基于dem的塔里木河流域冰雪物質平衡和融水徑流分析

中國西部山區廣泛分布的現代河流是中國西北干旱和半干旱地區地表水資源的重要組成部分。同時，河流流量是干旱內陸河流域水分解積層非常寶貴的淡水資源。在不同的時間間隔內，由于冰雪的集體變化，這將不可避免地導致河流流量的豐和程度變化。同時，河流和河流之間的物質平衡是共同因素，是導致河流規模和流量變化的基礎[2.4]。因此，恢復河流和河流流量的計算非常重視。隨著世界變化的影響，中國西部的河流普遍減少，水循環惡化，尤其是在高緯度和高山地區。特別是1986年至1987年西北部氣候變化以來，西藏逐漸減少，物質嚴重短缺。塔里木河流域是中國最大的內陸河流域，主要用于河流和雪水的收集。可靠的，由于河流中持續不斷定位和觀測的河流數量有限，因此很難直接獲得流域中河流的平衡。沈永平等人根據水文和氣候變化的特點，根據統計力學和最大熵的原理，計算了流域內河流的物質平衡的計算公式，并估算了1957年至2000年的河流平均值。該方法需要多年觀察水文站記錄的流量和降水數據。劉世銀等人利用該盆地內一些遙感監測的川面變化來估計塔里木河流區1973年至2000年的川面變化以及冰川變化對徑向流的影響。然而，上述研究難以全面分析塔里木河流區內川氣候變化與云、氣、河流量變化之間的復雜關系。沒有更精確地預測未來的趨勢。因此，基于廣泛的時間模型，從流量平衡的角度重建了流域內河流和河流的流量平衡，建立了氣、河、河、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河三、河。1塔里木河流域分布現狀塔里木河流域是我國最大的內陸河流域,流域總面積1.02×106km2,它是由環塔里木盆地的阿克蘇河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開都河-孔雀河、迪那河、渭干河與庫車河、克里雅河以及車爾臣河等9大水系144條河流組成.受水資源開發利用的影響,目前與塔里木河干流有地表水力聯系的只有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河三條源流,開都河通過揚水站從博斯騰湖抽水經庫塔干渠向塔里木河下游灌區輸水,形成“四源一干”的格局.塔里木河干流長約1321km,自身不產流,主要產流區集中分布在塔里木盆地周邊的天山、東帕米爾高原、喀喇昆侖山、昆侖山高大山系的現代冰川作用區及中山帶草原/森林區(圖1).目前,在匯入塔里木河的三源流中,阿克蘇河是塔里木河水量的主要補給來源,補給量占73.2%,和田河為23.2%,葉爾羌河只占3.6%.流域內氣候干燥、干旱少雨、晝夜溫差大,是典型的大陸性氣候,年均溫度10.6~11.5℃,多年平均降水量17.4~42.8mm,蒸發量為1125~1600mm.據中國冰川編目結果統計,塔里木內流水系中國境內共發育有冰川11665條,冰川面積19877.65km2,冰儲量2313.29km3,分別占全國相應總量的25.2%,33.5%和41.3%,是中國冰川分布數量最多和規模最大的水系.在塔里木河流域各大支流中,冰川主要分布在葉爾羌河、和田河、喀什噶爾河、克里雅河、阿克蘇河和渭干河等大流域.這些流域分布的冰川面積占塔里木河流域冰川總面積的94%,其中和田河和葉爾羌河流域的冰川面積占全流域冰川面積的54%.因而,冰川融水徑流也主要來自這些流域.2學習方法2.1時,ht計算本模型采用氣溫和降水來做為計算物質平衡的輸入,并計算相應的冰川融水徑流.模型的時間尺度為月尺度,計算單元為上游沒有水文站的子流域,模型計算選用的水文站分布如圖1.驅動為流域周邊國家氣象站點1961~2006年月氣溫和月降水數據.對于冰川與積雪消融來說,度日物質平衡模型的計算方法如下式:式中:A是某時段內冰川或雪的消融水當量(mm);DDF是冰川或雪的度日因子(mm·d-1·℃-1);PDD是同一時段內的正積溫,一般由下式獲取:式中:Tt為某天的日平均氣溫(℃);Ht是邏輯變量,當Tt≥0℃時,Ht=1;當Tt<0℃時,Ht=0.本研究中計算的正積溫是根據劉時銀等提出的算法,假定氣溫呈正態分布來實現的:式中:Bn為某時段內的冰川物質平衡量(mm),P為某時段內的冰川區固態降水量(mm).