祁連山凍土特征及其對流域徑流的影響

中國西部貧困地區(qū)的水文過程受到凍土、季節(jié)凍土和炎熱季節(jié)的影響。祁連山山區(qū)河流約50%以上的面積分布于海拔3500m以上的高度帶,這里是多年凍土和季節(jié)性凍土、高山積雪和冰川發(fā)育的地區(qū)。然而在我國開展凍土水文過程研究工作起步較晚,且報道很少,僅有中科院蘭州冰川凍土研究所的部分研究成果。利用祁連山北坡中段大野口流域的氣象、水文、凍融過程等基礎(chǔ)資料,探討該流域季節(jié)性凍土的特征和其對徑流形成過程的影響,對推進(jìn)這一領(lǐng)域的研究具有重要意義。1寒溫性森林植被試驗(yàn)區(qū)位于祁連山中段西水林區(qū)(E100°17′,N38°24′),屬高寒半干旱、半濕潤山地森林草原氣候。年平均氣溫0.5℃,年降水量435.5mm,年蒸發(fā)量1051.7mm,年均相對濕度60%,海拔2500~3750m。森林植被是以青海云杉林(Piceacrassifolia)為主的寒溫性針葉林,建群種青海云杉呈斑塊狀分布于陰坡、半陰坡;祁連圓柏(Sabianprzewalskii)呈小塊狀分布于陽坡、半陽坡;灌木優(yōu)勢種有金露梅(Potentillafruticasa)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)、鮮黃小蘗(Berberisdasystachya)、蒙古繡線菊(Spiraeamongolica)等;草本主要有珠牙蓼(Polygonumviviparum)、苔草(Carex)和針茅(Stipa)、黃芪(Hedysarum)、萵苣(Lactuca)、蒿(Artemisia)、火絨草(Leontopodium)、白藜(Chenopodiumalbum)、委陵菜(Potentilla)、蒲公英(Taraxacum)、棘豆(Oxytropis)、大戟(Euphorbia)、車前(Plantago)、鮮馬藺(Irisensata)等。土壤主要是山地灰褐土和亞高山灌叢草甸土。2學(xué)習(xí)方法2.1凍土器的測定在試驗(yàn)流域內(nèi)分別海拔2570、2700、2900、3100、3300m選擇有代表性的地段設(shè)置凍土器,2570、2700m每天測定一次,其它點(diǎn)每旬一次。2.2林內(nèi)、林外草地氣象因子觀測分別在海拔2570、2700m設(shè)置氣象觀測站(海拔2700m分別林內(nèi)、林外草地各設(shè)置一個),根據(jù)國家二級氣象站的觀測標(biāo)準(zhǔn)測定其大氣溫度、濕度、降水、蒸發(fā)、地溫等氣象因子。2.3流量法在小流域海拔最低處,選擇一不透水的基巖層,修建一復(fù)合量水堰,測定流出小流域的水量變化。3結(jié)果與分析3.1遼山市森林冷凍土的特點(diǎn)3.1.1不同海拔高度土壤凍結(jié)的鐵路運(yùn)動祁連山區(qū)土壤每年的10月20日左右開始凍結(jié),第二年5月20日左右達(dá)到凍結(jié)最大深度。較低海拔的土壤到第二年的8月20日左右消融結(jié)束,但在林地條件下,于次年的10月22日左右才能全部消融。土壤季節(jié)性凍土隨著海拔的升高,在相同深度的凍結(jié)層,其凍結(jié)出現(xiàn)的時間較早,但在相同深度的融化層,其融化出現(xiàn)時間較遲;陽坡的解凍時間早于北坡,而凍結(jié)時間則相反。在不同的海拔高度,土壤凍結(jié)的速度也不一樣。海拔2570m與2700m,土壤凍結(jié)的速度相對緩慢,平均每旬2cm;而在海拔2900、3100與3300m,土壤凍結(jié)的速度相對較快,平均每旬為5cm(圖1)。上述現(xiàn)象,除與海拔的梯度變化有關(guān)系外,還與土壤的含水量大小有關(guān)系。3.1.2土壤凍結(jié)分布情況在祁連山的中西段,主要的植被類型有草原、灌木林和青海云杉林。草地、灌木林地與青海云杉林地相比較,林地土壤的凍結(jié)比草地的土壤凍結(jié)要早20d左右,而全部消融的時間也比草地晚近15d。土壤凍結(jié)深度與土壤厚度有關(guān)系,在海拔較低地段,土層較厚,土壤凍結(jié)深度草地達(dá)到174cm,而林地卻達(dá)到235cm,灌木林地由于其分布海拔較高,土層相對較薄,凍結(jié)厚度達(dá)到110cm。草地的土壤凍結(jié)速度較慢,平均每旬為2cm;灌木林地與青海云杉林地土壤凍結(jié)速度平均每旬有5cm(圖1),這與草地、灌木地與青海云杉林地在山體上的分布位置有關(guān)系。草地分布于陽坡和半陽坡,而林地則分布于陰坡與半陰坡。