河西内陆河流域物质平衡和融水径流的重建

河西内陆河流域物质平衡和融水径流的重建

作为一个“固体水库”，四川西北部干旱地区水资源丰富，是维持生产和生活的重要水源之一。深入开展中国西北内陆河流域冰川融水径流的形成与转化以及对径流的影响与机理研究,是该地区水资源合理利用与生态环境建设的重要科学基础。自20世纪中期以来,在全球性气候转暖的背景下,中国冰川普遍退缩,冰川融水径流量增加,对中国西部生态环境产生重要影响。因此探讨全球变暖背景下冰川水资源的可能变化及对河川径流的影响已是当今水科学的热点领域之一。河西内陆河流域冰川融水约占出山径流的13.8%(疏勒河干流占32.8%),是河西商品粮基地赖以发展的命脉。20世纪80～90年代,杨针娘估算的河西内陆河流域冰川径流总量为10.0亿m3;康尔泗经过修正补充发表的数字是9.99亿m3;谢自楚应用冰川系统对气候变化响应的功能模型,估算的数字为11.94亿m3。然而上述研究都没有给出河西内陆河流域冰川融水在长时间尺度的连续变化过程。因此,本研究以度日模型为基础,从水量平衡的角度重建了流域内冰川物质平衡和融水径流系列,分析了冰川融水径流在不同流域分布的空间特征,并对其变化进行了综合评估,为研究冰川与融水径流变化及其对流域水资源的影响提供了科学基础。1河西流域经济水系河西内陆河流域在地理位置上处于中国西北干旱地区和青藏高原边缘,大致位于37°17′～42°48′N,93°23′～104°12′E之间,总面积为27.11万km2。流域四周为高山、高原与盆地相间的地理环境所围绕,形成了干旱地带独特的水循环系统。本区河流由东向西分属石羊河、黑河和疏勒河3大水系,大小内陆河共56条。其中,设置水文测站的山区河流共23条,大部分已有40年以上的实测资料系列,本研究从中选取有代表性且实测系列长度超过40年的若干条河流出山口水文站的径流观测资料作为分析计算的基本数据(图1)。据中国冰川编目结果统计,河西内陆河水系共发育有冰川2194条,冰川面积1334.77km2,冰储量61.54km3。冰川主要分布在疏勒河水系和北大河水系,占全流域冰川面积的63.7%与21.8%。因而,冰川融水也主要来自这些流域。2数据和方法2.1气温系列的变化流域内部及周边15个国家气象台站1961～2006年同期的月降水和月气温系列(图1);1∶25万的数字高程模型(DEM)和模拟流域内经过修正的1∶10万的第1次冰川编目矢量图;受人类活动影响较小的出山口及其以上流域14个水文站(图1)1961～2005年的年径流资料。2.2冰的融水径流及冰的整理流程采用度日物质平衡模型模拟冰川融水的变化,模型以气温和降水作为计算物质平衡的驱动数据,并计算相应的冰川融水径流。模拟的时间尺度为月尺度,计算单元为水文站控制的子流域。对于冰川与积雪消融来说,度日物质平衡模型的计算方法如下:A=FDDPDD(1)A=FDDΡDD(1)式中A为某时段内冰川或雪的消融水当量,mm;FDD是冰川或雪的度日因子,mm/(d·℃);PDD为同一时段内的正积温,一般由下式获取:PDD=∑t=1nHtTt(2)ΡDD=∑t=1nΗtΤt(2)式中Tt为某天的日平均气温,℃;Ht为逻辑变量,当Tt≥0℃时,Ht=1;当Tt<0℃时,Ht=0。本研究中计算的正积温是根据刘时银等提出的算法,假定气温呈正态分布来计算的。每个高度带上物质平衡与融水径流计算如下:ba,i=∫t1t0PS−[(1−f)Ai]dt,QR,i=∫t1t0[(1−f)Ai+PL]dt(3)ba,i=∫t0t1ΡS-[(1-f)Ai]dt,QR,i=∫t0t1[(1-f)Ai+ΡL]dt(3)式中ba,i为第i高度带冰川物质平衡量,mm;Ai为第i高度带冰川或雪的消融水当量,mm;PS、PL分别为固态和液态降水,mm;QR,i为第i高度带冰川融水径流深,mm;f为再冻结比例,即冰川融水在产汇流过程中重新冻结的比例,根据天山乌鲁木齐河源1号冰川的研究确定;t0、t1为平衡年代起、止时间(当年10月到次年9月)。整个流域平均冰川物质平衡与融水径流为B=1Sg∑i=1ns(i)ba,i,Q=∑i=1ns(i)QR,i(4)B=1Sg∑i=1ns(i)ba,i,Q=∑i=1ns(i)QR,i(4)式中B、Q分别为子流域平均冰川物质平衡与冰川融水径流;s(i)为第i高度带的冰川面积,Sg为子流域的冰川面积。度日模型进行计算时,假定冰川消融中先用雪度日因子计算积雪消融,若积雪完全融化并有剩余正积温时,则用冰度日因子和剩余正积温计算冰川冰的消融。具体的计算流程及主要参数见文献。重点对模型的雪、冰度日因子、降水梯度、气温递减率确定如下。(1)选取降水梯度石羊河、黑河与北大河流域的降水梯度是依据文献资料提供的结果(表1),在最大降水高度带上下取不同的降水梯度。疏勒河和党河流域的降水梯度依据2009年疏勒河流域老虎沟12号冰川积累区海拔4900m、大本营4189m以及疏勒河流域的鱼儿红气象站海拔2417m实测资料计算所得(表1)。