黑河上游地表凍融指數(shù)與徑流關(guān)系

郭 陽, 張廷軍, 曹 琳, 高壇光

(1.蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000)

凍土是指含冰且溫度不高于0 ℃的土壤和巖石[1]。飽和凍土滲透性很弱，可視為不透水層[2]。因此，凍土能夠改變水文循環(huán)，形成寒區(qū)獨(dú)特的凍土水文過程[3-4]。在全球氣候變暖的背景下，多年凍土顯著退化[5-7]，活動(dòng)層加深，融區(qū)擴(kuò)大，這使凍土水文過程變得更為復(fù)雜。

黑河上游流域?yàn)楹诤拥闹饕a(chǎn)流區(qū)，流域內(nèi)廣泛分布著多年凍土和季節(jié)凍土，存在冰川、積雪、凍土等寒區(qū)水文要素，這些要素的變化會(huì)對(duì)整個(gè)黑河流域的徑流產(chǎn)生重要影響。目前，針對(duì)黑河上游流域，影響其水文過程的相關(guān)研究，主要集中在降水、氣溫、蒸發(fā)、輻射等氣象要素對(duì)徑流的影響，并以降水和氣溫的探討居多。李林等[8]研究了氣候變化對(duì)黑河上游流域徑流的影響，結(jié)果表明，徑流增加的主要原因，在汛期是降水增加，在非汛期則是氣溫上升促進(jìn)了高山冰雪融化。王順利等[9]探討了祁連山區(qū)降水和氣溫變化對(duì)徑流的影響，并認(rèn)為降水和氣溫的增加均會(huì)促進(jìn)徑流的增加。張耀宗等[10]分析了黑河上游流域的徑流變化及其影響因子，認(rèn)為溫度上升增加了夏季蒸發(fā)量，進(jìn)而削減了徑流量。還有一些研究指出，在土壤凍融過程中，活動(dòng)層內(nèi)部的水分和熱量會(huì)發(fā)生協(xié)同變化，進(jìn)而影響流域內(nèi)的地表徑流及地下水運(yùn)動(dòng)。Woo等[11]和Young等[12]的研究表明，在活動(dòng)層土壤凍結(jié)過程中，外界補(bǔ)給水分的下滲過程會(huì)受到限制，這使淺層土壤容易達(dá)到飽和狀態(tài)，從而促進(jìn)了地表徑流的形成；而在活動(dòng)層土壤融化過程中，隨著融化深度增加，土壤調(diào)蓄空間增大，造成下滲量及下滲速度增加，進(jìn)而導(dǎo)致地表徑流減少。Haldorsen等[13]在研究長期氣候變化對(duì)多年凍土區(qū)地下水影響時(shí)認(rèn)為，活動(dòng)層土壤中的地下水，在土壤凍結(jié)和融化過程中主要進(jìn)行垂直遷移運(yùn)動(dòng)，而在土壤完全凍結(jié)狀態(tài)下主要進(jìn)行水平遷移運(yùn)動(dòng)，這會(huì)對(duì)冬季地表徑流形成補(bǔ)給。以上研究表明，由于活動(dòng)層土壤存在季節(jié)凍結(jié)和融化過程，這使得地表徑流的變化機(jī)制更為復(fù)雜，單獨(dú)地從氣象或水文方面無法完全解釋其中的物理過程。

為此，本文擬針對(duì)黑河上游流域活動(dòng)層土壤的凍融過程，開展氣候水文要素對(duì)徑流變化影響的研究。根據(jù)黑河上游西支的氣象、水文資料，分析黑河上游流域凍結(jié)指數(shù)和融化指數(shù)的變化特征，以及徑流在凍結(jié)期和融化期的變化特點(diǎn)，并進(jìn)一步探討土壤季節(jié)凍融過程影響徑流變化的機(jī)制。以期為黑河上游流域的徑流預(yù)測(cè)和水資源合理開發(fā)利用提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)介紹與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

