气温与降水变化对冬雨型河流河川径流量的影响

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  由于日地间距离的变化、工业化进程的加速及其他相关人类活动已经严重影响到了全球气候系统,改变了全球的能量收支,气候变化已经成为一个不争的事实,已得到人们的认可.相继气候变化,海平面的上升、冰川与积雪的加速消融以及洪、涝、旱灾害的频现,已经严重影响到了经济、社会的发展和人民的生活水平.与中国新疆毗邻、素有"中亚水塔"之称塔吉克斯坦共和国,由于其所处地理位置的特殊性,水资源的形成条件及产汇流规律有其自身的特点,气候变化不仅对当地河川径流量有一定的影响,而且将影响到新疆部分区域水汽的形成条件、运移路径及降水量的大小,最终也将影响到进入我国新疆境内河流的水资源量,因此,该问题的研究对于两国间合理开发利用水资源,更好的应对未来变化环境,最终达到双赢具有重要的指导意义.

  塔吉克斯坦共和国由于所处地理位置的特殊性,其河川径流的形成机制除与我国高寒山区河流河川径流有相似点外( 都是以冰川积雪消融与降水补给为主) ,有其自身的特点,其降水类型以冬雨为主.近年来,我国已经有众多学者对高寒山区流域径流产汇流机制及径流过程的模拟作了大量的研究,并取得了较好的研究成果[1 -3],由于受到资料的限制,对于塔吉克斯坦共和国的河流及相关方面的研究较少,认识不充分.近年来,为全面提升我国对塔吉克斯坦生态与自然资源的科学认识,准确把握塔吉克斯坦国家生态与资源的基本格局,全方位深层次研究气候变化对塔吉克斯坦生态环境格局的影响以及对我国中亚资源与环境策略的影响,构建我国在上海合作组织框架下中亚地区资源与生态协调管理战略,提升我国在中亚生态环境保护和资源开发利用研究领域的地位,发挥我国在中亚的引领作用,不同的研究机构在不同方面开展了大量的研究工作.为更好的认识气候变化对塔吉克斯坦水资源的影响,文中在前期开展的研究基础上,充分挖掘现有的水文气象资料,借助针对瓦赫什河构建的高寒山区三水源新安江水文模型,设定不同的气候情景分析了气温与降水的变化对冬雨型河流河川径流量的影响,以期更好的了解气候变化对塔吉克斯坦水资源的影响.

  1 材料与研究方法

  1. 1 研究区概况

  塔吉克斯坦是位于中亚东南部的内陆国家( N36°40″ ~ N41°05″,E67°31″ ~ E75°14″之间) ,面积为 14.31 × 104km²,东部、东南部与中国新疆接壤,南与阿富汗接壤,西邻乌兹别克斯坦,北接吉尔吉斯共和国.

  塔吉克斯坦是一个多山的国家,山区占地约 93%,约一半的领土是坐落在海拔 3000m 以上的区域.全境属典型的大陆性气候,高山区随海拔高度增加大陆性气候加剧,南北温差较大,1 月平均气温 -2℃ ~2℃,7 月平均气温为 23℃ ~ 30℃ ,年降水量 150 ~ 250mm.境内河流与湖泊众多,水资源量丰富,共有冰川约14509 个,冰川覆盖面积约 7600km2~ 8400km²之间,大约占塔吉克斯坦国土面积的 6%,这些冰川形成了丰富的水源并且影响了塔吉克斯坦的气候.

  瓦赫什河位于塔吉克斯坦共和国中部以及西北地区.是由牟克河与克泽尔河汇合而成[4],向西南方向流经整个哈特隆州与南面塔阿边境的喷赤河汇合后一道经阿姆达里亚河最终流入咸海.瓦赫什河流域面积 3. 91km²,河长 524km.

  1. 2 资料来源

  随着苏联的解体,一些先前所建立的为水文与气象服务的站点也相继停测或资料监测不完整,为分析塔吉克斯坦冬雨型河流河川径流量对气候变化的响应,通过水文与气象年鉴收集研究区尽可能详细的水文与气象要素资料,并通过筛选,选取资料相对完整的水文与气象要素,进行典型区河川径流量对气候变化的响应研究.通过筛选最终选定资料较完整的位于瓦赫什河上游中高山区 GARM 水文站、Lyahsh 水文站与位于塔吉克斯坦第二大城市苦盏的气象站的水文气象要素进行研究分析,站点具体信息( 表 1) .对于所选用站点个别时间段有资料缺测现象,选用邻近水文气象站点进行插补展延.

