基于水体稳定同位素和化学离子的祁连山冰川小流域径流分割

The heavy ablation of glaciers and snow have been observed in Qilian Mountains under climate warming. There is considerable uncertainty about how the variation of streamflow sources will respond to climate change, and how the streamflow process will be affected by the cryospheric recession, which is the new issue for glacier hydrology. So hydrograph separation of Hulugou basin at Qilian Mountains into its constituent components, namely (i) glacier-melt water, (ii) precipitation and (iii) groundwater discharge will be done in this project. As a first step towards quantifying the contribution of glacier-melt water, samples will be collected from snow, glaciers, glacier-melt water, precipitation, groundwater and streamflow with the same altitude gradient, and the water stable isotopes and chemical ions will be experimental test. This project will firstly make the systematic analysis on the temporal and spatial characteristics of water stable isotopes and chemical ions, and then identify the contribution of glacier-melt water, precipitation and groundwater to streamflow using End-Member Mixing Analysis, and lastly evaluate the influence from glacier-melt water on seasonal variation of streamflow process, the streamflow characteristics in dry and flood period, and extreme hydrological events. The results will provide the crucial parameters to the construction of distributed glacial-hydrology model, and the theoretical basis to the study of the response of glacier hydrological process to climate change.

气候变暖背景下，无论是冰雪融水、降水等对高寒流域径流的补给比例，还是冰雪融水对山区径流过程的影响，均发生了显著改变，而要深入探究这些变化过程及其影响就需开展径流分割研究。为此，本项目以祁连山区葫芦沟流域为例，主要开展以下3个方面的研究工作：（1）按照一定的海拔梯度，在消融期内连续采集积雪、冰川冰、冰雪融水、地下水及河水样品，同时按降水事件逐次收集大气降水样品，系统分析各水体稳定同位素和化学离子的时空变化；（2）应用水体稳定同位素和化学离子示踪方法，通过端元混合径流分割定量确定冰雪融水、降水和地下水对径流的贡献，并对分割结果进行误差评估和验证；（3）在上述工作基础上，从径流季节变化、日变化及其特征水文时段的角度深入探讨冰雪融水对径流过程的影响。研究结果可为分布式冰雪水文模型构建提供参数支持，为揭示冰雪剧烈消融背景下冰雪水文过程对气候变化的响应机制提供理论依据。

气候变暖背景下，无论是冰雪融水、降水等对高寒流域径流的补给比例，还是冰雪融水对山区径流过程的影响，均发生了显著改变，而要深入探究这些变化过程及其影响就需开展径流分割研究。以葫芦沟流域为研究区，应用稳定同位素示踪技术，以定量确定冰雪融水、降水等对高寒流域径流的补给比例为目标，本项目严格按照任务书，圆满完成了各项研究工作，取得的主要进展如下：（1）在葫芦沟流域系统采集了一个水文年度的各类水体样品，积累了有科学价值的数据；（2）剖析了葫芦沟流域各类水体化学离子的环境意义及其所指示的水文过程，研究发现水汽来源对降水化学离子浓度影响显著，研究确认淋溶过程是冰雪系统化学离子浓度变迁的主要因素之一，研究认为水岩相互作用和水文过程是地表水与地下水化学离子时空变化的主要原因；（3）探究了葫芦沟流域各水体稳定同位素的环境意义及其所指示的水文过程，研究确认季风水汽可以到达祁连山中段并对降水的贡献量极为可观，研究表明雪面蒸发、融水与粒雪的交换以及液态降水的输入等是冰雪融水稳定同位素时空变化的主要因子，研究发现流域径流主要是各水体充分转化混合后以泉水的形式补给河道；（4）定量评估了冰雪融水与冻土活动层融水对径流的贡献率及其时空变化，研究确定了冰冻圈融水对葫芦沟流域径流量的贡献达到了1/3，其中冻土活动层融水补给21%、冰雪融水贡献11%，研究发现不同水文时段冰雪融水对径流的贡献量呈现出明显的海拔变化。研究工作最显著的突破：首次确认季风水汽可以到达祁连山中段；首次评估了冻土活动层融水对寒区径流的影响，极大地拓展了冰冻圈稳定同位素水文研究。研究结果为寒区水文模型研究提供了部分参数，为揭示冰雪剧烈消融背景下冰雪水文过程对气候变化的响应机制提供理论依据。共发表研究论文8篇，其中SCI收录7篇（第1标注5篇）。2015年7月项目负责人得到甘肃省杰出青年基金资助。