夏季气温对天山巴音沟河径流量影响分析

2021-07-15马红刚张金宝贾伟康

水利技术监督 2021年6期

马红刚，张金宝，贾伟康

(1.新疆石河子市水利工程管理服务中心，新疆石河子 832000；2.新疆石河子市巴音沟河流域管理处，新疆石河子 832000)

1 概况

在全球变暖的趋势下， 2000—2018年天山北坡的乌鲁木齐河1号冰川面积缩小了 19%。以冰川融水为主要水源的天山冰川河流，径流受到了温度升高冰川融化影响。目前，对天山夏季高空气温及日内气温对冰川融水径流影响的研究较少，所以研究夏季气温变化对径流影响在应用层面很有必要。也可以为今后研究气温对冰川影响提供部分依据。

天山北坡的河流水源主要为冰雪融水、地下水以及降水。在6—8月，气温逐渐升高，0℃层高度不断上升，中、高山区终年积雪和冰川融化形成径流。这3月融水径流占全年总径流的75%。所以研究冰川积雪融水径流是重点。

新疆巴音沟河是天山北麓11条中小河流之一，位于新疆沙湾县和乌苏市的交界处，全长120km。河流发源于天山北坡依连哈比尔尕山脉 33号冰川，北至准噶尔盆地南缘，西临奎屯河，东抵金沟河。具有新疆冰川河流典型特征。其地理位置介于东经 84°45′～85°27′，北纬 43°29′～44°58′之间。

巴音沟河又称安集海河、八音沟河，年均径流量3.1亿m3，最大年均径流量4.33亿m3(2007年)，最小年均径流量2.2亿m3(1992年)。巴音沟河高山冰川储冰92亿m3，折合水量74亿m3，年平均融水1.50亿～2.00亿m3，径流量由冰川融水约占年径流量的25%～35%、地下水占年径流量的15%～25%组成。中低山区暴雨山洪补给占年径流量的1.2%。降雨融雪混合补给约占年径流量的45%～55%(不稳定补给)，如图1所示。

图1 巴音沟河径流补给组成图

从巴音沟河月均温度与月均径流来看，1—12月基础径流主要依靠地下水均匀补给，日径流量小于3m3/s。随着气温逐渐升高，5月下旬至6月上旬，当日均最低气温达到14℃(3000m)以上时中山冰川融雪开始。7月上旬，当日最低气温达到17.5℃(0℃层高度3500m)以上时高山冰川融雪过程开始，7月中下旬至8月上旬，日均最低气温达到19℃(0℃层高度3800m)以上时高山冰雪融水最活跃径流最大。8月中下旬至9月下旬。气温下降，0℃层高度逐渐缓慢降低，高山带冰川融雪过程首先停止，中山带的冰川和融雪也逐渐停止径流逐渐变小。当9月中旬气温降低到14℃以下时。中山冰川融雪开始减弱停止。当10月份月均气温降低为8.47℃时，中山冰雪融水过程逐渐停止，如图2所示。

图2 巴音沟河月均气温和径流变化规律

2 数据与方法

2.1 数据来源

0℃层最低高度数据采用石河子气象台数据。气温采用石河子气象台巴音山庄自动气象站数据。巴音沟河径流采用巴音沟河渠首枢纽水文站径流数据。

2.2 主要方法

根据2019年7月5日开始公布的高空气温数据，对天山北坡的巴音沟河进行分析。选取2019年夏季7—8月、2020年夏季6—8月的0℃层最低高度与8：00径流进行对比，分析影响径流高空温度指标。

利用巴音沟河2020年主汛期的日内最低温度，按照每升高1000m，气温降低6.5℃的气温垂直地带性关系，对高空数据进行加密，研究估算高空最低高度和径流变化规律。分析影响径流关键气温指标。

利用巴音沟河2020年6—8月日内典型6h气温和径流数据进行对比，研究日内气温和径流变化规律。分析影响径流气温指标。

3 高空气温对径流影响

冰川作为天然的固体水库对天山大气物理过程和天气气候变化产生着深刻的响应。对流层中气温会随着海拔的升高而递减，当地面气温在 0℃以上时，在高空中就会出现 0℃等温面，称之为0℃层高度。

