卡依爾特斯河谷凍土凍融對融雪洪水的影響

古米娜·哈木斯別克

（新疆維吾爾自治區阿勒泰水文水資源勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

融雪洪水自然災害在季節性凍區較為常見，嚴重威脅到當地安全生產過程及人民群眾生命財產安全。為此，必須對融雪洪水成因展開深入分析，加強洪水測報及調度管理，促進融雪洪水資源化利用。截至目前，理論界對融雪洪水的研究重點主要集中在氣象因子及氣象因素影響方面，對季節性凍區凍土濕度變化影響融雪洪水的研究仍較少。基于此，本文從影響卡依爾特斯河谷融雪洪水的下墊面出發，展開季節性凍土水分變化及凍土濕度對融雪洪水影響機理的研究，以期為季節性凍區積雪洪水測報及調度管理提供參考。

1 項目區概況

新疆卡依爾特斯河谷屬于原地貌類型，支流眾多；流域地表主要為農田及裸地，土壤類型由高至低依次為高山草甸土、灰褐土、棕鈣土及季凍土、常年凍土等；河谷處植被覆蓋率不高，水源涵養能力差；河谷陰坡常年積雪，陽坡積雪在4月初氣溫回暖及日照作用下逐漸融化，至4月底幾乎完全融化。在積雪融化及降雨等綜合作用下，4—9月河道山洪暴雨頻發。河谷下游庫威水文站于1965年建站，控制流域面積1039.7 km2。本文涉及的積雪深度、氣溫、流量等數據均來自阿勒泰水文水資源勘測局，凍土資料來自富蘊縣氣象臺。

2 季節性凍土凍融特征

2.1 季節性凍土物理屬性

凍土屬于多成分多相復雜結構，以礦體骨架、礦物、未凍水、冰及氣體為主要成分，并決定凍土物理力學性質、結構及凍融過程[1]。為此，必須對卡依爾特斯河谷季節性凍土物理屬性展開分析。該河谷融雪期季節性凍土深度達到40 cm，凍土物理性能詳見表1。

表1 卡依爾特斯河谷季節性凍土物理性能

2.2 季節性凍土濕度變化

根據該項目區2020年融雪期凍土濕度變化情況，4月5日以前，不同深度凍土層濕度存在明顯分層，自表層至深層呈增大趨勢；4月5日以后，深度10 cm 以內的凍土濕度迅速回升，并逐漸趨于穩定。

在進入消融期前，隨著凍土深度的增大，凍土濕度隨之持續增大，并逐漸趨于穩定；從3月11日開始至19日，40 cm 深度凍土濕度基本保持在20%；凍土濕度從3月19日開始出現遞增趨勢，增至3月26日的73.7%，從3月27日開始下降，此后基本維持在35%左右；10 cm 深度以內凍土層濕度持續回升，并表現出幾次濕度峰值，這種情況一直持續至4月5日；4月5日以后，凍土濕度趨于穩定。這一趨勢與工程區空氣溫度變動趨勢基本一致[2]。2021年項目區季節性凍土濕度變化情況，如圖1所示。

圖1 季節凍土濕度與空氣溫度變化曲線

2.3 融雪洪水日變化特征

在3月初至3月底的融雪期，氣溫回暖，積雪逐漸融化，而溫度的快速持續回升必然引發融雪洪水；夜間溫度降低，積雪凍結，融雪過程也暫停。所以，融雪期內融雪洪水以日為單位表現出周期性變化特征。

為簡化分析過程，對該河谷庫威水文站流量進行插值[3]，結果詳見表2—3。進入融雪期后氣溫升高，積雪層吸收熱量后開始融化，產生融雪水。這一過程形成的融雪水經地面產流及河網匯流后最終匯集至出山口庫威水文站；因積雪海拔、密度及匯流時間不盡相同，故融雪期流量增長較為緩慢，2020年最大洪峰109.83 m3/s，出現在3月17日20 時41 分；2021年最大洪峰18.65 m3/s，出現在3月28日21 時32分。

表2 2020年庫威水文站融雪洪水日流量

2020年融雪期和2021年融雪期因氣候條件、積雪狀況等存在差異，故融雪洪水水文過程也不盡相同。2020年融雪洪水日流量變動情況，詳見表2。由表2 可知，3月3日進入融雪期后，融雪流量幾乎為零；從3月16日開始融雪流量大漲，并于次日出現109.8 m3/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 m3/s。2021年融雪洪水日流量變動情況，詳見表3。由表3 可知，3月16—25日先后出現3次洪峰變化，3次峰值分別為7.32、18.65、15.72 m3/s。

