松花江流域融雪徑流及其影響因素

朱景亮， 齊非非， 穆興民， 范昊明

(1.中國科學(xué)院 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；

2.松遼水利委員會， 吉林 長春 130021； 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)， 遼寧 沈陽 110866)

松花江流域融雪徑流及其影響因素

朱景亮1,2， 齊非非3， 穆興民1， 范昊明3

(1.中國科學(xué)院 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；

2.松遼水利委員會， 吉林 長春 130021； 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)， 遼寧 沈陽 110866)

資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“東北黑土低山丘陵區(qū)融雪侵蝕機理與過程研究”(41371272)

第一作者：朱景亮(1970—)，男(漢族)，吉林省松原市人，博士研究生，高級工程師，主要從事水資源管理方面的研究。E-mail：zjl@slwr.gov.cn。

摘要：[目的] 定量分析松花江融雪徑流變化過程，并探討降雪量、溫度、輻射等因素對融雪徑流的影響，為松花江流域融雪徑流調(diào)控和利用提供依據(jù)。[方法] 采用Mann—Kendall檢驗、移動平均、斜率估計等方法，對松花江流域1956—2010年的降雪、氣溫、輻射、徑流量等進(jìn)行分析。 [結(jié)果] (1) 春季解凍期松花江徑流量介于1.26×108~1.20×1010m3/a，且呈減小趨勢； (2) 該時段流域內(nèi)氣溫上升明顯，增加幅度達(dá)0.047 ℃/a，大于年平均溫度變化幅度0.036 ℃/a； (3) 輻射值在研究期內(nèi)呈現(xiàn)減小趨勢，多年平均及解凍期輻射值降幅分別為5和8 J/(m2·a)； (4) 降雪量逐年增加，從流域降雪量分布來看，松花江干流自東向西遞減，松花江上游支流嫩江流域降雪量自北向南降雪量逐漸減小。降雪量與融雪徑流變化一致。[結(jié)論] 溫度升高為融雪創(chuàng)造條件的同時也增強了蒸發(fā)作用，而降雪量的增加并不足以抵消溫度對融雪的影響。

關(guān)鍵詞：解凍期； 融雪徑流； 松花江流域

融雪徑流是春季解凍期松花江水量主要來源，徑流量受冬季穩(wěn)定積雪量和開春期溫度等條件共同影響。冬季積雪量是物質(zhì)基礎(chǔ)，其他因素為融雪創(chuàng)造環(huán)境條件。徐興奎[1]對我國降雪量和空間分布研究表明，我國能夠形成地表積雪的地區(qū)主要位于中國北方和西南高原地區(qū)，地理位置以及主控氣候系統(tǒng)決定了中國北方地區(qū)主要降雪量和積雪形成于秋冬兩季。針葉林的截雪量大于落葉林，因此，針葉林內(nèi)積雪厚度要小于落葉雜木林[2]。但在融雪期，郁閉度小的樹林吸收太陽輻射較多，融雪速度大于郁閉度大的樹林。王金葉[3]在祁連山林區(qū)研究表明，陽坡光照強，降雪在短時間內(nèi)融化，不能形成積雪；陰坡喬灌混交林積雪最厚，灌叢林次之，喬木林林緣積雪效應(yīng)強烈，往往在迎風(fēng)面林緣形成高于林內(nèi)10倍以上的積雪。灌木區(qū)積雪量大于稀疏的苔原區(qū)[4]。在冬季郁閉度較小的次生白樺林內(nèi)的積雪厚度冬季最大值為45 cm，比同期郁閉度較大的云冷杉紅松林內(nèi)積雪厚14.7 cm。次生白樺林內(nèi)的積雪量大，在春季所提供的融雪徑流量要比其它林型多[5]。氣溫以及積雪量都會對融雪產(chǎn)流時間造成影響，融雪徑流時間的改變是對控制流域融雪氣候狀況的一個綜合反映。融雪徑流發(fā)生時間、產(chǎn)流速度等對以融雪徑流補給為主的流域水資源開發(fā)利用具有重要意義。融雪時間的提前會改變年徑流總量及其季節(jié)分配[6]，進(jìn)而影響下游地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水分配和水庫的調(diào)度運行。積雪消融過程極其復(fù)雜，對于季節(jié)性積雪地區(qū)而言，氣溫變化是積雪融化的決定因素。隨著春季到來，太陽高度角不斷增加，地面接收到短波輻射持續(xù)增加，溫度回升，為融雪創(chuàng)造條件。下墊面條件也是積雪消融重要影響因素，如：地形、坡度、地表植被類型、海拔高度以及融雪期降雨。坡向決定了積雪可接受的日照輻射量，從而影響到積雪融化速率。植被覆蓋能減緩融雪速度，而降雨可以加速融雪。坡度在不同程度上決定了太陽入射角度，直接影響雪蓋能量的收入狀況和積雪消融速度。不同樹種、不同森林類型和結(jié)構(gòu)對融雪徑流效應(yīng)的差異顯著[7]。郁閉度較小的雜木林，林內(nèi)積雪能大面積直接吸收太陽輻射而加速融化，融雪速度遠(yuǎn)大于郁閉度大的針闊混交林、紅松林[8]。灌木對輻射的反射率低，吸收太陽總能量高，并能夠進(jìn)行較好的能量傳遞，將太陽輻射能量傳送給林下積雪，使其融化加速。本研究定量分析松花江融雪徑流變化過程，并探討降雪量、溫度、輻射等因素對融雪徑流的影響，為松花江流域融雪徑流調(diào)控和利用提供依據(jù)。

