天山东段冰雪消融与产汇流水文过程——以乌鲁木齐河源区为例

应用天山北坡乌鲁木齐河源区1 号冰川、空冰斗和总控3 个水文断面2011 年5-9 月每10min 实测水位数据、15 min 的气温、降水数据、1 号冰川消融及空冰斗区积雪观测数据,采用排除和不排除降水对冰雪消融产流影响的研究方法,系统分析了不同冰川覆盖率下水文断面冰雪消融特征及产汇流过程。结果表明：（1） 乌鲁木齐河源区3 个水文断面流量昼夜差异明显,1 号冰川水文断面白天径流大于夜晚径流,空冰斗和总控断面则相反;3 个断面流量亦具有显著日变化过程,且流量峰值大小和到来的时间存在差异。（2） 在排除与不排除降水两种天气影响下,1 号冰川最大流量滞后最高气温分别为1~3 h 和0~1 h;空冰斗断面分别为10~16 h和13 h,总控断面分别为5~11 h 和6~7 h,反映了1 号冰川从消融产流到汇流时间最短,空冰斗积雪消融产流时间最长,总控位于二者之间,同时亦反映伴随降水过程冰雪融水汇流迅速,即从产流到汇流时间有一定的缩短。（3） 影响3 个水文断面流量变化的因素不同,冰川区热量条件是影响1 号冰川水文断面的关键,1 号冰川在过去20 余年间,冰内、冰下排水道变得更为单一,对融水的阻滞和贮存作用弱化,融水汇流过程变得更为迅速。（4） 冰川覆盖山区流域水文断面在冰川消融期的流量过程线变化及最大流量与最高气温时滞变化规律在一定程度上对于认识冰川覆盖率有差异背景下的流域下垫面水系演化、冰雪消融过程及水文断面径流补给具有重要的指示意义。     

多模式预测气候变化及其对雪冰流域径流的影响

冰川覆盖流域的雪冰融水对河川径流有重要的调节作用。气候变化影响雪冰融水过程和数量变化,河川径流过程和径流量相应变化,其程度与流域冰川情况相关。通过利用CMIP5气候模式输出气象数据驱动流域水文模型,模拟研究天山地区3个不同冰川覆盖率河流(库玛拉克河、玛纳斯河、库车河)的径流对气候变化的响应。结果表明:随着未来气温和降水的持续增加,3个流域的雪融水均有增加,冰融水变化受冰川覆盖面积的影响,在各个流域变化不一致。径流变化主要受降水增加和雪冰融水变化的综合影响,在未来情景下各流域径流均有增加,分别增加了5.8%～14.3%(库车河)、2.9%～11.4%(玛纳斯河)、12.9%～47.1%(库玛拉克河),且冰川覆盖率越大的流域,预估径流不确定性变化区间受冰融水影响越大。预估3个流域的径流、雪冰融水年内分布变化表明,各河流的春季融雪时间提前和融雪量增加使得流域春季径流量较历史时期增大;在夏季,受雪冰融水变化的影响库车河、玛纳斯河夏季径流峰值量减小,而库玛拉克河径流峰值量增加,且预估的各流域夏季径流变化不确定性区间明显大于其它季节。     

基于氢氧同位素和水化学的祁连山老虎沟冰川区径流过程分析

基于2012-2013年两个消融期在祁连山老虎沟冰川区连续2 a采集的冰川融水径流、雪冰以及降水样品,分析探讨了冰川区水体介质中氢氧同位素和水化学要素(主要化学离子、pH值、TDS和电导率等)在消融期的变化过程及特征。结果表明:祁连山老虎沟雪冰融水中的氢氧同位素值(δD和δ¹⁸O)表现出明显的消融期随月份波动,先升高再降低的趋势,在7月份表现出高值,反映了冰川消融强弱程度的变化过程。冰川径流中同位素含量与冰雪融水接近,且处于当地降水线上,其主要来自冰雪融水和降雨补给。老虎沟冰川融水径流水化学主要表现为Ca-Na-HCO₃-SO₄和Ca-Mg-HCO₃-SO₄型,其组成特征也表现出随消融过程而变化。对氢氧同位素和化学要素组成在消融期(6~9月)随时间的变化过程进行了分析,表明结合冰川区氢氧同位素和化学要素(包括化学离子、TDS、pH值和电导率等)的组成可以区分雪坑和新雪、河水的组分变化,可以反映冰川融水径流在消融期的变化过程。     

