冰川徑流量變化對(duì)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(zhèn)農(nóng)業(yè)(畜牧業(yè))發(fā)展服務(wù)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(qū)提供了寶貴的淡水,冰川徑流通過在不同時(shí)間尺度上臨時(shí)蓄水和放水,對(duì)流域水文產(chǎn)生重大影響。冰川質(zhì)量平衡反映了冰川運(yùn)動(dòng)對(duì)氣候變化的響應(yīng),控制著水流變化和冰川變化。

本文根據(jù)國家氣象站的月降水量和溫度數(shù)據(jù),采用度日模型,評(píng)價(jià)塔里木河流域(TRB)中的冰川質(zhì)量平衡和冰川徑流,研究冰川徑流量變化對(duì)塔里木河流域河流徑流量的影響。

2 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于中國西北干旱地區(qū),是中國最大的內(nèi)河,總面積約1.02×106km2。塔里木河流域由周圍9個(gè)水系的114條河流組成。隨著人類活動(dòng)的劇烈干擾,特別是水資源的開發(fā),近幾十年來發(fā)生了巨大的變化。河流系統(tǒng)受到的干擾程度如此之大,以至于只有3個(gè)河流系統(tǒng)(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(guān)系。在3條主要河流中,阿克蘇河、和田河、葉爾羌河的補(bǔ)給水比例分別為73.2%、23.2%和3.6%。開都河有時(shí)將水從博斯騰湖輸送至塔里木河下游的灌溉區(qū),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(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)收集

本次研究基于各種數(shù)據(jù)集,包括國家氣象站1961-2006年的月度溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)、TRB水文站的山河徑流量年流量、TRB的子盆地邊界,數(shù)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(shù)據(jù),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(zhì)量平衡和冰川徑流模擬采用修正的度日模型,以每月時(shí)間步長進(jìn)行。在最初度日模型的基礎(chǔ)上,該模型被修改為每月時(shí)間步長,度日模型基于消融和空氣溫度之間的假定關(guān)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(shí),Ht=1;Tt<0℃時(shí),Ht=0。在本次研究中,根據(jù)PDD與月平均氣溫之間的關(guān)系和觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差得出的函數(shù),可以計(jì)算出PDD值。

年平均質(zhì)量平衡根據(jù)模擬的積雪和模擬的冰雪融化計(jì)算得出,公式如下:

Bn=P-A

(3)

式中:Bn為年質(zhì)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(duì)于整個(gè)流域,給定年分的冰川徑流Q是按年度計(jì)算的,公式如下:

式中:s(i)為第i個(gè)高程帶的冰川面積,來源于DEM和冰川的數(shù)字矢量;f為再凍結(jié)率;Pliq(i)為直接轉(zhuǎn)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(jì)算冰川融化時(shí),首先根據(jù)DDFsnow和PDD計(jì)算融雪量。如果雪已經(jīng)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(jì)算。基于梯度,計(jì)算研究區(qū)和鄰近地區(qū)氣象站相同海拔(3 000m)的月氣溫和降水量數(shù)據(jù),然后通過反距離權(quán)重(IDW)方法對(duì)子流域的值進(jìn)行插值,根據(jù)梯度計(jì)算每個(gè)海拔帶的月氣溫和降水量。

本文采用從短期實(shí)地工作中獲得的雪線高度、從水文數(shù)據(jù)中獲得的質(zhì)量平衡、從CGI中的雪線海拔以及20世紀(jì)80年代的冰川徑流模塊,來獲得模型的性能。從遙感數(shù)據(jù)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(zhì)量平衡進(jìn)行比較。利用冰川質(zhì)量平衡和徑流量,可以評(píng)估冰川徑流量對(duì)河流徑流量的影響。

3.3 參數(shù)設(shè)置

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

首先設(shè)置降水梯度參數(shù),降水梯度是從短期實(shí)地工作或文獻(xiàn)中獲得的?？紤]到與子流域季節(jié)性降水分布的關(guān)聯(lián),可先計(jì)算TRB子流域的月降水梯度,見表1。在高山集水區(qū)的冰川化區(qū)域,降水的空間變異性較高。此外,在降水?dāng)?shù)據(jù)稀少的TRB冰川化區(qū)域,很難估計(jì)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(gè)次流域的降水梯度。因此,對(duì)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?yàn)楸◤搅饕苍谧恿饔虺叨取?/p>

表1 塔里木河流域主要支流月降水梯度 /mm·(100m)-1

其次設(shè)置溫度下降率,根據(jù)1961-2007年中國西部242個(gè)氣象站資料,考慮海拔高度,計(jì)算氣溫梯度。區(qū)分不同的海拔高度或不同的海拔和月份,可以明顯增加統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。此外,比較不同海拔和月份的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性,高于不同海拔和海拔的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。因此,本次研究中的溫度下降率是通過區(qū)分不同的海拔高度和月份來計(jì)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(shè)置度日因素,度日模型有兩個(gè)待確定的參數(shù)(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(shí)期進(jìn)行了調(diào)查或監(jiān)測(cè)。由于只有6個(gè)觀測(cè)到的冰川,當(dāng)直接從鄰近冰川插值時(shí),DDFsnow和DDFice的值可能存在誤差。因此,從短期實(shí)地工作或CGI中獲得的平衡線海拔、從文獻(xiàn)或觀測(cè)中獲得的質(zhì)量平衡,以及20世紀(jì)80年代的雪線海拔和冰川徑流模塊數(shù)據(jù)中,檢查和調(diào)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(jié)果與分析