1資料與方法

1.1　研究區(qū)概況

松花江全長2309 km，流域面積5.61×105km2，介于北緯41°42′—51°38′，東經(jīng) 119°52′—132°31′之間。松花江區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒且漫長，達(dá)半年之久，夏季溫?zé)?。年最高氣溫?月份，月平均氣溫在17 ℃以上；年最低氣溫在1月份，月平均氣溫在-14 ℃以下。流域年平均降水量比較充沛，水資源較豐富，水質(zhì)較好。年降水量一般在400~700 mm之間，降水主呈現(xiàn)自東南向西北方向遞減的趨勢。汛期雨量集中，6—9月汛期降水量占全年總降水量的70%以上。

1.2　數(shù)據(jù)與處理

降雪、氣溫、太陽輻射量數(shù)據(jù)來源于中國氣象局松花江流域內(nèi)12個氣象站，其中太陽輻射觀測臺站5個，徑流數(shù)據(jù)來源于松花江流域的佳木斯、哈爾濱、庫漠屯、晨明、蘭西、碾子山等站水文站，資料時段為1956—2010年。通過對松花江流域多年氣溫觀察和分析，1—2月松花江流域基本處于冰凍期；每年3—4月氣溫在0 ℃左右，故將3—4月定義為春季解凍期，6月開始進(jìn)入汛期，故把3—5月徑流稱為春季解凍期徑流。研究對氣候及水文序列進(jìn)行了滑動平均、斜率估計，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了Mann—Kendall檢驗及相關(guān)性分析。采用統(tǒng)計方法，分析主要站點的變異特征參數(shù)，如極值比、變異系數(shù)等。

2結(jié)果與分析

2.1　融雪徑流

松花江及其支流主要水文站徑流量變化差異顯著，其變化統(tǒng)計特征詳見表1。由表1可以看出，佳木斯站是松花江干流下游重要水文控制站，地處平原，徑流量明顯高于其他水文控制站，變異系數(shù)與極值比分別為0.36和5.14。哈爾濱站是嫩江與第二松花江匯合之后進(jìn)入松花江的水文控制站，位于松嫩平原區(qū)，徑流量變異系數(shù)為0.37，極值比為5.46。支流庫漠屯站、晨明站、蘭西站變異系數(shù)與極值比均較小，而嫩江中游碾子山站變異系數(shù)和極值比分別高達(dá)0.72和53.22，這是由于碾子山站位于雅魯河流域，屬丘陵溝壑區(qū)，地形起伏較大。

松花江主要水文站年徑流變化一致性較高，1956—1979年變?yōu)椴▌酉陆担?980—1988年徑流量迅速上升，1989—2010年徑流量呈下降趨勢。蘭西與晨明站略有不同，在1956—1979年間出現(xiàn)了小幅度先上升后下降的波動。從圖1可以看出，55 a間6個水文站徑流量均呈減小趨勢，其中佳木斯站徑流量減小幅度最大，每年以6.68×1010m3的速率減小，其次是哈爾濱站，減小幅度為4.01×1010m3/a。支流蘭西站、庫漠屯站減小幅度較大，其次是晨明站，碾子山站徑流量變化最小。12月至次年3月河道處于封凍期，徑流量小，均低于多年平均徑流量70%左右。3月份開始徑流量開始增加，4月開始增幅較大，約46.49%；5月較4月徑流量增加了5.45×108m3。這幾月恰是松花江流域融雪期。