子流域冰川融水計算如下:Q為子流域冰川融水,s(i)第i高程帶的面積,f為再凍結比例,Pliq(i)第i高程帶的液態降水.圖2為度日模型的計算流程.首先,利用流域內部及周邊氣象臺站站點進行冰川末端高度的月降水和月氣溫數據插值,月氣溫插值采用李新等提出的綜合方法.然后,再利用氣溫遞減率和降水梯度生成各高程帶內的月氣溫、降水,并根據度日模型輸出各高程帶的冰川物質平衡、積累、消融和融水徑流,最后由各高程帶的融水徑流和面積得流域內冰川融水徑流總量.度日模型進行計算時,假定冰川消融中先用雪度日因子計算積雪消融,若積雪完全融化并有剩余正積溫時,則用冰度日因子和剩余正積溫計算冰川冰的消融.模型的輸入是流域周邊氣象站點1961~2006年同期的月降水和月氣溫系列,1:25萬的數字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)和流域內第一次冰川編目的的冰川矢量圖.主要參數包括雪和冰的度日因子、降水梯度、最大降水高度帶、雨雪分離溫度,液態降水臨界溫度、固態降水臨界溫度、液態校正系數、固態校正系數、融水滲浸凍結率、高程分帶間隔等.模型參數的率定原則是根據模型計算的相關結果與同一時段流域內觀測的短期資料以及以前冰川融水評估相關成果對比完成.在有冰川變化分析資料的流域,根據計算時段內的冰川面積變化估算的冰川儲量變化量與模型計算的物質平衡變化量對比也是模型參數調整的依據之一.最后,利用修正后的模型參數重建流域的物質平衡和冰川融水系列,評價其在過去幾十年內對流域水資源量變化的影響.2.2模型參數的確定3主要流域冰川退縮區域物質比較塔里木河在流域尺度上是沒有實測物質平衡與冰川融水徑流資料的,因此,模擬結果的對比驗證只能從以下幾方面進行:帕米爾高原的喀什噶爾河和天山的開都河物質虧損最大,其次是葉爾羌河,和田河、克里雅河和車爾臣河呈現微弱的物質虧損,這與塔里木河流域各個支流冰川退縮的區域規律是一致的.從以上對比驗證可以看出,本模型的計算結果與用不同方法得出的流域冰川特征值非常接近,能夠較好的模擬流域冰川物質平衡、平衡線高度和冰川融水徑流.4模擬結果4.1物質平衡出現區域差異模型恢復了塔里木河流域1961~2006年冰川物質平衡變化序列(圖3).可以看出2000年之后是塔里木河流域自1960年以來物質虧損最嚴重的時期,帕米爾高原的喀什噶爾河和天山的開都河呈現顯著的負平衡,46年累積物質平衡分別為-14.6和-14.5m,葉爾羌河物質虧損也比較嚴重,累積物質平衡達-8.3m.和田河、克里雅河和車爾臣河呈現微弱的負平衡,而且在1990年之前以正平衡為主,表明昆侖山流域冰川物質平衡基本穩定.物質平衡出現區域差異的原因主要是由于各個流域氣候的區域差異造成的,尤其是和田河、克里雅河冰川物質較其他流域損失很小,主要是該區域可能存在一個不連續的降溫帶.整個塔里木河流域1961~2006年平均冰川物質平衡為-139.2mm·a-1,累積物質平衡-6.4m(圖4).1991年之后物質平衡呈顯著的負平衡,平均物質平衡為-240.1mm·a-1,與1961~1990年相比物質平衡平均年增加-154.6mm.在氣候由暖干向暖濕轉型的背景下,1961~2006年塔里木河流域冰川區降水增加了10.7mm,溫度也在持續升高,在降水增加與持續升溫的氣候背景下,物質平衡出現強烈的虧損狀態,其結果是在塔里木河流域冰川區,盡管降水在增加,冰川積累卻呈現下降的趨勢(圖5).強烈的升溫導致冰川物質虧損加劇,同期升溫對冰川的影響超過降水增加的影響,這一結果與烏魯木齊河源1號冰川、海螺溝冰川、唐古拉山冬克瑪底冰川以及祁連山七一冰川的觀測結果一致[41~44].4.2冰融水徑流冰川物質平衡的變化反映了冰川系統的收支狀態,當收入小于支出,物質平衡處于負平衡狀態,消融量增加,冰川融水量也相應增加.通過冰川物質平衡(Bn)與冰川融水徑流(Q)的相關分析可以看出(圖6),二者呈反相關關系,相關系數小于-0.95(α=0.01),即:物質平衡越小,冰川融水量越大.這表明塔里木河冰川融水量的年際變化主要受控于流域內冰川的物質平衡波動.