3.1 实测高空气温与径流变化

根据新疆石河子市气象台乌兰乌苏站2019年7月5日通过对汛期高空0℃层最低高度监测。对比2019年，2020年夏季巴音沟河的早8：00径流变化，分析高空气温与其早8：00径流变化关系。

3.2 2019年7—8月高空气温对径流影响

7—8月，当0℃层最低高度在3800m以上时，巴音沟河早8：00流量，总体上跟随高度的变化而变化。当0℃层最低高度在3600m以下时，高山带冰川融雪过程突然减弱，径流明显减少，影响径流过程为7d以内，如图3所示。

图3 2019年汛期0℃层最低高度与巴音沟河径流变化特征

3.3 2020年高空气温对径流影响

当6月0℃层最低高度在3600m以下时，径流较小，随高度而变化，当0℃层最低高度低于3000m时，受降温影响较大。

当7—8月，0℃层最低高度在4000m以上时，冰川融水最活跃，径流达到峰值。当0℃层最低高度在3800m以上时，总体上跟随高度的变化而变化。当0℃层最低高度在3600m时，受降温影响较大。

6月是融水径流的升温涨水关键期。由于两次降温0℃层都低于3000m，所以6月8日影响了7d涨水过程，6月22日影响了3d涨水过程。7月1日降温仅影响1d。随着累积温度升高，降温对径流过程影响减弱，6月两次大的降温导致中山带融水减弱，是2020年天山北坡巴音沟河夏季旱情的加剧主要原因，如图4所示。

图4 2020年汛期0℃层最低高度与巴音沟河早8：00径流变化特征

综上，巴音沟河及附近河流径流主要受到高空气温影响。径流跟随高空0℃层高度变化而变化。6月主要影响中山带3000～3600m高度丘陵的山峰积雪融水，由于中山带的积雪冰川发育较差，所以6月的径流在10～20m3/s流量区间变化。7—8月高空0℃层最低高度主要在4000m振荡，主要影响高山带3800m以上天山山脉永久冰川融水，由于高山带的积雪冰川发育较好，径流在较高流量21～60m3/s区间变化。

4 估算高空气温对夏季径流影响

4.1 估算高空气温的方法

在高空气温观测中存在0℃层最低高度多日不变的情况，这与高空气温实际变化情况是不符的。由于径流对最低温度和0℃层最低高度最为敏感，就需要将日最低气温转换为0℃层最低高度。将出山口实测最低气温数据按照每升高1000m降低6.5℃的气温垂直地带性规律，得出估测的高空气温与日均径流进行比较。估算0℃层高度公式：

(Tmin÷6.5)×1000+K出=K0

(1)

式中，K0—0℃层海拔高度；Tmin—出山口日最低温度；K出—出山口海拔高度。

4.2 2020年夏季估测高空气温对径流影响

将巴音沟河2020年汛期出山口巴音山庄气象站(844m)的日最低气温带入公式换算。对比日均径流量。6月径流的涨水期，0℃层最低高度在3000～4000m之间。径流也在较低区间徘徊。当0℃层最低高度低于3000m时，径流也发生较大减少。7—8月，最低温度0℃层在3600～5000m之间，变化趋势一致，当0℃层最低高度低于3600m时，径流减少。估测的0℃层高度较实测0℃层高度精度较高，存在早于径流变化特征，如图5所示。

图5 估测0℃层最低高度与日均径流变化特征

综上，通过日最低气温转换的日0℃层最低高度可以看出，6—8月径流与估算0℃层最低高度变化过程一致，呈跟随气温变化而变化规律。由于估测值比观测值精度高，可以作为径流预测的指标。影响径流具体指标为，6月低于3000m(14℃)，7—8月低于3500m(17.5℃)，影响较大。

