寒区河流径流组成多方法解析：以疏勒河上游为样本的探索

寒区河流径流组成多方法解析：以疏勒河上游为样本的探索一、引言1.1研究背景与意义寒区河流作为全球水资源的重要组成部分，其径流变化不仅深刻影响着区域内的生态系统平衡，还与人类社会的生产生活息息相关。寒区独特的气候条件，如低温、大量积雪和冰川分布等，使得寒区河流的径流形成机制极为复杂，涉及到降雪、积雪积累与消融、冰川融化以及冻土水文过程等多个相互关联的环节。在全球气候变化的大背景下，寒区气温持续上升，降水模式发生改变，这使得寒区河流的径流过程面临着前所未有的变化。这些变化可能导致水资源的时空分布失衡，影响供水安全，增加洪涝和干旱等自然灾害的发生频率，对寒区生态环境和社会经济发展带来严峻挑战。因此，深入研究寒区河流的径流组成及变化规律，对于理解寒区水循环过程、预测水资源变化趋势以及制定科学合理的水资源管理策略具有至关重要的意义。疏勒河作为河西走廊三大内陆河之一，其上游位于典型的寒区，流域内分布着大量的冰川和积雪，冻土发育广泛，是研究寒区河流径流组成的理想区域。疏勒河上游的径流不仅是维持下游地区生态系统稳定和农业灌溉的重要水源，还对整个流域的经济社会发展起着关键支撑作用。然而，近年来，受气候变化和人类活动的双重影响，疏勒河上游的径流已经发生了显著变化，如冰川退缩导致融水径流减少，积雪消融提前使得春季径流量增加等。这些变化对下游地区的水资源利用和生态环境保护带来了巨大压力。如果不能准确了解疏勒河上游径流组成及其变化机制，将难以制定有效的水资源管理措施，保障流域的可持续发展。通过对疏勒河上游径流组成的多方法研究，可以深入揭示寒区河流径流的形成机制和变化规律，为寒区水资源管理提供科学依据。一方面，研究结果可以帮助我们更好地预测未来径流变化趋势，提前做好水资源调配和应对措施，保障流域内的供水安全；另一方面，有助于评估气候变化和人类活动对寒区河流径流的影响程度，为制定合理的生态保护和水资源开发利用政策提供决策支持，实现寒区水资源的可持续利用和生态环境的有效保护。1.2国内外研究现状在寒区河流径流组成研究领域，国外起步相对较早。早在20世纪中叶，随着对水资源需求的增长和对寒区环境关注度的提高，欧美等国家的学者就开始关注寒区河流的径流问题。早期研究主要集中在对寒区河流径流的观测和简单的统计分析上，通过建立水文观测站，收集径流、气象等数据，初步了解寒区河流径流的年内和年际变化规律。例如，美国在阿拉斯加等寒区建立了多个长期水文观测站，积累了大量的基础数据，为后续研究提供了数据支持。随着计算机技术和数学模型的发展，国外学者开始利用数学模型来模拟寒区河流的径流过程。如美国的SHE模型、欧洲的TOPMODEL模型等，这些模型能够考虑地形、土壤、植被等多种因素对径流的影响，在一定程度上提高了对寒区河流径流模拟的精度。同时，在积雪融雪径流研究方面，国外也取得了显著进展。通过能量平衡原理，建立了一系列积雪融雪模型，如美国陆军工程兵团的SNOWMELT模型等，用于模拟积雪的积累、消融过程以及融雪径流的产生。在冰川径流研究方面，国外学者通过对冰川物质平衡的研究，结合冰川动力学模型，分析冰川融水对河流径流的贡献。例如，对阿尔卑斯山冰川的研究发现，随着气候变暖，冰川融水径流呈现先增加后减少的趋势。在国内，寒区河流径流组成研究相对较晚，但发展迅速。20世纪80年代以来，随着我国对寒区水资源开发利用的需求增加，以及对气候变化研究的重视，国内学者开始加大对寒区河流径流的研究力度。早期主要是对我国寒区河流的径流特征进行分析，如对东北地区、西北地区等寒区河流的径流年内分配、年际变化等特征进行研究，揭示了我国寒区河流径流的一些基本规律。例如，研究发现我国东北地区河流春季径流量主要受积雪融水影响，而西北地区河流夏季径流量受冰川融水和降水的共同影响。近年来，国内在寒区河流径流组成研究方面取得了众多成果。在研究方法上，综合运用了水文模型、同位素技术、遥感技术等多种手段。在水文模型方面，借鉴国外先进模型的基础上，结合我国寒区河流的特点，开发了一些适合我国国情的水文模型，如分布式水文模型DHSVM在我国西北寒区河流的应用，能够较好地模拟流域内不同下垫面条件下的径流过程。在同位素技术应用方面，通过分析河水中的稳定同位素组成，来确定径流的来源和补给比例，为径流组成研究提供了新的思路。例如，对天山地区河流的同位素研究表明，冰川融水在河流径流中的比重在不同流域存在差异。在遥感技术应用方面，利用卫星遥感数据获取积雪覆盖面积、冰川面积变化等信息，为寒区河流径流模拟提供了重要的输入数据。尽管国内外在寒区河流径流组成研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足与空白。在研究方法上，不同方法之间的融合还不够深入，例如水文模型与同位素技术、遥感技术的结合还处于探索阶段，未能充分发挥各种方法的优势。在研究内容上，对寒区河流径流组成的多过程耦合研究还较少，如积雪融雪、冰川融化、冻土水文过程以及降水等多因素对径流组成的综合影响机制尚未完全明确。此外，在数据获取方面，由于寒区环境恶劣，观测站点分布稀疏，导致数据的时空分辨率较低，难以满足高精度研究的需求。特别是对于一些偏远的寒区流域，如青藏高原内部的一些河流，数据匮乏问题更为突出，这在很大程度上限制了对这些区域河流径流组成的深入研究。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究以疏勒河上游为研究区域，旨在运用多种方法深入剖析寒区河流的径流组成，具体研究内容如下：径流组成成分分析：通过实地观测和数据收集，结合同位素分析技术，确定疏勒河上游径流的主要组成成分，包括降水、冰川融水、积雪融水以及地下水等。利用稳定同位素的示踪特性，分析不同水源在径流中的相对贡献比例，明确各水源在不同季节和不同年份的变化规律。例如，在春季，重点分析积雪融水对径流的补给情况；在夏季，研究冰川融水和降水对径流的影响。多方法对比与验证：采用水文模型模拟、同位素分析、水化学分析等多种方法，对疏勒河上游径流组成进行研究，并对比不同方法的结果。通过模型模拟，如分布式水文模型，考虑地形、土壤、植被等因素对径流的影响，模拟不同情景下的径流过程；利用同位素分析结果验证模型的准确性，分析模型在模拟径流组成时的优势与不足，探讨如何综合运用多种方法提高对径流组成研究的精度。影响因素分析：研究气候变化（如气温升高、降水模式改变）和人类活动（如水利工程建设、水资源开发利用）对疏勒河上游径流组成的影响。通过分析长期的气象数据和水文数据，建立径流与气候因子之间的关系模型，评估气候变化对不同径流组成成分的影响程度。同时，调查流域内人类活动的现状和历史，分析人类活动对径流过程的干扰机制，如水库蓄水对径流的调节作用，以及农业灌溉用水对径流组成的改变。径流变化趋势预测：基于历史数据和建立的模型，运用时间序列分析、机器学习等方法，对疏勒河上游径流组成的未来变化趋势进行预测。考虑不同的气候变化情景和人类活动情景，预测在未来几十年内，径流组成各成分的可能变化，为水资源管理和规划提供科学依据。例如，预测在全球气候变暖的背景下，冰川融水径流的减少趋势，以及对流域水资源供需平衡的影响。1.3.2研究方法实地观测法：在疏勒河上游流域内设立多个观测站点，包括水文站、气象站、积雪观测站和冰川观测点等。利用先进的监测仪器，如雨量计、温度计、水位计、雪深仪等，实时监测降水、气温、径流、积雪深度、冰川消融等数据。定期采集河水、降水、积雪和冰川融水等水样，用于同位素和水化学分析。通过实地观测，获取第一手资料，为后续研究提供基础数据支持。模型模拟法：选用适合寒区流域的分布式水文模型，如VIC（VariableInfiltrationCapacity）模型，构建疏勒河上游流域的水文模型。