托木尔站

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2014年托木尔站工作进展

时间:  2014-12-22 08:44  点击:  
    天山托木尔峰地区位于天山西段,区内挺拔的地势,丰沛的降水,孕育了众多的山岳冰川,是天山最大的现代冰川作用中心。据统计,托木尔峰地区共发育冰川 509 条(我国境内),总面积 2 746.32 km2,冰储量约 551 km3。充沛的冰雪融水和山区径流每年产生的径流量平均约为 63. 4 ×108 m3,为我国新疆阿克苏地区和伊犁地区提供了主要的水资源。托木尔站是实验室于 2013 年年底批准建立的以天山地区大型冰川作用过程为主的专业野外观测站,站点位于新疆自治区温宿县北部的天山山区,以科其喀尔冰川等为典型冰川进行长期、连续观测研究。2014 年观测站在实验室支持下开展了积极的观测和试验研究,并对原有设施进行了自动化和专业化的改造。具体简介如下:
    1、典型冰川的观测研究
    气象观测: 科其喀尔冰川现安装了六套自动气象站,分别布设于海拔 4200 m、4000 m、3700 m、3400 m、3200 m 和 3000 m 观测大本营,能够对冰川区不同海拔高度的近地层风速、气温、相对湿度、辐射等气象变量进行全天候自动观测。2014 年对部分自动气象站上的老旧或损坏的传感器进行了更换,使其维持正常运转。
冰川物质平衡及表面运动速度观测: 以冰川区分布的 55 根花杆为基础,从 4 月至 9 月,每月定期对花杆消融高度进行测量,以获得冰川消融区的物质平衡数据。同时与 4 月底和 10 月初,分布在海拔 4500 m 左右的积累区进行雪坑层面的测量。以了解当年冰川的积累情况。在花杆测量的同时,利用单频 GPS 接收机对花杆位置进行静态测量,结合大本营同步 GPS 测量数据进行后处理分析,获得年内所有花杆的位置变化数据,从而解算出冰川表面运动速度的时间和空间变化资料。
冰川融水径流观测: 在已建成的冰川水文断面,利用超声波测量结合压力式水位传感器对水位进行连续记录,并通过不定期流量测量(视水位变化,图) 获得水位 - 流量过程曲线,据此得到冰川末端连续的径流数据。此外,对于氧化还原电位、pH 值、浊度等水质测量,也同步在水文断面开展,各参数由数据采集器自动记录。

科其喀尔冰川大本营

科其喀尔冰川的花杆观测和表面运动速度测量

科其喀尔冰川融水径流测量
 
    2、室内研究工作
    2014 年开展了大型冰川径流过程的模拟及其机理研究。以科其喀尔冰川详细的气象、冰川和水文观测数据为依托,建立了面向大型复杂冰川的分布式冰川融水径流模型。模型从水文模拟的角度,将冰川流域划分为积雪、裸冰、表碛、冰崖四种下垫面类型,分别进行参数化。同时根据冰川下垫面属性、空间分布及格网大小等,将冰川区划分为若干单元格,通过单元格内融水量的计算,经汇流得到总径流量。模型以日为计算步长,对科其喀尔冰川 2007 年 -2011 年的融水径流进行了模拟(图),模拟结果同实际径流过程基本相符,模型效率达到 0.71。同时看到,尽管模型忽略了蒸发、下渗等径流损耗,但径流的模拟值仍然略小于实测值,认为原因主要是冰川内部的储排水作用对冰川径流产生了较大的影响,模型假设在模拟开始阶段,冰川内部储水为零,且冰川在夏季储存于内部的水量能够在冬季完全释放,这一点与实际情况不符,也就是说,在模拟期内,有大量的冰川前期储水参与了实际的水文循环,导致实际径流量偏大。此外,模型本身的简化所导致的误差也是一个重要原因。对于融水径流进行分割表明,科其喀尔冰川流域中,冰雪融水径流约占总径流的 68%,其他来自于地下水和液态降水产流。由于冰川中上部夏季降雪丰富,积雪随后即被融化,因此除春季融雪径流外,夏季冰川区的融雪径流也占较大比重;冰川区裸冰的面积仅占冰川总面积的约 13.2%,但提供了总径流量的约 21%;表碛区面积较大,冰舌部分几乎全为表碛所覆盖,但由于表碛的阻热作用,埋藏冰的消融量仅占总径流量的 17.6%;冰崖面积仅占表碛区面积的 5.29%,但提供了表碛区 22.7%的融水量。
    通过模型手段,可以清晰地了解径流各组成部分时间及空间变化特征(图)。融水径流产生的上限达到海拔 4700m,而最大融雪径流深出现在 4200-4400m 的平衡线附近,由于该处积雪较为丰富,其融雪量占到冰川融雪总量的 25%以上。在海拔 4200m 以下的冰川消融区,夏季降雪非常丰富,因而积雪融水也较多,融雪量占年总积雪融水的约 58.3%。裸冰区的面积仅占流域总面积的 8.3%,但贡献了年径流总量的 21.9%,平均消融强度达到 2279.4 mm/a。广泛的表碛覆盖对冰川消融起到了极大的抑制作用。冰川末端附近在每年 3 月已经有部分融雪开始消融,冬季积雪的持续消融从 4 月初开始,但此时由于大部分积雪融水被储存于雪层及冰川水文构造中,末端径流并未同步增加。至 4 月底,随着气温的显著升高,冬季积雪发生快速消融,裸冰消融也已经出现,融水大量增加,部分融水开始出露,末端径流开始增加。6、7 月间,冰川区夏季降水显著增多,导致积雪和降水径流增大,同时气温的升高使得裸冰及埋藏冰的消融迅速增加。随着冰川内汇流通道的逐渐打开,排水系统的开放度逐渐增加,融水形成与排出的滞后效应迅速减小。至 7 月末,随着气温达到年内最大值,冰川融水的产流和末端径流同步达到峰值,而后随气温的降低,迅速减小。在冰川储水效应的影响下,冰川径流的下降幅度小于产流量的减少,特别是在 10 月以后,冰雪消融已经很微弱直至停止,而冰川径流依然持续并缓慢减小,直至翌年新消融期的来临。