盡管46a來降水在增加,物質平衡卻一直呈下降的趨勢,冰川融水的持續增加主要是由溫度升高引起的.模型估算的塔里木河流域冰川融水徑流變化序列如圖7,可以看出從1961~2006年塔里木河流域各支流冰川融水都呈增加趨勢,整個塔里木河流域年平均冰川融水量為144.16×108m3,從1961~1970的121.05×108m3到1971~1990年的137.99×108m3,1991~2000增加到了157.85×108m3,2000年之后是46年來冰川融水徑流量最大的時期,平均融水徑流量達180.40×108m3,高出多年平均值20.1%.整個塔里木河流域河川徑流量為347.0×108m3,冰川融水補給比重為41.5%.其中塔里木河四源流(葉爾羌河、阿克蘇河、和田河和開都河)冰川融水徑流量為99.85×108m3,占到整個流域冰川融水徑流的69.3%,1961~2006年四源流年平均徑流量為229.68×108m3(塔里木河流域包含的支流較多,難以準確計算整個流域逐年河川徑流量,所以選擇了四源流進行分析),冰川融水對河流徑流的補給率為43.5%,且1991~2006年冰川融水對河流徑流的補給比例由1961~1990年的41.5%增加到46.5%(表8).由此可見,20世紀80年代末西北氣候發生轉型導致的快速升溫促使冰川融水徑流量迅速增加.塔里木河流域46年來,冰川融水徑流和河流徑流變化趨勢十分顯著,河流年徑流量與冰川融水年徑流量的距平累積變化以1993年為轉折年,1993年之前表現波浪式下降趨勢,1993年之后則表現為較快的上升趨勢,1994~2006年二者同時發生了增多的躍變(圖8),這與徐海量等研究塔里木河徑流變化的結論一致,氣候的暖濕變化在出山徑流與冰川徑流中得到了很好的體現.同時,塔里木河流域出山徑流年際變化與冰川徑流年際變化過程基本一致,二者總體上呈上升的趨勢,46a間冰川融水對河流徑流的補給率總體上也呈增加趨勢(圖9),表明流域河流徑流的豐枯變化主要受冰川融水波動控制,冰川退縮對河流徑流的影響在不斷加強.從塔里木河四源流冰川不同時段平均降水、氣溫、冰川融水徑流和河流徑流變化分析可知(表9),1991~2006年與1961~1990年相比,冰川融水徑流量增加了178.1mm(24.11×108m3),相當于增加了26.4%,其中約1.6%來源于降水增加,24.8%來源于冰川物質損失;河流徑流增加了28.13×108m3(12.8%),其中約1.8%來源于降水增加,11.0%來源于冰川融水徑流的貢獻,即河流徑流增加量的85.7%來源于冰川退縮的結果.氣溫升高0.5℃導致167.4mm的冰川物質損失,它是在克服10.7mm降水(假設全為固態降水)后的結果,相當于物質平衡變化-356.2mm·℃-1.對流域冰川物質平衡和河流徑流的分析可知冰川物質平衡變化100mm可引起河流徑流變化16.80×108m3,而整個塔里木河46a累積物質平衡-6.4m,相當于額外補給河流徑流量1075.46×108m3,約為塔里木河年徑流量的3.1倍.5塔里木河流域冰流速動態分析本研究應用月尺度的度日模型,模擬了1961~2006年塔里木河流域平均冰川物質平衡和冰川融水徑流序列,分析了冰川物質平衡與融水徑流變化的趨勢、特征以及對河川徑流的影響,對模型的模擬結果進行了對比驗證.(1)塔里木河流域1961~2006年逐年平均冰川物質平衡表現為負平衡,但負平衡的數量存在顯著的區域差異.整個塔里木河流域1961~2006年平均冰川物質平衡為-139.2mm·a-1,累積物質平衡-6.4m.46a冰川物質一直在加劇虧損,同期,升溫對冰川的影響超過降水增加的影響.(2)模擬結果表明,塔里木河冰川融水量的年際變化主要受控于流域內冰川的物質平衡波動.1961~2006年整個塔里木河流域年平均冰川融水徑流量為144.16×108m3,冰川融水補給比重為41.5%.1961~2006年四源流冰川融水對河流徑流的補給率為43.1%,而1991~2006年冰川融水對河流徑流的補給比例由1961~1990年的41.5%增加到46.5%,冰川融水對河流徑流的貢獻在1990年之后明顯增大.同時,四源流河流徑流增加中約85.7%來源于冰川退縮的貢獻.