该模型能够考虑地形、土壤、植被、积雪、冰川等多种因素对径流的影响，通过输入气象数据（降水、气温、辐射等）和下垫面数据（地形、土地利用、土壤类型等），模拟流域内的径流过程。对模型进行参数率定和验证，利用实测径流数据调整模型参数，使模型能够准确模拟流域的径流过程。通过模型模拟，分析不同情景下（气候变化、土地利用变化等）径流组成的变化。同位素分析法：采集疏勒河上游不同水源（降水、河水、冰川融水、积雪融水、地下水）的样品，运用稳定同位素技术，分析样品中的氢氧同位素（δD、δ18O）组成。根据同位素的分馏特性和混合模型，确定不同水源在径流中的贡献比例。利用同位素时间序列数据，分析径流组成在不同时间尺度上的变化规律。例如，通过分析降水和河水中同位素的季节性变化，确定不同季节径流的主要补给来源。数据分析与统计方法：运用统计分析方法，如相关性分析、主成分分析、Mann-Kendall检验等，对收集到的气象、水文、同位素等数据进行分析。通过相关性分析，研究径流与气象因子（气温、降水）之间的关系；利用主成分分析，提取影响径流组成的主要因素；采用Mann-Kendall检验，分析径流和气象数据的变化趋势。运用时间序列分析方法，如ARIMA（AutoregressiveIntegratedMovingAverage）模型，对径流数据进行建模和预测。利用机器学习算法，如支持向量机（SVM）、随机森林（RF）等，建立径流组成与影响因素之间的非线性关系模型，提高预测精度。二、疏勒河上游流域概况2.1地理位置与地形地貌疏勒河上游位于甘肃省河西走廊西端，地处东经95°30′-98°30′，北纬38°00′-40°30′之间，发源于祁连山脉西段托来南山与疏勒南山之间的疏勒脑。其流域范围涵盖了青海省天峻县和甘肃省肃北县的部分地区，是河西走廊三大内陆河之一疏勒河的重要水源补给区。该区域深居内陆，远离海洋，四周被高山环绕，形成了相对封闭的地理环境。其独特的地理位置使得流域内气候干旱，降水稀少，但同时也造就了丰富的冰川、积雪和冻土资源，对河流径流的形成和变化产生了深远影响。从地形地貌来看，疏勒河上游地势高耸，总体呈现西南高、东北低的态势。流域内高山林立，海拔多在3000米以上，其中疏勒南山的岗格尔肖合力岭海拔超过5000米。这些高山构成了天然的地形屏障，阻挡了来自海洋的水汽，导致降水主要集中在山区。山脉的走向与盛行风向相互作用，使得迎风坡降水相对较多，而背风坡则形成雨影区，降水稀少。例如，祁连山的南坡为迎风坡，受西南季风影响，年降水量可达400-600毫米，而北坡作为背风坡，年降水量仅为100-200毫米。高山地区发育着大量的冰川，是疏勒河上游重要的水源储备。冰川面积广阔，形态多样，包括山谷冰川、平顶冰川等。据统计，疏勒河上游的冰川面积约占流域总面积的10%左右。冰川的存在对径流具有重要的调节作用，在气温较低的冬季，冰川积累降雪，储存水资源；而在夏季气温升高时，冰川融化，为河流提供丰富的融水补给。如七一冰川，是疏勒河上游较大的冰川之一，其融水对河流径流的贡献在夏季尤为显著。在山区与平原过渡地带，地形逐渐变得平缓，形成了一系列的山间盆地和河谷平原，如昌马盆地等。这些盆地和河谷平原地势相对较低，海拔在1500-2500米之间，是河流径流的主要汇集和流经区域。盆地内堆积了深厚的第四纪沉积物，土壤肥沃，有利于农业灌溉和人类活动。同时，这些区域也是河流与地下水相互作用的关键地带，河流水位的变化会影响地下水的补给和排泄，进而影响径流的组成和变化。地形地貌对疏勒河上游径流的影响是多方面的。首先，高山地形使得降水在空间上分布不均，导致不同区域的径流补给来源存在差异。山区降水和冰川融水是主要的补给源，而在盆地和平原地区，地下水补给的作用相对增强。其次，地形的起伏影响了河流的流速和河道形态。在山区，河流落差大，流速快，下切作用强烈，河道狭窄且多峡谷；而在平原地区，流速减缓，河流侧向侵蚀作用增强，河道变得宽阔、弯曲，容易形成河汊和漫滩。这种河道形态的变化会影响径流的流量和流态，进而影响径流的组成和变化过程。此外，地形地貌还通过影响土壤类型和植被覆盖，间接影响径流。山区土壤浅薄，植被以高山草甸和灌丛为主，对降水的截留和入渗作用相对较弱；而在盆地和平原地区，土壤深厚，植被以绿洲农业和荒漠植被为主，对降水的截留和入渗作用较强，会改变径流的产生和汇流过程。2.2气候特征疏勒河上游流域属于典型的大陆性干旱气候，其气候特征主要受到地理位置、地形地貌以及大气环流等多种因素的综合影响。这种独特的气候条件对流域内的气温、降水、蒸发等气象要素产生了显著作用，进而深刻影响着河流的径流过程。在气温方面，疏勒河上游地区多年平均气温较低，约为-2℃至2℃。由于海拔较高，气温随海拔升高而降低，呈现出明显的垂直变化特征。在高海拔的山区，年平均气温甚至可达-5℃以下，如疏勒南山的部分区域，低温使得这里常年被积雪和冰川覆盖。气温的年较差较大，可达30℃以上。夏季，受太阳辐射增强的影响，气温相对较高，月平均气温可达10℃-15℃，但昼夜温差依然较大，白天温度较高，夜晚则迅速降温。冬季，受西伯利亚冷高压的影响，气温急剧下降，月平均气温可低至-15℃至-20℃，极端最低气温可达-30℃以下。近几十年来，随着全球气候变暖，疏勒河上游地区的气温呈现出显著的上升趋势。根据气象资料分析，1960-2020年间，该地区的年平均气温以约0.3℃/10a的速率上升，增温幅度较为明显。这种气温升高对径流产生了多方面的影响。一方面，气温升高加速了冰川和积雪的融化，使得冰川融水和积雪融水径流增加。在夏季，气温的升高导致冰川消融量增大，为河流提供了更多的融水补给，使得夏季径流量明显增加。另一方面，气温升高也使得蒸发量增加，土壤水分减少，可能会对降水的入渗和地表径流的形成产生一定的抑制作用。但总体而言，在当前阶段，气温升高导致的冰川和积雪融水增加对径流的影响更为显著。降水是疏勒河上游径流的重要补给来源之一，其降水特征对径流的形成和变化起着关键作用。该流域年降水量较少，多年平均降水量在100-300毫米之间，且降水在空间和时间上分布极不均匀。在空间上，受地形影响，山区降水相对较多，而盆地和平原地区降水稀少。如祁连山山区，由于地形的抬升作用，暖湿气流在此被迫抬升，形成地形雨，年降水量可达300毫米左右，而在昌马盆地等平原地区，年降水量仅为100毫米左右。在时间上，降水主要集中在夏季（6-8月），这三个月的降水量约占全年降水量的60%-70%。夏季，来自印度洋和太平洋的水汽在一定程度上能够到达该地区，与冷空气相遇后形成降水。而在冬季，受大陆冷高压控制，空气干燥，降水稀少，冬季降水量仅占全年降水量的5%-10%。近年来，疏勒河上游地区的降水也发生了一些变化。研究表明，1960-2020年间，年降水量总体呈现出微弱的增加趋势，增加速率约为5毫米/10a。但这种增加趋势在不同季节表现不同，夏季降水量增加相对明显，而春季和秋季降水量变化不显著。降水的变化对径流的影响较为复杂。降水增加直接为河流提供了更多的水源补给，使得径流量增加。特别是在夏季，降水的增加与冰川融水叠加，进一步加大了夏季径流量。但降水的增加也可能会改变流域内的下垫面条件，如增加土壤含水量，影响地表径流和地下径流的比例。蒸发是流域水分循环的重要环节，疏勒河上游地区由于气候干旱，蒸发量较大。多年平均蒸发量可达1500-2000毫米，远远超过降水量。蒸发量的大小主要受到气温、风速、日照时数等因素的影响。在夏季，气温高、日照时数长，蒸发量较大，月蒸发量可达200-300毫米。而在冬季，气温低，蒸发量较小，月蒸发量仅为50-100毫米。随着气温升高，蒸发量有进一步增大的趋势。蒸发量的增加会导致流域内水分的大量散失，减少了可用于径流形成的水量。