气候变化背景下冰川积雪融水对博斯腾湖水位变化的影响

依据近50年来博斯腾湖流域开都河大山口水文站径流数据和8个气象台站的气温、降水、积雪融水资料,并借助相邻流域天山1号冰川物质平衡资料,对气候变化背景下冰川和积雪融水对开都河径流量及博湖水位的贡献率进行了诊断分析。通过多元线性拟合法和偏相关分析法研究表明,1号冰川物质平衡与大山口水文站年径流量具有显著反相关关系,相关系数-0.28,但开都河年径流量变化并不能完全由冰川融水解释,降水和积雪融水的影响也非常重要,它们与大山口年径流的偏相关系数分别为0.57和0.40,超过99.9%和99%置信度水平。气温、降水、积雪融水拟合年径流与观测年径流的相关系数达0.63,超过99.9%置信度水平。各季节分析表明,春、秋季的降水和气温对径流具有显著影响,偏相关系数分别为0.52和0.37;夏季主要是冰川和积雪融水对径流的影响,其中积雪融水与径流的偏相关系数达0.51。夏季是一年中径流最大的季节,其变化主导着年径流量的变化,因此冰雪融水作为博斯腾湖的入湖水源,对博斯腾湖水位变化的影响不容忽视。     

基于多源遥感数据的玛纳斯河流域冰川物质平衡变化

冰川物质平衡变化是连接气候和水资源的重要纽带,对河川径流有重要的调节功能。本文采用MOD11C3和TRMM 3B43等多源遥感数据驱动度日模型,模拟了2000—2016年玛纳斯河（简称玛河）流域冰川物质平衡过程,并分析了冰川融水对径流的补给规律。结果表明： ① 通过构建气温及降水反演模型能有效校正气象遥感原数据的精度,且经降尺度后能较精细刻画冰川区气候变化特征。冰川区年均气温和降水量分别为-7.57 ℃和410.71 mm,海拔4200 m处为气候变化剧烈地带,气温直减率以其为界上下分别为-0.03 ℃/100 m和-0.57 ℃/100 m,降水梯度分别为-2.66 mm/100 m和4.8 mm/100 m,海拔大于4700 m后降水又以5.17 mm/100 m递增。② 研究期内流域冰川持续呈负平衡状态,累积物质平衡达-9811.19 mm w.e.,年均物质平衡介于-464.85~-632.19 mm w.e.之间。垂向物质平衡在消融区和积累区分别以244.83 mm w.e./100 m、18.77 mm w.e./100 m递增。2000—2002年、2008—2010年冰川消融减缓,2002—2008年、2010—2016年消融加剧,其中2005—2009年期间冰川亏损最为强烈。③ 年内河川径流对冰川物质平衡变化响应强烈,尤以7月、8月物质平衡亏损最为严重占全年总量的75.4%,使得同期河川径流量占全年径流总量的55.1%。年际冰川融水补给率波动于19%~31%之间,可能是不同年份降水和积雪融水补给率差异较大所致。玛河与天山北坡其他河流冰川融水贡献率非常接近,也进一步证实了本研究物质平衡估算结果的可靠性。本研究可为其他流域冰川物质平衡研究提供借鉴和参考。     

1970-2016年冈底斯山冰川变化

基于修订后的中国两次冰川编目数据及2015-2016年Landsat OLI遥感影像,对冈底斯山1970-2016年的冰川时空变化特征进行分析,并利用相应时段的气温和降水数据,对冰川变化原因进行探讨,为全面认识冈底斯山在气候变暖背景下冰川的响应规律及区域水资源合理利用提供科学依据。结果表明：① 2015-2016年冈底斯山共有冰川3953条,面积1306.45 km ²,冰储量约58.16 km ³;冰川数量以面积< 0.5 km ²的冰川为主,面积则以介于0.1~5 km ²的冰川为主。② 1970-2016年冈底斯山冰川面积共减少854.05 km ²（-39.53%）,冰川面积变化相对速率高达-1.09%/a,消融期气温升高是导致该山区冰川退缩的最主要原因。与中国西部其他山系冰川变化相比,冈底斯山是冰川退缩最为强烈的地区,且近年来冰川退缩呈加快趋势。③ 冈底斯山冰川面积减少主要集中在海拔5600~6100 m之间,海拔6500 m以上区域基本没有变化。除南朝向和东南朝向外,冈底斯山其他朝向冰川数量和面积均呈减少趋势,其中北朝向冰川面积减少最多,西北朝向冰川面积变化最快。④ 冈底斯山冰川面积变化自西向东呈加快趋势,其中东段冰川面积变化相对速率高达-1.72%/a,中段次之（-1.67%/a）,西段仅为-0.83%/a。     

