王宁练团队：七一冰川融水径流中悬移质与推移质动态输沙特征

由图1可知，“七一冰川”（冰川目录编号：5Y437C18）地处甘肃省张掖市肃南裕固族自治县祁丰藏族乡的祁连山腹地，距离嘉峪关市区116 km，冰川融水注入北大河支流柳沟泉河。根据第二次冰川编目，七一冰川面积为2.53 km²，末端海拔4 223.7 m，冰川最高峰海拔5 114.7 m。七一冰川末端逐年退缩，物质亏损严重，冰川零平衡线持续上升，冰川的强烈消融同时也造成融水径流的普遍增加，但冰川融水径流输沙变化目前尚无系统观测。七一冰川规模较小，其按形态属冰斗—山谷型冰川，按冰川的物理特性分类，属于亚大陆型冰川。相对于海洋型冰川而言，亚大陆型冰川对气候变化响应偏慢，研究其融水径流中的悬移质和推移质输沙特征，对未来气候变化情景下青藏高原大陆型冰川融水径流输沙预测具有重要启示意义。

由图2可知，七一冰川下游河道地形复杂且坡陡流急，为获取冰川融水径流和输沙过程，在七一冰川下游河道选择合适的位置设置水文监测断面，水文监测断面控制流域面积约为12.45 km²，监测断面地形通过水尺获取，且于8月11—15日和8月20—21日，每日的09：00，11：00，13：00，15：00和17：00在水文监测断面进行融水径流和输沙过程监测。首先，在水文监测断面上布设7条垂直测线，采用水尺和螺旋桨流速仪监测各条测线处水深和纵向流速分布。同时，采用1 000 mL的塑料瓶对七一冰川融水径流中悬移质进行取样并保存，在陕西省地表系统与环境承载力重点实验室中烘干并称重，计算得到悬移质含沙量。最后，采用Bunte便携式推移质取样器对七一冰川融水径流输送推移质泥沙进行采样。Bunte便携式推移质取样器框架长0.3 m，宽0.2 m，深0.1 m，由6.4 mm厚的铸铁制成。取样器框架后挂有拖网，拖网由细尼龙纱钩织，网孔开度为3.5 mm，这种开度既能有效减小水流对取样器的冲击力，又能保证细颗粒悬移质泥沙能够随水流通过拖网。采样时先将推移质捕集器平置在河床上，开始计时采样，进入取样器的推移质泥沙被拖网捕获。对捕获的推移质泥沙样品在实验室烘箱中烘干，而后进行称量，计算得到单宽推移质输沙率。为通过水位—流量关系曲线获取研究时段内详细径流过程，在2023年8月11—24日期间，采用HOBO水位计对水文监测断面处的水位进行实时监测。

同时，为了探究冰面气温变化对七一冰川融水径流和输沙的影响，在七一冰川表面海拔4 499.5 m处安装ClimaVue^TM50自动气象传感器，每10 min采样1次，该传感器使用SDI-12获取冰面气温数据，SDI-12测量温度范围在-50~60 ℃，误差为±0.6 ℃。

由图3可知，为了获取整个观测时段内冰川融水径流的时间变化序列，根据水尺实测数据，建立监测断面水位流量关系曲线，结合HOBO水位计实时水位数据获取详细径流过程。其中，特定时间点实测水位与流量呈幂函数关系（r²=0.96）。具体关系式为：

为了获取冰川融水径流中悬移质含沙量的变化 过程，在前人研究的基础上，构建悬移质含沙量与流量之间的相关关系（r²=0.72）。具体表达式为：

为了获取冰川融水径流中推移质输沙率的变化过程，前人研究表明，单宽推移质输沙率与床面水流剪切应力呈多项式关系，根据实测数据拟合得到的关系式为：

由图4可知，结合HOBO实测水位变化过程，图3得到的水位—流量关系曲线、悬移质含沙量—流量关系曲线和推移质—水流剪切应力关系曲线，依次计算获取监测时段内水文监测断面处的融水径流量、悬移质含沙量和推移质输沙率随时间的详细变化过程，进而计算得到悬移质和推移质日输沙量。