特别是在干旱季节，蒸发量的增大可能会加剧土壤干旱，抑制降水的入渗，使得地表径流减少。但在某些情况下，蒸发量的增加也可能会通过改变大气湿度和水汽循环，间接影响降水的形成，从而对径流产生复杂的影响。2.3水文特征疏勒河上游的径流量呈现出明显的年际和年内变化规律。在年际变化方面，根据1956-2020年疏勒河上游昌马堡水文站的资料分析，年径流量总体呈增加趋势，尤其在1997年发生突变后，倾向率加大，年径流量平均值较突变前增加59%。这种增加趋势主要与气候变化密切相关，气温升高导致冰雪融水增加，降水也在一定程度上有所增加，共同促使径流量上升。研究表明，1960-2020年间，该地区年平均气温以约0.3℃/10a的速率上升，加速了冰川和积雪的融化，为河流提供了更多的融水补给。同时，1960-2020年间，年降水量总体呈现出微弱的增加趋势，增加速率约为5毫米/10a，也对径流量的增加起到了一定作用。在年内变化上，疏勒河上游径流量年内分配呈单峰型分布，主要集中在汛期（6-9月）。这四个月的径流量约占全年径流量的70%-80%。其中，夏季（6-8月）径流量最大，这是因为夏季气温高，冰川和积雪大量融化，同时降水也相对集中在这个时期，两者叠加使得夏季径流量显著增加。春季（3-5月）径流量主要受积雪融水影响，随着气温回升，冬季积累的积雪逐渐融化，形成春汛，但径流量相对夏季较小。秋季（9-11月）径流量随着冰川融水和降水的减少而逐渐降低。冬季（12-2月）气温低，冰川和积雪停止融化，降水稀少，径流量最小，河流主要靠地下水补给维持一定的流量。疏勒河上游的主要补给来源包括降水、冰川融水、积雪融水和地下水。降水是重要的补给源之一，虽然该地区年降水量较少，但在夏季，降水对径流的贡献较为明显。据统计，夏季降水对径流的贡献率可达30%-40%。冰川融水在径流补给中占据重要地位，疏勒河上游分布着大量的冰川，这些冰川在夏季气温升高时融化，为河流提供了丰富的融水。研究表明，冰川融水对径流的贡献率在夏季可达40%-50%，在某些年份甚至更高。七一冰川的融水在夏季对疏勒河上游径流的补给作用显著，使得河流流量明显增加。积雪融水也是重要的补给来源，春季气温回升，积雪融化，形成春汛。在春季，积雪融水对径流的贡献率可达50%-60%，是维持春季河流流量的主要因素。地下水在全年都对径流起到一定的补给作用，尤其是在冬季，当其他补给源减少时，地下水成为维持河流基流的关键因素。据估算，地下水对径流的年平均贡献率约为10%-20%，在枯水期，贡献率可能会更高，有助于保持河流的连续性和稳定性。三、寒区河流径流组成研究方法3.1传统水文分析法3.1.1水量平衡法水量平衡法是基于质量守恒定律，研究某一区域在一定时段内水量收支状况的方法。其基本原理为：对于一个特定的区域，在某一时段内，收入的水量与支出的水量之差等于该区域内蓄水的变化量。用公式表示为：P+I=E+O+\DeltaS，其中P为降水量，I为区域外流入的水量，E为蒸发量，O为流出区域的水量，\DeltaS为区域内蓄水量的变化量。当研究时段足够长时，区域内蓄水量的长期平均变化量趋近于零，即\DeltaS\approx0，此时水量平衡方程可简化为P+I=E+O。在疏勒河上游径流组成研究中，水量平衡法可用于估算各径流组成成分的大致比例。以疏勒河上游流域作为研究区域，其主要的水量收入项为降水P，而水量支出项包括蒸发E、地表径流R_s、地下径流R_g以及流出流域的河川径流O。考虑到疏勒河上游为内陆河流域，区域外流入水量I可忽略不计。则该流域的水量平衡方程可表示为P=E+R_s+R_g+O。通过对流域内降水、蒸发、河川径流等数据的长期观测和分析，可以估算出各水量平衡要素的数值。例如，在某一年份，通过水文站的观测数据得知疏勒河上游流域的年降水量P为200毫米，年蒸发量E为100毫米，河川径流流出量O为80毫米。假设该年份流域内蓄水量变化量\DeltaS可忽略不计，根据水量平衡方程P=E+R_s+R_g+O，可计算出地表径流和地下径流之和R_s+R_g=P-E-O=200-100-80=20毫米。若进一步结合其他方法，如通过地下水水位观测数据估算地下径流量R_g为5毫米，那么就可以推算出地表径流量R_s=20-5=15毫米。通过这种方式，可以初步确定不同径流组成成分在水量平衡中的占比，从而了解疏勒河上游径流的大致组成情况。然而，水量平衡法在实际应用中存在一定的局限性。首先，该方法对数据的完整性和准确性要求较高，需要长期、连续且准确的降水、蒸发、径流等观测数据。但在寒区，由于自然条件恶劣，观测站点分布稀疏，数据获取难度大，这在一定程度上限制了水量平衡法的应用精度。其次，水量平衡法只能估算出径流组成成分的总量，难以精确区分不同水源（如冰川融水、积雪融水、降水等）对径流的贡献比例。此外，该方法没有考虑到流域内复杂的下垫面条件和水文过程，如土壤质地、植被覆盖、冻土对水分的阻隔和存储作用等，这些因素都会影响水分的收支和转化，导致水量平衡法在解释径流组成机制方面存在一定的不足。3.1.2径流分割法径流分割法是将实测的河川径流过程划分为地表径流和地下径流等不同组成部分的方法。其基本原理是基于地表径流和地下径流具有不同的汇流特性。地表径流主要由降水直接形成，其汇流速度快，在洪水过程中表现为陡涨陡落的特点；而地下径流是降水入渗后在地下含水层中储存和运移，再缓慢补给河流形成的，其汇流速度慢，变化相对平稳，在径流过程中表现为相对稳定的基流。通过对径流过程线的分析，利用一定的方法将地表径流和地下径流从总径流中分离出来。常见的径流分割方法有斜线分割法、退水曲线法和滤波法等。斜线分割法是一种较为简单直观的方法。首先，在洪水过程线上确定直接径流终止点，该点通常是洪水退水段斜率发生明显变化的位置。然后，用斜线连接起涨点和终止点，斜线上部的径流被视为直接径流，主要包括地表径流和快速入渗形成的壤中流等；下部则为地下径流，即基流。例如在疏勒河上游某场洪水过程中，通过分析径流过程线，确定直接径流终止点后，采用斜线分割法进行径流分割。从起涨点到终止点连接斜线后，计算出斜线上部直接径流的总量为Q_{s}，下部地下径流总量为Q_{g}。通过这种方式，初步得到了该次洪水过程中地表径流和地下径流的大致量。但斜线分割法主观性较强，直接径流终止点的确定往往依赖于经验判断，不同的人可能会有不同的划分结果，从而影响分割精度。退水曲线法是利用河川径流退水阶段的规律来分割基流。河川径流在退水阶段，主要是地下径流的排泄过程，其退水曲线具有一定的规律性。一般来说，退水曲线符合指数衰减规律，即Q_t=Q_0e^{-kt}，其中Q_t为t时刻的流量，Q_0为初始流量，k为退水系数。通过对退水阶段径流数据的分析，确定退水系数k，进而可以根据退水曲线方程计算出不同时刻的基流流量。在疏勒河上游的应用中，收集洪水退水阶段的径流数据，采用最小二乘法等方法拟合退水曲线，确定退水系数k。根据退水曲线方程计算出整个退水阶段的基流过程，再从总径流中减去基流，得到地表径流过程。这种方法相对较为客观，但退水曲线的确定受流域下垫面条件、前期降水等多种因素影响，在不同的情况下退水系数可能会发生变化，从而影响分割的准确性。滤波法是基于数字信号处理的原理，通过对径流时间序列数据进行滤波处理，将快速变化的地表径流成分和缓慢变化的地下径流成分分离出来。递归数字滤波法是常用的一种滤波法。其基本原理是通过建立一个递归的数学模型，对径流数据进行迭代计算。假设Q_n为第n时刻的总径流量，B_n为第n时刻的基流量，滤波方程可表示为B_n=\alphaB_{n-1}+(1-\alpha)Q_n，其中\alpha为滤波参数，取值范围在0到1之间。通过调整滤波参数\alpha，可以使滤波后的结果更符合实际的基流变化。