近30年各拉丹东冰川变化及对径流的影响

韩 帅，刘浩成，黄鑫华

(青海大学水利电力学院，青海 西宁 810016)

冰川是淡水的巨大天然固体蓄水池，是气候变化的敏感指标[1]。随着全球变暖，近年来冰川的消退速度加快，冰川的面积、长度和雪线等对气温的变化有负反馈[2]。此外，冰川融水对径流也有一定的影响,所以对冰川变化监测和评价是非常重要的。各拉丹东冰川位于长江源区，该地区的冰川变化一直受到学者的广泛关注。鲁安新等[3]对1969—2000年的冰川变化研究发现，2000年比1969年面积消退了1.7%,但近几年在该区域的相关研究较少。各拉丹东冰川对附近河流径流量的变化影响很大，何秋乐等[4]研究发现,冰川附近河流径流量增加有75%是由于气温升高导致冰川消融所致，也有研究人员对这种影响有不同的看法，他们认为气温升高会增加水的消耗和蒸发，能减少河流径流量[5]。因此，在各拉丹东区域冰川的变化对径流影响的研究尚不清楚。

本文以长江源区各拉丹东冰川为研究对象，采用1989—2019年7个时期的7景30 m分辨率Landsat 数据、2016年的1景10 m分辨率Sentinel-2A卫星遥感数据，以及数字高程模型DEM(Digital Elevation Model，DEM)对冰川地貌进行解译，然后利用7景Landsat影像获取1989—2019年冰川冰舌数量、面积和冰储量变化并结合气象数据探讨冰川变化的影响因素，最后，从水量平衡的角度分析冰川变化对径流的影响。

1 研究区概况

各拉丹东冰川位于青藏高原中部(90°30′～91°30′E，33°00′～33°40′N)，由50多条长50 km、宽30 km、高6 621 m的冰川组成(数据引自中国冰川库(CGI))。年平均温度低于0 ℃且年平均降水量280～480 mm[6]，冰川融水流经沱沱河、当曲和楚玛尔河，最终流入长江，沱沱河气象水文站处于研究区附近(图1)。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 实验数据与方法

2.1实验数据研究区天气恶劣，地形条件复杂，遥感技术以其监测范围广、全天候、获取信息快的特点在冰川研究中有独特的优势。考虑到影像覆盖度、云量和研究区季节性积雪融化的影响，本研究选用7景Landsat影像和1景经正射校正的Sentinel-2A影像对冰川进行形态特征描述。为了更准确地评估冰川变化，对影像进行配准、融合和正射校正处理,同时结合DEM数据解译冰川地貌(分辨率30 m，WGS84投影)。降水、气温数据和年径流量数据由中国气象局和青海省水文水资源勘测局提供，所选数据分辨率和云覆盖均满足研究需求，利用这些数据来评估冰川对气候变化的响应及其对径流的影响(表1)。

表1 研究区域的数据集Tab.1 Data of the study area

2.2实验方法传统的冰川变化是通过航空影像的目视解译和实地调查得出的[7]，这种方法费时且存在主观性。与目视解译相比，自动分类方法效率更高、更省时。通过监督和非监督分类以及波段比值法划定冰川边界，但这类方法对冰川覆盖小的地区有较好的识别效果。在很多情况下，冰川前缘的非冰川区域会出现与冰川表面相似的光谱特性，使得边界难以划定。面向对象的图像分析方法通过整合多源数据，结合空间、结构和层次属性，解决了复杂的自然地貌解译过程。暴露在外面的冰川和积雪一般在可见光和近红外波段的反射较高，在短波红外波段的吸收较强[8]，因此采用归一化雪盖指数NDSI(Normalized Difference Snow Index，NDSI)来确定冰川边界。为减少季节性积雪的影响,假设季节性积雪分布在缓坡上(<6°)，利用DEM进行修正。虽然基于面向对象的分类结果可靠，但也需要后期处理和人工修正。利用区域增长算法，可以去除部分斑块，并对部分边界进行合并。以上操作基于eCognition软件进行，数据处理流程见图2。

图2 数据处理流程图Fig.2 Flowchart of data processing

3 结果与分析

3.1冰川解译冰川的侵蚀、运移和沉积改变了冰川的形态。冰川侵蚀取决于冰川底部的条件，包括冰川流速、压力、热条件、水量和下垫面特征。本文采用Sentinel-2A和DEM，结合野外制图，对各拉丹东冰川形态特征分析发现，在各拉丹东冰川区保存有完整的冰斗、冰积物、冰舌、冰川、侧碛、 树枝状冰川、终碛、悬冰川、羊背石和冰洞(图3)。经现场调查，冰斗通常会在冰川的平衡线附近发育(图3b)，冰塔在冰舌末端形成(图3e)。冰川的融化在山脚下易形成冰川湖(图4)，另一个野外发现是在冰帽下有高度为2 m的巨大冰洞(图3k)。

图3 冰川地貌解译Fig.3 Interpretation of glacial landforms

图4 冰川湖现场调查Fig.4 Field investigation of glacier lake

3.2冰舌变化冰舌是直接反映冰川变化的典型标志。温度升高时，冰舌消融加速。根据遥感解译，1989年共有69条冰舌。冰舌分布在海拔为5 277～5 603 m，平均海拔接近5 420 m(图 5)。近一半的冰舌坡度较缓(<20°)(图6),坡向主要是南、北和东朝向(图7)。冰舌消退距离变化范围为89～3 305 m，1989—2019年平均消退距离约236 m(图8)。

