劉思敏 ，余新曉 ，牛 赟

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083；2.甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅張掖734000；3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅張掖734000）

祁連山排露溝流域降雪消融與融水徑流分析

劉思敏1，余新曉1，牛 赟2,3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083；2.甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅張掖734000；3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅張掖734000）

西北內(nèi)陸山區(qū)徑流變化受到多種因素的影響，其中冬、春季甚至初夏季節(jié)降雪消融直接影響著徑流的形成過程和變化。本文采用降雪消融樣地監(jiān)測法、三角量水堰自記水位計(jì)和容積測定法，對祁連山北坡2002-2011年氣溫、日照、降雪、積雪消融及流域徑流進(jìn)行長期監(jiān)測與研究。結(jié)果表明：（1）祁連山排露溝流域5～9月份為雨季，10～4月份為雪季。（2）雪季降水占全年降水量的11.2～25.6%，平均為17.69%，降雪平均厚度為40.65 cm。（3）喬木林內(nèi)積雪量占灌叢林的84.54%，陰坡積雪量比陽坡高8.36%。積雪消融量平均為0.184～0.526 mm/d，喬木林積雪消融占灌叢林的78.72%，占陰坡草地的37.66%，占陽坡草地的32.61%；灌叢林積雪消融量占陰坡草地的47.45%，占陽坡草地的41.09%；陰坡積雪消融量占陽坡的34.98%，即陰坡積雪時間比陽坡長63.12%。（4）流域月徑流深為0.28～23.19 mm，年徑流深為83.45 mm。積雪消融形成的融水徑流深為4.60 mm，占年總徑流量的5.51%。本文對于揭示水源涵養(yǎng)功能機(jī)理及其流域產(chǎn)流機(jī)制具有重要意義，并為將來開展祁連山水源涵養(yǎng)功能評估和人工增雨雪項(xiàng)目提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

降雪；積雪消融；融雪徑流；祁連山排露溝流域

關(guān)于山地森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)降水過程和機(jī)理的研究中，人們更加注重流域產(chǎn)流能力及其對依賴徑流而生息繁衍的人居生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與發(fā)展。西北內(nèi)陸山區(qū)徑流形成受到多種因素的影響，其中冬、春季甚至初夏季節(jié)降水以降雪的形式存在，降雪消融又直接影響著徑流的補(bǔ)給過程和年內(nèi)變化，而降雪消融與降雨在影響徑流過程和機(jī)理方面有所不同，對降雪消融過程和融雪徑流開展分析研究，有助于更加科學(xué)認(rèn)識和掌握森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的過程和機(jī)理。因此，降雪消融過程如何影響徑流的問題已是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。有些學(xué)者研究了積雪與融雪徑流水化學(xué)特征[1]，大多數(shù)學(xué)者基于遙感研究積雪分布或積雪變化或積雪消融與徑流的關(guān)系[2-7]。但是通過長期定位監(jiān)測的方法研究降雪、積雪消融與徑流關(guān)系的相關(guān)研究還較少。祁連山冰雪融水是河西走廊的生命之源，其變化直接影響河西走廊的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。因此，利用祁連山森林生態(tài)站長期固定試驗(yàn)流域多年監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過研究不同植被對降雪、積雪消融影響及其徑流對其響應(yīng)研究，對于揭示水源涵養(yǎng)功能機(jī)理及其流域產(chǎn)流機(jī)制具有重要意義，并為將來開展祁連山水源涵養(yǎng)功能評估和人工增雨雪項(xiàng)目提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

祁連山（36°30′～ 39°30′N， 93°30′～ 103°E）是我國西北地區(qū)著名的高大山系之一，屬典型大陸性氣候特征。一般山前低山屬荒漠氣候，年均溫6℃左右，年降水量約150 mm。中山下部屬半干旱草原氣候，年均溫2～5℃，年降水量250～300 mm。中山上部為半濕潤森林草原氣候，年均溫0～1℃，年降水量400～500 mm。高山屬寒冷濕潤氣候，年均溫3～5℃左右，年降水量約800 mm。祁連山東部氣候較濕潤，西部較干燥。

試驗(yàn)區(qū)位于祁連山西水林區(qū)排露溝流域（38°24′N，100°17′E）， 流 域 面 積 274 hm2， 呈中卵形，土壤平均厚度0.5m。森林總面積118.3 hm2，覆蓋率43.16%，郁閉度0.7左右，流域內(nèi)陰坡以喬木林為主，陽坡以草地為主，海拔3 200 m以上的亞高山以灌木林為主。