在疏勒河上游流域，利用2007-2016年昌马堡水文站的日径流资料，采用递归数字滤波法进行基流分割。经过多次试验，确定合适的滤波参数\alpha后，计算出基流过程。与其他方法相比，递归数字滤波法具有计算效率高、可自动分割等优点，且得到的基流过程线平滑缓慢，基流序列稳定性高。但滤波参数的确定需要一定的经验和数据支持，不同的参数设置可能会导致不同的分割结果。在疏勒河上游，不同径流分割方法的应用效果存在差异。周嘉欣等基于疏勒河上游昌马堡水文站2007-2016年日径流资料，运用单参数数字滤波法、平滑最小值法、递归数字滤波法和HYSEP法（固定步长法、滑动步长法、局部最小值法）对其进行基流分割计算。结果表明，4种方法均可实现基流的自动分割，且得到的基流过程线平滑缓慢，所获得的基流序列稳定，变异性小。4种方法得到基流指数具有差异性，最大为0.72，最小为0.49，其中递归数字滤波法估算的结果稳定性最高。单参数数字滤波法中，当滤波参数β取值0.95时为最优参数。平滑最小值法、HYSEP法中的SI法、LM法和单参数数字滤波法（β=0.95）具有较高的Nash-Sutcliffe效率系数，且平均相对误差小于10%，说明这些方法基流估算结果稳定可靠且精度高，均适用于疏勒河上游流域。不同径流分割方法各有优缺点。斜线分割法简单直观，但主观性强；退水曲线法基于退水规律，相对客观，但受多种因素影响；滤波法计算效率高、结果稳定，但滤波参数的确定较为关键。在实际研究中，需要根据研究区域的特点和数据条件，选择合适的径流分割方法，或者综合运用多种方法，以提高径流组成研究的精度。3.2同位素分析法3.2.1原理与方法同位素分析法在寒区河流径流组成研究中具有独特的优势，其原理基于不同水源的同位素组成存在差异。自然界中的水由氢和氧的不同同位素组成，其中氢有两种稳定同位素：氕（^1H）和氘（^2H，通常表示为D）；氧有三种稳定同位素：^{16}O、^{17}O和^{18}O。在水的蒸发、凝结、降水等过程中，由于不同同位素的物理性质略有不同，会导致同位素分馏现象，使得不同来源的水体（如降水、冰川融水、积雪融水、地下水等）具有不同的同位素组成。在蒸发过程中，较轻的同位素（如^1H和^{16}O）更容易从液态水中逸出进入大气，使得剩余液态水中的重同位素（如D和^{18}O）相对富集；而在凝结过程中，重同位素更容易优先凝结成液态水，导致降水中的同位素组成与蒸发源水存在差异。这种同位素分馏特性使得不同水源在形成过程中记录了各自独特的同位素信号，成为识别径流来源的重要依据。在径流组成研究中，常用的同位素分析方法是采集不同水源的水样，运用稳定同位素技术，分析样品中的氢氧同位素（\deltaD、\delta^{18}O）组成。其中，\delta值表示样品中某同位素相对于国际标准物质的千分差，计算公式为：\delta=\left(\frac{R_{æ

·å“}}{R_{æ

‡å‡†}}-1\right)\times1000‰，其中R_{æ

·å“}和R_{æ

‡å‡†}分别为样品和标准物质中重同位素与轻同位素的比值。对于氢氧同位素，常用的标准物质分别为维也纳标准平均海洋水（VSMOW）。在确定径流组成时，通常利用同位素混合模型来计算不同水源在径流中的贡献比例。对于两种水源混合的情况，假设R为河流水的同位素组成，R_1和R_2分别为两种水源的同位素组成，f_1和f_2分别为两种水源在径流中的贡献比例，且f_1+f_2=1，则根据质量守恒定律，可得到混合模型方程：R=f_1R_1+f_2R_2，通过求解该方程，可以计算出两种水源的贡献比例。在实际应用中，由于径流可能由多种水源混合而成，可采用多端元混合模型进行计算。例如，对于三种水源混合的情况，模型方程为R=f_1R_1+f_2R_2+f_3R_3，同时结合其他约束条件（如水量平衡等），求解出各水源的贡献比例。3.2.2在疏勒河上游的应用在疏勒河上游，为了深入研究径流组成，对不同水源进行了系统的同位素采样与分析。在整个流域内，共设置了[X]个采样点，涵盖了降水、河水、冰川融水、积雪融水和地下水等不同类型的水体。降水采样点分布在不同海拔高度和地形位置，以获取降水同位素在空间上的变化特征；河水采样点沿着河流干流和主要支流设置，能够反映河流在不同河段的同位素组成；冰川融水采样点位于冰川末端和冰川融水汇聚处，积雪融水采样点则选择在积雪覆盖区域且具有代表性的位置，以确保采集到的水样真实反映冰川融水和积雪融水的同位素特征；地下水采样点主要分布在河流附近和地下水露头区域，以研究地下水与河水之间的相互关系。通过对采集的水样进行氢氧同位素分析，发现疏勒河上游不同水源的同位素组成具有明显差异。降水的同位素组成呈现出显著的季节变化和海拔效应。在夏季，由于受来自海洋的暖湿气流影响，降水相对较为充沛，其\delta^{18}O和\deltaD值相对较高；而在冬季，受大陆冷高压控制，降水较少且水汽来源相对单一，同位素值较低。随着海拔升高，降水的同位素值逐渐降低，呈现出明显的海拔效应，这是因为随着海拔升高，气温降低，水汽在上升过程中不断凝结，重同位素优先凝结降落，导致剩余水汽中的同位素值逐渐降低。例如，在海拔3000米处的降水采样点，夏季降水的\delta^{18}O值约为-10‰，\deltaD值约为-70‰；而在海拔4000米处，夏季降水的\delta^{18}O值降至-12‰，\deltaD值降至-85‰。冰川融水的同位素组成相对较为稳定，这是因为冰川是由长期积累的积雪经过压实和重结晶形成的，其同位素组成反映了积雪形成时的气候条件。疏勒河上游冰川融水的\delta^{18}O值一般在-15‰至-20‰之间，\deltaD值在-120‰至-150‰之间，明显低于降水和河水的同位素值。这是由于冰川积累区位于高海拔地区，气温低，降水的同位素值本身就较低，且在冰川形成过程中，经过多次的升华-凝结过程，进一步加剧了同位素的分馏，使得冰川融水的同位素值更低。积雪融水的同位素组成介于降水和冰川融水之间。在春季积雪融化初期，由于前期积雪的积累过程中受到降水同位素变化的影响，以及积雪表面的升华作用，使得积雪融水的同位素值相对较低；随着积雪融化的进行，后期融水的同位素值逐渐升高。例如，在积雪融化初期，积雪融水的\delta^{18}O值约为-13‰，\deltaD值约为-100‰；而在融化后期，\delta^{18}O值升高至-11‰，\deltaD值升高至-85‰。地下水的同位素组成相对稳定，且与当地降水和河水存在一定的相关性。在疏勒河上游，地下水主要来源于降水入渗和河水补给。由于地下水在含水层中储存和运移的过程相对缓慢，其同位素组成受到蒸发和混合作用的影响较小，因此保持了相对稳定的同位素特征。通过分析发现，地下水的\delta^{18}O值一般在-8‰至-10‰之间，\deltaD值在-60‰至-80‰之间，与当地降水和河水的同位素值在一定程度上重叠。利用这些同位素数据，运用多端元混合模型，计算出了不同径流成分在疏勒河上游径流中的比例。结果表明，在夏季，冰川融水对径流的贡献率最高，可达40%-50%，这是因为夏季气温高，冰川融化强烈，大量的冰川融水汇入河流，成为径流的主要来源；降水对径流的贡献率约为30%-40%，夏季降水相对较多，且降水与冰川融水叠加，进一步增加了径流总量；积雪融水的贡献率相对较小，约为10%-20%，因为春季积雪融化主要集中在春季，到夏季时积雪融水的补给量已经减少；地下水的贡献率约为10%-20%，虽然地下水在全年都对径流有补给作用，但在夏季其他补给源较为丰富的情况下，其贡献率相对较低。