(2)气温递减率测定石羊河流域根据国家气象台站的气温数据按纬度与月份进行气温梯度的统计所得;黑河流域气温递减率由文献得到;北大河、疏勒河和党河流域的气温递减率依据2009年疏勒河流域老虎沟12号冰川粒雪盆海拔5040m、大本营4189m气象站实测资料计算所得(表2)。(3)日度因子确定河西内陆河流域到目前为止只有祁连山“七一”冰川有度日因子的计算。模型所用的度日因子首先根据邻区的度日因子观测值进行反距离倒数插值获得初值,进而通过模型验证,对度日因子进行调整。在调整的过程中假定度日因子是流域冰川的平均度日因子,没有考虑其时空变化。同时,张勇等的研究表明雪度日因子大约是冰度日因子的58%,模型基本以这个统计值来确定积雪和冰川冰度日因子的比例。调整后的度日因子如表3。3地层物质平衡与年冰流量相关分析河西内陆河流域在流域尺度上是没有实测冰川物质平衡与冰川融水径流资料的,只有老虎沟12号冰川、“七一”冰川和冷龙岭水管河4号冰川以及羊龙河5号冰川有相对全面的观测,可作为参考。因此,模拟结果的对比验证只能从以下几方面进行:(1)物质平衡将北大河流域“七一”冰川的实测年物质平衡与模型模拟的北大河冰川物质平衡进行对比分析,可以看出二者在变化趋势上是基本一致的(图2),表明区域尺度上的物质平衡与单条冰川的物质平衡在多年尺度上变化规律基本一致。(2)冰川融水杨针娘利用单条冰川的实测冰川区径流量,并将流量资料延长,求得1957～1983年冰川融水径流的同步系列,这与模型计算的河西内陆河流域1961～1983年冰川融水径流量较为一致(表4)。(3)平衡线高度模型计算的1961～2006年平均平衡线高度(AELg)与中国冰川编目中用赫斯法量算的平衡线高度(AELh)基本吻合(表5)。4模拟结果4.1石羊河—冰川物质平衡变化模型估算了河西内陆河流域1961～2006年冰川物质平衡变化序列(图3)。可以看出2000年之后是河西内陆河流域自1960年以来物质亏损最严重的时期,石羊河和黑河从1961年以来一直呈现负平衡,46年累积物质平衡分别为-5.9m和-4.7m,疏勒河、北大河和党河从1961年以来从正平衡逐步转为显著的负平衡,在1990年之前以正平衡为主,表明祁连山西段河流流域冰川物质平衡基本稳定,在1990年之后才出现强烈的亏损状态。从东段的石羊河到西部的疏勒河物质平衡出现明显的区域差异,从东段山系到西段山系,物质平衡从强烈的负平衡到微弱的负平衡状态过渡。东段石羊河主要受夏季季风影响并且处于迎风面,降水较多;西段的疏勒河和党河流域主要受西风气流的控制,降水和东部相比偏少;而黑河处于这两个气流的交汇带,降水居中;同时,由于地形条件、气候背景的差异,气温的分布也呈东高西低的格局。所以,东部冰川发育以其巨大的物质水平来维持,而西部冰川发育以其较大的冷储条件和较高的海拔高度来维持。在气候变化背景下,东部冰川对气候变化的响应相对西部冰川较敏感。1961～2006年整个河西内陆河流域平均冰川物质平衡为-49.5mm/a,累积物质平衡-2.3m(图4)。1991年之后物质平衡呈显著的负平衡,平均物质平衡为-208.0mm/a,与1961～1990年相比物质平衡平均年增加-243.0mm。4.2区域冰川融水补给模型估算的河西内陆河流域各水系冰川融水径流变化序列如图5,可以看出从1961～2006年河西内陆河流域各河流冰川融水都呈增加趋势,整个河西内陆河流域年平均冰川融水量为10.2亿m3,2000年之后是46年来冰川融水径流量最大的时期,平均融水径流量达14.8亿m3,高出多年平均值45.0%。由于各流域冰川面积不一,冰川融水径流量以及补给比重差异较大,西段的疏勒河和党河冰川融水径流量可达4.79亿m3、1.66亿m3,融水补给比重超过30%;北大河流域(包括洪水坝河)冰川融水径流量为1.88亿m3,融水补给比重也达到了22.9%;黑河流域冰川面积较小,融水径流量为1.06亿m3,各支流的融水补给率在5%～15%之间。东段的石羊河流域具有高积累强消融的特点,物质平衡水平较高,但是冰川面积较小,冰川融水径流量只有0.61亿m3,融水补给率不到10%。模型计算的冰川融水补给比重与杨针娘估算的融水补给率相比总体偏大,这主要是由于1990年以来冰川融水急剧增大,冰川退缩对河流径流的影响在不断加强。图6为河西内陆河流域冰川融水径流总量和融水补给率(出山口水文站控制流域的冰川融水补给比重)变化趋势,二者变化过程基本一致,总体呈上升的趋势,融水补给率从1961～1990年的15.1%增加到1990年之后的19.4%。在模型计算中冰川面积取第一次编目资料,没有考虑近年来由于气候变暖、冰川退缩变化带来的冰川融水径流的减少,这会导致计算的冰川融水径流在后期偏大,这一问题的解决要依赖于冰川动力模式。气候变暖将会加剧冰川消融,导致冰川融水的增加,但随着冰川退缩,冰川面积减小,冰川融水径流在某一时刻将开始减少。5物质平衡与融水补给(1)以冰川编目数据库为基础,应用月尺度的度日模型,建立了以流域为单元的冰川融水径流模型。(2)河西内陆河流域1961～