研究區(qū)域位于黑河上游，地處祁連山脈中段。該區(qū)域廣泛分布著多年凍土，海拔3 400～3 700 m區(qū)域分布著不連續(xù)多年凍土，3 700 m以上主要為連續(xù)多年凍土[2]。季節(jié)凍土厚度，一般在1.8～2.5 m之間，最大可達(dá)4.9 m[2]。黑河上游分為東西兩支，西支較東支降水量大，是黑河的主流[14]。該支流以野牛溝河為主，流域面積為4 589 km2，海拔范圍為2 835～4 891 m，平均海拔3 929 m；其中，89%以上的面積分布于海拔3 500 m以上[15]。

選用1979—2006年黑河上游西支野牛溝氣象站(99°32′E，38°27′N，海拔3 320 m)的月平均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，以及扎馬什克水文站(99°59′E，38°14′N，海拔2 835 m)同期的月平均徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，扎馬什克水文站斷面于2007年1月1日向下遷移13.7 km[16]，為了保證資料的一致性，僅使用2007年之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選取的資料中，氣象站1979和1980年的地溫?cái)?shù)據(jù)存在部分缺失，水文站1984，1988和1989年的數(shù)據(jù)存在缺失。

1.2 數(shù)據(jù)處理和分析方法

(1) 凍結(jié)/融化指數(shù)。凍結(jié)和融化指數(shù)通常是基于日平均溫度(氣溫或地表溫度)進(jìn)行計(jì)算，其定義為給定時(shí)期內(nèi)的度日累計(jì)數(shù)[17]，通常使用的年凍結(jié)/融化指數(shù)是指一年內(nèi)所有負(fù)溫/正溫的總和。其中，凍結(jié)/融化期要將所有連續(xù)的冷季/暖季包含在內(nèi)，以避免在計(jì)算活動(dòng)層最大融化深度和季節(jié)凍結(jié)層最大凍結(jié)深度時(shí)，因缺失計(jì)入部分負(fù)溫/正溫而造成的誤差。因此，本文根據(jù)祁連山區(qū)的氣候變化特征，定義凍結(jié)期為7月1日至下一年6月30日，融化期為1月1日至12月31日[9]。凍結(jié)/融化指數(shù)的計(jì)算公式為[18]：

(1)

式中：IF——凍結(jié)指數(shù)(℃·d)；t0，t1——凍結(jié)期開始和結(jié)束的時(shí)間；T——地表溫度(℃)。下同。

(2)

式中：IT——融化指數(shù)(℃·d)；t2，t3——融化期開始和結(jié)束的時(shí)間。公式(1)和(2)為凍結(jié)融化指數(shù)的理論計(jì)算公式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采用離散方法進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：NF——年內(nèi)溫度低于凍結(jié)點(diǎn)的日數(shù)(d)；Ti——日平均地表溫度(℃)。下同。

(4)

式中：NT——年內(nèi)溫度高于融化點(diǎn)的日數(shù)(d)。計(jì)算過程中，因氣象站地溫資料缺失，未計(jì)算1979年的凍結(jié)指數(shù)和1979,1980年的融化指數(shù)。

(2) 多年凍土區(qū)季節(jié)融化深度與地表融化指數(shù)存在如下關(guān)系[19]：

(5)

式中：ζu——融化深度(m);λu——融土導(dǎo)熱系數(shù)〔W/(m·℃)〕;DDT——多年平均的地表融化指數(shù)(℃·d);Q——單位體積凍土中地下冰融化所需要的融化潛熱(kJ/m3)。

由于地表融化指數(shù)與融化深度呈正比，因此，融化指數(shù)增大，則意味著融化深度增加，反之亦然。

凍結(jié)和融化指數(shù)是表征土壤凍結(jié)、融化過程的重要因子，也是中高緯度高山區(qū)氣候變化的重要指示器，并能夠較好地反映土壤季節(jié)凍結(jié)和融化深度的變化，是本研究中所使用的重要參數(shù)[18,20-22]。相關(guān)研究表明，在中高緯度地區(qū)采用月平均地/氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算的年凍結(jié)/融化指數(shù)，在高緯度地區(qū)誤差較小，在中緯度地區(qū)也基本適用[18]。