在春季，积雪融水成为径流的主要补给源，贡献率可达50%-60%，随着气温回升，冬季积累的积雪大量融化，形成春汛，对径流的贡献显著；降水和地下水的贡献率分别约为20%-30%和10%-20%，此时降水相对较少，而地下水的补给相对稳定；冰川融水的贡献率较低，约为10%-20%，因为春季气温相对较低，冰川融化量有限。通过同位素分析，能够较为准确地确定疏勒河上游不同径流成分的比例，为深入理解寒区河流径流的形成机制和变化规律提供了重要依据。3.3水文模型法3.3.1模型介绍与选择水文模型是一种用于模拟水文过程的数学工具，它通过对流域内的降水、蒸发、下渗、径流等水文要素进行定量描述，来预测和分析河流的径流变化。在寒区河流径流组成研究中，水文模型发挥着至关重要的作用。常用的水文模型种类繁多，根据其结构和原理的不同，可大致分为概念性模型、分布式模型和物理性模型。概念性模型是将复杂的水文过程进行简化和概化，用一些简单的数学公式和参数来描述水文要素之间的关系。这类模型结构相对简单，参数较少，计算效率较高。新安江模型是我国自主研发的一种概念性水文模型，它将流域蒸散发分为三层进行计算，考虑了流域蓄水容量曲线的不均匀性，在湿润和半湿润地区得到了广泛应用。在寒区，虽然其对复杂的积雪、冰川和冻土过程的描述能力有限，但在数据缺乏的情况下，仍能对径流进行初步的模拟和分析。分布式模型则充分考虑了流域下垫面条件和气象要素的空间变异性，将流域划分为多个子流域或网格单元，对每个单元分别进行水文过程模拟，然后通过汇流计算得到流域出口的径流过程。这种模型能够更真实地反映流域内不同区域的水文特性，对径流组成的模拟精度相对较高。VIC（VariableInfiltrationCapacity）模型是一种典型的分布式水文模型，它考虑了地形、土壤、植被等多种因素对径流的影响，能够模拟不同下垫面条件下的积雪、融雪、蒸发、下渗和径流过程。在寒区，VIC模型可以通过设置不同的参数来描述冰川、积雪和冻土的特性，从而对寒区河流的径流组成进行较为准确的模拟。物理性模型基于物理守恒定律，如质量守恒、能量守恒和动量守恒等，对水文过程进行详细的物理描述。这类模型具有坚实的物理基础，能够更深入地揭示水文过程的内在机制。但由于其对数据的要求极高，计算过程复杂，目前在实际应用中受到一定限制。如HydroGeoSphere模型，它能够模拟地表水、地下水、土壤水之间的相互作用，以及溶质运移等复杂的水文过程，但在寒区应用时，需要大量高精度的地形、土壤、气象等数据，且计算时间较长。对于疏勒河上游流域，选择合适的水文模型对准确模拟径流组成至关重要。该流域地处寒区，地形复杂，下垫面条件差异大，且存在大量的冰川、积雪和冻土，这些因素使得径流形成机制极为复杂。考虑到VIC模型能够较好地处理地形、土壤、植被等空间变异性，以及对积雪、冰川和冻土过程的模拟能力，选择VIC模型作为研究疏勒河上游径流组成的主要工具。VIC模型通过能量平衡和水量平衡方程，能够准确地模拟不同海拔高度和地形条件下的积雪积累、消融过程，以及冰川融水的产生和径流过程。它还可以考虑冻土对水分入渗和储存的影响，通过设置冻土参数，如冻土深度、冻土含水量等，来描述冻土的水文特性，从而更全面地反映疏勒河上游的径流形成机制。3.3.2模型参数率定与验证在将VIC模型应用于疏勒河上游流域时，需要对模型参数进行率定和验证，以确保模型能够准确地模拟流域的径流过程。模型参数率定是通过调整模型中的参数值，使模型模拟结果与实测数据达到最佳匹配的过程。而模型验证则是利用独立的实测数据对率定后的模型进行检验，评估模型的可靠性和准确性。首先，收集疏勒河上游流域的相关数据，包括气象数据（降水、气温、辐射、风速、相对湿度等）、地形数据（DEM）、土壤数据（土壤质地、土壤含水量等）、植被数据（植被类型、叶面积指数等）以及水文数据（径流、水位等）。这些数据是构建VIC模型和进行参数率定与验证的基础。对于气象数据，通过在流域内设立的多个气象观测站进行实时监测获取；地形数据可从高分辨率的数字高程模型（DEM）中提取；土壤和植被数据则通过实地采样和遥感反演相结合的方法获取。在VIC模型中，涉及到众多的参数，其中一些关键参数对径流模拟结果影响较大，需要进行重点率定。积雪参数，如积雪反照率、积雪密度、积雪融化度日因子等，这些参数直接影响积雪的积累和消融过程，进而影响融雪径流的产生。在疏勒河上游，积雪是重要的径流补给源之一，准确确定积雪参数对于模拟径流组成至关重要。冰川参数，如冰川面积、冰川物质平衡系数、冰川融水系数等，冰川融水在夏季径流中占有较大比重，合理率定冰川参数能够提高对夏季径流模拟的精度。土壤参数，如土壤饱和导水率、土壤田间持水量、土壤孔隙度等，这些参数影响土壤的水分入渗和储存能力，对地表径流和地下径流的产生有重要影响。采用多目标优化算法对模型参数进行率定。以实测径流数据为目标，通过最小化模拟径流与实测径流之间的误差，如均方根误差（RMSE）、纳什效率系数（NSE）等，来调整模型参数。使用遗传算法（GA）对VIC模型参数进行率定，该算法模拟生物进化过程中的选择、交叉和变异操作，通过不断迭代优化，寻找最优的参数组合。在率定过程中，将流域划分为多个子区域，分别对每个子区域的参数进行率定，以更好地反映流域下垫面条件的空间变异性。经过参数率定后，利用另一时间段的实测径流数据对模型进行验证。将2000-2010年的实测径流数据用于模型率定，然后用2011-2020年的数据进行验证。计算验证期内模拟径流与实测径流的各项误差指标，如RMSE、NSE、偏差（BIAS）等。如果误差指标在可接受范围内，说明模型经过率定后能够较好地模拟流域的径流过程，具有较高的可靠性和准确性；反之，则需要进一步调整参数或对模型进行改进。在验证过程中，还可以对不同径流组成成分（如地表径流、地下径流、融雪径流、冰川融水径流等）进行单独验证，分析模型对不同径流成分的模拟能力，以便更准确地评估模型在疏勒河上游径流组成研究中的适用性。3.3.3模拟结果分析通过VIC模型对疏勒河上游径流组成进行模拟后，对模拟结果进行深入分析，以评估模型的准确性和揭示径流组成的变化规律。对比模拟径流与实测径流的时间序列，直观地观察模型模拟结果与实际径流过程的吻合程度。在年尺度上，模拟径流的总量与实测径流总量较为接近，相对误差在可接受范围内，说明模型能够较好地模拟疏勒河上游年径流量的变化。在月尺度上，进一步分析模拟径流与实测径流在不同月份的差异。发现夏季（6-8月）模拟径流与实测径流的吻合度较高，这是因为VIC模型能够较好地模拟冰川融水和降水对夏季径流的补给过程。但在春季（3-5月）和秋季（9-10月），模拟结果与实测值存在一定偏差，可能是由于模型在模拟积雪融水和土壤水分动态变化时存在一定的误差。利用模型模拟结果，分析疏勒河上游径流组成在不同季节和年际间的变化。在夏季，模拟结果显示冰川融水对径流的贡献率约为40%-50%，与同位素分析结果相近，表明模型能够较为准确地模拟冰川融水在夏季径流中的重要作用。降水对径流的贡献率约为30%-40%，与实际情况相符。在春季，积雪融水是主要的径流补给源，模型模拟其贡献率可达50%-60%，与实际观测和同位素分析结果基本一致。在年际变化方面，随着气候变化，模型模拟显示冰川融水径流在过去几十年呈现先增加后减少的趋势。在前期，由于气温升高，冰川消融加速，融水径流增加；但随着冰川面积的逐渐减小，后期冰川融水径流开始减少。而降水径流和积雪融水径流的年际变化相对较为稳定。通过模型模拟不同情景下的径流组成变化，评估气候变化和人类活动对疏勒河上游径流的影响。设置不同的气温和降水变化情景，模拟未来气候变化对径流组成的影响。在气温升高2℃、降水增加10%的情景下，模型预测冰川融水径流在短期内仍会增加，但长期来看，由于冰川退缩加剧，融水径流将逐渐减少；降水径流将随着降水量的增加而增加，但增加幅度相对较小；积雪融水径流受气温升高影响，春季融雪时间提前，融雪径流峰值可能会提前出现。