2 研究方法

2.1 降雪消融樣地監(jiān)測法

2.1.1 樣地布設(shè)

根據(jù)立地類型，在祁連山排露溝流域喬木林內(nèi)外、灌叢林內(nèi)外、陰陽坡和不同坡位分別布設(shè)對照監(jiān)測樣地，共布設(shè)6類監(jiān)測樣地（如表1），每類樣地內(nèi)布設(shè)2個重復(fù)監(jiān)測。

2.1.2 降雪消融監(jiān)測與計(jì)算方法

在監(jiān)測樣地內(nèi)選擇有代表性的監(jiān)測點(diǎn)，將兩根長約40 cm的鐵條插入地面約15 cm（穩(wěn)固不晃動為原則），鐵條之間距離約40 cm。鐵條分別貼上標(biāo)簽，標(biāo)明地點(diǎn)、測點(diǎn)重復(fù)次號和標(biāo)記“左”、“右”。在鐵條兩端上部距地面水平繃直拉一根彈性很小的細(xì)線，用墨水在細(xì)線上均勻做10個黑點(diǎn)標(biāo)記。每個立地觀測點(diǎn)有2個重復(fù)。用鋼卷尺以細(xì)線上每個黑點(diǎn)標(biāo)記為起點(diǎn)垂直地面量取標(biāo)記點(diǎn)到地面（雪面）的距離，10個標(biāo)記點(diǎn)從左到右測量。從2002～2011年的12月1日開始，第二年5月份結(jié)束，測定時間為16：00～17：00。

表1 降雪消融對照監(jiān)測點(diǎn)Table 1 Comparison of snow ablation monitoring points

計(jì)算公式為Sh=Lh2-Lh1-Ph，其中，Sh為積雪消融值，Lh1為本次細(xì)線到雪面距離觀測值，Lh2為上次細(xì)線到雪面距離觀測值，Ph為降雪厚度，單位均為cm。

2.1.3 降雪密度調(diào)查與計(jì)算方法

當(dāng)積雪厚度大約大于7 cm以上時，在每個監(jiān)測點(diǎn)選擇有代表性地點(diǎn)，用中環(huán)刀取降雪樣品，每個觀測點(diǎn)取5次，將樣品裝入自封袋，體積為1 000 cm3，帶回實(shí)驗(yàn)室，測定其質(zhì)量，求算積雪密度。每次降雪后（厚度足夠環(huán)刀取樣）及時取樣一次，在長時間不降雪時，可每半月取一次，測定積雪密度。

2.2 三角量水堰自記水位計(jì)和容積測定法

流域徑流測定采取兩種方法，徑流封凍之前，在祁連山排露溝流域出口處修建60°三角量水堰，用自記水位計(jì)監(jiān)測流過的水量；徑流封凍之后，將冰層打破，采用容積法測定冰下水流量（流滿一桶水所用的時間，桶的容積除以時間，可得徑流量）。

2.2.1 量水堰和自記水位計(jì)測徑流計(jì)算公式

60°三角量水堰流量Q=KH5/2， 其中P是三角形堰的頂角到堰底的距離，B是堰的寬度，h是水頭高度，H為實(shí)測水位(如圖1)。

圖1 三角量水堰示意Fig. 1 Triangular weir

經(jīng)計(jì)算，祁連山排露溝流域60°三角量水堰 計(jì) 算 公 式 中 Ce=0.6，K=0.081 835，Q=0.081 835×H5/2÷100 000，H，cm；Q，m3/s，100 000是單位換算值。在Excel函數(shù)計(jì)算，可直接輸入以下公式計(jì)算。

Q=fx=8/15×0.6×POWER(2×9.81,0.5) × TAN(RADΙANS(30)) ×POWER(H,2.5)/100000。

2.2.2 破冰和容積法測徑流計(jì)算公式

Q=Vt/S，其中，Vt為測量桶的容積（m3），S為流滿容積所用時間（s）

經(jīng)測定，祁連山排露溝流域徑流測量桶容積Vt=0.017 783 m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫和日照季節(jié)變化動態(tài)

氣溫和日照是決定降水形態(tài)的重要因素，當(dāng)氣溫在3℃（冰點(diǎn)）以下，日照時數(shù)低于133 h時，降水主要以降雪的形態(tài)存在，否則以降雨的形態(tài)存在。根據(jù)祁連山森林生態(tài)站2002～2011年的近10年地面氣象站監(jiān)測(氣溫和日照根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范要求進(jìn)行定位監(jiān)測)，祁連山排露溝流域年均氣溫在1.4℃（2011年）和2.2℃（2009年）之間，波動趨勢表現(xiàn)為平穩(wěn)，平均為1.7℃。年內(nèi)月均最高溫14.4℃（7月份），月均最低溫-11.8℃（1月份），月均氣溫與月份擬合模型為At=-0.817 3x2+11.106x-26.248(R2=0.932 1)，式中，x為月份 (月 )，At為月均氣溫(℃)。