表3 2021年庫威水文站融雪洪水日流量

3 季節性凍土消融對融雪洪水的影響

3.1 對融雪洪水形成的影響

2021年3月6日前積雪深度變幅不大，在環境溫度和陽光照射下積雪持續壓實，深度也發生改變，但無融雪水產生。在此后的6—10月，積雪深度變幅增大至3.2 cm/d，產生融雪水，但其流量仍維持在基流大小；從凍土深度的變化來看，表層凍土深度表現出周期性波動，且在融雪水的下滲作用下地面匯流得到削弱，河道匯流量相應減小。結合項目區2021年季節性凍土變化情況，3月6—9日，0 cm 凍土濕度高，但以下深度凍土濕度并無明顯變化。據此可知，項目區表層凍土在積雪融水熱量的作用下出現消融，濕度增大；但以下各層凍土幾乎不受影響，融雪水下滲范圍僅為10 cm。3月9—18日，河道回流量無明顯變化，但積雪厚度改變，凍土濕度并未超出田間持水量的34.8%，融雪水入滲深度無明顯變化；此后，各層凍土濕度均劇烈增大，融雪洪水受蓄滿產流的影響增大。融雪期積雪深度變化趨勢線，如圖2所示。

圖2 2021年融雪期積雪深度變化趨勢線

2022年項目區融雪洪水主要出現在3月25—27日及4月5—7日，土壤因受融雪水的入滲補給，濕度大大超出田間持水量，土壤水分接近飽和；夜間因積雪凍結，融雪水入滲補給過程暫停，但土壤中既有水分受到重力作用持續入滲，土壤濕度始終維持在田間持水量水平[4]。

3.2 對洪峰的影響

融雪洪水以融雪水為主要補給來源，基于水量平衡視角，表面蒸發、融水入滲、地表徑流等均為凍土凍融及積雪融水的消耗形式，因環境溫度所限，雪層表面蒸發可忽略不計。在土壤下滲調蓄影響較大的情況下，融雪洪水一般不會發生。

2021年3月9日前，項目區河谷融雪洪水流量較為穩定，季節性凍土表層濕度于3月6日改變，到3月9日地下10 cm 深凍土濕度快速增大，達到25%后趨于穩定。由此可知，融雪水于3月6日開始入滲，并滯留于10 cm 深的土層內，對地表徑流和河水流量起到抑制作用。此后，隨著積雪消融，融雪水持續入滲，但濕潤峰面從未超出10 cm。3月11日積雪深度從9.5 cm 升高至14.3 cm，此后隨著融雪過程的持續進行，積雪深度變化曲線變得平緩；3月17日土壤層間濕度變化增大，流量達到融雪期內的最大值110.08 m3/s，此后于3月20日出現2 次洪峰（流量峰值為48.42 m3/s）；隨后流量便持續接近基流。由此可以看出，項目區融雪水入滲后，土層10 cm 深度以內的土壤濕度與融雪洪峰關系密切，造成積雪快速融化；而10 cm 以下的未消融層則起到隔離層的作用，土壤濕度變化對洪峰起到削弱作用。

根據2022年融雪期積雪深度變化趨勢，在3月15日—4月5日的融雪期內存在3 次明顯的積雪深度峰值，分別為3月16日的36.7 cm、3月21日的39.8 cm、3月29日的27.4 cm。河道流量也表現出相應的大周期洪峰變化特征：第1個洪峰出現前，土壤濕度出現較大變化，各層水分開始入滲；第2個洪峰期間，融雪水向土壤深層入滲，對洪峰流量有一定程度的削弱；第3個洪峰期間，融雪水入滲過程使融雪水地面產流減小，融雪洪水峰值同樣受到影響。

4 結語

綜上所述，根據項目區氣候特征、水文觀測資料開展融雪洪水測報完全可行，且測報過程中必須將重點放在季節性凍土深度10 cm 以內，以增強分析結果的準確性及代表性。項目區融雪洪水的出現是氣候溫度、積雪深度、季節性凍土物理特性等綜合作用的結果，應對各因素影響程度分別進行計算和分析，并以影響最大的因素作為河道融雪洪水測報及管理重點。