席小康, 朱仲元, 宋小園, 焦 瑋, 隋佳碩

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018)

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錫林河流域融雪徑流時間變化特征與成因分析

席小康, 朱仲元, 宋小園, 焦 瑋, 隋佳碩

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018)

融雪徑流是寒旱區(qū)草原流域徑流的重要補給方式和水源。融雪徑流時間隨著氣象條件的變化而改變，這嚴(yán)重影響著研究區(qū)年徑流量和各季徑流量的分配。采用錫林河水文站1960—2009年水文年流量質(zhì)心時間CT來表示錫林河水庫上游融雪徑流開始時間，分析了融雪徑流時間變化特征。結(jié)果表明：錫林河水文站融雪徑流時間具有提前趨勢，且融雪徑流發(fā)生在3月末與4月初期，錫林浩特氣象站融雪期(3—4月)氣溫升高或積雪期(上年10月—當(dāng)年4月降水量增加，錫林浩特水文站融雪徑流時間會提前，但融雪期氣溫對融雪徑流時間作用更明顯。由融雪徑流時間與年徑流量和四季徑流量的相關(guān)關(guān)系，可得融雪徑流時間提前，年徑流量、冬、夏、秋季徑流量均會減小，而春季徑流量會增大，但融雪徑流時間與年徑流量、夏、秋季徑流量關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)分別為0.456，0.600與0.676。這對寒旱區(qū)草原流域合理利用雪水資源和洪水預(yù)警有重要作用。

錫林河水庫上游; 融雪徑流時間; 徑流量

全球氣候變暖導(dǎo)致的融雪徑流時間變化已經(jīng)引起科學(xué)界越來越多的關(guān)注[1-5]。寒旱區(qū)草原流域地表水資源極為匱乏，但卻是積雪資源較豐富的地區(qū)，融雪徑流是寒旱區(qū)草原流域徑流的重要組成部分，積雪水資源是寒旱區(qū)寶貴的淡水資源之一，冰雪融化對流域春、夏河川徑流的影響也十分顯著[6]。季節(jié)性積雪對農(nóng)牧生產(chǎn)也會產(chǎn)生重要影響。同時，如果冬季積雪豐厚，在一定條件下也可能造成災(zāi)害，如遇春季持續(xù)升溫或大量降雨，積雪急劇融化造成部分地區(qū)發(fā)生春洪，沖毀農(nóng)田，阻礙交通，威脅人民的生命財產(chǎn)安全。在干旱區(qū)，積雪所產(chǎn)生的融雪徑流是異常敏感的環(huán)境變化響應(yīng)因子[7]，描述流域徑流特征的其中一個重要指標(biāo)就是融雪徑流時間，融雪期降水與氣溫是影響融雪徑流時間的重要因素，而融雪徑流時間的改變又會影響到年徑流及其季節(jié)分配[6,8-13]，因此，十分有必要對融雪徑流時間進(jìn)行判定，可依據(jù)計算和預(yù)測結(jié)果向有關(guān)防洪、減災(zāi)和政府部門提供防災(zāi)減災(zāi)參考，對及時做好人員、財產(chǎn)等的保護(hù)有重要的參考意義。

由于地形、緯度、下墊面條件的差異，流域內(nèi)各點融雪徑流時間過程往往難以直接觀測，且時間存在較大的差異。因此，通常采用分析流域出口斷面徑流序列變化特征來近似獲取流域融雪徑流時間[6]。融雪徑流質(zhì)心時間(The Timing of the Center of Mass of Flow or Center time,CT)是一種計算比較簡單，且計算結(jié)果相對可靠的方法。同時，CT對于異常的徑流年際變化相對不敏感，能夠有效的避免因為統(tǒng)計誤差造成的影響，CT也比較容易用于對處于不同氣候帶的流域融雪徑流時間進(jìn)行比較。因此，在融雪徑流時間的研究中，CT己被廣泛用來近似地表示融雪徑流時間[6,9,12,13]。

錫林河流域?qū)儆诿晒挪菰系膬?nèi)陸河流域，目前，以錫林浩特水庫為界，錫林河下游己基本斷流，錫林河上游徑流補給主要來自于夏季降雨補給、春季融雪補給以及地下水補給。經(jīng)統(tǒng)計分析，在4月份，錫林河流域全年三成以上徑流來源于融雪。因此，本文重點研究錫林河水庫上游地區(qū)錫林河水文站點融雪徑流時間的變化特征以及發(fā)生變化的原因，揭示研究區(qū)域內(nèi)融雪徑流時間的變化對年徑流及四季徑流的影響。

