东北地区寒区水循环模拟及其对气候变化的响应机制研究

在全球气候变化的大背景下，我国寒区冻土分布带已表现出最大冻土深度减小、冻结日期推迟、融化日期提前、冻结持续期缩短以及冻土下界上升的总体退化趋势，对寒区水循环过程和水资源演变产生深刻影响。为了探索东北地区冻土水文演变机制及对气候变化的响应，推动寒区水文学的发展，本课题拟以该区域为背景，通过系统的冻土水分迁移特性及能量与水分耦合作用机理试验，揭示冻土层土壤水分和能量变化对于土壤水均衡过程以及水循环系统的影响机制；进而以大量实验分析成果为支撑，构建耦合能量传递、冻土发展及水循环过程的寒区分布式水文模型，并在研究区加以率定和验证；基于所构建的模型，定量研究气候变化对寒区冻土分布及冻融规律的影响机制，进而研究对寒区水循环的影响机制；根据典型气候模式对未来的预估情景，提出气候变化条件下研究区的水资源演变趋势研究成果，为流域水资源合理配置和用水安全保障提供参考。

本项目以东北松花江流域为研究区，按照“实验开展-模型构建-规律分析-模拟预测”的思路开展，试图揭示东北寒区冻土水热耦合机理和水资源演变规律，为寒区水文学的发展和寒区水资源开发利用做出贡献。重要成果和结论简述如下：.1）寒区冻土水文及水循环机理实验。通过实验室实验和现场原位实验，测定了冻融过程中的土壤水、热动力学参数；测定了分层土壤含水量和含冰量的变化过程与上下层之间的通量变化，揭示了冻结过程中土壤水分向上聚集以及融冻过程双向融化规律；建立了冻土条件下土壤水流通量模型；揭示了松花江典型区域（吉林省松原市前郭灌区和长春市黑顶子河小流域）特定年份的土壤水-地表水通量变化及水均衡过程的变化规律。该成果有利于推动寒区水循环机理研究。.2）寒区水循环模拟技术研究成果。以原位实验数据为支撑，分别基于WEP模型和SWAT模型，构建了具有物理机制的冻土水热耦合模型和寒区水文模型。通过前郭灌区2011~2012年冻融期冻土水热监测数据、黑顶子河小流域2009.5~2011.4年水热监测数据、以及松花江流域干支流10个站点1956~2000年逐月天然径流量的验证，证明模型模拟效果良好。该成果有利于推动寒区水文模型的发展。.3）气候变化对寒区水循环影响研究成果。基于松花江流域1956~2010年气象监测和水资源统计资料，分析发现水资源总体呈减少趋势，其主要原因为降水量减少，其次为相对湿度减少和气温升高。基于寒区水文模型（WEPCOR）对松花江全流域的水循环模拟结果，分析发现，松花江流域土壤年最大冻深和年冻融时间均呈减少趋势，最大冻深与冻结时段气温积温相关关系最为密切，冻结时间与年负气温积温相关关系最为密切。55年间土壤最大冻深和冻融时间等值线往西北摆动，摆动规律与气温指标一致。该项成果有利于推动寒区水资源演变的研究。.4）松花江流域水资源演变趋势预测。基于2011~2050年IPCC气候模式预估情景，采用WEPCOR模型对松花江流域未来40年水循环过程进行仿真模拟，发现未来气温还会继续上升，降水还会增加，导致土壤最大冻深和冻融时间等值线继续往西北摆动，天然径流量和水资源总量呈不显著增加趋势。受气温上升影响，融化期（4~5月）松花江流域地表、地下水资源量比重会发生变化，地表水资源量比重呈增加趋势。该成果有利于推动寒区水资源研究，为寒区水资源开发利用提供支撑。