全年日照時數(shù)累計(jì)在1 430.2 h（2010年）和1 644.6 h（2004 年）之間，平均為 1 525.0 h。年內(nèi)月累計(jì)最高166.1 h（6月份），最低97.7 h（1月份），平均為127.1 h。月累計(jì)日照時數(shù)與月份之間的擬合模型為

St=-0.025 2x5+0.917 1x4-11.965x3+65.25x2-127.12x+171.5(R2=0.947 1)，式中，x 為月份，St為月累計(jì)日照時數(shù)（h）。

祁連山排露溝流域5～9月份平均氣溫在3℃以上，全月日照時數(shù)累計(jì)高于133 h，屬于雨季；10～4月份氣溫在3℃以下，日照時數(shù)在133 h以下，屬于雪季（如圖2）。

圖2 祁連山排露溝流域氣溫和日照季節(jié)變化動態(tài)(2002～2011)Fig. 2 The seasonal dynamic changes of air temperature and sunshine in Pailugou watershed in Qilian Mountains (2002～2011)

3.2 降雨與降雪季節(jié)變化動態(tài)

祁連山降水主要包括降雨和降雪，降雪與降雨的生態(tài)功能過程有差別，在探索降雪及其消融對徑流的影響機(jī)理過程中，要將降雪與降雪區(qū)別考慮。根據(jù)祁連山森林生態(tài)站2002～2011年的近10年地面氣象站監(jiān)測，年均降水在325.4 mm(2011年)和550.9 mm（2007年）之間變化，平均年降水量為360.10 mm。雪季降水占全年降水在11.2%（2005年）和25.6%（2008年）之間變化，平均為70.06 mm（如圖3），占全年總降水量的17.69%；根據(jù)積雪密度測定，祁連山排露溝流域積雪密度為0.16 g/cm3，可推算出祁連山排露溝流域雪季積雪平均厚度為40.65 cm。如圖3所示，近10年雪季降水呈波動性增加趨勢，每年約增 1.52 mm。

圖3 祁連山排露溝流域降雪年際變化趨勢(2002～2011)Fig.3 Interannual variation trend of snow in Pailugouwatershed in Qilian Mountains (2002～2011)

3.3 不同林分積雪消融對比分析

根據(jù)積雪消融對照監(jiān)測點(diǎn)長期定位監(jiān)測，積雪在22.1 mm(西流水溝林內(nèi))和29.7 mm(西流水溝林緣)之間變化（如圖4），平均為25.63 mm。喬木林內(nèi)積雪占灌叢林的84.54%；陰坡積雪比陽坡高8.36%。

圖4 祁連山排露溝流域不同林分積雪消融對比Fig. 4 Compared snow ablation of different forest in Pailugou watershed in Qilian Mountains

不同森林生態(tài)系統(tǒng)對積雪消融不同（如圖4）。積雪消融量在0.184 mm/d(頭洞口林內(nèi))和0.526 mm/d(頭洞口陽坡草地)之間變化。喬木林積雪消融占灌叢林的78.72%，占陰坡草地的37.66%，占陽坡草地的32.61%；灌叢林積雪消融量占陰坡草地的47.45%，占陽坡草地的41.09%。陰坡積雪消融量占陽坡的34.98%，即陰坡積雪時間比陽坡長63.12%。

3.4 流域降水與徑流季節(jié)變化動態(tài)

根據(jù)祁連山森林生態(tài)站2002～2011年的降水和徑流監(jiān)測，降水與月份擬合模型為P=0.0227 x5-0.649 7x4+6.198 5x3-23.195x2-39.539x-19.833 (R2=0.945 1)，式中，x為月份，P為月累計(jì)降水量（mm）。年徑流最大值出現(xiàn)在9月，徑流深23.19 mm，年徑流最小值出現(xiàn)在2月份，徑流深0.28 mm，年平均徑流深為83.45 mm。徑流深與月份擬合模型為 R=0.009 2x5-0.288 4x4+3.146x3-14.135x2+26.14x-15.022(R2=0.918 8)，式中，x 為月份，R為月累計(jì)徑流深（mm）。