1 研究區(qū)概況

錫林河屬于內(nèi)蒙古草原典型內(nèi)陸河，發(fā)源于赤峰市克什克騰旗，干流全長175 km，地理位置在43°26′—44°39′N，115°32′—117°12′E之間，自東南流向西北，最終自然消失在查干諾爾濕地[14]。本文的研究區(qū)位于錫林浩特市錫林河水庫上游的錫林河水文站(43°49′24.8″N，116°09′38.5″E)所控制的流域上游區(qū)域，水文站的集水面積為3 852 km2。錫林河流域地處寒旱區(qū)，具有獨特地理氣候環(huán)境，該地區(qū)水資源的主要來源是夏季降雨和春季融雪，大部分水分因強烈的蒸發(fā)作用而流失，所以對于草原內(nèi)陸河流來說，水文站出口的徑流量基本代表了該區(qū)域水資源的總量，故本文選取錫林河水文站作為流域總的出口斷面。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

錫林河流域內(nèi)氣象水文站點分布較少，流域內(nèi)僅有錫林河水文站與錫林浩特氣象站，本文選用錫林河水文站1960—2009年水文年(水文年在北半球是從上年10月1日開始到當(dāng)年9月30的時間段，在南半球是從去年7月1日到當(dāng)年6月30日的時問段)月徑流量資料，錫林浩特氣象站1961—2009水文年月平均氣溫和月降水資料。(后續(xù)出現(xiàn)年份均為水文年)。

2.2 融雪徑流時間計算方法

根據(jù)錫林河水文站的月徑流序列，計算出每一個水文年中達(dá)到年徑流質(zhì)量中心的時間，即流量質(zhì)心時間CT，以此來近似的表示融雪徑流時間。在本文中，CT使用的是流量權(quán)重時間(Flow-weighted timing)或者叫徑流質(zhì)心(Center of mass of flow)法[8]，計算公式如下:

(1)

式中:ti是以水文年開始月份(10月)為第一個月起算的月份或者是以水文年開始第一天(10月1日)起算的天數(shù)；qi表示的是相對應(yīng)時刻的徑流量(m3/s)；CT是一個以天或者月為計量單位的數(shù)值。文后中提到的融雪徑流時間即是指CT。

2.3 累積距平法

累積距平法是通過繪制的累積距平曲線圖來直觀判斷變化趨勢的一種常用方法，對于序列x，時刻t的累積距平為：

(2)

(3)

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

本文中，主要采用累積距平法來分析判斷融雪徑流時間年際變化特征與趨勢。通過皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)來分析融雪徑流時間變化與PI和TI之間的相關(guān)性以及融雪徑流時間與年徑流量和四季徑流量的相關(guān)關(guān)系。在本文中，采用積雪期(上一年10月至當(dāng)年4月)降水量的距平來表示降水指數(shù)(PI)；用融雪期(3月至4月)平均氣溫距平來表示氣溫指數(shù)(TI)。

3 結(jié)果與分析

3.1 融雪徑流時間變化特征

3.1.1 融雪徑流時間年代際變化過程 通過錫林河水文站1960—2009年月徑流資料，分析計算錫林河流域水庫上游融雪徑流時間變化特征，結(jié)果表明，從1960—2009年以來，錫林河水文站點的融雪徑流時間均在3月末與4月初期(CT從每年10月份為第一個月算起)。其多年平均融雪徑流時間為5.96月，即3月29日前后。見圖1，錫林河站CT的年代際變化差異明顯。70年代相比于60年代融雪徑流時間出現(xiàn)延遲趨勢，而80年代相比于70年代與90年代融雪徑流時間明顯提前，分析認(rèn)為，80年代錫林河流域融雪期(3—4月)平均氣溫較低是其主要原因。從90年代后，融雪徑流時間提前趨勢明顯，分析認(rèn)為主要是融雪期(3—4月)氣溫明顯升高以及積雪期降水增多所致。21世紀(jì)前10a比60年代融雪徑流時間提前了20d左右。

圖1 錫林河水文站CT年代際變化特征

3.1.2 融雪徑流時間年際變化過程 根據(jù)累積距平算法，計算出各年融雪徑流時間距平與累積距平值，并繪制累積距平曲線圖2。由圖所示，從錫林河水文站融雪徑流時間累積距平曲線可以看出，1960—2009年，近50a以來，錫林河流域融雪徑流時間分為4個階段：1960—1981年與1995—2000年融雪徑流時間增加，融雪徑流時間趨于變晚；2000—2009年融雪徑流時間提前趨勢明顯，該時段平均融雪徑流時間早于多年平均融雪徑流時間；1981—1995年融雪徑流時間趨向于平穩(wěn)。

圖2 錫林河水文站融雪徑流時間與CT累積距平曲線

3.2 融雪徑流時間變化對徑流的影響

流域融雪徑流時間的早晚會導(dǎo)致年徑流量與各季徑流量分配的差異。通過融雪徑流時間與年徑流量、冬季徑流量(上年12至當(dāng)年2月)、春季徑流量(3—5月)、夏季徑流量(6—8月)、秋季徑流量(9—11月)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)來分析融雪徑流時間與年徑流量和四季徑流的相關(guān)關(guān)系。