4.1 質(zhì)量平衡變化

利用國家氣象站的月降水量和溫度,本文計(jì)算了1961-2006年的冰川質(zhì)量平衡。由圖1可知,過去46年,特別是2000年以來冰川質(zhì)量平衡的10年期,總體呈下降趨勢(shì)。冰川質(zhì)量平衡也顯示出子盆地之間明顯的區(qū)域格局。開都河流域和帕米爾高原東部地區(qū)出現(xiàn)了顯著的負(fù)質(zhì)量平衡,累積質(zhì)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(zhì)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(fù)質(zhì)量平衡。由于區(qū)域氣候的不同,各匯水盆地之間的冰川質(zhì)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(zhì)量平衡表現(xiàn)出輕微的負(fù)平衡。

因?yàn)榭赡艽嬖诓贿B續(xù)的溫度下降帶,1961-2006年期間,整個(gè)TRB的冰川質(zhì)量平衡呈顯著下降趨勢(shì)。整個(gè)TRB的年均冰川質(zhì)量平衡為-142.3mm/年,46年期間的累積質(zhì)量平衡為-6.8m。負(fù)質(zhì)量平衡在20世紀(jì)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(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),年平均質(zhì)量平衡增加-169.1mm。1961-2006年間,氣候狀況從暖干轉(zhuǎn)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(zhì)量平衡和累積質(zhì)量平衡的變化

由圖2可知,雖然降水量總體呈增加趨勢(shì),但1961-2006年期間的累積量有所減少,負(fù)質(zhì)量平衡與研究區(qū)域的降水量和溫度增加有關(guān)。這一結(jié)果表明,變暖的影響可能會(huì)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(duì)河流流量的影響

冰川質(zhì)量平衡的變化反映了冰川系統(tǒng)的預(yù)算,負(fù)質(zhì)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(zhì)量平衡呈負(fù)相關(guān),見圖3。冰川徑流與質(zhì)量平衡的相關(guān)性給出了小于-0.93的R系數(shù),在0.01水平上非常顯著。此關(guān)系是合理的,因?yàn)楦?fù)的質(zhì)量平衡會(huì)導(dǎo)致更多的冰川融化。以上結(jié)果表明,冰川徑流量的變化主要受質(zhì)量平衡波動(dòng)的控制。

圖3 冰川徑流與質(zhì)量平衡的回歸關(guān)系

由于溫度升高,塔里木河流域(TRB)的冰川徑流顯著增加。對(duì)1961-2006年各子流域的年度冰川徑流序列進(jìn)行估算,見圖4。結(jié)果表明,冰川徑流在過去46年中有所增加。在1961-2006年的整個(gè)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(dá)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(duì)河流流量的貢獻(xiàn)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(fā)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(gè)關(guān)鍵年份,從強(qiáng)烈的減少趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)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(shì),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(duì)河流流量的影響增加。

圖6 4條源頭冰川徑流對(duì)河流流量貢獻(xiàn)的變化

表4為平均降水量、氣溫、質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量損失,年降水量增加11.4mm彌補(bǔ)了這一損失,相當(dāng)于在不增加降水的情況下-361mm/℃的質(zhì)量平衡變化。

通過分析河流流量和質(zhì)量平衡發(fā)現(xiàn),質(zhì)量平衡的100mm變化可能導(dǎo)致16.94×108m3的河流流量波動(dòng)。46年期間,TRB的總累積質(zhì)量平衡為-6.8m,相當(dāng)于對(duì)河流流量的1 151.92×108m3貢獻(xiàn),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(zhì)量平衡、冰川徑流及河流流量的變化

5 結(jié) 論

本文根據(jù)國家氣象站的月降水量和溫度數(shù)據(jù),采用度日模型,評(píng)價(jià)了塔里木河流域(TRB)中的冰川質(zhì)量平衡和冰川徑流,研究了冰川徑流量變化對(duì)塔里木河流域河流徑流量的影響。結(jié)果表明,1961-2006年間,塔里木河流域(TRB)的冰川質(zhì)量平衡呈顯著下降趨勢(shì)。河流流量和冰川徑流量變化總體呈增加趨勢(shì),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(zhì)量的損失。塔里木河流域(TRB)的總累積質(zhì)量平衡為-6.8m,相當(dāng)于對(duì)河流流量1 151.92×108m3的貢獻(xiàn),約為塔里木河流域(TRB)年度河流徑流量的3.2倍。