徑流占降水比例模型

Rp=-0.032 7x4+0.6028x3-26585x2+2.2295x+ 9.519(R2=0.858 1) ，

式中，x為月份，Rp為徑流占降水百分比（%）。徑流占降水比例隨季節(jié)變化如圖5所示，12～5月份比例最低，平均為8.70%，6～8月份逐漸增大，平均為23.25%，9月份達(dá)到最大為53.07%，9～11月份平均為40.24%。

圖5 祁連山排露溝流域徑流占降水百分比(2002～2011)Fig.5 Percentage of runoff and precipitation in Pailugou watershed in Qilian Mountains (2002～2011)

3.5 積雪消融與融雪徑流關(guān)系分析

圖6 祁連山排露溝流域降水與徑流季節(jié)變化動態(tài)（2002～2011）Fig.6 Seasonal dynamic changes of precipitation and runoff in Pailugou watershed in Qilian Mountains (2002～2011)

根據(jù)徑流組成情況，將一個水文年徑流過程劃分為融水徑流期（4～5月份）、降水徑流期（6～10月份）和地下水徑流期（11至3月份）三個時期[8]。如圖6所示，流域徑流變化與降水直接相關(guān)，變化步調(diào)基本一致，只是徑流變化趨勢滯后于降水。積雪消融形成的融水徑流多年平均徑流深為4.60 mm，占年總徑流量的5.51%。融水徑流期氣溫回升，在3℃以上，冬季積雪結(jié)冰融化，河川徑流呈增加趨勢。但由于所處地理位置和植被類型不同，積雪消融有一定差異。4月份，山區(qū)積雪由中山帶向高山帶融化，河冰溯源解凍，但由于融化不穩(wěn)定，夜間低溫使融水在雪層附近就地凍結(jié)，大量融水為雪層吸收，受地形影響，難以形成流域徑流；5月中下旬，融化作用穩(wěn)定并逐漸增強(qiáng)，地表積雪大量融化，加之土壤融化層較淺，融水入滲弱，產(chǎn)流量大，流速快，出現(xiàn)融雪洪峰，甚至在高海拔地區(qū)出現(xiàn)年內(nèi)最大洪峰。徑流成分有地下徑流、冰雪融水徑流和少量降水直接徑流，但主要融水徑流，徑流隨氣溫高低漲落，晝大夜小，一日在14～17時出現(xiàn)一次洪峰，氣溫越高，洪峰峰值越大，洪峰一般滯后于最高氣溫出現(xiàn)的時間，洪峰有時間間隔不疊加，一般不遇大暴雨無法形成山洪。在融水徑流期，氣溫較低，季節(jié)性凍土存在，融水作用明顯，加之河冰和積雪融化大量補(bǔ)充河川，徑流遞增率接近和高于降水遞增率，河冰和積雪融化補(bǔ)充下游水量，有利的緩解了下游春旱。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

（1）祁連山排露溝流域5～9月份為雨季，10～4月份為雪季。

（2）雪季降水占全年降水量的11.2%～25.6%，平均為17.69%，降雪平均厚度為40.65 cm。

（3）喬木林內(nèi)積雪量占灌叢林的84.54%，陰坡積雪量比陽坡高8.36%。積雪消融量平均為0.184～0.526 mm/d，喬木林積雪消融占灌叢林的78.72%，占陰坡草地的37.66%，占陽坡草地的32.61%；灌叢林積雪消融量占陰坡草地的47.45%，占陽坡草地的41.09%；陰坡積雪消融量占陽坡的34.98%，即陰坡積雪時間比陽坡長63.12%。

