长江源寒区流域径流成分的稳定同位素示踪解析

Under climate warming, the increasing liquid precipitation and the accelerating melting of glaciers, snow and permafrost have been observed in Tibetan plateau. This not only has caused the considerable change of runoff components but also has leaded to the fluctuation of the hydrological effect in cold basins. So selecting Dongkemadi basin at the source region of Yangtze River as the study region, the following work plans to do in this program, based on the methods of isotopic investigation, tracing and modeling: (1) to make the systematic analysis on the temporal and spatial characteristics of stable isotopes and chemical ions in different water bodies (including precipitation, surface water, groundwater, glacier show meltwater, permafrost active layers meltwater, etc.) in order to explore its influencing factors and shifting mechanism; (2) to identify the runoff components and to evaluate its contribution using End-Member Mixing Analysis model with stable isotope tracers; (3) to further investigate the hydrological effect of the changed runoff originations and its influence on streamflow process based on the above works. The results will provide the crucial parameters to the runoff simulation and prediction, and the theoretical basis to the study on hydrological effect caused by underlying surface changes in cold basins, which will also give the decision basis for meeting climate change and efficient use of water resources in the future.

气候变暖引起的高寒区液态降水增加及冰川、积雪和冻土的剧烈消融，不仅改变了径流成分，而且引起了径流水文效应的变化。为此，本项目以长江源高寒小流域为例，主要开展以下3个方面的研究工作：（1）在系统观测基础上，同步采集大气降水、地表水、地下水、冰雪融水、冻土活动层融水等各类水体样品，研究各水体稳定同位素的时空特征及其转换机制；（2）应用稳定同位素示踪技术，构建端元混合径流成分解析模型，深入分析各水体的水力联系、补排关系及其转化路径与过程，确定寒区流域的径流成分，精确定量各径流成分对水量的贡献；（3）在上述工作基础上，剖析各径流成分对流域水文过程的影响机制，探究各径流成分时空过程的水文效应。研究结果将定量刻画寒区流域的径流成分及其对水文过程的影响，为寒区径流模拟与预测研究提供参数支持，为全面认知寒区下垫面变化所引起的水文效应提供科学依据，进而为流域水资源的合理开发利用提供决策参考。

通过系统扎实的野外观测和采样工作，历时3年共采集降水、河水、冻土层上水、冰雪融水、土壤水、植物根系水等各类水体样品1800余组，构建了长江源区较为完整的水体稳定同位素数据库。各水体稳定同位素和化学离子的时空变化反映了多水源首先转化为地下水然后补给地表径流；确定了长江源区的主要径流成分为冻土层上水、大气降水和冰雪融水，冻土层上水主导了流域径流；证实2016-2018年直门达站冻土层上水、降水和冰雪融水分别贡献了49%、34%和17%的河水流量；降水对阳坡和阴坡土壤水的贡献率分别为87%和84%，地下冰融水对阳坡和阴坡土壤水的贡献率分别为13%和16%；量化评估发现气候环境的年内波动和年际变化引起各补给源对径流补给率的时空变化，2016-2017年直门达站冻土层上水、降水和冰雪融水对河流径流的贡献率分别为48%、33%和19%，2017-2018年分别为50%、36%和14%。量化阐释了降水-冻土层上水-径流之间的互馈机制是消融期长江源区产汇流过程的主要影响因素，但其机理尚需进一步探索。综合分析发现冻土活动层冻融过程对长江源区径流起着至关重要的作用，未来的研究应更多关注青藏高原多年冻土退化的水文效应，这将是阐明“亚洲水塔”处于非平衡和非稳定状态的关键。研究成果为寒区径流模拟与预测研究提供参数支持，为全面认知气候变暖背景下寒区下垫面变化所引起的水文效应提供科学依据。先后在《Earth-Science Reviews》等杂志发表SCI论文12篇，培养博士研究生1名，硕士研究生5名，2名研究生获得国家奖学金，项目负责人先后获甘肃省自然科学一等奖（排名第4）和中国科学院青年创新促进会学术交叉创新奖（排名第1），并得到中国科学院青年创新促进会优秀会员人才项目资助。