为冰面气温的时间变化序列，冰面气温的观测时间段为8月12—23日。观测时段内，冰面气温最大值为8.66℃，出现的时间点为8月12日15：50；最小值为-5.91℃，出现的时间点为8月23日的06：10，整个观测时段内的冰面气温平均值为2.36℃。

在无降雨影响情况下，融水径流量日变化情况为以夜晚00：00为界，径流量首先逐渐降低，再快速升高，到达峰值后，又呈现快速降低的趋势。研究时段内，最大流量出现在8月11日18：20，为3.00 m³/s，最小流量出现在8月19日08：40，为0.16 m³/s，平均流量为0.66 m³/s。统计研究时段内每日最大和最小径流量出现的时间可知，最小值一般出现在08：30—11：40，大多数集中在10：00左右；而最大值一般出现在14：20—19：00，大多数集中在16：00左右。值得注意的是，不同日期的径流量日变化过程差异较大，本研究通过计算日径流量过程的标准差来表征其日内离散程度，如8月11日，12日，17 日和20日融水径流过程的标准差相对较大，分别达到0.49，0.60，1.16，0.46 m³/s，而8月16日、22日、23日和24日融水径流过程的标准差相对较小，分别为0.003，0.01，0.08，0.02 m³/s。日径流过程的标准差出现较大差异的原因可能是因为冰川融水径流受到冰面气温、降水和太阳辐射双重因素共同影响下所造成。

8月11—24日的悬移质含沙量在0.15~0.49 g/L变化，含沙量平均值约为0.26 g/L。研究时段内，悬移质含沙量日内变化过程同样比较剧烈，8月11日、12日、17日和20日每日最大含沙量与最小含沙量比值分别为2.19，2.22，2.01和2.50。8月11日和12日融水径流中悬移质含沙量较高，并且在8月11日18：20出现最大值，为0.49 g/L，与出现融水径流量最大值的时间基本一致。

由图5可知，整体而言，推移质日内输沙过程与径流量和悬移质含沙量的变化趋势基本相同，8月11—24日的推移质输沙率在0~37.57 g/s变化，输沙率平均值为4.33 g/s，但在某些时间段没有推移质输沙，一般集中在早晨05：00—09：00，这是因为融水径流的剪切应力较小，没有超过推移质泥沙起动的临界剪切应力，导致推移质泥沙无法起动。在本次的研究时段内，发生推移质输沙的临界剪切应力为278.65 N/m²。推移质输沙率随时间呈现单峰型趋势，即随时间首先快速升高达到峰值后又快速下降的趋势。在整个观测时间段内，推移质输沙率在8月11日18：20左右达到最大值，为37.57 g/s，与融水径流量和悬移质含沙量达到最大值的时间基本一致。研究时段内悬移0.90 mm，中值粒径约为0.3 mm。而推移质粒径大小集中在2.36~63.00 mm，中值粒径约为12 mm，中值粒径约为悬移质泥沙的40倍。将推移质分为11：00—14：00，14：00—16：00， 16：00—18：00 3个时间段进行统计发现，11：00—14：00时间段的推移质中值粒径为5.25 mm，14：00—16：00时间段的推移质中值粒径为4.82 mm，16：00—18：00时间段的推移质中值粒径为4.65 mm，均为悬移质泥沙中值粒径的16倍。而且11：00—14：00和14：00—16：00的2个时段内推移质中粗颗粒泥沙（16~37.50 mm）占比为13%，明显多于16：00—18：00时段的4%。这可能是因为每日流量陡升过程中，流速较大，导致水流推动粗颗粒泥沙的能力亦较大。质含沙量的日平均值在0.28~0.31 g/L，标准差约为0.28~0.31 g/L。推移质输沙率日平均值约为1.59~9.88 g/s，标准差约为0.63~9.85 g/s。可见，悬移质日变化幅度较推移质小，这主要是因为推移质输沙需要满足一定的条件，导致其日变辐较大。研究时段内悬移质和推移质日输沙量存在明显差异，冰川融水径流中悬移质输沙量远高于推移质输沙量，推移质输沙量约占总输沙量的1.70%~2.74%，推移质日输沙量与悬移质日输沙量的比值约为1.73%~2.81%，平均值为2.39%，而且两者之间的比值随着融水径流量的增加而增加，8月11日和12日推移质日输沙量与悬移质日输沙量比值分别为2.55%和2.60%。