表1　松花江1956-2010年不同河流水文站徑流量變化特征

圖1　松花江流域徑流量年際變化

圖2為6個水文站徑流量代際分布曲線。由圖2可以看出，徑流量變化情況基本一致，其中20世紀(jì)70年代與21世紀(jì)初期徑流量略低于多年平均徑流量。60年代只有蘭西站出現(xiàn)小幅增加，其余水文站均呈現(xiàn)不同程度減小。70年代徑流量明顯減小，年代際變化曲線在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)第二個波峰，徑流量與多年平均徑流量相持平，之后徑流量開始大幅度減小。

松花江流域春季解凍期徑流量均值在1.26×108~1.20×1010m3/a之間，徑流量均值有大到小依次為：佳木斯>哈爾濱>庫漠屯>晨明>蘭西>碾子山。松花江流域春季解凍期徑流量歷年平均為3.82×109m3。佳木斯站與哈爾濱站變異系數(shù)和極值比非常接近，分別為0.32，4.08；0.31，4.05，均小于年際變化。佳木斯、哈爾濱分別為位于三江平原和松嫩平原，地勢平坦，因而徑流變化較小。支流中，除晨明站變異系數(shù)和極值比較小外其他水文站數(shù)值均較大，變異系數(shù)超過0.6，極值比蘭西站更高達(dá)39.51(表2)。

圖2　松花江流域各水文站徑流代際變化

站點所屬河流支流級別平均徑流量/108m3變異系數(shù)最大值值/108m3年份最小值值/108m3年份極值比庫漠屯甘河213.610.6745.9620043.33197713.81碾子山雅魯河21.260.734.5120100.28198016.16哈爾濱干流—75.130.31128.77198831.8320084.05蘭西呼蘭河15.210.7016.9519880.43200239.51晨明湯旺河19.320.4920.8420053.1220036.67佳木斯干流—119.970.32219.29198853.8120034.08

由圖3可以看出，佳木斯、哈爾濱站徑流量變幅較大，蘭西、晨明、以及庫漠屯站則趨于平穩(wěn)，碾子山站徑流量小且狀態(tài)穩(wěn)定。徑流量變化大體上分為以下3個階段：第1階段為1956—1979年，徑流量呈現(xiàn)波動下降趨勢；第2階段為1980—1988年，徑流量迅速上升；1989—2010是第3階段，該階段徑流量逐漸下降趨于平緩。松花江流域干支流各水文站1956—2010年間春季解凍期徑流量均呈減小趨勢，哈爾濱站、佳木斯站減小幅度分別為5.00×107m3/a和7.00×107m3/a。

2.2　融雪徑流及其影響因素

2.2.1溫度因素松花江流域多年平均溫度為3 ℃，經(jīng)歷了冷→暖→冷→暖四次波動，總體上以0.036 ℃/a的速率上升，55 a來平均氣溫上升2 ℃。春季解凍期平均氣溫為4.82 ℃，上升速率為0.047 ℃/a，遠(yuǎn)大于比同期全國升溫幅度(0.005~0.008 ℃/a)和全球的升溫幅度(0.006~0.002 ℃/a)[9]，與多年平均溫度相比春季解凍期溫度升高幅度更大。松花江流域溫度迅速降低始于11月(-7.84 ℃)。一個降雪周期內(nèi)溫度值的波谷在1月，12月至翌年2月末溫度變化平緩，平均溫度為-17.5 ℃，冬季溫度相對較高。3月起進(jìn)入松花江流域融雪期，3—5月平均溫度從-5.35 ℃上升至13.49 ℃，升溫速度相對較緩，有利于積雪蒸發(fā)，從而導(dǎo)致融雪徑流量減小。從空間分布來看年溫度升高幅度具有自東南向中部遞增再向西北遞減的變化。

2.2.2輻射因素1962—2011年多年平均輻射值為5660 J/m2，呈下降趨勢，降幅為50 J/(m2·a)，49 a來下降了220 J/m2。春季解凍期輻射值降幅約為8 J/(m2·a)。3—5月平均輻射分別為5 870，7 010，8 020 J/m2。除富裕站略有上升外，黑河、佳木斯、哈爾濱、長春站均為下降趨勢。5個輻射射觀測站變化幅度依次為：長春>哈爾濱>黑河>佳木斯>富裕。長春站降幅達(dá)到10.7 J/(m2·a)。佳木斯站下降幅度最小，輻射值降低了180 J/m2。富裕站18 a間輻射值以4.3 J/(m2·a)的速度緩慢上升了近70 J/m2。一年之中春季解凍期輻射最弱。在松花江流域，大氣輻射值差異不大，總體上看，自東部西南遞增，再向北部遞減。

