干旱区内陆河流域径流组分构成及水循环机理

The composition of runoff component, water transformation and mechanism of water cycle are the most important key issues in hydrology research. This project takes the China's largest inland river-Tarim River Basin as the study area. Based on the combination of isotope hydrology and geography, as well as experiment and model, we focus on the relationships between the snow melt water in mountains, precipitation in forest belt, water utilization in oasis, and water consumption in desert, also on the process and mechanism of water cycle. This study takes the meticulous depiction and uniform expression of the basin water cycle as the main line, carries out the separation of runoff components emphatically, interprets the water composition and the runoff yield and concentration, and explores the special water mechanism for such unique mountain-basin topography. In addition, this study quantitatively analyzes the contribution of the snow melt water, precipitation and bedrock fissure water to runoff, and predicts the trend of water resources change under the content of global climate change. Also, this study will prove water cycle mechanism of the complex mountain - oasis - desert ecosystem in the inland river basin, and reveal the transformation of the surface water, soil water and groundwater, as well as the eco-hydrological processes between desert groundwater and natural vegetation system, in order to provide scientific basis and technological support for the reasonable allocation of water resources.

径流组分构成、水源补给转化以及水循环机理等是当今水文学研究的热点。本项目以我国最大内陆河-塔里木河流域为研究靶区，采用同位素水文学与地理学相结合、试验研究与模型分析相结合的方法，以山区冰雪融水、森林带降水和平原区绿洲用水、荒漠区耗水关系 及水循环过程与机理等水问题研究为核心，以流域尺度水循环的精细刻画和统一表达为主线，重点开展干旱区内陆河流域径流组分分割及变化规律研究，解读干旱区内陆河流域水资源构成及产汇流过程，解析干旱区山、盆地貌结构条件下的特殊水源机制及对气候变化的响应机理，定量辨析山区冰雪融水、降水和出山口基岩裂隙水等各不同水源的贡献量，预估全球气候变化背景下流域水文水资源的变化趋势；探明干旱区内陆河流域山区－绿洲－荒漠复合生态系统的水循环机理，揭示绿洲区地表水、土壤水、地下水的转化过程以及荒漠区地下水与天然植被系统的生态水文过程，为流域水资源合理配置和科学管理提供决策参考。

干旱区水资源多元构成，组分复杂，预估变化环境下的水资源未来趋势需要精细刻画水资源组分，然而，干旱区水循环过程与转化机理研究尚不足，难以准确对其量化，并科学制定生产、生态用水模式。本项目采用同位素水文学与地理学相结合方法，解析了干旱区内陆河流域径流分割与水源机制，探讨了干旱区内陆河流域不同径流组分对气候变化的响应，揭示了干旱区内陆河流域水循环过程与转化机理。2014-2018年共获得1407组水体氢氧稳定同位素数据，其中河水631组，降水323组，地下水300组，冰川融水70组，和积雪融水83组。分析得出以下主要结论：（1）西风带是新疆主要的水汽来源。塔里木河流域北坡的降水δ18O小于南坡，塔里木河流域与乌鲁木齐河流域的河水δ18O和δD值夏季高、冬季低。（2）地下水、冰雪融水和降水是新疆内陆河流域主要的径流补给来源，但存在显著的时空差异性。降水对提孜那甫河、黄水沟和库玛力克河的平均贡献率分别为10.3% (±1.1%)，8.7% (±2.4%)，9.7% (±2.9%)。在乌鲁木齐河流域，降水、冰川融水和积雪融水的贡献率分别为17.6%、14.7%和5%。对于开都河流域，春季，山区土壤水和平原区地下水对径流的贡献分别为53%和66%，冰雪融水的贡献分别为47%和34%。夏季，冰雪融水对径流的贡献增大（山区约为52%，平原区为41%），土壤水/地下水的贡献减小（山区土壤水为34%，平原区地下水为50%）。秋季，冰雪融水对径流的贡献再次降低，土壤水/地下水再次成为最主要的径流组分（山区土壤水为51%，平原区地下水为64%）。（3）在开都河流域，山区冰川融水氧同位素受蒸发分馏的影响最大（44%），其次是平原区地下水（37%）和地表水（36%），山区土壤水氧同位素受蒸发损失影响最小（26%）。（4）冰川面积较小的区域对气候的变化响应更为敏感。温度是造成中亚天山冰川退化的主要原因，一些冰川已经出现了消融拐点。山区气温和降水直减率是影响流域径流变化的主要因子。这些成果对深入理解干旱区水文过程及水循环具有重要意义。