祁连山冻土特征及其对流域径流的影响

祁连山冻土特征及其对流域径流的影响

中国西部贫困地区的水文过程受到冻土、季节冻土和炎热季节的影响。祁连山山区河流约50%以上的面积分布于海拔3500m以上的高度带,这里是多年冻土和季节性冻土、高山积雪和冰川发育的地区。然而在我国开展冻土水文过程研究工作起步较晚,且报道很少,仅有中科院兰州冰川冻土研究所的部分研究成果。利用祁连山北坡中段大野口流域的气象、水文、冻融过程等基础资料,探讨该流域季节性冻土的特征和其对径流形成过程的影响,对推进这一领域的研究具有重要意义。1寒温性森林植被试验区位于祁连山中段西水林区(E100°17′,N38°24′),属高寒半干旱、半湿润山地森林草原气候。年平均气温0.5℃,年降水量435.5mm,年蒸发量1051.7mm,年均相对湿度60%,海拔2500~3750m。森林植被是以青海云杉林(Piceacrassifolia)为主的寒温性针叶林,建群种青海云杉呈斑块状分布于阴坡、半阴坡;祁连圆柏(Sabianprzewalskii)呈小块状分布于阳坡、半阳坡;灌木优势种有金露梅(Potentillafruticasa)、箭叶锦鸡儿(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)、鲜黄小蘖(Berberisdasystachya)、蒙古绣线菊(Spiraeamongolica)等;草本主要有珠牙蓼(Polygonumviviparum)、苔草(Carex)和针茅(Stipa)、黄芪(Hedysarum)、莴苣(Lactuca)、蒿(Artemisia)、火绒草(Leontopodium)、白藜(Chenopodiumalbum)、委陵菜(Potentilla)、蒲公英(Taraxacum)、棘豆(Oxytropis)、大戟(Euphorbia)、车前(Plantago)、鲜马蔺(Irisensata)等。土壤主要是山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土。2学习方法2.1冻土器的测定在试验流域内分别海拔2570、2700、2900、3100、3300m选择有代表性的地段设置冻土器,2570、2700m每天测定一次,其它点每旬一次。2.2林内、林外草地气象因子观测分别在海拔2570、2700m设置气象观测站(海拔2700m分别林内、林外草地各设置一个),根据国家二级气象站的观测标准测定其大气温度、湿度、降水、蒸发、地温等气象因子。2.3流量法在小流域海拔最低处,选择一不透水的基岩层,修建一复合量水堰,测定流出小流域的水量变化。3结果与分析3.1辽山市森林冷冻土的特点3.1.1不同海拔高度土壤冻结的铁路运动祁连山区土壤每年的10月20日左右开始冻结,第二年5月20日左右达到冻结最大深度。较低海拔的土壤到第二年的8月20日左右消融结束,但在林地条件下,于次年的10月22日左右才能全部消融。土壤季节性冻土随着海拔的升高,在相同深度的冻结层,其冻结出现的时间较早,但在相同深度的融化层,其融化出现时间较迟;阳坡的解冻时间早于北坡,而冻结时间则相反。在不同的海拔高度,土壤冻结的速度也不一样。海拔2570m与2700m,土壤冻结的速度相对缓慢,平均每旬2cm;而在海拔2900、3100与3300m,土壤冻结的速度相对较快,平均每旬为5cm(图1)。上述现象,除与海拔的梯度变化有关系外,还与土壤的含水量大小有关系。3.1.2土壤冻结分布情况在祁连山的中西段,主要的植被类型有草原、灌木林和青海云杉林。草地、灌木林地与青海云杉林地相比较,林地土壤的冻结比草地的土壤冻结要早20d左右,而全部消融的时间也比草地晚近15d。土壤冻结深度与土壤厚度有关系,在海拔较低地段,土层较厚,土壤冻结深度草地达到174cm,而林地却达到235cm,灌木林地由于其分布海拔较高,土层相对较薄,冻结厚度达到110cm。