2.2.3流域降雪因素根據(jù)松花江流域12個氣象站的1956—2011年資料，多年平均降雪量為24.12 mm，變異系數(shù)為0.63。松花江流域降雪量交替上升下降，但總體上呈緩慢上升趨勢。其中2010年降雪最大，1975年最小，降雪量分別為67.84和10.78 mm。

松花江流域冬季降雪主要集中在1，2，3，11，12月，其中12，11月降雪最多，降雪量分別為5.81，5.47 mm；其次是3，1，2月，降雪量分別為4.66，3.99，3.93 mm；4，10月零星分布少量降雪。5和9月只有極特殊年份在新林、加格達(dá)奇大興安嶺林區(qū)有微量降雪。

圖3　松花江流域春季解凍期主要水文站徑流量變化

北源嫩江流域上游降雪量較多，加格達(dá)奇站、嫩江站年平均降雪量分別為30.08和21.38 mm；嫩江下游降雪量在整個研究范圍內(nèi)最低，齊齊哈爾站年平均降雪量為13.94 mm，略高于扎蘭屯站0.53 mm。第二松花江流域降雪量居中，長春站和梅河口站年平均降雪量分別為18.69和24.97 mm。同支流相比，干流降雪量較大，其中松花江中游哈爾濱站降雪量為27.82 mm；海倫站與綏化站略低于哈爾濱站，分別為20.69和20.33 mm。下游平原區(qū)降雪量最大，伊春站年平均降雪量為34.56 mm；佳木斯站年在研究范圍內(nèi)降雪量最大，高出伊春站0.7 mm，達(dá)到35.26 mm。在整個松花江流域，下游三江平原區(qū)降雪量最大，其次是嫩江流域大興安嶺林區(qū)，中西部漫川漫崗區(qū)降雪量最少，中游丘陵溝壑區(qū)降雪量居中(表3)。

表3　松花江氣象站春季解凍期多年平均降雪量特征統(tǒng)計

松花江各支流春季解凍期徑流量分布與降雪量變化一致。降雪是融雪的物質(zhì)基礎(chǔ)，丘陵溝壑區(qū)與漫川漫崗區(qū)降雪量少，植被覆蓋度低，降雪之后溫度升高，積雪融化較快或隨之蒸發(fā)，因而產(chǎn)生徑流量少。林區(qū)物質(zhì)基礎(chǔ)好，且植被蓋度大，當(dāng)輻射增加，植被反射率要低于裸露積雪，同時植物可以將能量傳遞給積雪，從而加速融雪。

2.2.4影響因素相關(guān)性分析采用了Spearman和Pearson兩種相關(guān)分析方法對融雪徑流及其影響因素的相關(guān)性進(jìn)行了分析。從表4可以看出，解凍期溫度與融雪徑流呈負(fù)相關(guān)，并且在0.01水平下顯著相關(guān)(R2=0.2349)。解凍期輻射與降雪量對融雪徑流也表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)性不顯著。

積雪在消融過程中伴隨著能量的相互轉(zhuǎn)化與物質(zhì)的遷移和消耗，能量的變化決定著積雪層的消融與凍結(jié)，而在積雪發(fā)生相變過程中，會釋放或者吸收能量，從而影響能量平衡，其復(fù)雜的過程可以看作為能量與物質(zhì)的相互耦合。積雪層從外界吸收太陽輻射、長波輻射以及地?zé)岬饶芰坑谜麄€積雪消融過程的能量消耗，其一部分能量用于積雪內(nèi)部的溫度變化，剩余部分用于將0 ℃的冰融化為0 ℃的水。地表空氣通過與地面熱交換，吸收地表長波輻射近而升溫，溫度的回升是一個過程，因此溫度的變化滯后于輻射。

松花江流域融雪徑流逐年減小，輻射值在研究期內(nèi)也呈現(xiàn)減小趨勢，而降雪量與溫度均逐年增加。春季解凍期溫度急劇上升，為積雪融化創(chuàng)造有利條件同時也增強了蒸發(fā)作用，因而降雪量的增加并不能抵消溫度對融雪的影響，導(dǎo)致春季解凍期徑流量的減小。但是溫度升高會提前融雪徑流產(chǎn)生的時間。

表4　相關(guān)性分析

3結(jié) 論

(1) 融雪徑流均值介于1.26×108~1.20×1010m3/a，55 a間呈減小趨勢，其中哈爾濱、佳木斯站徑流量變化幅度最大，分別為5.00×108m3/a和7.00×108m3/a。

