卡依尔特斯河谷冻土冻融对融雪洪水的影响.pdf
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1、2023.No.7收稿日期:20230120作者简介:古米娜 哈木斯别克(1985),女,工程师,主要从事水文技术服务工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.022卡依尔特斯河谷冻土冻融对融雪洪水的影响古米娜 哈木斯别克(新疆维吾尔自治区阿勒泰水文水资源勘测局,新疆阿勒泰836500)摘要:以新疆卡依尔特斯河谷为例,利用河谷所在流域及测站2020、2021年融雪期季节性冻土湿度、积雪深度、融雪洪水流量等数据,对季节性冻区冻土的冻融特征及其对融雪洪水的影响展开分析。结果表明,融雪洪水流量受积雪深度、冻土湿度等因素影响较大,其决定着融雪洪水峰值的出现时间及取
2、值;10 cm深度以内的冻土湿度变化对融雪洪水影响明显,10 cm深度以下的冻土湿度变化只会削弱洪峰并降低峰值。关键词:季节性冻土;冻融特征;融雪洪水;卡依尔特斯河谷中图分类号:TV122+.9文献标识码:A文章编号:1004-7328(2023)07-0083-03融雪洪水自然灾害在季节性冻区较为常见,严重威胁到当地安全生产过程及人民群众生命财产安全。为此,必须对融雪洪水成因展开深入分析,加强洪水测报及调度管理,促进融雪洪水资源化利用。截至目前,理论界对融雪洪水的研究重点主要集中在气象因子及气象因素影响方面,对季节性冻区冻土湿度变化影响融雪洪水的研究仍较少。基于此,本文从影响卡依尔特斯河谷融
3、雪洪水的下垫面出发,展开季节性冻土水分变化及冻土湿度对融雪洪水影响机理的研究,以期为季节性冻区积雪洪水测报及调度管理提供参考。1项目区概况新疆卡依尔特斯河谷属于原地貌类型,支流众多;流域地表主要为农田及裸地,土壤类型由高至低依次为高山草甸土、灰褐土、棕钙土及季冻土、常年冻土等;河谷处植被覆盖率不高,水源涵养能力差;河谷阴坡常年积雪,阳坡积雪在4月初气温回暖及日照作用下逐渐融化,至4月底几乎完全融化。在积雪融化及降雨等综合作用下,49月河道山洪暴雨频发。河谷下游库威水文站于1965年建站,控制流域面积1 039.7 km2。本文涉及的积雪深度、气温、流量等数据均来自阿勒泰水文水资源勘测局,冻土资
4、料来自富蕴县气象台。2季节性冻土冻融特征2.1季节性冻土物理属性冻土属于多成分多相复杂结构,以矿体骨架、矿物、未冻水、冰及气体为主要成分,并决定冻土物理力学性质、结构及冻融过程1。为此,必须对卡依尔特斯河谷季节性冻土物理属性展开分析。该河谷融雪期季节性冻土深度达到40 cm,冻土物理性能详见表1。2.2季节性冻土湿度变化根据该项目区2020年融雪期冻土湿度变化情况,4 月 5 日以前,不同深度冻土层湿度存在明显分层,自表层至深层呈增大趋势;4月 5日以后,深度 10 cm 以内的冻土湿度迅速回升,并逐渐趋于稳定。在进入消融期前,随着冻土深度的增大,冻土湿度随之持续增大,并逐渐趋于稳定;从3月1
5、1日开始至19日,40 cm深度冻土湿度基本保持在20%;冻土湿度从3月19日开始出现递增趋势,增至3月26日的 73.7%,从 3 月 27 日开始下降,此后基本维持在35%左右;10 cm深度以内冻土层湿度持续回升,并表1卡依尔特斯河谷季节性冻土物理性能冻土深度/cm10203040土壤容重/(gcm-3)1.189 11.267 31.308 21.361 4土壤类型粉质壤土粉质壤土粉质壤土粉质壤土有机质含量/kg5.941076.211074.871072.95107海河水利832023年7月表现出几次湿度峰值,这种情况一直持续至 4月 5日;4月5日以后,冻土湿度趋于稳定。这一趋势与
6、工程区空气温度变动趋势基本一致2。2021年项目区季节性冻土湿度变化情况,如图1所示。2.3融雪洪水日变化特征在3月初至3月底的融雪期,气温回暖,积雪逐渐融化,而温度的快速持续回升必然引发融雪洪水;夜间温度降低,积雪冻结,融雪过程也暂停。所以,融雪期内融雪洪水以日为单位表现出周期性变化特征。为简化分析过程,对该河谷库威水文站流量进行插值3,结果详见表23。进入融雪期后气温升高,积雪层吸收热量后开始融化,产生融雪水。这一过程形成的融雪水经地面产流及河网汇流后最终汇集至出山口库威水文站;因积雪海拔、密度及汇流时间不尽相同,故融雪期流量增长较为缓慢,2020年最大洪峰109.83 m/s,出现在3月
7、17日20时41分;2021年最大洪峰 18.65 m/s,出现在 3月 28日 21时32分。2020年融雪期和2021年融雪期因气候条件、积雪状况等存在差异,故融雪洪水水文过程也不尽相同。2020 年融雪洪水日流量变动情况,详见表 2。由表2可知,3月3日进入融雪期后,融雪流量几乎为零;从3月16日开始融雪流量大涨,并于次日出现109.8 m/s的最大洪峰;此后于3月19日遭遇2次波峰,最大洪峰流量46.31 m/s。2021年融雪洪水日流量变动情况,详见表3。由表3可知,3月1625日先后出现3次洪峰变化,3次峰值分别为7.32、18.65、15.72 m/s。3季节性冻土消融对融雪洪水
8、的影响3.1对融雪洪水形成的影响2021年3月6日前积雪深度变幅不大,在环境温度和阳光照射下积雪持续压实,深度也发生改变,但无融雪水产生。在此后的610月,积雪深度变幅增大至3.2 cm/d,产生融雪水,但其流量仍维持在基流大小;从冻土深度的变化来看,表层冻土深度表现出周期性波动,且在融雪水的下渗作用下地面汇流得到削弱,河道汇流量相应减小。结合项目区2021年季节性冻土变化情况,3月69日,0 cm冻土湿度高,但以下深度冻土湿度并无明显变化。据此可知,项目区表层冻土在积雪融水热量的作用下出现消融,湿度增大;但以下各层冻土几乎不受影响,融雪水下渗范围仅为 10 cm。3月 918日,河道回流量无
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