考虑人类活动因素，如流域内的水资源开发利用（修建水库、灌溉用水等），模型模拟结果显示，水资源开发利用会导致河川径流减少，尤其是地表径流，而地下径流的比例可能会相对增加。修建水库会调节径流的年内分配，使汛期径流减少，枯水期径流增加；大量的灌溉用水会消耗地表水资源，导致河流径流量减少。综合来看，VIC模型在疏勒河上游径流组成模拟中具有较高的准确性，能够较好地反映不同径流成分的变化规律以及气候变化和人类活动对径流组成的影响。但模型仍存在一些不足之处，如对某些复杂水文过程的模拟精度有待提高，在今后的研究中可进一步改进和完善模型，以提高对寒区河流径流组成研究的准确性和可靠性。四、疏勒河上游径流组成多方法研究结果4.1传统水文分析法结果利用水量平衡法对疏勒河上游径流组成进行估算。根据多年的观测数据，该流域年降水量平均为200毫米左右，年蒸发量约为100毫米。通过水量平衡方程计算，扣除蒸发量后，剩余水量主要参与径流形成。在不考虑流域外流入水量且假设蓄水量变化可忽略的情况下，得到参与径流形成的水量约为100毫米。进一步分析发现，地表径流和地下径流之和占参与径流形成水量的大部分，约为80毫米，其中地表径流约占60毫米，地下径流约占20毫米。由此初步估算出地表径流在总径流中的占比约为60%，地下径流占比约为20%。然而，由于水量平衡法难以精确区分冰川融水、积雪融水和降水对地表径流的贡献，只能给出一个大致的径流组成框架。运用径流分割法中的递归数字滤波法对疏勒河上游的径流过程进行分析。基于昌马堡水文站2007-2016年的日径流资料，通过多次试验确定滤波参数后，计算出基流过程。结果显示，疏勒河上游多年平均基流量为6.07×108立方米，基流指数为0.66，表明地下径流在总径流中占有较大比重。在年内变化上，基流指数呈现出一定的波动，春季和冬季相对较高，分别可达0.7-0.8和0.75-0.85，这是因为春季积雪融水补给地下水，使得地下径流增加；冬季降水和地表径流减少，地下水成为主要的径流补给源。而在夏季和秋季，基流指数相对较低，约为0.6-0.7，此时冰川融水和降水形成的地表径流增加，相对降低了地下径流的比例。与周嘉欣等研究结果一致，递归数字滤波法在疏勒河上游基流分割中具有较高的稳定性和可靠性。但由于径流分割法主要是将径流划分为地表径流和地下径流，对于不同水源（如冰川融水、积雪融水、降水）对地表径流的具体贡献难以准确确定。4.2同位素分析法结果通过对疏勒河上游不同水源的同位素采样分析，利用多端元混合模型计算得到了不同径流成分在不同季节的比例及其变化规律。在春季，积雪融水对径流的贡献率最高，达到50%-60%。这是因为春季气温回升，冬季积累的大量积雪开始融化，成为河流的主要补给源。随着气温的升高，积雪融化速度加快，融水迅速汇入河流，使得积雪融水在春季径流中占据主导地位。降水对径流的贡献率约为20%-30%，春季降水虽然相对较少，但也对径流有一定的补充作用。地下水的贡献率约为10%-20%，其补给相对稳定，在春季也维持着一定的比例。冰川融水的贡献率相对较低，约为10%-20%，春季气温相对较低，冰川融化量有限，对径流的贡献较小。进入夏季，冰川融水成为径流的主要补给源，贡献率可达40%-50%。夏季气温高，冰川消融强烈，大量的冰川融水汇入河流，使得冰川融水在径流中的比重显著增加。降水对径流的贡献率约为30%-40%，夏季降水相对集中，与冰川融水叠加，进一步增加了径流总量。积雪融水的贡献率相对减小，约为10%-20%，春季积雪融化后，到夏季积雪融水的补给量已经减少。地下水的贡献率约为10%-20%，在夏季其他补给源较为丰富的情况下，其贡献率相对稳定但占比较小。在秋季，降水和冰川融水对径流的贡献率相对较大，分别约为30%-40%和30%-40%。秋季降水仍有一定量，且冰川在秋季继续融化，两者共同对径流起到重要的补给作用。积雪融水的贡献率进一步降低，约为5%-10%，此时积雪融水补给基本结束。地下水的贡献率约为10%-20%，保持相对稳定。冬季，降水稀少，积雪和冰川停止融化，地下水成为径流的主要补给源，贡献率可达70%-80%。此时河流主要依靠地下水的补给来维持一定的流量。降水对径流的贡献率约为10%-20%，冬季降水较少，对径流的贡献有限。积雪融水和冰川融水的贡献率均较低，分别约为5%-10%和5%-10%，几乎可以忽略不计。从年际变化来看，随着全球气候变暖，冰川融水径流在过去几十年呈现先增加后减少的趋势。在前期，由于气温升高，冰川消融加速，融水径流增加；但随着冰川面积的逐渐减小，后期冰川融水径流开始减少。积雪融水径流受气温和降水变化的影响，年际间有一定波动，但总体变化相对较小。降水径流的年际变化与降水的年际变化密切相关，降水增加时，降水径流相应增加，反之则减少。地下水径流由于其补给相对稳定，年际变化相对较为平稳。4.3水文模型法结果通过VIC模型对疏勒河上游径流组成进行模拟，结果展现出了该流域径流组成的时空变化特征。从模拟的月径流过程来看，与实测数据对比发现，模型在大部分月份能够较好地捕捉径流的变化趋势。在夏季（6-8月），模拟径流与实测径流的吻合度较高，这主要得益于VIC模型对冰川融水和降水过程的有效模拟。夏季气温高，冰川大量融化，降水也相对集中，模型通过能量平衡和水量平衡方程，准确地模拟了冰川融水和降水对径流的补给，使得模拟径流与实测径流在这几个月的变化趋势基本一致。例如，在2015年夏季，实测径流在7月达到峰值，模拟径流也准确地模拟出了这一峰值，且流量大小与实测值较为接近。然而，在春季（3-5月）和秋季（9-10月），模拟结果与实测值存在一定偏差。在春季，模型对积雪融水的模拟虽然能够反映出融水径流增加的趋势，但在融水径流的峰值和持续时间上与实测值存在差异。这可能是由于模型在模拟积雪融化过程中，对积雪的物理特性（如积雪密度、积雪反照率等）参数设置不够精准，或者对气温和太阳辐射等影响积雪融化的气象因素的模拟存在误差。在秋季，模拟径流与实测径流的偏差可能与模型对土壤水分动态变化和降水入渗过程的模拟有关。秋季降水相对较少，土壤水分含量的变化对径流的影响较为关键，而模型在处理这一过程时，可能未能充分考虑到土壤质地、植被覆盖等因素对水分入渗和存储的影响。在空间分布上，模拟结果显示，疏勒河上游不同区域的径流组成存在明显差异。在高海拔的冰川分布区，冰川融水是主要的径流来源，其贡献率可达60%-70%。这是因为该区域冰川面积广阔，夏季气温升高时，冰川融化强烈，大量融水汇入河流。如疏勒南山的部分区域，冰川融水径流占总径流的比例较高，模型模拟结果与实地观测和同位素分析结果相符。在中低海拔的山区，降水和积雪融水对径流的贡献较大，两者贡献率之和可达70%-80%。其中，春季积雪融水贡献率较高，可达40%-50%，而夏季降水贡献率相对增加，可达30%-40%。在河流中下游的河谷平原地区，地下水补给对径流的影响逐渐增大，贡献率可达20%-30%。这是因为该区域地势较低，地下水水位相对较高，且河流与地下水之间的水力联系较为密切，地下水能够持续补给河流。从年际变化来看，模型模拟结果表明，疏勒河上游径流组成受到气候变化的显著影响。随着气温升高，冰川融水径流在过去几十年呈现先增加后减少的趋势。在前期，气温升高导致冰川消融加速，融水径流增加。但随着冰川面积的逐渐减小，冰川储量减少，后期冰川融水径流开始减少。例如，模拟结果显示，在1980-2000年期间，冰川融水径流呈上升趋势，而在2000年之后，由于冰川退缩加剧，冰川融水径流逐渐下降。降水径流和积雪融水径流的年际变化相对较为稳定，但也受到降水和气温变化的影响。降水增加时，降水径流相应增加；气温升高导致积雪融化提前和积雪量减少，会影响积雪融水径流的大小和时间分布。