(2) 松花江流域平均溫度與春季解凍期溫度變化趨勢相同，增幅分別為0.036和0.047 ℃/a。整體上升高幅度具有自東南向中部遞增再向西北遞減的變化。溫度升高會提前融雪徑流產(chǎn)生的日期。

(3) 多年平均輻射值為5 660 J/m2，呈下降趨勢，降幅為5 J/(m2·a)，春季解凍期輻射值降幅約為8 J/(m2·a)。支流多年平均輻射明顯大于干流，自西向東呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

(4) 降雪量增加幅度為0.15 mm/a。松花江干流自東向西降雪量遞減，嫩江流域降雪量自北向南降雪量逐漸減小。降雪量與融雪徑流變化一致。

(5) 降雪量的增加并不能抵消溫度對融雪的影響，冬季溫度相對較高，而融雪期增溫較緩，促進(jìn)了雪的蒸發(fā)作用，進(jìn)而導(dǎo)致春季解凍期徑流量的減小。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Danny M, John K, Dave T, et al. The sensitivity of snowmelt processes to climate conditions and forest cover during rain-on-snow: A case study of the 1996 Pacific Northwest flood[J]. Hydrological Sciences，1998, 12(10/11):1569-1587.

[2]徐興奎.1997—2000年中國降雪量變化和區(qū)域性分布特征[J].冰川凍土,2011,33(3):497-503.

[3]任青山,魏曉華,葛劍平,等. 黑龍江省東部森林中雪的水文效益的初步研究[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,1994,22(2)：11-16.

[4]王金葉,常宗強,金博文,等.祁連山林區(qū)積雪分布規(guī)律調(diào)查[J].西北林學(xué)院學(xué)報, 2001,16(S):14-16.

[5]Pomeroy J W, Bewley D S, Essery R L H. et al．Shrub tundra snowmelt[J].Hydrological Processes,2006,20(4):923-941.

[6]劉海亮.小興安嶺主要森林類型對降雪融雪過程的影響[D].黑龍江 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2011.

[7]張慶費,周曉峰,蔡體久,等.黑龍江省中部地區(qū)森林隊融雪徑流的影響[J].植物資源與環(huán)境,1994,3(3):36-40.

[8]陳衛(wèi)東,張波,霸廣忠.春雪消融產(chǎn)生的森林徑流特征及其影響[J].黑龍江水利科技,2001(3):54-55.

[9]林而達(dá),許吟隆,蔣金荷,等.氣候變化國家評估報告(Ⅱ):氣候變化的影響與適應(yīng)[J].氣候變化研究進(jìn)展,2006，2(2):51-56.

Snowmelt Runoff Characteristics and Its Influencing Factors of Songhua River Basin

ZHU Jingliang1,2, QI Feifei3, MU Xingmin1, FAN Haoming3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResourse,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.SongliaoWaterResourcesCommission,Changchun,Jilin130021,China; 3.ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning100866,China)

Abstract：[Objective] The snowmelt runoff process of Songhua River was analyzed, and the influence factors of snowfall, such as temperature, radiation, and so on, were addressed in order to provide some basises for the regulation and utilization of snowmelt runoff in the Songhua River Basin. [Methods] Using methods of Mann—Kendall test, moving average and slope estimation, the tendencies and variations of snowfall, temperature, radiation, runoff and other information of Songhua River Basin from 1956 to 2010 were analyzed. [Results] (1) Runoff of spring thaw period was between 1.26×108~1.20×1010m3/a, and had a decreasing tendency; (2) Temperature rose significantly within the thaw period, increased by 0.047 ℃/a, which is greater than the increase of annual average temperature of 0.036 ℃/a; (3) Radiation value showed a trend of decrease in the study period, the yearly averaged decreasing rate and the corresponding value at frost free period droped by 5 J/(m2·a) and 8 J/(m2·a); (4) Snowfall increased year by year. The snowfall along the main stream decreased from east to west. While the snowfall along the branched Nenjiang River reduced from north to south gradually. Snowfall and snowmelt runoff changed at a same step. [Conclusion] The increased temperature not only makes a favorable condition for snow melting but also will enhance the evaporation. The increase of snowfall is not enough to counteract the effects of temperature on the snowmelt.

Keywords:spring thaw; snowmelt runoff; Songhua River Basin

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0125-06

中圖分類號：S715.3

收稿日期：2014-03-25修回日期：2014-04-10