本研究主要利用公式(3)—(5)，分析凍結(jié)和融化指數(shù)的變化，以及融化指數(shù)所指示的活動(dòng)層最大融化深度的變化，以此來說明活動(dòng)層土壤在凍結(jié)和融化過程的變化特征，進(jìn)而分析凍融過程對(duì)地表徑流的影響機(jī)制。

2 結(jié)果分析

2.1 凍融指數(shù)變化趨勢(shì)

凍結(jié)和融化指數(shù)的變化，能夠從不同方面反映土壤水分和熱量的分布、遷移和傳輸規(guī)律，并對(duì)地表徑流的形成產(chǎn)生重要影響，因此探討黑河上游西支凍結(jié)/融化指數(shù)的變化特征，對(duì)于了解該流域土壤凍融過程對(duì)徑流的影響具有重要意義。

1979—2005年黑河上游西支野牛溝河的凍結(jié)和融化指數(shù)變化趨勢(shì)如圖1所示。凍結(jié)指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，傾斜率為-147.8 (℃·d)/10 a，說明土壤的季節(jié)凍結(jié)潛力存在持續(xù)下降的趨勢(shì)。其中，1980—1989年凍結(jié)指數(shù)變化較為平緩，呈小幅波動(dòng)下降趨勢(shì)，而1990—2005年的凍結(jié)指數(shù)波動(dòng)劇烈，下降趨勢(shì)較為顯著。融化指數(shù)則呈上升趨勢(shì)，傾斜率為138.4 (℃·d)/10 a，整體上波動(dòng)比較頻繁，且1990年之后上升趨勢(shì)更加顯著。根據(jù)式(5)可知[19,23-25]：融化指數(shù)大幅升高，表明土壤融化期間的最大融化深度增加，意味著土壤水分調(diào)蓄空間變大，調(diào)蓄能力增強(qiáng)。

Frauenfeld等[18]的研究表明，在北美、加拿大和阿拉斯加等多年凍土區(qū)正經(jīng)歷著冷季凍結(jié)指數(shù)降低的趨勢(shì)，與此同時(shí)，在沿海地區(qū)和加拿大東部都出現(xiàn)了暖季融化指數(shù)顯著增加的趨勢(shì)。這說明在北半球以上研究區(qū)域中多年凍土退化，活動(dòng)層厚度增加的現(xiàn)象是普遍存在的。而位于中緯度的黑河上游西支的研究區(qū)域內(nèi)，其凍結(jié)/融化指數(shù)也表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì)。

圖1 1979-2005年野牛溝凍結(jié)指數(shù)(IF)和融化指數(shù)(IT)及其變化趨勢(shì)

2.2 徑流變化趨勢(shì)

為了認(rèn)識(shí)黑河上游西支徑流的變化特征，將年內(nèi)徑流分為融化和凍結(jié)兩個(gè)階段進(jìn)行分析。年內(nèi)月平均氣溫中，5—9月高于0 ℃，4月中下旬和10月中上旬也存在較多氣溫高于0 ℃的日期，因此將4—10月劃分為融化階段；而11—3月的月平均氣溫低于0 ℃，故將其劃分為凍結(jié)階段。圖2為1979—2005年野牛溝融化階段和凍結(jié)階段的徑流分布。其中，融化階段徑流均值為234.6 m3/s，其多年徑流基本處于200～250 m3/s，每10 a左右存在一個(gè)波動(dòng)周期，極大值出現(xiàn)在1982，1997，2002年。而凍結(jié)階段徑流變化相對(duì)平穩(wěn)，并存在小幅度的下降趨勢(shì)，均值為34.1 m3/s。比較融化階段和凍結(jié)階段的徑流狀況可知，凍結(jié)階段的徑流遠(yuǎn)小于融化階段，僅為融化階段徑流的14.5%。