博斯腾湖流域山区地表径流对近期气候变化的响应

近年来,在全球和区域气候变化影响下,新疆博斯腾湖主要产流区开都河出山径流呈现异常波动,引起气候变化研究的关注.鉴于产流区复杂地形和径流补给特征以及传统观测资料的不足,借助雷达、微波及可见光等多源遥感数据从山区降水、积雪和冰川等方面与出山径流变化关系进行比较来揭示径流突变原因.结果表明,产流区平均径流深与降水量关系的转变是引起出山径流异常波动直接原因;进一步的冰川变化分析显示,径流深的波动主要由冰川融水径流变化引起:20世纪80年代中期后的温度上升加速了山顶冰川消融,导致1987～2002年的径流增加和湖泊水位升高;1984～2000年间,流域山顶冰川面积消退近40%,随着分布在较低海拔,对温度升高最敏感的中小冰川的消失,冰雪消融带来的径流增加效应开始减弱;2002年后,在流域气温、降水等变化并不显著的情况下,出山径流量却急剧降低,反映了特定冰川分布条件地区在气候变暖中融水径流先升后降的现象.     

黄河源径流演变特征及其对降水的响应

采用1960-2012年黄河源径流、降水数据,以过程线法、集中度和集中期等方法分析黄河沿以上、黄河沿-吉迈、吉迈-玛曲、玛曲-唐乃亥等4个区段降水、径流的演变特征,并从降水的产流能力、时滞相关和集中期响应等角度分析径流对降水的响应。结果表明：黄河源径流汛期占比年际变化趋势自上游各区段呈不显著的增加-减少-增加-减少的特征。吉迈以上径流量年际变化呈不显著增加,吉迈以下呈减少趋势。各区段径流集中期均有不同程度的提前。下游径流集中期早于上游。黄河源汛期降水占比呈不显著下降趋势。4个区段自上游降水年际变化呈显著增加-显著增加-不显著减少-不显著增加的特征。降水的集中度分布较径流更为集中,且有不显著减少趋势。各区段降水的产流能力在20世纪80年代末至90年代中期出现弱化趋势,中上游在2005年左右降水的产流能力转为较分析时段初期有增强的趋势,而中下游一直较分析时段初期减小。不同区段年径流量与不同统计时段降水量的依存关系不同。黄河源玛曲以上径流相对于降水的集中期滞后天数呈不显著减少,玛曲-唐乃亥滞后天数略有增加。     

黄河源区地表水资源变化及其影响因子

利用1955~2005 年黄河源区玛多气象站和黄河沿水文站气象、水文资料, 分析了该区域地表水资源、气候及冻土演变规律, 揭示了地表水资源变化的成因。研究表明: 近51 年黄河源流量丰枯转化频繁, 但在总体上特别是进入20 世纪90 年代以来黄河源流量呈减少趋势, 流量年内分配表现为单峰型; 降水量对流量有着较为显著的影响, 且具有一定的持续性; 黄河源区气温的显著升高对于加大流域蒸发量导致流量补给的减少作用要大于其升高致使冰雪融水的补给作用, 其中春季气温回升的这一效应更为显著; 黄河源区冻土呈现出显著的退化趋势, 冻土厚度与流量总体上呈显著的正相关关系, 其不断减小削弱了自身天然隔水层的作用; 黄河源区蒸发量呈现出显著的增大趋势, 并导致流量的减少; 气候变化导致流量的减少量占总减少量的70%, 其余30%可能是由人类活动加剧造成的, 气候及冻土因子对流量的作用大小依次为冻土、降水、蒸发和气温, 显然多年冻土对于黄河源区地表水资源的形成和发育有着至关重要的作用。     

中国天山冰川区降水、积雪pH和电导率季节变化特征分析

根据乌鲁木齐河源区2003-2004年度的大气降水样品、1号冰川一个完整年周期的连续雪坑样品及哈密庙儿沟平顶冰川和奎屯51号冰川雪坑样品的pH和电导率资料,系统探讨大气降水、表层雪、雪坑样品中pH和电导率的季节变化特征和沉积过程中pH和电导率的变化特点,以及不同冰川区雪坑中pH值和电导率的空间差异。结果表明:大气降水及表层雪中pH和电导率有着相似的季节变化趋势,主要受冰川所在区域大气中可溶性离子浓度和沉积后过程的影响;对1号冰川大气降水、表层雪和雪坑样品中pH和电导率的对比分析发现,从降水到表层雪,最后到雪坑样品的演化过程中,pH和电导率均呈减小趋势,而且pH和电导率的最高值均出现在春季;自西向东随着地理环境的变化,雪坑中样品的pH值呈升高趋势,哈密庙尔沟平顶冰川最大,乌鲁木齐河源1号冰川次之,奎屯哈希勒根51号冰川最小,但电导率却呈现出了不同的变化规律。     