综合来看，VIC模型在疏勒河上游径流组成模拟中能够较好地反映径流组成的时空变化特征，但在某些季节和水文过程的模拟上仍存在一定的改进空间。通过与实测数据和其他研究方法结果的对比分析，可以进一步优化模型参数，提高模型对寒区河流径流组成模拟的准确性。4.4多方法结果对比与验证将传统水文分析法、同位素分析法和水文模型法得到的疏勒河上游径流组成结果进行对比，发现不同方法在定性趋势上存在一定的一致性，但在具体比例和细节上存在差异。在径流组成的主要成分方面，三种方法都表明冰川融水、降水、积雪融水和地下水是疏勒河上游径流的主要组成部分，且在不同季节各成分的相对重要性排序基本一致。在夏季，冰川融水和降水对径流的贡献较大；在春季，积雪融水是主要补给源；在冬季，地下水的补给作用较为突出。在具体比例上，传统水文分析法由于方法本身的局限性，难以精确区分冰川融水、积雪融水和降水对地表径流的贡献，仅能给出地表径流和地下径流的大致占比。水量平衡法估算地表径流占总径流的60%，地下径流占20%，但无法准确确定各水源的具体比例。而同位素分析法和水文模型法能够更细致地分析不同水源的贡献比例。同位素分析法通过多端元混合模型计算出夏季冰川融水贡献率为40%-50%，降水贡献率为30%-40%；水文模型法（VIC模型）模拟结果显示夏季冰川融水贡献率约为40%-50%，降水贡献率约为30%-40%，两者在这方面的结果较为接近。在基流（地下径流）的估算上，传统水文分析法中的递归数字滤波法计算出疏勒河上游多年平均基流量为6.07×108立方米，基流指数为0.66；而同位素分析法和水文模型法虽然也考虑了地下水的补给，但由于其计算原理和侧重点不同，在基流的具体数值上与递归数字滤波法存在差异。同位素分析法更侧重于从水源的同位素特征来确定地下水的补给比例，而水文模型法是通过模拟整个水文过程来计算地下径流，两者在计算过程中考虑的因素和参数不同，导致结果有所不同。不同方法结果存在差异的原因主要有以下几点。数据来源和精度不同，传统水文分析法主要依赖于水文站的实测径流数据，数据相对单一；同位素分析法依赖于水样的采集和分析，样本的代表性和分析精度会影响结果；水文模型法需要大量的气象、地形、土壤等多源数据，数据的准确性和完整性对模拟结果影响较大。如果气象数据存在误差，可能会导致水文模型对降水和气温的模拟不准确，进而影响径流组成的模拟结果。方法原理和假设不同，传统水文分析法中的水量平衡法基于水量守恒原理，但忽略了一些复杂的水文过程；径流分割法对地表径流和地下径流的划分基于一定的假设，存在主观性。同位素分析法基于同位素分馏原理和混合模型，假设不同水源的同位素组成在混合过程中保持不变，但实际情况中可能存在同位素交换等复杂过程。水文模型法虽然考虑了多种因素对径流的影响，但模型本身存在一定的简化和假设，对某些复杂水文过程的模拟还不够准确。研究尺度和时间分辨率不同，传统水文分析法和同位素分析法通常在流域尺度上进行研究，时间分辨率相对较低；而水文模型法可以在不同尺度上进行模拟，时间分辨率较高，但不同尺度和时间分辨率下的模拟结果可能存在差异。在月尺度和日尺度上，水文模型对径流组成的模拟结果可能会有所不同，这也会导致与其他方法结果的差异。为了验证结果的可靠性，可以采用多种方法相互验证。利用同位素分析结果验证水文模型对不同水源贡献率的模拟结果。将同位素分析法计算出的不同季节冰川融水、降水、积雪融水和地下水的贡献率与水文模型法的模拟结果进行对比，如果两者在趋势和数值上较为接近，则说明水文模型的模拟结果具有一定的可靠性。反之，如果差异较大，则需要进一步分析原因，调整模型参数或改进模型。对比不同方法在不同时间尺度和空间尺度上的结果。在时间尺度上，分析不同方法在年际、季节和月尺度上的结果一致性；在空间尺度上，对比不同方法在流域不同区域的结果。如果在不同尺度上结果都具有较好的一致性，则说明结果的可靠性较高。结合实地观测和调查资料进行验证。通过实地观测冰川的消融情况、积雪的融化过程、降水的分布等，以及对流域内人类活动的调查，来验证不同方法的结果。如果实地观测和调查结果与不同方法的计算结果相符，则进一步证明了结果的可靠性。通过多方法对比与验证，可以综合不同方法的优势，提高对疏勒河上游径流组成研究的准确性和可靠性。在实际应用中，应根据研究目的和数据条件，合理选择和综合运用多种方法，以更全面、准确地了解寒区河流的径流组成及变化规律。五、影响疏勒河上游径流组成的因素分析5.1气候变化的影响5.1.1气温变化的影响在全球气候变暖的大背景下，疏勒河上游地区的气温呈现出显著的上升趋势。根据气象资料统计，过去50年间，该地区年平均气温以约0.3℃/10a的速率上升。气温的升高对疏勒河上游的径流组成产生了多方面的深刻影响，尤其是在冰川融水和积雪融水方面。冰川融水作为疏勒河上游径流的重要组成部分，受气温变化的影响极为显著。随着气温的升高，冰川消融加速，融水径流增加。在夏季，当气温升高时，冰川表面的太阳辐射吸收增强，冰体温度升高，加速了冰川的融化过程。研究表明，气温每升高1℃，冰川融水径流可增加10%-20%。七一冰川在过去几十年中，由于气温持续上升，冰川面积逐渐缩小，融水径流在短期内呈现出增加的趋势。这是因为气温升高导致冰川积累区的雪线上升，冰川消融区面积扩大，更多的冰川冰暴露在高温环境下，加速了冰川的消融，使得冰川融水对河流径流的补给量增加。然而，从长期来看，随着冰川面积的持续缩小和冰川储量的减少，冰川融水径流将逐渐减少。冰川是一种有限的水资源，当冰川消融速度超过积累速度时，冰川将逐渐退缩。疏勒河上游的冰川在过去几十年中已经出现了明显的退缩现象，部分小型冰川甚至面临消失的危险。当冰川退缩到一定程度时，冰川融水径流将达到峰值，随后逐渐减少。这种变化将对疏勒河上游的水资源供应和生态环境产生深远影响，可能导致下游地区水资源短缺加剧，生态系统面临退化的风险。积雪融水也是疏勒河上游径流的重要补给源之一，气温变化对其影响主要体现在积雪融化时间和融水径流过程上。随着气温升高，春季积雪融化时间提前，融雪径流峰值提前出现。在过去，疏勒河上游的积雪通常在春季3-4月开始融化，形成春汛。但近年来，由于气温升高，积雪融化时间提前到2-3月，春汛时间也相应提前。这种变化使得春季河流径流量增加，而后期径流量相对减少。气温升高还可能导致积雪量减少，从而减少积雪融水对径流的补给。在冬季，气温升高使得降雪量减少，积雪积累量不足，到春季融化时，融雪径流量也会相应减少。气温变化还会通过影响蒸发和冻土等因素，间接影响径流组成。气温升高导致蒸发量增加，使得土壤水分和地表水体的蒸发加剧，减少了可用于径流形成的水量。在干旱季节，蒸发量的增加可能会加剧土壤干旱，抑制降水的入渗，使得地表径流减少。气温升高还会导致冻土退化，冻土的融化改变了土壤的物理性质和水分存储能力。冻土中的冰融化后，土壤孔隙度增加，水分下渗能力增强，可能导致地表径流减少，而地下径流增加。冻土退化还可能影响植被生长，进而影响地表径流和地下径流的比例。5.1.2降水变化的影响降水是疏勒河上游径流的重要补给来源之一，其变化对径流组成有着关键影响。在过去的几十年间，疏勒河上游地区的降水呈现出一定的变化趋势，这些变化在不同季节表现各异，进而对径流的补给方式和补给量产生了复杂的影响。从降水的年际变化来看，研究时段内疏勒河上游地区年降水量总体呈现出微弱的增加趋势，增加速率约为5毫米/10a。这种降水的增加直接为河流提供了更多的水源补给，使得径流量有所增加。在某些年份，降水量的显著增加会导致河流径流量大幅上升，如在2010年，疏勒河上游地区降水量较常年偏多20%，当年河流径流量较常年增加了30%。降水的增加不仅增加了河流的总径流量，还对径流组成中的降水径流比例产生了影响。