高寒区典型下垫面水文功能小流域观测试验研究_陈仁升

第29卷第4期2014年4月地球科学进展ADVANCES IN EAＲTH SCIENCEVol．29No．4Apr．，2014陈仁升，阳勇，韩春坛，等．高寒区典型下垫面水文功能小流域观测试验研究［J］．地球科学进展，2014，29（4）：507-514，doi：10．11867/j．issn．1001-8166．2014．04．0507．［ChenＲensheng，Yang Yong，Han Chuntan，et al．Field experimental research on hydrological function over several typical underlying surfaces in the cold regions of western China［J］．Advances in Earth Science，2014，29（4）：507-514，doi：10．11867/j．issn．1001-8166．2014．04．0507．］高寒区典型下垫面水文功能小流域观测试验研究*陈仁升，阳勇，韩春坛，刘俊峰，康尔泗，宋耀选，刘章文（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态—水文试验研究站，甘肃兰州730000）摘要：中国高寒区以草原、草甸、寒漠和荒漠等下垫面为主（87．7%），但这些下垫面在流域水循环中的作用及其差异尚不很明确。

为此在祁连山葫芦沟小流域布设了系统对比观测试验，试验点、小流域尺度4年冻土—植被—大气传输系统及水量平衡观测和模拟结果以及其他相关研究成果表明，各下垫面径流系数可粗略排序为：冰川＞寒漠＞沼泽化草甸＞山坡灌丛＞草甸＞草原＞森林；高山寒漠带（占中国西部高寒区面积的12%）应为山区流域的主要产流区，而高寒草甸/草原区（约占高寒区面积的64%）径流贡献较少，其水源涵养功能大于水文功能；据此推断，若全球变暖引起植被带上移，则高山区流域的蒸散发/降水比例可能增大、径流系数变小。

关键词：高寒区；景观带；野外试验；径流系数；全球变暖中图分类号：P332文献标志码：A文章编号：1001-8166（2014）04-0507-08冰冻圈萎缩对水资源跳跃式的而非趋势式的影响已经在若干地区得以显现［1］，因而近年来全球变化与水资源问题的焦点转移到了寒区［2，3］。

中国寒区陆地面积为417．4ˑ104km2［4］，其中西部高寒区面积约为298．6ˑ104km2（图1），是中国主要大江、大河的发源地及半干旱区的主要地表水源地，更是干旱区的水塔。

了解高寒区水文过程是中国西部水资源预估的基础，获取其主要产流区及典型下垫面水文功能是流域水资源规划及水源地保护的关键。

据中国1ʒ400万植被类型图，中国西部高寒区下垫面类型主要以高寒草原、草甸、高山寒漠［5］及高寒荒漠为主（87．7%；图1和表1），其中高寒草原和高寒草甸面积最大，占64．0%，其次为高山寒漠和高寒荒漠，比例分别为12．4%和11．3%（表1）。

尽管有些下垫面类型面积比率相对较小，如高寒灌丛比例为6．6%、针叶林为2．8%（表1）、冰川为2．1%［6］、沼泽为0．6%，但其绝对面积较大，在某些区域/流域甚至占有主体地位（图1）。

受气候、地形及土壤等因素影响，这些下垫面景观分异较明显（图1），并与冰冻圈相互作用造就了寒区特色的水文过程，形成了具有区域或景观带特色的水量平衡特征。

这些典型下垫面或者景观带，哪些为主要的产流区，哪些为水源涵养区，哪些为耗水区？至今相关研究还比较薄弱，寒区生态系统在水文循环中的作用以及在维持和保护寒区生态和环境中的作用和意义还缺乏全面的认识［7］。

相关研究表明，冰川是径流贡献区［6，8］，其融水约占高寒区径流量的10%［9］。

从水资源意义上讲，荒漠、农田是主要耗水区。

植被对径流的影响较大，但有关研究主要集中在中低山区，以森林水文的研究居多［10，11］。

森林具有重要的水源涵养作用［12，13］，且最新结果表明，祁连山青海云杉林径流收稿日期：2014-01-10；修回日期：2014-04-01．*基金项目：国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“寒区水文学”（编号：41222001）；国家自然科学基金重大研究计划项目“黑河寒区水文过程小流域综合观测与模拟”（编号：91025011）资助．作者简介：陈仁升（1974-），男，山东沂水人，研究员，主要从事寒区水文观测与模拟研究．E-mail：crs2008@lzb．ac．cn深仅为11．6mm，占年降水量的3．5%［14］。

目前对其他植被生态系统的研究相对较少［11］，特别是作为高寒区主要下垫面类型的高山寒漠、高寒草甸、草原以及与其伴生的高寒灌丛［15］，而且大多数研究主要集中在单一的景观格局对流域径流的影响［16］，缺少系统对比研究工作［11，17］。

本文拟根据祁连山葫芦沟小流域［11］观测数据及其他相关成果，初步同步对比分析高寒区典型下垫面水文功能的差异。

1数据及方法观测试验布设于祁连山葫芦沟寒区水文集成观测小流域，小流域海拔2960 4820m，面积23．1 km2，具有冰川、寒漠、沼泽、森林、草甸、灌丛、草原等各种典型的寒区下垫面［18］。

自2008年起，在该小流域布设了气象、冰冻圈、水文、生态等系统观测设施（图2），并在不断补充完善。

2008年8月，分别在高山寒漠（4164m）、沼泽化草甸（3711m）、高寒草甸（3380m）和高寒草原（2980m）等4种下垫面布设了一套综合环境观测系统，对比探讨其冻土—植被—大气一维水热传输（SVATs）过程。