圖2 1979-2005年野牛溝融化和凍結(jié)階段徑流

融化階段和凍結(jié)階段的徑流狀況存在顯著差異，為了分析差異原因，圖3a給出了年內(nèi)月平均徑流的變化。圖3a表明，黑河上游西支徑流年內(nèi)分布呈單峰型，且徑流量主要集中在4—10月，徑流量占到全年總徑流量的80%左右。黑河徑流的補(bǔ)給形式主要包括積雪融水、冰川融水、大氣降水和地下水補(bǔ)給[2]。融化階段初期(4—5月)為融雪徑流期，氣溫回升導(dǎo)致積雪融化，但由于該時(shí)期水分下滲受到限制，大部分水分形成直接徑流。融化階段中后期(6—10月)為降水徑流期，該時(shí)期降水較多，且降水與徑流相關(guān)性較好(相關(guān)系數(shù)在0.5～0.9)，因此徑流與降水同步變化。而凍結(jié)階段(11月至翌年3月)為地下徑流期，外界水量補(bǔ)給較少，徑流主要依靠前期的地下儲(chǔ)存水進(jìn)行補(bǔ)給，徑流量偏小。

注：a表示通過了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)； b表示通過了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)。下同。

月平均徑流的變化趨勢(shì)方面，圖3b給出了1979—2005年多年月平均徑流的線性變化趨勢(shì)。圖3b表明，春夏秋三季徑流變化趨勢(shì)不明顯，僅10月的月平均徑流表現(xiàn)為顯著增加趨勢(shì)；冬季徑流則表現(xiàn)為十分顯著的減少趨勢(shì)，其中，1—3月的減少趨勢(shì)較為顯著。凍結(jié)階段的徑流存在顯著的減少趨勢(shì)，且1991—2005年的徑流相比1979—1990年徑流明顯減少，這與凍結(jié)和融化指數(shù)在1990年之后分別出現(xiàn)更加明顯的降低和上升趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，因此凍融指數(shù)的顯著變化很可能對(duì)年內(nèi)徑流，尤其是冬季徑流的變化產(chǎn)生較大影響。

2.3 土壤凍融過程對(duì)徑流的影響

為了探究野牛溝流域土壤的凍結(jié)和融化過程對(duì)徑流的影響，分別對(duì)月平均徑流與凍結(jié)指數(shù)的關(guān)系、月平均徑流與融化指數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。

凍結(jié)指數(shù)與月平均徑流的相關(guān)系數(shù)如圖4所示。由圖4可見，1—3月兩者的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均接近0.5，達(dá)到95%以上信度，其余月份兩者基本成負(fù)相關(guān)，且不顯著。1—3月期間凍結(jié)指數(shù)的顯著減小，意味著在土壤的季節(jié)凍結(jié)過程中，地表溫度有所升高，這很可能使得地表積雪更多的進(jìn)行升華，減少雪量積累，從而削減了積雪融水對(duì)徑流的補(bǔ)給量，導(dǎo)致了徑流量的減少。另一方面，凍結(jié)指數(shù)減小表征了凍結(jié)潛力減小，即凍結(jié)進(jìn)程變緩和凍結(jié)鋒面遷移速率降低，這使得土壤凍結(jié)過程中的未凍水分以及用于潛水蒸發(fā)的水分，有更多的時(shí)間和空間向凍結(jié)鋒面遷移，從而對(duì)地下水儲(chǔ)量進(jìn)行小部分的消耗，進(jìn)而導(dǎo)致徑流出流量的削減。因此，凍結(jié)指數(shù)減小后，地表積雪融水補(bǔ)給減少和土壤中地下水儲(chǔ)量縮減，這兩方面共同導(dǎo)致了冬季徑流量減小。

圖4 1979-2005年野牛溝凍結(jié)指數(shù)(IF)與月平均徑流的相關(guān)系數(shù)

融化指數(shù)與月平均徑流的相關(guān)系數(shù)如圖5所示。圖5a顯示，12—3月融化指數(shù)與月平均徑流的相關(guān)性較好，除1月外，12,2,3月融化指數(shù)與月平均徑流的相關(guān)系數(shù)均為-0.5左右，且達(dá)到95%以上信度，說明融化指數(shù)與冬季徑流具有良好的相關(guān)關(guān)系。圖5b進(jìn)一步給出了融化指數(shù)與季節(jié)徑流的相關(guān)性結(jié)果，同樣表明融化指數(shù)與冬季徑流存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為-0.48，且達(dá)到95%以上信度，說明冬季徑流的顯著減少與融化指數(shù)的變化存在密切聯(lián)系。