（4）流域月徑流深為0.28～23.19 mm，年徑流深為83.45 mm。積雪消融形成的融水徑流深為4.60 mm，占年總徑流量的5.51%。

4.2 討 論

徑流是降水經(jīng)過一定的陸面介質(zhì)后形成的水分運(yùn)動，是聯(lián)系森林土壤和外界水分及其它營養(yǎng)元素的橋梁，其變化受到降水和下墊面等多種因子的影響，是研究水量平衡的基本要素和森林調(diào)節(jié)徑流過程的重要環(huán)節(jié)。地處干旱半干旱區(qū)具有“高山冷濕島效應(yīng)”的祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)的水資源變化可直接體現(xiàn)在徑流變化上，而且徑流變化直接影響著中下游人居生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展，因此，關(guān)于徑流一直是森林生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)，而融雪徑流更是熱點(diǎn)中的重要內(nèi)容。張學(xué)龍等[9]研究結(jié)果顯示，祁連山青海云杉林年初1～4月及年未10～12月，降水量為47.0 mm，占全年的12.38%，而這段時期主要以降雪為主，該結(jié)果與本研究結(jié)果基本一致。車克鈞等[10]在祁連山寺大隆流域相同海拔高度(3 400 m) 陰坡年均降水量比陽坡高5.21%，該研究結(jié)果與本研究結(jié)果中陰坡降雪量比陽坡高8.36%出入不大，初步認(rèn)定結(jié)果可信。車宗璽等[11]研究結(jié)果顯示，不同植被消融速率大小順序?yàn)椴莸兀玖志墸竟嗄玖郑締棠玖郑?同一植被、不同坡向消融速率不同，半陽坡云杉林＞半陰坡云杉林＞陰坡云杉林。本研究與該研究基本一致，只是本研究將積雪消融按每日計(jì)量化，用百分比的方法顯示不同植被或不同坡度對積雪消融的影響。王順利等[12]利用祁連山森林生態(tài)站2000～2005年降水和徑流資料分析結(jié)果顯示，試驗(yàn)流域多年平均降水量為354.3 mm，年平均出山徑流為118.2 mm。該研究與本研究比較，在多年平均降水量方面基本一致，但徑流方面本研究偏小。其原因可能有兩種情況，一種情況是量水堰在2006年進(jìn)行重修，可能在流域徑流量監(jiān)測方面有系統(tǒng)偏差，另一種情況可能由于近年來國家啟動了天然林保護(hù)工程，植被覆蓋率有所提高，植被耗水量增加，在降水波動不大的情況下，徑流必然會減小，究竟是何種原因，需要我們今后對植被變化與徑流之間的關(guān)系進(jìn)一步研究。

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Analysis of snow ablation and meltwater runoff in Pailugou watershed in Qilian Mountains

LΙU Si-min1, YU Xin-xiao1, NΙU Yun2,3
(1. College of Soil and Water Conservation ,Beijing Forest University, Beijing 100083, China; 2. Gansu Province, Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil Hydrology and Water Resources, Zhangye 734000, Gansu, China; 3. Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China)

The runoff seasonal dynamics affected by many factors in northwest inland mountainous of China, including snow melt in winter and spring or early summer season directly affects the runoff formation and changes. By using the sample melting snow monitoring method, triangle measuring weir determination of watershed runoff hydrograph and volume method, the long-term monitoring and study on temperature, sunshine, snowfalls, now melt and runoff in the northern slope of Qilian mountains from 2002 to 2011 were investigated. The results show that (1) Ιt is rainy season from May to September, and it is snow season from October to April in Pailugou watershed in Qilian mountains. (2) The snowfall accounts for 11.2% to 25.6% of the annual precipitation, the average is 17.69%, and the average thickness is about 40.65 cm, the snowfall of arbor forests accounts for 84.54% of bush forests; the snowfall in the shady slope is 8.36% more than in sunny slope. (3) The amount of snow ablation was at the range of 0.184 ～ 0.526 mm/d, and snow ablation of arbor forest accounted for 78.72% of bush forest, for 37.66% of shady slope grassland, for 32.61% of sunny slope grassland; snow ablation of shrub forests accounted for 47.45% of shady slope grassland, for 41.09% of sunny slope grassland; the snow ablation of shady slope grassland accounted for 34.98% of sunny slope, that is to say that the snow time of shady slope grassland was more 63.12% than the time of sunny slope. (4) The basin monthly runoff depth was 0.28 ～ 23.19 mm, the annual runoff depth was 83.45 mm. Meltwater runoff formation of snow ablation depth was 4.60 mm, accounting for 5.51% of the total annual runoff. The f i ndings have great signif i cances for future development of the runoff yield mechanisms, for revealing the function of water conservation and its producing mechanism, for assessing thefunction of water conservation in Qilian mountains and providing basic data and references ofartif i cial enhancement rain and snow research projects.

snow; snow ablation; meltwater runoff; Pailugou watershed of Qilian Mountains

2013-07-04

由國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC08B01)、林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng) (201104005-07)、國家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃培育項(xiàng)目（91125012）聯(lián)合資助

劉思敏 （1989-），女，甘肅張掖人，碩士研究生，主要從事水土保持和水資源方面的研究

余新曉（1961-），男，甘肅平?jīng)鋈?，博士生?dǎo)師，教授，研究方向：森林水文、水土保持；E-mail：yuxinxiao111@126.com

S715

A

1673-923X(2013)12-0096-05

[本文編校：吳 彬 ]