黑河上游冻土区地下水流过程及其与地表水转化研究

The occurrence, circulation and nature of the groundwater flow in permafrost regions play an important role in the hydrological cycle and the formation of water resources in the basins with the rivers originated from cryosphere. Water resource of the Heihe River mainly comes from the permafrost region at the upper reaches of Heihe River Basin, where is a main water flow producing region for Heihe River Basin. However, few studies have been conducted to investigate the groundwater flow and its interaction with surface water in permafrost region of the area. This impedes the progress of the ecohydrological integrated research at the upper reaches of Heihe River Basin. To bridge the gap, the Hulugou catchment, located at the upper reaches of Heihe River Basin, is chosen as the study area in this research with the aim to: 1) analyze the groundwater aquifer systems with hydrogeological survey, drilling, groundwater level and temperature monitoring; 2) identify the groundwater recharge, flow path and discharge, and groundwater and surface water exchange by using hydrogeochemical and isotopic method and inverse hydrogeochemical model; 3) illuminate the control of permafrost distribution and its freeze-thaw process on groundwater flow and its discharge to the Heihe River by developing coupled groundwater flow and heat transport numerical model and constrain the model with the baseflow separation results calculated from isotopic end-member mixing model; and finally 4) predict the effect of climate change on the groundwater flow pattern and baseflow of Heihe River in permafrost region. The results from this research will not only provide the modeling parameters and mechanism for integrated research of National Major Research Program at the upper reaches of Heihe River Basin, but also can be referred to for the study of groundwater flow process in other catchments.

对发源于冰冻圈的河流，冻土区地下水流过程研究是认识其流域水资源形成与转化的重要基础。黑河上游冻土区是黑河的主要产流区，但该区水文地质学研究薄弱，对地下水流动过程及其与地表水相互作用的认识基本空白，严重制约了黑河上游的生态水文集成工作。为此，本项目选取黑河上游葫芦沟小流域为研究区，通过勘查、钻探、地温监测等手段，揭示冻土区地下水含水系统的结构；利用同位素与水化学示踪数据，结合水文地球化学反向模型，识别冻土区地下水的流动过程及其与地表水的转换关系。在此基础上，以同位素径流分割结果为约束，构建地下水流和热运移耦合数值模型，揭示冻土分布格局和融冻过程对地下水循环的影响机制，刻画地下水与地表水的相互作用，计算地下水向河道的排泄量，预测气候变化对冻土区地下水过程及河道基流量的影响。研究成果可为重大研究计划中黑河上游的集成研究提供关键的模型参数与机理过程，为其它小流域的地下水过程研究提供理论和方法借鉴。

对发源于冰冻圈的河流，冻土区地下水流过程研究是认识其流域水资源形成与转化的重要基础。黑河上游冻土区是黑河的主要产流区，但该区水文地质学研究薄弱，对地下水流动过程及其与地表水相互作用的认识基本空白，严重制约了黑河上游的生态水文集成工作。为此，本项目选取了黑河上游葫芦沟小流域为研究区，通过勘查、钻探、地温监测等手段，揭示了冻土区地下水含水系统的结构；利用多源数据的综合分析，识别了冻土区地下水的流动过程及其与地表水的转换关系。发现研究区多年冻土分布区冻土层上水、层间水和层下水在高山丘陵区夷平面上的冰水、冰碛物中共存，深入分析了三种水的补给、径流和排泄途径。利用贝叶期模型估算了地下水对黑河的补给量，在冬季地下水对黑河的贡献量为95%，地表水的贡献量仅约5%；而在夏季地表水的贡献量增大到约50%，地下水的贡献量为50%。在此基础上，以同位素径流分割结果为约束，构建了地下水流和热运移耦合数值模型，揭示冻土分布格局和融冻过程对地下水循环的影响机制，刻画地下水与地表水的相互作用，计算地下水向河道的排泄量，预测了气候变化对冻土区地下水过程及河道基流量的影响。研究成果为重大研究计划中黑河上游的集成研究提供了关键的模型参数与机理过程，为其它小流域的地下水过程研究提供理论和方法借鉴。