冬季徑流主要是依靠地下水的補(bǔ)給形成，因此，地下水儲(chǔ)量的變化直接影響了冬季徑流的出流量。首先，地下水儲(chǔ)量主要受外界水量補(bǔ)給的影響：①活動(dòng)層土壤儲(chǔ)存地下水的主要時(shí)期為降水徑流期(6—10月)，在該階段，降水是對(duì)徑流最重要的影響因素，然而其降水量均值為324.3 mm，并沒有顯著變化趨勢(shì)；②在融化過程中，由于凍結(jié)土層的弱透水作用，降水僅有一小部分可以通過凍土裂隙入滲到活動(dòng)層土壤中，其余部分則形成層上水儲(chǔ)存，從而地下水儲(chǔ)量的補(bǔ)給受到很大限制；③凍結(jié)土層下界面融化的水量雖能夠補(bǔ)充一部分地下水，但也十分有限。因此，作為主要補(bǔ)給源的降水量并沒有明顯變化，其余的外界水量補(bǔ)給也十分有限，導(dǎo)致在降水徑流期地下水儲(chǔ)存量變化并不大。其次，活動(dòng)層土壤中水分的遷移能夠消耗部分地下水：融化指數(shù)顯著增大，說明年內(nèi)日尺度高溫增多，根據(jù)式(5)可知[19]，土壤季節(jié)融化深度是增加的，其增加厚度約為13～14 cm(參數(shù)取值：λu約1.6 W/(m·℃)，Q約2.30×105kJ/m3，ΔDDT約1 300～1 400 ℃·d)，增加的這部分土層即表明了土壤調(diào)蓄空間的增加，從而需要消耗更多的地下水量以供調(diào)蓄。綜上所述，外界對(duì)地下水的補(bǔ)給量基本不變，但用于土壤調(diào)蓄的水分消耗量增加，總體上地下水儲(chǔ)量有所減少，從而使得在冬季能夠形成徑流的水量減少。

以上研究表明，在黑河上游流域，無論是在土壤季節(jié)凍結(jié)過程還是融化過程中，外界水量補(bǔ)給和地下水儲(chǔ)量這2個(gè)因素均會(huì)對(duì)冬季徑流的出流量造成不同程度的削減，且凍結(jié)和融化過程相比，融化過程對(duì)冬季徑流減少存在更加顯著的影響。

圖5 1979-2005年野牛溝融化指數(shù)(IT)與月平均徑流及季節(jié)平均徑流的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 黑河上游西支流域凍融指數(shù)表現(xiàn)為：凍結(jié)指數(shù)顯著減小，融化指數(shù)顯著增加；總體表現(xiàn)為凍結(jié)潛力降低，季節(jié)融化土層厚度增加，水分調(diào)蓄空間增大，調(diào)蓄能力增強(qiáng)。

(2) 黑河上游西支流域年內(nèi)徑流表現(xiàn)為：融化階段徑流占全年徑流總量比重較大，而凍結(jié)階段徑流相對(duì)較少；春夏秋三季徑流變化趨勢(shì)不明顯，冬季徑流則為十分顯著的減少趨勢(shì)。

(3) 季節(jié)凍融過程對(duì)冬季徑流(12—3月)的減少具有重要影響：凍結(jié)指數(shù)減小，使得冬季地表積雪更多的進(jìn)行升華，削減了融雪水對(duì)徑流的補(bǔ)給，導(dǎo)致徑流量的減少；融化指數(shù)增大，增加了土壤的調(diào)蓄空間，減少了地下水儲(chǔ)存量，導(dǎo)致了冬季徑流量減少。

本研究所得結(jié)論僅是針對(duì)黑河上游西支得到的一些初步和定性的研究結(jié)果，今后還需要在更大區(qū)域上開展更為細(xì)致的定量研究。