河流程圖

5.2 6月巴音溝河氣溫和徑流變化規(guī)律

將巴音溝河2020年6月份4：00、10：00、16：00、22：00氣溫和徑流帶入表，得出氣溫-徑流曲線。氣溫和徑流皆呈一日一峰一谷反復(fù)出現(xiàn)關(guān)系，但是兩者之間的峰谷關(guān)系不對(duì)應(yīng)。將6h后徑流曲線向前平移6h，氣溫與徑流呈成同步變化的狀態(tài)。這說(shuō)明：6月份是由中山帶的冰雪融水形成的徑流。

呈現(xiàn)6h的流程差原因是：高空氣溫在3000～3500m，屬于中山帶山峰冰雪融化。山峰至出山口為50km流程左右，存在約6h流程時(shí)差。由于中山帶山峰冰雪覆蓋較差，所以徑流較小，在5～21m3/s區(qū)間循環(huán)出現(xiàn)。

當(dāng)6月日氣溫低于14℃(3000m)對(duì)中山帶(主峰3000～3600m)冰雪融水影響較大，如圖7所示。

圖7 2020年6月巴音溝河氣溫-徑流(6h)變化特征

5.3 7月巴音溝河氣溫和徑流變化規(guī)律

巴音溝河7月氣溫和徑流變化皆呈一日一峰一谷反復(fù)出現(xiàn)形態(tài)，但是兩者之間的峰谷關(guān)系不對(duì)應(yīng)。將7月6日10：00前6h后徑流曲線向前平移6h，將7月6日10：00后12h后徑流曲線向前平移12h，氣溫與徑流呈成同步變化的狀態(tài)。這說(shuō)明：7月6日10：00前為中山帶冰雪融水洪水，7月6日10：00后為高山帶冰雪融水洪水，主要受高空氣溫升高影響。

呈現(xiàn)6、12h的流程差原因是：高空0℃層在7月6日之前在3500m左右震蕩，7月6日以后在4000m左右震蕩。高山冰峰距離出山口約99km，存在約12h流程時(shí)差，冰川融雪過(guò)程從中山帶融水發(fā)展到高山帶融水。冰雪融水的流程差從6h發(fā)展到12h。最低溫度低于17.5℃(3500m)。對(duì)高山融水徑流趨勢(shì)有影響。也證實(shí)了7月氣溫先對(duì)中山帶造成影響，然后過(guò)渡為對(duì)高山帶影響的猜想，如圖8所示。

圖8 2020年7月巴音溝河氣溫-徑流(6、12h)變化特征

5.4 8月巴音溝河氣溫和徑流變化規(guī)律

巴音溝河8月與7月中下旬相似。將8月1日后，12h后徑流曲線向前平移12h，氣溫與徑流呈成同步變化的狀態(tài)。這說(shuō)明：8月份的徑流變化，是由高山帶的冰雪融水形成的徑流。

呈現(xiàn)12h的流程差原因：徑流全部發(fā)生在高山區(qū)冰川融水形成。8月1—13日，日氣溫在20～35℃反復(fù)循環(huán)出現(xiàn)，高空0℃層在(3920～5600m)時(shí)，高山冰川融雪過(guò)程達(dá)到了頂峰，徑流在20～60m3/s循環(huán)出現(xiàn)，溫度-氣溫關(guān)系最為明顯。日氣溫低于17.5℃(0℃層高度低于3500m)對(duì)高山帶冰川融雪過(guò)程影響較大，如圖9所示。

綜上，6月至7月6日，根據(jù)日氣溫和日徑流存在約6h時(shí)差，證實(shí)冰雪融水發(fā)生在中山帶。7月6日至8月31日，根據(jù)日氣溫和日徑流存在約12h時(shí)差，證實(shí)冰雪融水發(fā)生在高山帶冰川。高山融水比中山融水，時(shí)間晚6h，徑流大1～2倍。汛期可以利用日氣溫峰值早于日徑流峰值(6，12)h規(guī)律，對(duì)未來(lái)6、12h出現(xiàn)融水洪水及洪峰進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)根據(jù)時(shí)差可以反向推出徑流量區(qū)間范圍。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)天山北坡巴音溝河，年內(nèi)影響徑流的主要因素氣溫。

(2)6月0℃層<3000m(14℃)和7—8月0℃層<3500m(17.5℃)，徑流減少較多且影響1—7d。多日連續(xù)0℃層>4000m(19.2℃)，徑流最大。

(3)6月氣溫主要影響中山積雪融水，與徑流存在約6h流程時(shí)差，徑流量在5～21m3/s區(qū)間。7—8月氣溫主要影響高山冰川融水，與徑流存在約12h流程時(shí)差，徑流量在21～60m3/s區(qū)間。利用氣溫-徑流關(guān)系，可以進(jìn)行6h，12h水情預(yù)測(cè)。

(4)本文只對(duì)氣溫和高空氣溫因素對(duì)冰川融水影響進(jìn)行研究，下一步應(yīng)當(dāng)在高山降水對(duì)冰川融水影響、低山降雨對(duì)氣溫影響、夏季冰川面積消融與冰川融水關(guān)系方面加強(qiáng)研究。