草地的土壤冻结速度较慢,平均每旬为2cm;灌木林地与青海云杉林地土壤冻结速度平均每旬有5cm(图1),这与草地、灌木地与青海云杉林地在山体上的分布位置有关系。草地分布于阳坡和半阳坡,而林地则分布于阴坡与半阴坡。沿海拔梯度由低到高,依次分布草原、青海云杉林和亚高山灌木林。同时,森林对气候的调节作用,也影响到土壤冻结消融情况。另外,林地土壤水分渗透作用强,土壤含水量相对偏高,也是造成这种现象的主要原因。3.2冻土党2月10日从祁连山大野口林区标准气象站观测的数据看出,森林冻土的厚度变化与气温的变化并不同步。气温最低每年大约出现在12月29日前后,而此时的冻土厚度才达到93cm,占最大冻土厚度的56.71%。2月10日左右,气温开始逐渐回升,至7月22日升到最高,达到31.1℃,但冻土从地表融化却从3月10日才开始,同时在冻土下界,仍然在往下冻结。5月20日左右达到最大下限,下层冻土开始融化,而且融化速度逐渐加大;随着积温的逐渐增加,土壤的融化速度在7月30日后达到最高值(图2)。出现这种情况与积温的逐渐增加有很大关系。3.3森林中的冻土影响径向流3.3.1不同季节的径流变化冻土活动层深度受地形、坡向、海拔、岩性、土壤含水量与下垫面状况制约。(1)随着海拔升高,在相同的融化层深度,其融化出现时间逾迟;(2)干土层比湿土层解冻深度深;(3)阳坡的解冻时间早于阴坡,而冻结时间则相反。不同季节的径流变化是:春初,因地表层土壤处于冻结状态,流域内基本无地表径流形成,5月初表层土壤已处于正温,有融雪过程,但融水较少,以及流域的填洼作用,地表径流十分微弱。春末夏初,融雪加快,而且此时冻土消融尚浅,存在的冻土层如隔水层一样,阻止水流入渗,在满足流域表层初损之后形成地表径流。所以,山区在春末夏初,往往形成径流高峰。盛夏,低海拔处的冻土已达到最大融化层深度,季节冻土层消失,流域的调蓄能力增强,下渗及蒸发量大,洪峰削减,故夏季洪峰不如春季洪峰大(除特大暴雨外)。冬季,地表水、降雪和土壤冻结,河川径流靠泉水与深层地下水补给,沿河谷两岸多处出现冰锥,土壤冻结把大量的壤中流以冰晶的形式存贮进来。3.3.2冻结面基本消失,土壤通过地下径流生长沿河谷两岸的活动层较浅(1.0~1.5m),地下水相当丰富。由河谷向两面山坡延伸,活动层增厚,地下水位变深。上游河谷活动层内的地下水受季节性变化的影响较为明显,如海拔3400m的上游试验点,6月的冻结面0.5m;7~8月的冻结面基本消失,地下水位由0.5m上升到1.0m左右;9~10月因气温降低,地表即无融水雨水又少,加之,土壤基本上完全解冻,下渗作用增强,相应的地下水位下降。同时,部分地区土壤开始结冻,冻结面由底部上升。上游河谷的地下水位是与山坡浅层泉水出露有关,而位于下游山坡的地下水位明显是与降水入渗有关。当雨季到来之时,降水使土壤含水量增加,流域储水量增大,相应的地下水位逐渐升高;在无降水时,土壤储存的水以地下径流的形式向河谷排泄。到秋季气温下降到0℃以下,固态降水出现,相应的地下水位下降,因双向冻结面逐渐上升,地下冰增厚,可见,流域的地表径流直接受活动层内的水位冻结面变化的影响。3.3.3冻土下径流生长情况为了便于研究森林对河川径流量的影响,选择面积为2.95hm2的小流域进行水量观测,观测数据显示,每年的11月10日开始,水量趋于稳定,在0.001m3/s上下波动。4月中旬以后,随着冻土融化程度的加快,径流流量的初始变化并不明显,但当冻土融化到达到145cm时,径流流量增加很快,至7月20日达到最大,为0.07526m3/s,以后又很快下降,至7月25日左右,逐渐开始回升,径流的变化情况与冻土的厚度基本成反比关系(图3)。森林冻土对河川径流的这种作用是对降水径流作用的调节,离开降水而单独谈冻土的径流作用无实际意义,冻土是影响径流的其中一个因子。4冻土厚度随季节的变化祁连山区土壤每年的10月20日左右开始冻结,第二年5月20日左右达到冻结最大深度。较低海拔到第二年的8月20日左右消融结束,但林地条件下,于次年的