由表1可以看出，在錫林河水庫上游，融雪徑流時間CT與年徑流總量相關(guān)關(guān)系為正，且在95%置信水平上顯著，即年徑流總量隨著融雪徑流時間提前而減少推遲而增加。從融雪徑流時間與春、夏、秋、冬四季徑流量的相關(guān)系數(shù)來看，融雪徑流時間與冬、夏、秋季徑流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均為正，說明融雪徑流時間提前，冬、夏、秋三季徑流量都會出現(xiàn)減少，但是這種影響在夏、秋季表現(xiàn)尤為突出，都通過95%置信水平檢驗。在春季，融雪徑流時間與徑流量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，即融雪徑流時間提前會導(dǎo)致春季流量增加。

從以上分析可以看出，以融雪徑流補給為主的寒旱區(qū)草原內(nèi)陸河流域—錫林河流域融雪徑流時間的改變與年徑流量和各季徑流量的大小有密切關(guān)系，因此，深入掌握融雪徑流時間與徑流量相互關(guān)系對合理進(jìn)行水資源管理與優(yōu)化配置具有重要意義。

表1 錫林河融雪徑流時間(CT)與年徑流量及

注：**在0.01水平雙側(cè)顯著相關(guān)。

3.3 融雪徑流時間對氣候變化的響應(yīng)

流域融雪徑流時間的變化是由該區(qū)域氣象條件所決定，降水和氣溫的年際差異可能就會導(dǎo)致融雪徑流時間的改變，用降水指數(shù)(PI)與氣溫指數(shù)(TI)來表示降水與氣溫對融雪徑流時間的影響[8]。通過計算PI與TI及其累積距平，以及融雪徑流時間變化與PI，TI的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，分析降水指數(shù)和氣溫指數(shù)變化過程以及融雪徑流時間變化與PI，TI的相關(guān)性，從而來探討錫林河水站融雪徑流時間對氣候變化的響應(yīng)。

3.3.1 降水指數(shù)與氣溫指數(shù)變化過程 錫林浩特氣象站點PI與TI的累積距平曲線見圖3。從圖中可得，1988年融雪期3—4月平均氣溫發(fā)生了突變，突變點前后融雪期平均氣溫分為兩個主要階段：1961—1988年融雪期平均氣溫經(jīng)歷一個降低階段，29 a間累積下降了約3.16℃；1988—2009年融雪期平均氣溫經(jīng)歷了一個上升階段，22 a間大約累積上升了3.6℃。錫林浩特氣象站積雪期降水量在1977年了發(fā)生突變，1977年積雪期降水量僅僅為18 mm，而1978年積雪期降水量卻多達(dá)88 mm，相差60 mm。從整個PI累積圖上看，1961—1977年積雪期降水處于相對穩(wěn)定階段；1977—1980年積雪期降水量連續(xù)大于多年平均值；1980—1984年該時段積雪期平均降水小于多年平均值；1984—1996年曲線趨勢上升，積雪期降水呈增加態(tài)勢；1996—2006年積雪期降水量又出現(xiàn)減少趨勢；1996年后積雪期降水出現(xiàn)反彈。

圖3 錫林浩特氣象站TI與PI累計距平曲線

3.3.2 融雪徑流時間變化與降水指數(shù)、氣溫指數(shù)的相關(guān)性 通過計算錫林河水文站1961—2009水文年融雪徑流時間距平與降水指數(shù)和氣溫指數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)可得，錫林河水文站融雪徑流時間變化與錫林浩特氣象站PI，TI的相關(guān)系數(shù)分別為-0.008 46，-0.170 75，不顯著，但均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是說積雪期降水量的增加與融雪期平均氣溫的升高都會導(dǎo)致融雪徑流時間的提前，反之則會導(dǎo)致融雪徑流時間的延遲。另一方面，從相關(guān)程度來看，錫林河水文站融雪徑流時間的變化與TI的相關(guān)程度大于PI，即融雪徑流時間變化對融雪期溫度更為敏感。