5 出山口气温对径流影响

5.1 夏季气温和径流变化关系及流程关系

在巴音山庄工作时发现每天下午越热时，夜间的径流就会越大，估算日最高气温和最高日径流有12h的时差。为验证这一猜想，将每天凌晨4：00(日径流最大)，早上10：00(日气温最低)，下午16时(日气温最高)，下午22：00(日径流最小)的气温数据和径流数据放到同一表中。

(1)流速计算。巴音沟河出山口，渠首至上游安集海大峡谷，河道长度21.89km，根据以往洪水观测，洪水从安集海大峡谷到巴音沟河渠首耗时2.5h，推算出洪水在河道的平均流速为2.43m/s。所以统一采用2.43m/s为主河道流速。

(2)流程推算。巴音沟河出山口至高山区天山主峰(3600～5000m)河道距离为99km。河道流程为11.29h。出山口至中山区山脉主峰(3000～3600m)。河道距离为50km。河道流程为5.71h，约为6h，如图6所示。

图6 巴音沟河流程图

5.2 6月巴音沟河气温和径流变化规律

将巴音沟河2020年6月份4：00、10：00、16：00、22：00气温和径流带入表，得出气温-径流曲线。气温和径流皆呈一日一峰一谷反复出现关系，但是两者之间的峰谷关系不对应。将6h后径流曲线向前平移6h，气温与径流呈成同步变化的状态。这说明：6月份是由中山带的冰雪融水形成的径流。

呈现6h的流程差原因是：高空气温在3000～3500m，属于中山带山峰冰雪融化。山峰至出山口为50km流程左右，存在约6h流程时差。由于中山带山峰冰雪覆盖较差，所以径流较小，在5～21m3/s区间循环出现。

当6月日气温低于14℃(3000m)对中山带(主峰3000～3600m)冰雪融水影响较大，如图7所示。

图7 2020年6月巴音沟河气温-径流(6h)变化特征

5.3 7月巴音沟河气温和径流变化规律

巴音沟河7月气温和径流变化皆呈一日一峰一谷反复出现形态，但是两者之间的峰谷关系不对应。将7月6日10：00前6h后径流曲线向前平移6h，将7月6日10：00后12h后径流曲线向前平移12h，气温与径流呈成同步变化的状态。这说明：7月6日10：00前为中山带冰雪融水洪水，7月6日10：00后为高山带冰雪融水洪水，主要受高空气温升高影响。

呈现6、12h的流程差原因是：高空0℃层在7月6日之前在3500m左右震荡，7月6日以后在4000m左右震荡。高山冰峰距离出山口约99km，存在约12h流程时差，冰川融雪过程从中山带融水发展到高山带融水。冰雪融水的流程差从6h发展到12h。最低温度低于17.5℃(3500m)。对高山融水径流趋势有影响。也证实了7月气温先对中山带造成影响，然后过渡为对高山带影响的猜想，如图8所示。

图8 2020年7月巴音沟河气温-径流(6、12h)变化特征

5.4 8月巴音沟河气温和径流变化规律

巴音沟河8月与7月中下旬相似。将8月1日后，12h后径流曲线向前平移12h，气温与径流呈成同步变化的状态。这说明：8月份的径流变化，是由高山带的冰雪融水形成的径流。

呈现12h的流程差原因：径流全部发生在高山区冰川融水形成。8月1—13日，日气温在20～35℃反复循环出现，高空0℃层在(3920～5600m)时，高山冰川融雪过程达到了顶峰，径流在20～60m3/s循环出现，温度-气温关系最为明显。日气温低于17.5℃(0℃层高度低于3500m)对高山带冰川融雪过程影响较大，如图9所示。

综上，6月至7月6日，根据日气温和日径流存在约6h时差，证实冰雪融水发生在中山带。7月6日至8月31日，根据日气温和日径流存在约12h时差，证实冰雪融水发生在高山带冰川。高山融水比中山融水，时间晚6h，径流大1～2倍。汛期可以利用日气温峰值早于日径流峰值(6，12)h规律，对未来6、12h出现融水洪水及洪峰进行预测。同时根据时差可以反向推出径流量区间范围。