耦合多元示踪和水文模型的高寒流域径流水源解析研究

In headwaters of high mountainous regions, streamflow originates from multi-sources, i.e. ice melting, snow melting, and rainfall. The runoff response to climate changes is considerably complicate. In order to manage the changing runoff in a sustainable and adaptive manner, deep understandings of water source apportionment in these cold-region basins are of great importance. The Yarlungzangbo-Brahmaputra river basin is taken as a case basin in this project, and comprehensive observations on hydrological and isotopic geochemical processes will be conducted in typical sub-catchments. Specifically, this study is obligated to reveal mechanisms of ice/snow melting, and to develop physically robust mathematic models on melting processes. Meanwhile, fractionations of stable isotopes such as hydrogen and oxygen during hydrological processes will also be studied, and the fractionation models will be developed. A distributed hydrological model coupling isotope transport and water transport will be developed, by integrating the above mentioned models on ice/snow melting and isotope fractionation. Consequently, based on the trace elements and the non-traditional isotopes, novel tracers and models will be explored for water source apportioning in cold-regions. This project is an advancement on the frontier of hydrological studies, and is an interdisciplinary research on hydrology and geochemistry. It is promising to develop novel theories and methods on hydrological modeling and water source apportioning.

西南河流源区为高寒流域，其径流由融冰、融雪和降雨等多种水源组成，对气候变化的响应规律复杂。为科学开展变化条件下径流的适应性利用，需要准确解析高寒流域的径流水源。本申请以雅鲁藏布江流域为对象，在典型流域开展寒区水文和同位素地球化学综合观测实验；揭示不同条件下冰雪消融过程机理，发展具有较强物理机制的冰雪消融模型；揭示高寒流域主要水文过程中氢氧稳定同位素的分馏过程，建立相应的分馏模型；综合消融模型和分馏模型，耦合同位素迁移转化过程和水分运动过程，构建高寒流域分布式同位素水文模型及参数诊断方法；基于微量元素和非传统同位素探索适用于高寒流域径流水源解析的新示踪物质和新模型方法。本申请在水文学前沿问题上进行探讨，属于水文学和地球化学的交叉研究，有望创新水文模拟理论和水源解析方法，为重大研究计划的“径流演变规律及预测：高原寒区径流不同成分的解析理论和方法”研究目标提供支撑，具有重要的理论意义和实践价值。

高原寒区流域气候寒冷，河道径流由融冰、融雪和降雨等多种水源组成，对气候变化的响应十分敏感且规律复杂。为科学开展变化条件下径流的适应性利用，需要准确解析高寒流域的径流水源。本项目以雅鲁藏布江流域为研究对象，开展了系统的观测实验研究，揭示了冰雪消融过程机理，构建了耦合水文过程、冰雪消融过程和同位素迁移转化过程的寒区分布式同位素水文模型，解析了雅鲁藏布江的径流水源组成和未来趋势。取得的具体研究成果包括：.（1）取得了大量第一手观测数据：建立了雅鲁藏布江水源解析嵌套型实验观测体系，包括雅鲁藏布江同位素化学取样检测和然乌湖流域冰川水文气象观测，为冰雪消融模型、同位素水文模型的构建和验证提供了重要数据支撑。.（2）建立了高寒区降水数据集：针对降水这一影响径流水源组成的关键气象要素，评估了主流降水产品在青藏高原区的性能，构建了高精度融合降水数据产品，构建了冰川区（极高海拔区）气象要素数据集，为水文模型提供了可靠的输入驱动数据。.（3）构建了寒区分布式水文模型：揭示了冰雪消融机理，评估了冰川区不同气温估算方法的效果，构建了冰雪消融模型及其参数化方案；耦合冰雪消融与分布式水文模型，构建了考虑冰雪过程的寒区分布式水文模型；基于不同水体的同位素数据，建立了同位素分馏与混合过程的模拟方法，构建了耦合示踪过程与水文过程的分布式同位素水文模型，模型在卡鲁雄曲和雅鲁藏布江取得了良好的效果。.（4）高寒山区径流水源解析与未来径流预测：建立了基于同位素水文模型的径流水源解析方法，在卡鲁雄曲和雅鲁藏布江解析了降水和冰雪融水对径流的贡献，雅鲁藏布江的径流水源组成为降雨66%，融雪20%，融冰14%；基于区域气候模式数据，利用包含冰雪过程的寒区水文模型，揭示了雅鲁藏布江-布拉马普特拉河的未来径流变化趋势，在当前排放情景下，上游径流增长缓慢，而下游径流显著增加。