2006年黑河水系典型流域冰川融水径流与出山径流的关系

利用2006年夏季祁连山七一冰川野外观测资料,计算了2006年七一冰川的冰川融水径流模数,为119.85 L·s-1·km-2,是20世纪70年代七一冰川径流模数的2.23倍;依据径流模数估算出2006年冰川融水径流在黑河4条支流出山径流量中的比重为9.6%,大于1991年8.2%的统计值。黑河流域东部河流出山口径流量中冰川融水所占比重变化不大,西部河流冰川融水补给比重显著增大,强烈反映了在全球气候变暖背景下,祁连山冰川对气候变化过程的响应。     

Estimation of Direct Runoff in the Thornthwaite Water Balance*

Inclusion of direct runoff in water balance analysis makes the analysis more accurate and allows it to reflect important hydrologic effects of land use change such as urbanization. Water balance analysis is conveniently performed on a monthly basis. This paper reports the development of a model of monthly direct runoff consistent with the monthly bookkeeping format. The model was evaluated by comparison with direct runoff estimated by daily calculation using the Soil Conservation Service (SCS) method. The comparison employed six stations representing different climatic regions of the contiguous United States and eight values of SCS curve number. The results are statistically significant and produce little error.     

基于集中度与集中期的径流年内分配研究

借鉴年降水量年内分配的向量法,描述径流年内分配的径流集中度和集中期,尝试提出一种计算河川径流年内分配不均匀性的定量新方法。实例研究表明,用月径流量计算的集中度比径流年内不均匀系数有更高的分辨能力和敏感性,用月径流量计算的集中期对应的月份与月径流最大值出现的实际月份完全一致,径流集中度、集中期能够充分定量地表征径流在年内分配的非均匀性。     

胶东山丘区典型流域径流年内分配特征量化研究

采用M ann-Kendall法和最小方差法,对大沽夹河流域1966~2004年逐月实测径流数据进行均值变点分析。根据分析结果,将径流划分为水文变化特征相似的A(1966~1971年)、B(1972~1981年)、C(1982~1996年)、D(1997~2004年)4个时段。在此基础上借鉴年降水年内分配的向量法,提出了量化径流年内分配的集中度和集中期。结果表明:1.大沽夹河的不同水文年,其径流年内分配的特征不同。时段A集中度最小,时段D最大,4个时段变差系数为0.12。时段A和时段C的集中期比较接近,最大径流出现的时间均在7月下旬,时段B和时段D的集中期比较相似,最大径流出现的时间在8月中下旬。径流年内分配与降水年内分配两者呈显著正相关。2.用月径流量计算的集中度比径流年内不均匀系数具有更高的分辨能力和有效性,用月径流量计算的集中期对应的月份与月径流最大值出现的实际月份完全一致,径流集中度、集中期能够充分定量地表征径流在年内分配的非均匀性。     

Runoff Scaling in Large Rivers of the World

Runoff and precipitation scaling with respect to drainage area is analyzed for large river basins of the world, those with mean annual runoff in excess of 10 k³/yr. The usefulness of the specific runoff (runoff per unit drainage area, m/yr) to categorize runoff scaling laws across the complete spectrum of climatic and hydrologic conditions is evaluated. It is found that (1) runoff scales with drainage are in those river basins with specific runoff in excess of 0.15 m/yr (r² = 0.88); (2) runoff scaling with drainage area shows remarkably high statistical correlation (r²= 0.97) in river basins with specific runoff equal to or larger than 1.0 m/yr; (3) runoff does not Inc.rease with Inc.reasing drainage area in river basins with specific runoff below 0.15 m/yr, where no discernible statistical association was found between runoff and drainage area; and (4) precipitation depth (m/yr) is inversely proportional to drainage area raised to a fractional exponent in river basins with specific runoff in excess of 0.15 m/yr.     