科其喀尔冰川末端径流模拟结果
 
科其喀尔冰川年径流组成的空间变化、冰川区气温、降水、产流及末端径流过程
 
    通过模型研究认为,大型冰川的内部储排水作用对冰川径流的变化具有重要影响(图),可将冰川储水量的季节变化分为四个阶段。第一阶段为储水阶段。在冰川消融期来临前夕,冰川储水量经过冬季的释放,处于很低的水平。随着气温升高,冰川融水大量产生,但大部分被冰川储水构造所截留,因此冰川储水量迅速增大,而同期末端径流量的增加较为缓慢。第二阶段为高位波动阶段。到第一阶段末期,冰川储水量可能达到或接近其最大储水量,但其对融水入流非常敏感。一旦冰川消融量在气温的影响下发生显著减小,较高的排水率会同时导致冰川储水量的快速下降。但由于此时冰川排水通道的开放度较大,融水的再次增加会使冰川储水量迅速回复到较高水平。第三阶段为夏季排水阶段。从 8 月开始,气温开始下降,冰川融水相应减小,而冰川的快速排水使得冰川储水量迅速减小。同时排水通道开始因融水冻结而慢慢封闭。至 10 月初,地表消融基本停止,而冰川排水仍处在较大的水平。这一阶段,冰川排水量约为年径流量的 56.9%。第四阶段为冬季排水阶段。10 月以后,冰川进入冬季。此时冰川消融基本停止,而且随着排水通道的逐渐封闭和储水量的减少,冰川排水也逐渐减小。这一过程可持续到第二年 3 月。

科其喀尔冰川储水量的年内变化

科其喀尔冰川水文断面铁桥架设现场,稍远处为原有吊桥。
    3、观测站建设
    观测站已建成总面积 230m2 的彩钢板房,可解决最多 25 人的食宿问题。目前观测站夏季观测人员 5-8 人,冬季 2 人。2014 年除进行了房屋地面的修复和加固,还进行了如下建设工作:
    1)水文断面改造: 原水文断面为自然断面,每年因冰川融水冲刷等作用,断面两侧及河床变化较大,每年均需进行断面清理,径流测量的精度误差较大。今年对断面边坡进行了大石衬砌和钢板铺装处理,对河床进行了平整和钢板铺装处理,使得断面形态固定下来,有利于径流的测量。另原有测桥为斜拉式简易钢索吊桥,桥身较软且修建时间较长,存在安全隐患。今年在实验室的资助下修建了全钢架桥梁,极大的方面的径流测量和自动设备的安装。
    2)站点通讯: 在实验室支持下,投入四万余元解决了站点的手机通讯问题。目前冰川大本营、冰川表碛区等均覆盖手机信号,可实现正常通讯。
    3)冰川无线局域网建设: 由于科其喀尔冰川规模较大,观测站点分散,气象数据采集耗费大量人力物力。
    2014 年初步建立起了基于 WIFI 的冰川区无线局域网。局域网由 1 个服务站点、8 个中继站点和 7 个终端站点组成(图),覆盖面积约 35km2,可以实现各自动气象站的数据远程采集和部分站点的远程视频监控。目前网络还不完善,明年可望实现全部站点的远程视频监控、自动拍照及接入互联网在兰州进行数据采集和监控。
 

科其喀尔冰川无线局域网系统(上图: 中继站点;下图: 4200m终端站点)
 

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