(3)從冰川物質平衡、平衡線高度和冰川融水徑流以及冰川退縮的區域規律對模型進行了對比驗證,表明模擬結果具有較高的可信度.模型模擬的結果還存在一定的誤差,主要包括:1)由于冰川區降水在空間上差異很大,從周圍國家氣象臺站向冰川末端進行降水插值存在一些不確定性,且由于高山冰川區地形的復雜性使得從冰川末端向冰川區推求降水時所采用的降水梯度并不能真實地反映冰川區降水的空間分布狀況.2)模型計算時采用的度日因子沒有考慮時空變化特征,這會給模型模擬結果帶來一些不確定性.3)在模型計算中冰川面積取第一次編目資料,沒有考慮冰川退縮變化帶來的冰川融水徑流的減少,這會導致計算的冰川融水徑流在后期偏大.4)沈永平等依據最大熵原理計算的物質平衡,主要依賴于流域降水計算,而且對降水的不確定性并沒有給出評估,所以,利用最大熵原理計算的物質平衡并不能完全作為模型的驗證資料.塔里木河流域冰川觀測資料極為缺乏,本文從流域尺度上模擬了塔里木河流域各個支流的平均冰川物質平衡、冰川融水徑流序列,將子流域冰川作為一個系統來研究,盡量考慮了降水、氣溫的空間變化,在年尺度上給出較為準確的結果.這為全面評估塔里木河流域在未來氣候變化情景下冰川水資源的變化提供了依據.(1)dem模型求解根據流域內冰川矢量圖和數字高程模型(90m)分辨率的DEM)按100m高程分帶間隔生成塔里木河各水系出山口水文站控制流域的冰川面積高程分布.模型在計算過程中,各高程帶相互獨立.(2)降水梯度選取結果依據流域內的短期觀測資料得出的降水梯度以及文獻中前人對降水梯度的研究和某一海拔高度帶已有的降水資料或者計算成果,再結合流域降水的四季分配規律得塔里木河流域各支流月降水梯度(表1).同時由于冰川區降水遠大于非冰川區,再加之高山區冰川復雜的地形變化,使得利用非冰川區的降水梯度推算冰川區降水時會產生一定的誤差.表1中的降水梯度沒有考慮最大降水高度帶,是流域整體的降水梯度,對于某些高度帶降水模擬可能不準確,只是在流域尺度上力求模擬合理,因為最終計算的也是流域尺度上的冰川融水徑流.(3)市場調度的相關性分析對西部242個國家氣象臺站的氣溫數據分別按緯度與月份和緯度與高程進行月氣溫梯度的統計,結果表明,區分不同緯度與月份和不同緯度與高程可明顯提高其統計關系的相關性,而且按緯度與月份進行氣溫梯度的統計其相關性更好,所以本文的氣溫梯度都是按緯度與月份統計的,結果如表2所示.(4)調整+雙粒度因子塔里木河流域只有零星幾條冰川利用短期觀測資料得出的度日因子值(表3).模型所用的度日因子首先根據鄰區的度日因子插值獲得初值,進而通過對模型驗證,調整度日因子.調整后的度日因子如表4,與表3中的度日因子相比有一些差距,其原因可能包括以下幾方面:1)模型確定的度日因子是流域冰川的平均度日因子,沒有考慮其時空變化,而天山南坡科其卡爾巴契冰川的觀測資料表明,度日因子具有明顯的年際、高程、月份變化.2)實際觀測冰川的度日因子,大多由短期野外考察和觀測資料得出,觀測時段也都比較短,最短的只有幾天,并且這些度日因子值都是某個高度帶或觀測點上的值,并不能代表整個流域冰川區平均度日因子.(5)關于數的編碼固、液態降水臨界溫度和固、液態降水校正系數是根據烏魯木齊河源和祁連山的觀測結果及相關研究確定的;融水滲浸凍結率是根據天山烏魯木齊河源1號冰川的研究確定(表5).(1)區域表面活性劑平衡表6為文獻中估算的冰川物質平衡與同期模型計算的物質平衡,可以看出除了帕米爾高原冰川流域模擬的物質平衡偏高之外,其他流域計算的冰川物質平衡與文獻中估算的都是比較接近的.模型計算的1962~2002年位于帕米爾高原的喀什噶爾河和位于喀喇昆侖山的葉爾羌河冰川平均年物質平衡分別為-312.0mm與-169.2mm,昆侖山流域冰川物質平衡基本穩定,同期,沈永平和王順德估算的帕米爾和喀喇昆侖山的冰川流域年物質平衡約為-150mm,昆侖山流域冰川物質平衡也基本穩定,帕米爾的冰川流域模擬的物質平衡偏高,這可能與模型計算時并沒有考慮冰川面積的動態變化有關,而帕米爾高原又是塔里木河流域冰川面積萎縮最嚴重的區域;1961~1990年葉爾羌河流域冰川平均年物質平衡為-117.5mm,西昆侖山的玉龍喀什河流域冰川年物質平衡為-29.2mm,利用最大熵原理計算的1954~1