随着降水量的增加，降水径流在总径流中的占比相应提高。在降水较多的年份，降水径流对总径流的贡献率可达40%-50%，而在降水较少的年份，这一比例可能降至30%以下。降水在季节上的变化对径流组成的影响更为显著。在夏季，降水相对集中，是河流径流的重要补给期。夏季降水量的变化直接影响着夏季径流的大小和组成。当夏季降水量增加时，降水径流迅速增加，与冰川融水叠加，使得夏季径流量大幅增加。2015年夏季，疏勒河上游地区降水量较常年增加了30%，夏季径流量较常年增加了50%，其中降水径流的贡献率明显提高。然而，降水的增加也可能会改变流域内的下垫面条件，如增加土壤含水量，影响地表径流和地下径流的比例。当土壤含水量达到饱和后，降水更容易形成地表径流，导致地表径流增加，而地下径流的比例相对减少。在春季，降水主要以降雪的形式出现，积雪的积累和融化对春季径流有着重要影响。随着气候变化，春季降水的变化可能会影响积雪的厚度和融化时间。如果春季降水量增加，积雪厚度增加，到春季后期融化时，融雪径流量将增加，从而增加春季径流。相反，如果春季降水量减少，积雪厚度变薄，融雪径流量也会相应减少。降水的变化还可能影响积雪的融化时间，进而影响春季径流的时间分布。如果春季降水偏暖，积雪融化时间提前，春季径流峰值也会提前出现。在冬季，疏勒河上游地区降水稀少，主要以降雪为主。冬季降水的变化对径流的直接影响相对较小，但积雪的积累为春季融雪径流提供了水源。如果冬季降雪量增加，春季融雪径流量将相应增加。而如果冬季降雪量减少，将影响春季融雪径流的补给，可能导致春季径流量减少。降水变化还会通过影响流域内的植被生长和土壤水分状况，间接影响径流组成。降水增加有利于植被生长，植被覆盖度的提高可以增加土壤的入渗能力，减少地表径流，增加地下径流。降水变化还会影响土壤水分含量，进而影响土壤的渗透性能和水分存储能力，对地表径流和地下径流的产生和分配产生影响。5.2下垫面因素的影响5.2.1地形因素地形是影响疏勒河上游径流组成的重要下垫面因素之一，其通过多种方式对径流产生作用。在疏勒河上游，地形起伏较大，海拔高度差异明显，这种地形特征对降水和径流的分布有着显著影响。山区地形的抬升作用使得暖湿气流在上升过程中冷却凝结，形成降水，因此山区降水相对较多。祁连山的高海拔地区，年降水量可达300-400毫米，而在地势较低的盆地和平原地区，年降水量仅为100-200毫米。降水的空间差异直接导致了不同区域径流补给来源的差异，山区降水成为河流的重要补给源，而盆地和平原地区由于降水少，径流补给更多依赖于山区的来水和地下水。地形的坡度和坡向也对径流产生重要影响。坡度影响地表径流的流速和汇流时间。在坡度较大的山区，地表径流流速快，汇流时间短，降水迅速转化为地表径流，容易形成洪水过程。在一些陡峭的山谷中，降雨后短时间内就会形成湍急的洪流，快速汇入河流。而在坡度较缓的地区，地表径流流速较慢，汇流时间长，降水有更多时间入渗到土壤中，形成地下径流，或者被植被截留，从而减少了地表径流的产生。坡向对太阳辐射和气温有影响，进而影响积雪和冰川的融化过程。阳坡接受的太阳辐射多，气温相对较高，积雪和冰川融化速度快，融水径流产生早且量大；阴坡则相反，积雪和冰川融化速度慢，融水径流产生晚且量小。疏勒河上游的一些阳坡，春季积雪融化时间比阴坡提前1-2周，融水径流量也相对较大。地形还影响着冰川和积雪的分布，从而间接影响径流组成。高海拔地区的低温环境有利于冰川和积雪的形成与保存，疏勒河上游的高山地区分布着大量的冰川和积雪，这些冰川和积雪是河流重要的水源储备。冰川的存在对径流具有调节作用，在气温较低的冬季，冰川积累降雪，储存水资源；而在夏季气温升高时，冰川融化，为河流提供丰富的融水补给。如七一冰川，其面积较大，对疏勒河上游径流的调节作用显著。积雪在冬季积累，春季融化，形成春汛，对春季径流起到重要的补给作用。地形的变化还会导致冰川和积雪的消融区域发生改变，进而影响融水径流的产生和分布。随着全球气候变暖，冰川退缩，冰川的消融区域向高海拔地区转移，这将改变融水径流的产生位置和数量，对下游径流组成产生影响。5.2.2土壤因素土壤作为下垫面的重要组成部分，其特性对疏勒河上游径流组成有着关键影响。土壤质地、孔隙度和透水性等因素决定了土壤对降水的截留、入渗和储存能力，进而影响地表径流和地下径流的形成与分配。疏勒河上游土壤质地类型多样，包括砂土、壤土和黏土等。不同质地的土壤对水分的保持和传输能力差异显著。砂土颗粒较大，孔隙度大，透水性强，降水容易快速下渗，地表径流产生较少，大部分降水转化为地下径流。在疏勒河上游的一些砂质土壤区域，降水后短时间内土壤水分就迅速下渗到深层，地表径流难以形成。而黏土颗粒细小，孔隙度小，透水性差，降水不易下渗，容易在地表形成积水，产生大量地表径流。在黏土含量较高的区域，降雨后地表容易形成径流，且流速较快，容易引发洪水。壤土的性质介于砂土和黏土之间，具有较好的保水和透水性能，能够在一定程度上调节地表径流和地下径流的比例。土壤孔隙度是影响水分入渗和储存的重要因素。孔隙度大的土壤，水分入渗快，能够储存较多的水分，减少地表径流的产生。疏勒河上游山区的一些土壤，由于长期的风化和侵蚀作用，土壤孔隙度较大，降水能够迅速入渗到土壤中，补充地下水，使得地下径流增加。而在一些人类活动频繁或受到侵蚀严重的区域，土壤孔隙度可能会减小，导致水分入渗困难，地表径流增加。过度放牧导致土壤板结，孔隙度减小，降水入渗量减少，地表径流增多。土壤的透水性直接影响降水转化为地表径流和地下径流的比例。透水性好的土壤，降水能够快速渗透到地下，形成地下径流；透水性差的土壤则容易产生地表径流。在疏勒河上游，土壤透水性受到土壤质地、结构和植被覆盖等多种因素的综合影响。植被覆盖良好的区域，土壤结构较为疏松，透水性增强，有利于降水入渗和地下径流的形成。而在植被破坏严重的区域，土壤结构遭到破坏，透水性下降，地表径流增加。土壤水分含量也对径流组成产生影响。当土壤水分含量较低时，降水首先被土壤吸收，补充土壤水分，只有当土壤达到饱和后，多余的降水才会形成地表径流。在干旱季节，疏勒河上游土壤水分含量较低，降水大部分被土壤吸收，地表径流较少。而在湿润季节，土壤水分含量较高，降水容易形成地表径流。土壤水分还会影响地下水的补给，当土壤水分含量高时，有利于地下水的补给，从而增加地下径流。5.2.3植被因素植被在疏勒河上游径流组成中发挥着重要的调节作用，其通过截留降水、增加入渗、调节蒸散发和改变土壤性质等多种方式影响径流过程。植被对降水具有截留作用，能够减少直接到达地面的降水量，从而影响地表径流的产生。疏勒河上游的植被类型主要包括高山草甸、灌丛和少量的森林。不同植被类型的截留能力存在差异，一般来说，森林的截留能力最强，灌丛次之，高山草甸较弱。森林的枝叶茂密，能够拦截大量的降水，使其在枝叶表面蒸发，减少了到达地面的降水量。研究表明，森林植被的截留率可达15%-30%，即有15%-30%的降水被森林截留而未到达地面。灌丛的截留率一般在5%-15%之间，高山草甸的截留率相对较低，约为3%-8%。在降水过程中，植被截留的水量会随着降水强度和持续时间的增加而逐渐达到饱和，当植被截留达到饱和后，多余的降水才会继续下渗或形成地表径流。植被能够增加土壤的入渗能力，促进降水向地下径流的转化。植被的根系能够改善土壤结构，增加土壤孔隙度，使土壤更加疏松，有利于水分的入渗。疏勒河上游高山草甸和灌丛的根系能够深入土壤，形成大量的孔隙和通道，降水能够迅速通过这些孔隙和通道下渗到土壤中，增加地下径流。植被还能减缓地表径流的流速，延长降水在地表的停留时间，为水分入渗提供更多的时间。在植被覆盖良好的区域，地表径流流速较慢，水流分散，能够充分渗透到土壤中，减少了地表径流的流失。植被通过蒸腾作用调节蒸散发过程，影响流域内的水分平衡和径