  1. 3 研究方法

  为更好的分析塔吉克斯坦冬雨型河流河川径流量对气候变化的响应,除借助电子计算机技术、GIS 平台外,还借助三水源新安江水文模型及一些基本的水文气象数据处理方法,具体如下:

  ( 1) 借助所选用站点资料对研究区多年平均情况下的降水与气温时空分布特性进行分析.

  ( 2) 借助所选用站点资料对研究区降水与气温的长趋势变化规律分析,并分析山区与平原区气候要素变化差异性.

  ( 3) 借助针对瓦赫什河所构建的三水源新安江水文模型,以 1976 ~1985 年为基准年进行参数的率定与校验,采用假定不同气候情景,以 1976 ~1990 为基准年,分析气候变化对河川径流量的影响.

  2 研究区水文与气象要素变化规律分析.

  2. 1 水文特性分析

  基于瓦赫什河上游中高山区 GARM 水文站1976 -1990 年水文资料进行研究区水文特性分析( 图1) .

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  从图中可以看出,瓦赫什河降水主要发生于冬春季,夏季降水量偏少,仅占全年降水的 7. 98%; 平均最高气温出现在 7 月份,为 20. 4℃,平均最低气温出现在 1 月,为 -2. 3℃; 全年径流主要集中在 5 ~9 月,占总径流量的 75. 5%,并且以气温最高、降水较少的 7 月径流量最大,达到 833. 7m³/ s,降水对径流影响不大,而气温与径流具有较好的相关性,气温的高低直接决定着瓦赫什河的河川径流量,这也充分说明瓦赫什河积雪冰川消融水量在全年径流中占相当大的比例,也充分体现了冰川与积雪资源对塔吉克斯坦的重要性.

  2. 2 气候变化规律分析

  选取塔吉克斯坦资料较完整、系列较长且具有较好同步性的一山区水文站( Lyahsh 水文站) 与平原气象站( 苦盏气象站) 1980 ~2010 年气象要素进行研究区气候变化规律分析( 图 2 和图 3) .从图 2 可以看出,瓦赫什河 Lyahsh 水文站多年平均降水量为 444. 0mm,年均降水表现为弱的增多趋势,年均降水量的线性倾向率为 20. 3mm/10a; 多年平均气温为 6. 3℃,年均气温也表现为弱的升高趋势,年均气温的线性倾向率为 1. 1℃ /10a.从图 3 可以看出,苦盏气象站多年平均降水量为 189. 5mm,年均降水表现为弱的增多趋势,年均降水量的线性倾向率为 13. 0mm/10a; 多年平均气温为 14. 8℃,相对而言年均气温表现为较强的升高趋势,年均气温的线性倾向率为 3. 7℃ /10a.从图 2 和图 3 可以看出,塔吉克斯坦气候变化规律与全球气候变化相一致,平原区与山区气温均呈现升高的趋势,但相比而言,平原区气温升高幅度较大,这与平原区受人类活动影响有关,如向大气中排入大量的 CO2、路面硬化、绿地面积减少及城市热岛效应等; 而降水量平原区与山区差别不大,均表现为弱的增多趋势,这种快速的气温升高趋势,将对以积雪冰川消融水量补给为主河流的径流产生较大的影响.
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  3 瓦赫什河河川径流量对气候变化的响应

  3. 1 水文模型构建

  由赵人俊等提出的以蓄满产流为核心思想的新安江模型,结构简单,参数相对较少,在我国湿润和半湿润地区取得了良好的模拟效果[5,6],并且随着人们对产汇流机制认识的不断深入,三水源型及多水源新安 江 模 型 相 继 被 提 出,并 不 断 在 改进[1,7 -9].文中研究结合对研究区前期开展的大量研究与取得的成果为基础,以1976 ~ 1985 年为基准年,针对瓦赫什河构建三水源新安江水文模型,并以 1976 -1980 年为模型率定期、以 1981 - 1985 年检验期进行水文模型参数的率定与精度校验[10,11].率定期与检验期结果统计 ( 表2) ,考虑到篇幅限制,文中研究只列出个别率定期及检验期径流过程图( 图 4) .从表2 和图 4 可以看出,对瓦赫什河所构建的三水源新安江水文模型能够较好的反映其径流变化趋势,说明所构建的模型较合理,能够反映研究区的产汇流规律,并且参数的选取也基本合理,率定期平均径流量相对误差为 -14. 0%,径流过程平均误差为 18. 8%,检验期平均径流量相对误差为 8. 2%,径流过程平均误差为 24. 4%.部分月份实测与模拟径流相差较大,其主要原因是研究区实测资料监测站点较少,对以融雪与冰川消融水补给为主河流各高程带消融水量确定存在一定困难,还有待于借助遥感等其他数据源进一步完善补充,以改进模型结构及完善模型驱动数据,提高模拟精度.