图5 冰舌数量与海拔的关系Fig.5Relationship between the number of glacier tongues and altitude图6冰舌数量与坡度的关系Fig.6Relationship between the number of glacier tongues and slope

图7 冰舌数量与坡向的关系Fig.7Relationship between the number of glacier tongues and slope aspect图8冰舌数量与消退距离的关系Fig.8Relationship between the number of glacier tongues and receding distance

3.3冰川面积和冰储量变化1989—2019年7个时期的冰川面积见表2，冰川面积的变化可以分为冰川后退和冰川前进两种类型。从1989—2019年，冰川面积共减少161.31 km2，其中1989—1994年减少最多，达到了93.93 km2。

表2 1989—2019年冰川变化参数Tab.2 Parameters of glacier variations from 1989 to 2019

图9为1989—2019年各拉丹东冰川的形态变化。在过去的30年中，冰川形态在波动变化，但无明显规律，形态变化的位置都是冰舌的前进和后退，其中最大的消退区位于岗加曲巴冰川东部的A区(图9f)，冰川以平均每年122 m的速率在后退。位于研究区西南方向的B区(图9f)冰川冰舌在2011年后前进，可能是由于该区域在特定的地形下太阳辐射少，加之积雪积累导致冰川形态变化。

图9 1989—2019年各拉丹东冰川变化示意图Fig.9 Schematic diagram of glacier variations in Geladandong from 1989 to 2019

各拉丹东冰川是长江源冰川的主体，气候变化下冰储量对整个长江源区水资源的评估具有重大意义。根据文献[9]，冰储量与冰川面积关系见公式(1)：

Q=0.001 7F2+0.081 8F-0.032 3,R2=0.997 4

(1)

式中:Q为冰川储量(km3)，F为冰川面积(km2)，R为相关系数。

通过分析可知，1989—2019年，冰储量变化与面积变化一致，冰储量从1 721.21 km3减少到1 213.43 km3，平均每年减少16.93 km3。冰川变化受气候影响，主要表现在温度和降水两方面。1989—2019年平均气温从-4.2 ℃上升到-2.68 ℃(图10a)，平均气温与冰储量的Pearson相关系数为-0.73。1989—2019年降水量总体上有波动，但无明显变化规律(图10b)，其与冰储量的Pearson相关系数为0.34。2004—2011年温度升高，降水量在增加，冰储量并未增加，但降水能在温度降低的同时促进积雪的积累，1994—1998年气温降低，降水增加，冰储量也随之增加，说明各拉丹东冰川变化的主要影响因素是温度。

3.4冰川变化对径流的影响长江源区径流变化主要由降水、冰川融水和蒸发作用引起，冰川融水和降水经过沱沱河、当曲河和楚玛尔河，最终注入长江。由于各拉丹东的平均气温低于0 ℃,冻土的保水能力较弱，可以不考虑土壤含水量对径流的影响。沱沱河流域径流、降水、冰川融水和蒸发之间关系如下：

R=Rp+Rg-Rξ

(2)

式中：R为总径流,Rp、Rg、Rξ分别为降水、冰川融水量和蒸发量(数据由青海省水文水资源勘测局提供，并采用泰森多边形法求均值,由此计算冰川融水量)。

由表3可知，1989—2019年年径流量从7.12亿m3增加到了19.74亿m3，冰川融水从18.67亿m3增加到了31.37亿m3。沱沱河流域内降水量少，且在长江源高海拔地区，降水主要是以固态降水形式为主，而蒸发量却是降水量的5倍以上。因此，冰川融水是径流增加的主要补给形式。

表3 冰川融水、降水和蒸发对径流的贡献Tab.3 Contribution of glacier melt water，precipitation and evaporation to the runoff

4 讨论与结论

(1)随着研究区气候的持续变暖，各拉丹东冰川面积和冰储量在逐年消退。本研究利用Landsat遥感数据和DEM对典型冰川地貌进行解译，在此基础上获取了1989—2019年的面积、冰储量，冰川面积总体减少了161.31 km2，冰储量减少了507.78 km3，冰舌处于退缩的状态，这与周文明等[10]、张建国等[11]、金姗姗等[12]的研究成果较为一致。相比前人的研究，本文对冰川进行的解译工作更加有助于正确识别冰舌并统计冰舌参数,可为该地区冰川变化研究提供参考。各拉丹东地区温度在过去30年间提高了1.52 ℃，温度升高引起的冰川消融远远大于降水量促进的积雪积累[13]，这与高晓清等[14]得出的全球气候变暖大背景下青藏高原气温的升高是各拉丹东冰川消融退缩的主要原因的结论吻合。

(2)从水量平衡的角度研究结果表明，多年来沱沱河流域径流量增加。温度的升高会使蒸发量增加，可促进降雨量增加，同时蒸发引起的云量和大气气溶胶浓度的增加又会减少蒸发量[15]，在低海拔区水文循环中可能会使径流量增加，但就高海拔的研究区而言，根据地面直接观测结果来看，该地区降水量变化没有显著增加，蒸发量也基本维持在降水量的5倍以上，因此冰川融水是径流增加的主要补给形式，这一研究结果明确了冰川变化对该流域径流量的影响，与何秋乐等[4]，Wu等[16]研究结果一致。当然，冰川变化还与地形有关，地形对冰川融化形成的地下水的影响还需要进一步研究。