悬移质和推移质泥沙级配对河流输沙和维持河 流生态健康非常重要。对监测时段内的悬移质和推 移质泥沙样品进行收集和筛分，确定悬移质和推移质 输沙级配见图5。其中，悬移质粒径大小集中在0.08~0.90 mm，中值粒径约为0.3 mm。而推移质粒径大小集中在2.36~63.00 mm，中值粒径约为12 mm，中值粒径约为悬移质泥沙的40倍。将推移质分为11：00—14：00，14：00—16：00，16：00—18：00 3个时间段进行统计，11：00—14：00时间段的推移质中值粒径为5.25 mm，14：00—16：00时间段的推移质中值粒径为4.82 mm，16：00—18：00时间段的推移质中值粒径为4.65 mm，均为悬移质泥沙中值粒径的16倍。而且11：00—14：00和14：00—16：00的2个时段内推移质中粗颗粒泥沙（16~37.50 mm）占比为13%，明显多于16：00—18：00时段的4%。这可能是因为每日流量陡升过程中，流速较大，导致水流推动粗颗粒泥沙的能力亦较大。

由图6可知，推移质输沙受径流剪切应力控制，由于径流剪切应力在断面上差异较大，故推移质输沙率在断面上分布并不均匀。准确描述推移质输运的空间变化特征， 是确定断面推移质输沙率的重要因素。以8月11日为例，推移质输沙主要集中在水文监测断面中间水深较深的位置，而在两边河岸附近几乎没有推移质输沙。这主要是因为断面中间处，径流剪切应力最大，水流输沙能力强，而在靠近两岸处，水流输沙能力较弱，不足以让粗颗粒推移质泥沙起动。

由于太阳辐射和冰面气温变化，冰川融水径流过程日变化剧烈，进而影响下游输沙过程。为了探讨冰面气温变化对径流输沙的影响，拟选取不受降雨影响的8月12—19日及22日9天的日平均径流量和输沙量与冰面气温建立相关关系。

由图7可知，日平均冰川融水径流量与冰面气温呈线性正相关关系，相关系数较高，达到0.79。影响其相关性的主要原因是监测断面距冰川末端有一定距离，监测断面融水径流量变化相对冰面气温变化有一定的滞后性。例如，8月12日、13日和14日 日平均冰面气温呈下降趋势，最低冰面气温出现在凌晨05：30，04：50和03：58，最高冰面气温出现在下午 15：48，14：31和14：04；而监测断面最小流量出现在上午10：32，09：57和08：46，最大流量出现在下午 16：10，14：50和14：30。可见，监测断面最小径流量相较于最低冰面气温滞后约5 h，而最大径流量相较于最高冰面气温滞后约20 min。随着日平均冰面气温的下降，每日最低和最高气温出现的时间点有前移的现象，对应的最小和最大流量出现的时间点同样前移。

冰面气温同样可以通过影响径流量改变融水径流中泥沙输运过程。对于悬移质含沙量而言，其与冰面温度呈线性正相关关系，相关系数达到0.88。推移质输沙率在温度较高时受冰面气温的影响更为显著，两者呈指数正相关关系，相关系数为0.66。这说明在未来气温增加导致冰川融水径流增加的情景下，悬移质和推移质输沙均将显著增加，七一冰川融水径流输沙将更加值得关注。