综合环境观测系统观测项目包括降水、雪深、日照时数、4分量辐射、2层气温、相对湿度和二维风向、风速、气压、地表温度、8层地温和土壤含水量等［18］，高寒草原观测点还配备了蒸散发（小型Lysimeter）和冻结深度等观测项目；2013年8月在每个观测点还布设了自动小型Lysimeter观测蒸散发。

2009年5月，针对高寒草甸和高山寒漠2种主要下垫面，又布设了一个高寒草甸（3060 3607 m，面积1．165km2，平均坡度19．1ʎ）和高山寒漠（海拔3611 4280m，面积111782m2，平均坡度38．4ʎ）水量平衡观测小流域（图2）。

采用在西部高寒区SVATs模拟结果较好［19，20］表1中国西部高寒区下垫面基本信息（源于1ʒ400万植被图及1kmˑ1km数字高程模型DEM）Table1Basic information of typical underlying surfaces in the cold regions of western China（from1ʒ4000000China vegetation map and1kmˑ1km Digital Elevation Model）类型高寒草原高寒草甸高山寒漠荒漠灌丛针叶林冰川农田沼泽面积/104km298．392．936．933．819．88．35．91．80．6比率/%32．931．112．411．36．62．82．00．60．2平均海拔/m441843914916341340413424—28493371海拔范围/m644 6577769 68442053 7480569 6150843 6336967 5863—659 59272388 4877平均坡度/!3．54．75．53．26．27．3—2．31．6最大坡度/!30．240．343．038．937．036．9—24．717．0的CoupModel［21］，分析水平试验点各典型下垫面的一维水量平衡特征，并结合高寒草甸、高山寒漠小流域观测结果以及其他相关研究结果，综合分析高寒区典型下垫面的水文功能。

2结果与讨论2．1高山寒漠带主产流区地位高山寒漠系指高寒草甸上界以上的非冰川区（含冰川物质补给区），以裸露基岩、碎石、倒石碓、冰碛沉积等为主，具有零星分布的低等冷生植被。

其总体占中国西部高寒区面积的12%（表1）左右，但在一些山区流域的比例更高，如在祁连山黑河上游，为22．2%；在天山乌鲁木齐河源，为35．2%［5］。

由于其海拔高、降水多、气候冷而基本无植被蒸腾，地表主要以入渗快速的石块或基本无入渗的基岩为主，地形陡峭，产汇流迅速，理论上讲是寒区主要的产流区［5］。

据葫芦沟小流域2008年10月1日至2012年9月30日的观测与SVATs模拟结果，Coup-Model能够较好地估算不同深度层的地温（4个试验点8层平均Ｒ2=0．94）和冻结深度（高寒草原点：Ｒ2 =0．97），土壤含水量估算结果也是目前相关模式中较好的（4个试验点8层平均Ｒ2=0．68）［22］。

据此模拟结果，在高山寒漠、沼泽化草甸、高寒草甸和草原中，寒漠地表水汽交换量、波文比、蒸散发量和调蓄能力等都最低。

尽管是水平试验点，但可根据蒸散发/降水比例反推其产流能力。

由图3可知，寒漠试验点蒸散发/降水比例最低，意味着其径流/降水比例最高。

除下垫面基本水文特征（降水、蒸散发、入渗和调蓄能力）以外，影响坡面/流域产汇流过程及径流系数的一个重要因素是坡度。

葫芦沟寒漠带小流域监测结果表明，2009年夏季径流系数为0．72［23］，2009—2012年小流域平均年降水量约为667．2mm，年均径流深566．5mm，年均径流系数为0．85（图4）。

805地球科学进展第29卷图1中国西部高寒区典型下垫面分布（源于1ʒ400万植被图）Fig．1Typical underlying surfaces in the cold regions ofwestern China （from 1ʒ4000000China vegetation map ）杨永刚等［24］利用同位素对葫芦沟（原马粪沟）小流域湿季径流进行了分割，认为52%的径流来自地下水补给，主要是由冻土融水、冰雪融水和降雨下渗转化形成；冰雪带融水占11%；高山寒漠带和灌丛带地表径流占20%；高山草原带约占9%；降雨直接补给占8%。

尽管同位素手段有其局限性，但该结果也反映了高山寒漠带产流较多。

刘彦广［25］基于δD /Cl －1对葫芦沟高山寒漠带雨季径流分割表明，冰雪融水对径流的贡献率在0 79%之间，降雨贡献率在11% 76%之间，地下水贡献率在7% 23%之间。

祁连山高山寒漠带一般位于3600m 以上，为各主、支流域的源头，单纯寒漠带汇水区出口一般较宽且洪积、残积物厚，径流易控制的代表性试验小流域难以选取。

本试验所选小流域的坡度（38．4ʎ，最大76．9ʎ）高于葫芦沟小流域所在黑河源区（札马什克水文站控制，面积4589km 2）寒漠带的平均坡度图2祁连山葫芦沟小流域观测试验Fig．2Monitoring system in the Hulu watershed of Qilian Mountains905第4期陈仁升等：高寒区典型下垫面水文功能小流域观测试验研究图3葫芦沟小流域典型下垫面试验点实测年降水及估算蒸散发（2008年10至2012年9月）Fig．3Measured precipitation and estimated evapotranspi-ration at the four underlying surfaces in the Hulu watershed（2008．10-2012．09）图4祁连山寒漠带试验小流域日降水量及径流深Fig．4Precipitation and runoff depth in a small alpine desert watershed of Qilian Mountains（平均24．1ʎ，最大82．3ʎ，源于1ʒ5万地形图）［5］。