基于径流还现的洮河流域径流变化特征研究

河川径流还现计算是准确反映区域水资源状况的基础,同时也是水资源规划和决策的重要依据。选取甘肃省洮河流域李家村、红旗2个代表水文站长系列径流资料作为基础数据,在还原计算的础上,对洮河流域径流进行还现计算,同时对径流变化特征进行研究。结果表明:1956-2016年洮河流域李家村、红旗多年平均实测径流量分别为39.52×10^8 m^3、44.66×10^8 m^3,还原后多年平均天然径流量分别为39.69×10^8 m^3、46.11×10^8 m^3,多年平均还原水量分别为0.17×10^8 m^3、1.45×10^8 m^3,2站消耗水量主要用于农业灌溉;2站天然径流突变趋势基本一致,突变点均为1990年;李家村、红旗站径流多年平均天然径流量修正还现后分别为31.76×10^8 m^3、38.77×10^8 m^3,减少径流量分别为7.93×10^8 m^3、7.04×10^8 m^3,分别减少20%、15%;还现后李家村站年径流呈现略微增加趋势,而红旗站年径流量呈现略微减小趋势;径流量呈现20世纪50年代和70年代-21世纪00年代低于多年平均值,21世纪10年代高于平均值和不同丰、平、枯状态的年代际特证。研究结果为流域水资源调查评价提供基础支撑,对促进流域水资源高效利用和优化配置,指导区域水资源综合管理与社会经济发展具有重要作用。     

黄河小花间石山林区产汇流特征

产汇流机理研究是水文模拟的基础 ,从实测水文资料出发进行深入分析是认识产汇流特性的有效手段。黄河小花间 (小浪底 -花园口间 )洛河卢氏以上流域为典型的石山林区 ,产汇流特性不同于黄河流域的一般地区。从选取的 43场暴雨洪水资料分析得出 :该地区的暴雨空间分布不均匀 ,存在着明显的暴雨中心 ,产流机制和产流模式复杂。进一步分析变化环境下的降水径流特性后 ,发现年径流量的变化主要受控于降水特性 ,下垫面的改变和人类活动对年降水径流关系影响并不显著 ;但对次洪而言 ,该区生态保护和水土保持措施在一定程度上减少了产流能力 ,提高了暴雨径流相关性。     

Glacier meltwater runoff process analysis using δD and δ<Superscript>18</Superscript>O isotope and chemistry at the remote Laohugou glacier basin in western Qilian Mountains,China

Stable hydrogen and oxygen isotope has important implication on water and moisture transportation tracing research. Based on stable hydrogen (δD) and oxygen (δ¹⁸O) isotope using a Picarro L1102-i and water chemistry (e.g. major ions, pH, EC and TDS) measurement, this study discussed the temporal variation and characteristics of stable hydrogen and oxygen isotope, chemistry (e.g. TDS, pH, EC, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ and Cl^-) in various water bodies including glacier meltwater runoff, ice and snow, and precipitation at the Laohugou glacier basin during June 2012 to September 2013. Results showed that δD and δ¹⁸O in the meltwater runoff varied obviously with the temporal change from June to September, showing firstly increasing trend and then decreasing trend, with the highest values in July with high air temperature and strong glacier melting, which could indicate the temporal change of glacier melting process and extent. Variations of δD and δ¹⁸O in the runoff were similar with that of snow and ice on the glacier, and the values were also above the GMWL, which probably implied that the glacier runoff was mainly originated from glacier melting and precipitation supply. The glacier meltwater chemical type at the Laohugou glacier basin were mainly composed by Ca-Na-HCO₃-SO₄ and Ca-Mg-HCO₃-SO₄, which also varied evidently with the glacier melting process in summer. By analyzing the temporal change of stable hydrogen and oxygen isotope and chemistry in the melting period, we find it is easy to separate the components of the snow and ice, atmospheric precipitation and melt-runoff in the river, which could reflect the change process of glacier melting during the melting period, and thus this work can contribute to the glacier runoff change study of large-scale region by stable isotope and geochemical method in future.     

横断山区水文区划

本文分析了横断山区径流的分布、水源补给、径流的年内分配等的地区差异,从中选取形成水文地域分异的最重要的水文特征值,作为划分水文区域的指标。文内将横断山区划分为两级水文区域,并阐述了每个水文区和水文亚区的基木特征。     

我国东部季风区不同自然带年径流特征及人类活动影响的比较研究*

本文在分析我国东部季风区不同自然带年径流与气侯因子关系的基础上,揭示了径流深随纬度和经度变化的规律,并对不同自然带中人类活动对河川径流的干预强度进行了比较,指出半干旱区是人类活动对径流影响最严重的地区,在这里应加强水资源的保护并大力推行各种节水措施。