科其喀尔冰川消融区储排水系统的结构与演化过程研究

In regions of High Mountain Asia (HMA), effect of “Peak Load Shifting” of glaciers to river runoff is of great importance for maintaining the regional water safety and improving the ability to resist drought in a changing climate. This effect is essentially the functionalities of glacial water storage and drainage over various time scales. In annual scale, storage of precipitation in accumulation period and melt of glacier ice in ablation season will partially compensate the discharge gain or loss of river runoff due to climate changes, while in season scale, moreover, the seasonal distribution of meltwater runoff is modified by the glacial storage and drainage effects. The short-term meltwater runoff regimes, for example glacial lake outburst floods(GLOF), are also related with variations of storage and drainage system. Knowledge and understandings on the seasonal processes and changing mechanisms of glacial storage and drainage systems are still limited. The applied project will focus on the spatial and temporal patterns, changing processes and mechanisms of storage and drainage system on Koxkar glacier, Tian Shan Mountains, based on the applications of novel technologies, such as MagnetotelluricSounding (MT) and unmanned aerial measurements. A distributed storage and drainage model will be established on the basis of empirical and physical relationships between changes in water storage and drainage conduits and variations of meltwater input, mass balance and ice motion velocity. Combination of storage and drainage model and established meltwater runoff model will provide a reliable evaluation platform for glacial runoff assessments, GLOF events warning as well as glacial-hydrological responses to climate changes.

在高亚洲地区，冰川对河川径流的“削峰填谷”作用，对维系高亚洲地区水安全和提高旱灾抵御能力具有重要意义，这种作用的实质是不同时间尺度上冰川储排水效应的综合体现。在年季尺度上，冰川能够通过积累或消融量的增减，部分抵消气候变化对河川径流的影响；在季节尺度上，冰川的储排水效应能够对融水径流的年内分配格局产生重要影响；在更短的时间尺度上，冰湖溃决洪水等均与冰川储排水系统的变化有关。目前对于山地冰川储排水仍然缺乏过程和机制方面的了解。拟申请项目将以天山托木尔峰地区的科其喀尔冰川为试验冰川，利用大地电磁测深、无人机测量等新技术，对冰内、冰下和冰面的储水构造和排水结构进行连续测量，从而分析冰川储排水系统的时空格局、变化特征和演化机制，建立基于要素变化关系分析和物理过程的分布式冰川储水估算模型，并与分布式冰川融水径流模型进行耦合，构筑起冰川区径流变化、洪水预警与机制分析的可靠工具平台。

按照计划开展的野外观测活动包括：冰川区各典型剖面的大地电磁测深，冰井结构的视频测量，无人机地面摄影测量和相机定位摄影，以及常规气象水文观测工作。利用空洞仪开展大地电磁测深的实地测量中，系统总结了在冰川区开展大地电磁测深所出现的主要问题和解决方案。剖面大地电磁测量结果表明：科其喀尔冰川的储排水通道主要分布于冰川两侧V型冰面河谷（裸冰区）及其向冰川下游的延伸方向，冰舌中流线附近也有一定规模的冰下排水系统发育，但其规模小于冰川两侧。对于若干冰井的摄影测量表明：科其喀尔冰川发育冰井的直径大致在0.6m-2.5m之间，井壁光滑陡直，井底大多发育一至两个指向下游的侧向排水出口，出口呈半圆形或狭长矩形，部分冰井有一定量的积水。对冰舌区的无人机测量，揭示出2021年消融期内冰面湖水量的显著变化：消融期开始后，冰面湖水量呈增加趋势，然而约16%的冰面湖处于水量减少状态甚至消失，约30%的冰面湖水量无显著变化。以野外观测为基础，开展了大型冰川储排水机制的参数化研究，对分布式冰川融水径流模型汇流模块进行了改进，并对2018-2021年的冰川融水径流进行了模拟，模型效率达到0.95。模型分析表明：消融期开始至6月中旬，冰川储水量将持续增加，将大部分冰川融水转化为冰川储水；6-7月，储水量处于高位波动，并于7月末达到最大值，此后至消融期结束，因融水不断减少同时排水效率较高，冰川储水量快速减小；消融期结束后，冰面消融停止，但储水释放将持续至亦年消融期开始前，但排水量逐渐减少。对于科其喀尔冰川储排水系统的研究方法、储排水变化特征和模拟研究，可用于开展区域性的融水径流模拟研究和冰川储水变化分析，也可用于冰川洪水的灾害预警与评价。因此本课题研究成果，既有推动学科发展的理论意义，也有优化冰川水资源配置、预估融水径流变化趋势、防范冰川溃决洪水灾害的现实意义。