從圖3以及錫林浩特氣象站年10月至次年4降水量與3—4月平均氣溫年代際變化，并結(jié)合錫林河水文站融雪徑流時間與錫林浩特PI，TI的相關(guān)性綜合分析可得：錫林河水文站融雪徑流時間變化與錫林浩特氣象站的相關(guān)系數(shù)絕對值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其與TI的相關(guān)系數(shù)絕對值，所以氣溫比降水量更易導(dǎo)致融雪徑流時間的變化；60至70 a隨著融雪期平均氣溫的降低，融雪徑流時間趨于變晚；70—80年代融雪期氣溫升高，融雪徑流時間提前；70年代融雪期氣溫都低于其他年代，所以導(dǎo)致該時段平均融雪徑流時間是最遲的；在2000—2009年融雪期平均溫度是最高的，平均融雪徑流時間也是最早的；而在90年代積雪期降水水平與融雪期氣溫都相對較高，但是融雪徑流時間卻較晚，分析其原因認(rèn)為，首先雖然融雪期3—4月平均氣溫較高，但3月氣溫相對較低，4月氣溫才出現(xiàn)大幅升高；其次是降雨不僅可以帶來融雪所需熱量而且可以破壞積雪結(jié)構(gòu)加速融雪，但是降雨多集中于4月，雙重作用下，融雪徑流時間較晚。

4 結(jié) 論

(1) 錫林河水文站融雪徑流時間開始在3月末與4月初期，從整體來看，融雪徑流時間具有提前的趨勢，2000—2009年平均融雪徑流時間比60年代平均融雪徑流時間提前了大約20 d，從代際來看，70年代融雪徑流時間開始最晚，2000—2009年融雪徑流時間開始最早。

(2) 融雪徑流時間與年徑流量、冬、夏、秋季徑流量正相關(guān)與春季徑流量負(fù)相關(guān)，融雪徑流時間提前，年徑流量、冬、夏、秋季徑流量會減小，春季徑流會增大，但融雪徑流時間與年徑流量、夏、秋季徑流量關(guān)系最為密切。

(3) 通過計算錫林河水文站1961—2009水文年融雪徑流時間距平與降水指數(shù)和氣溫指數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)可得，錫林浩特氣象站融雪期(3—4月)氣溫升高或者積雪期降水(上年10月—當(dāng)年4月)增加，錫林浩特水文站融雪徑流時間會提前，但與積雪期降水相比融雪期氣溫對融雪徑流時間作用更加明顯。

本文采用CT表示融雪徑流時間是常用的近似表達(dá)方式，缺乏對融雪徑流開始時間的準(zhǔn)確判斷，故研究建立更為精確的融雪徑流時間計算方法和監(jiān)測技術(shù)對以春季融雪補給為主的寒旱區(qū)草原內(nèi)陸河流域水資源的優(yōu)化利用十分重要。影響融雪徑流時間的因素很多，除了本文分析的降水及融雪期氣溫外，積雪區(qū)下墊面條件、季節(jié)性凍土等都會影響融雪徑流開始時間，全面定性定量分析各因素對融雪徑流時間影響情況，對掌握融雪徑流時間變化規(guī)律具有重要意義。定量分析不同融雪徑流時間對流域徑流年內(nèi)分配影響，對水資源利用及合理配置具有重要的社會經(jīng)濟(jì)價值。

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Time Variation Characteristics and Genetic Analysis of Snowmelt Runoff in Xilin River Basin

XI Xiaokang, ZHU Zhongyuan, SONG Xiaoyuan, JIAO Wei, SUI Jiashuo

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China)

Snowmelt runoff is an important supply and source of water of cold and arid regions. The snow melting runoff time will change with the variation of the meteorological conditions, which seriously affect the distribution of annual and seasonal runoffs of the study area. The Timing of the Center (CT) of Mass of Flow of Xilin River Hydrological Station 1960—2009 hydrological year was used to represent the snowmelt runoff start in the upstream of Xilin River Reservoir and analyze the time characteristics of snowmelt runoff. The results showed that the time of snowmelt runoff has earlier trend for Xilin River Hydrological Station, and snowmelt runoff occurred in late March and early April, at the Xilinhot Weather Station, temperature during the snow melting period (March to April) or precipitation during the snow period (last year in October to the April of this year) increased, the time of snowmelt runoff will be ahead, but the effect of the temperature on the time of the snow melting was more obvious. By Pearson correlation coefficients between CT and annual and seasonal runoffs, if the time of snowmelt runoff is in advance, the annual runoff, winter, summer, and autumn runoff will decrease, and spring runoff will increase, but Pearson correlation coefficients between CT and annual runoff, summer and autumn runoff is most closely, correlation coefficient is 0.456,0.600,0.676, respectively, which provided an important support in rational use of snow water resources and flood warning in the cold and arid regions prairie watershed.

the upstream of Xilin River Reservoir; the time of snowmelt runoff; runoff

2015-11-13

2016-01-18

國家自然科學(xué)基金(50769005;51149006);內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2013MS0607)

席小康(1991—),男,陜西省漢中市人,碩士研究生,主要從事干旱區(qū)水資源可持續(xù)利用與規(guī)劃方面的研究。E-mail:354925114@qq.com

朱仲元(1956—),男,內(nèi)蒙古涼城縣人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水文水資源與草原生態(tài)等方面的研究。E-mail:731011410@qq.com

P343.1

A

1005-3409(2016)06-0150-04