黑河上游多年冻土区地表水、地下水过程及其效应研究

Soil seasonal freeze/thaw cycle and permafrost have great impacts on heat and mass exchange between the atmosphere and the land surface, ecohydrological processes, and water resources. Permafrost regions over the upper reaches of Heihe river basin is the major runoff production areas for the entire basin and thus critical for the basin hydrological synthesis studies. This project intends to conduct comprehensive investigation on interactions and feedbacks among soil seasonal freezing and thawing processes, permafrost distribution, surface hydrological processes, and hydrogeological conditions in the upper reaches of Heihe river basin. We will accomplish the proposed research by conducting comprehensive field survey, including drilling, geophysical logging, in-situ measurements using automatic weather stations, remote sensing, and numerical modeling. More specifically, we will compile a high resolution (1:100,000) map of the active layer and permafrost conditions as basic information for inputs of permafrost hydrological models and basinwide synthesis studies. We investigate the impacts of the active layer and permafrost conditions on hydrological processes, especially their impacts on exchange between surface runoff and groundwater flow. We will also study the response of changes in the active layer and permafrost conditions to hydrological processes under different CIMP-5 climatic warming scenarios. The ultimate goal of the proposed study is to improve the our understanding of hydrological processes in cold regions and provide data and information for better estimating river runoff and for basin wide synthesis studies.

多年冻土及土壤季节冻融循环对地～气间热量交换、生态～水文过程、水资源都起着至关重要的作用。黑河流域上游位于祁连山高寒带山地多年冻土区，是黑河流域的主要产流区。针对黑河流域“冻土变化过程及其流域水文效应的辨识”的科学问题，本课题将应用野外钻孔勘探，定期、定点观测，遥感及数值模拟方法，对黑河上游土壤季节冻融过程、多年冻土分布及其流域水文效应进行全面系统研究；揭示黑河上游多年冻土空间分布特征、土壤季节冻融过程及其影响因素；编制大比例尺（1:100000）黑河上游活动层及多年冻土图，为冻土水文模型及流域水文集成研究提供基础资料；综合研究黑河上游活动层、多年冻土及其变化对水文过程的影响，特别是其与地表径流和地下水的相互作用。系统分析在气候变化条件下土壤冻融过程、多年冻土演化过程及其对流域水文过程，水资源形成过程及生态环境的效应；明晰冻土的水资源效益，最终为提高流域出口河流径流预报提供可靠的科学依据。

在“黑河流域生态-水文过程集成研究”重大研究计划支持下，针对黑河流域“冻土变化过程及其流域水文效应的辨识”的科学问题，项目开展了冻土野外调查、定点观测及室内试验等，系统研究了冻土分布、活动层水热过程、多年冻土区水文过程产流机制、多年冻土层下水、冻土未冻水、地表水与地下水相互作用，以及冻土变化对生态-碳循环的影响。主要取得以下成果：黑河流域多年冻土下界处海拔~3650m，多年冻土厚度10-137m，年平均地温>-2°C，大部分属于不稳定型和过渡型多年冻土。多年冻土区约占黑河流域10.3%。活动层厚度介于0.8m-4.8m。活动层厚度空间变化主要受海拔高度、坡向、泥炭含量及泥炭层厚度、岩性、土壤水分含量等因素影响。活动层发育过程对径流产流有显著影响。径流系数在消融初期较高，消融中期最低；降水量、融化深度、土壤湿度和地表蒸发是决定多年冻土区径流产流机制的重要影响因素。冻土中未冻水含量主要受温度控制，以指数曲线随温度降低而减少。多年冻土底板下可能存在地下水层，深度在80-120m之间。多年冻土区地表水略微补给地下水； 季节冻土区地下水补给地表水。初步探测表明，在热融滑塌区，地表沉降速率最大，沉降速率可达4 cm/yr。热融滑塌的发育导致草地群落在结构和类型都发生着强烈的变化，植被类型由高寒沼泽草甸向高寒草原的方向发展。黑河上游温度升高可能会增强山地多年冻土区沼泽草甸生态系统的碳汇作用，而高寒草甸可能起到碳源作用。多年冻土区“生锈的碳库”占总有机碳库约20%；热融滑塌导致碳氮量减少30%；多年冻土退化加速了碳的流失，且微生物可利用性降低。这些研究结果明晰了冻土的水资源效益，可以为提高流域出口河流径流预报提供可靠的科学依据。