沿海拔梯度由低到高,依次分布草原、青海云杉林和亞高山灌木林。同時,森林對氣候的調(diào)節(jié)作用,也影響到土壤凍結(jié)消融情況。另外,林地土壤水分滲透作用強(qiáng),土壤含水量相對偏高,也是造成這種現(xiàn)象的主要原因。3.2凍土黨2月10日從祁連山大野口林區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象站觀測的數(shù)據(jù)看出,森林凍土的厚度變化與氣溫的變化并不同步。氣溫最低每年大約出現(xiàn)在12月29日前后,而此時的凍土厚度才達(dá)到93cm,占最大凍土厚度的56.71%。2月10日左右,氣溫開始逐漸回升,至7月22日升到最高,達(dá)到31.1℃,但凍土從地表融化卻從3月10日才開始,同時在凍土下界,仍然在往下凍結(jié)。5月20日左右達(dá)到最大下限,下層凍土開始融化,而且融化速度逐漸加大;隨著積溫的逐漸增加,土壤的融化速度在7月30日后達(dá)到最高值(圖2)。出現(xiàn)這種情況與積溫的逐漸增加有很大關(guān)系。3.3森林中的凍土影響徑向流3.3.1不同季節(jié)的徑流變化凍土活動層深度受地形、坡向、海拔、巖性、土壤含水量與下墊面狀況制約。(1)隨著海拔升高,在相同的融化層深度,其融化出現(xiàn)時間逾遲;(2)干土層比濕土層解凍深度深;(3)陽坡的解凍時間早于陰坡,而凍結(jié)時間則相反。不同季節(jié)的徑流變化是:春初,因地表層土壤處于凍結(jié)狀態(tài),流域內(nèi)基本無地表徑流形成,5月初表層土壤已處于正溫,有融雪過程,但融水較少,以及流域的填洼作用,地表徑流十分微弱。春末夏初,融雪加快,而且此時凍土消融尚淺,存在的凍土層如隔水層一樣,阻止水流入滲,在滿足流域表層初損之后形成地表徑流。所以,山區(qū)在春末夏初,往往形成徑流高峰。盛夏,低海拔處的凍土已達(dá)到最大融化層深度,季節(jié)凍土層消失,流域的調(diào)蓄能力增強(qiáng),下滲及蒸發(fā)量大,洪峰削減,故夏季洪峰不如春季洪峰大(除特大暴雨外)。冬季,地表水、降雪和土壤凍結(jié),河川徑流靠泉水與深層地下水補(bǔ)給,沿河谷兩岸多處出現(xiàn)冰錐,土壤凍結(jié)把大量的壤中流以冰晶的形式存貯進(jìn)來。3.3.2凍結(jié)面基本消失,土壤通過地下徑流生長沿河谷兩岸的活動層較淺(1.0~1.5m),地下水相當(dāng)豐富。由河谷向兩面山坡延伸,活動層增厚,地下水位變深。上游河谷活動層內(nèi)的地下水受季節(jié)性變化的影響較為明顯,如海拔3400m的上游試驗(yàn)點(diǎn),6月的凍結(jié)面0.5m;7~8月的凍結(jié)面基本消失,地下水位由0.5m上升到1.0m左右;9~10月因氣溫降低,地表即無融水雨水又少,加之,土壤基本上完全解凍,下滲作用增強(qiáng),相應(yīng)的地下水位下降。同時,部分地區(qū)土壤開始結(jié)凍,凍結(jié)面由底部上升。上游河谷的地下水位是與山坡淺層泉水出露有關(guān),而位于下游山坡的地下水位明顯是與降水入滲有關(guān)。當(dāng)雨季到來之時,降水使土壤含水量增加,流域儲水量增大,相應(yīng)的地下水位逐漸升高;在無降水時,土壤儲存的水以地下徑流的形式向河谷排泄。到秋季氣溫下降到0℃以下,固態(tài)降水出現(xiàn),相應(yīng)的地下水位下降,因雙向凍結(jié)面逐漸上升,地下冰增厚,可見,流域的地表徑流直接受活動層內(nèi)的水位凍結(jié)面變化的影響。3.3.3凍土下徑流生長情況為了便于研究森林對河川徑流量的影響,選擇面積為2.95hm2的小流域進(jìn)行水量觀測,觀測數(shù)據(jù)顯示,每年的11月10日開始,水量趨于穩(wěn)定,在0.001m3/s上下波動。4月中旬以后,隨著凍土融化程度的加快,徑流流量的初始變化并不明顯,但當(dāng)凍土融化到達(dá)到145cm時,徑流流量增加很快,至7月20日達(dá)到最大,為0.07526m3/s,以后又很快下降,至7月25日左右,逐漸開始回升,徑流的變化情況與凍土的厚度基本成反比關(guān)系(圖3)。森林凍土對河川徑流的這種作用是對降水徑流作用的調(diào)節(jié),離開降水而單獨(dú)談凍土的徑流作用無實(shí)際意義,凍土是影響徑流的其中一個因子。4凍土厚度隨季節(jié)的變化祁連山區(qū)土壤每年的10月20日左右開始凍結(jié),第二年5月20日左右達(dá)到凍結(jié)最大深度。較低海拔到第二年的8月20日左右消融結(jié)束,但林地條件下,于次年的