三江源区径流形成与变化机制及其冻土生态水文过程模拟

To identify the impacts of permafrost and alpine ecosystem changes on runoff processes and the trends under climate change are meeting the urgent needs of river water resources management in cold regions including Qinghai-Tibet plateau and pan-arctic region. Meanwhile, to understand the runoff generation and mechanisms controlling by freeze-thawing cycle, and to develop the numerical methods for describing the hydrological processes are the grant challenge in modern hydrology. By using the multi-scales nested observation systems constructed in the source regions of Yangtze and Yellow Rivers for water cycle, runoff generation and responses for environment changes, the water-thermal exchange and transferring processes in the air-ecosystem-permafrost and their effects on water balance will be researched to reveal the couple relationships and reaction mechanisms between ecosystem water cycle and permafrost hydrological processes. The runoff generation processes, physical mechanism and numerical methods will be explored to develop the eco-hydrological models for permafrost river basin. The synergy effects of permafrost degradation and alpine ecosystems changes on water cycle and runoff processes under climate changes will be definitely estimated. This study will be contributed to deepen the recognitions in runoff evolution law, driving mechanism and trends in future for the sources regions of three rivers in Qinghai-Tibetan Plateau, and to provide the crucial scientific basis for enriching and developing the hydrological theory and models of cold regions.

如何准确判识气候变化下，冻土和高寒生态系统变化对寒区河流径流过程的影响及其未来趋势，是包括青藏高原和泛北极地区广大寒区流域管理面临的亟待解决的现实需求。冻融循环控制下的寒区径流形成过程与机制的认知、水文过程定量描述方法的发展，是现代水文学前沿发展面临的最大挑战。利用在江河源区建立的水循环过程多尺度嵌套式观测体系和流域径流形成与演化过程观测试验平台，以大气-生态-冻土水热耦合交换过程及其对变化环境的响应规律为基础，系统理解寒区生态系统水循环与冻土水文过程的耦合作用关系及其水均衡效应，探索冻土流域径流形成过程、物理机制与数值解析方法，发展河源区基于大气-生态-冻土水热耦合机理的流域水文模型；明确气候变化下，冻土环境与高寒草地生态系统协同变化对水循环和径流过程的影响程度。为系统阐释三江源区径流演变规律、驱动机制及未来趋势，以及丰富和发展寒区生态水文学理论与模式提供关键科学依据。

如何准确判识气候变化下，冻土和高寒生态系统变化对寒区河流径流过程的影响及其未来趋势，是包括青藏高原和泛北极地区广大寒区流域管理面临的亟待解决的现实需求。寒区径流形成过程与机制的认知、水文过程定量描述方法的发展，是现代水文学前沿发展面临的最大挑战之一。本项目利用在江河源区建立的水循环过程多尺度嵌套式观测体系和流域径流形成与演化过程观测试验平台，开展了大气-生态-冻土水热耦合交换过程及其对变化环境的响应研究，系统分析了生态水循环与冻土水文过程的耦合关系及其对水均衡的影响，探索了冻土流域径流形成过程、物理机制与数值解析方法。取得的主要创新成果分别是：①研发了流域尺度分布式土壤冻融过程模拟模型，实现了对流域任意一点活动层土壤冻结和融化过程的准确模拟；②基于陆面蒸散发互补关系理论与冰水相变能量平衡变化方程，发展了寒区陆面实际蒸散发模拟模型，提高了青藏高原陆面蒸散发模拟精度，明确了多年冻土发育程度对蒸散发的抑制作用；③基于土壤温度容量曲线的坡面变源产流机理，提出并创建了基于温度变源产流机制的冻土流域分布式生态水文模型，实现了多年冻土流域径流过程的准确模拟；④揭示了活动层土壤冻融控制下的冻结层上地下水动态变化的时空分异规律，确定了地下水渗透系数的温度介导函数关系；定量阐明了冻结层上地下水运动对活动层冻融过程的反馈作用途径与程度；⑤明确了长江河源区冻土-生态变化对径流影响的流域碳平衡效应，发现高原河源区河流径流有机碳输移中老碳比例远高于北极地区，对于进一步深化对冻土退化导致区域碳流失的认识、发展更全面的流域碳平衡评估和预测模型具有重要作用。成果发表学术论文33篇，其中SCI收录论文24篇，出版专著2部；并获得授权技术专利5项。部分成果形成的“寒区冻土-生态耦合作用的冷生土壤过程与反馈”，获得四川省自然科学一等奖。提出的寒区重大工程建设的生态保护的对策建议获得省政府采纳和批示。