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  3. 2 水文过程对气候变化的响应分析

  为更好的了解气候变化对塔吉克斯坦共和国冬雨型河流河川径流量的影响,为我国与塔吉克斯坦共和国对未来变化环境下水资源的合理开发利用提供一定的指导依据,通过针对瓦赫什河构建的高寒山区三水源新安江水文模型,以 1976 ~1990 年为基准年,设定两种的气候情景方案分析冬雨型河流河川径流量对气候变化的响应.基于气候变化规律分析可以看出,研究区气温呈上升趋势,而降水表现为弱的变化趋势,因此,气候变化方案一为气温与现状相同保持不变,年降水量比现状增加或减少 20%; 方案二为降水量与现状相同保持不变,年平均气温增加 1℃或 2℃.不同方案下模拟 1976 ~1990 年多年平均径流及其年、月增幅( 表 3 和表 4) ,考虑到篇幅限制,文中只列出 1980 年和 1981 年不同气候情景方案下径流过程( 图 5 和图 6) .从表 3 可以看出,与基准年相比,当研究区降水量减少 20% 时,河川径流量将减少 6.84% ; 当研究区降水量增加 20% 时,河川径流量将增加 12. 69% ; 当研究区气温升高 1℃ 时,河川径流量将增加 9. 98%; 当研究区气温升高 2℃时,河川径流量将增加 16. 51%.相比而言,研究区气温的变化比降水量变化对河川径流量影响更加敏感( 图 5 和图 6) ,这一点也可以通过研究区水文特性分析可以看出,对于冬雨型河流,气温较高季节,降水量少,河川径流的增加主要是高山冰川积雪消融量的多少决定,而冰川积雪消融量的多少又由气温的高低决定; 其他季节降水量多,但气温较低,降水的主要表现形式为固态降水,经流域的调蓄作用能够到达流域出口断面的降水量较少,因此,对于塔吉克斯坦共和国冬雨型河流河川径流量对气温升高或降低较敏感,且目前升高的气温趋势,使得研究区更多的冰川积雪消融,诱发各种与洪水相关的自然灾害的可能增加.
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  从表 4 可以看出,不同方案下逐月平均径流的变化对降水的增减与气温的升高较敏感,并且以 4 月、5月和 10 月最为明显,气候变化极易引起洪水灾害,随着气温的升高,4 月份低山区的积雪开始消融,河川径流量明显增多; 进入 5 月份由于低山区的积雪已完全消融,而中高海拔区域能够造成积雪与冰川消融的能量有限,使河川径流量明显的减少,10 月份由于在气温与降水的双重作用下,造成了河川径流量的增多; 由于 2 月与 3 月研究区气温较低,降水的主要表现形式为降雪,能够消融或经流域调蓄到达出口断面的降水量有限,因此,对河川径流量的变化影响微小; 其他月份由于气温与降水的变化及共同作用对河川径流量的影响较大.

  4 小结

  为更好的认识冬雨型河流的产汇流机制及指导其水资源的合理开发利用,文中基于收集的水文气象资料,在分析水文特性和气候变化规律的基础上,通过构建的三水源新安江水文模型,并设定不同的气候情景分析了冬雨型河流河川径流量对气候变化的响应.

  ( 1) 瓦赫什河降水主要发生于冬春季,夏季降水量偏少,平均最高气温出现在 7 月份,降水对径流影响不大,而气温与径流具有较好的相关性,气温的高低直接决定着瓦赫什河的河川径流量.

  ( 2) 通过选取具有较好同步性的一山区水文站与平原气象站气象要素进行分析可以看出,山区与平原区降水均呈弱的增加趋势,气温均呈升高趋势,相对而言,平原区气温升高趋势比山区更明显,对以积雪冰川消融水量补给为主河流的径流产生影响较大.

  ( 3) 针对瓦赫什河所构建的三水源新安江模型基本上能够反映研究区径流的变化规律,说明模型结构合理,参数取值较准确.

  ( 4) 以构建的高寒山区三水源新安江水文模型及设定不同的气候情景可以看出,研究区气温的变化比降水量变化对河川径流量影响更加敏感,逐月平均径流以 4 月、5 月和 10 月对气候的变化最为明显,但从水量平衡的角度,由于研究区降水呈弱的增加趋势,在一定温度范围内气温升高或降低对河川径流量的影响较大,超出这种平衡关系,河川径流量与气温、降水之间的关系还有待深入研究.

  参考文献

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