黑河流域上游山区地下水系统对气候变化的响应研究

Climate change impacts the eco-hydrological processes of the arid headwater regions, which has a subsequent effect on water and food security for their downstream regions. The critical scientific gap exists in quantifying the responses of groundwater system to climate change. This project is proposed to quantify the extent to which the climate change impact mountainous groundwater system and related eco-hydrological processes based on experimental observations and integrated surface-groundwater modeling for the upper Heihe River Basin. Temporal and spatial characteristics of climate factors and eco-hydrological variables will be explored and depicted with quantitative methods firstly. The distribution of permafrost, the seasonal freezing-thawing stages for frozen ground will be identified, and assigned to the integrated model so as to model changes of groundwater flow. Finally, the effects of climate change on headwater mountainous regions will be evaluated based on the sensitivity analysis and flow path tracking analysis. This study can offer new insights on the mechanism of eco-hydrological responses to climate change, and provide important information to scientific planning, management and utilization of future water resources and ecosystem protection.

内陆河流域上游山区的生态水文过程对气候变化最为敏感，成为影响流域中下游粮食生产与水资源安全的重要因素。确定上游山区地下水系统对气候变化的响应行为和响应程度是一个核心问题，但量化研究尚存在严重不足。本项目从回答气候变化如何通过改变冻土层而影响地下水流过程出发，以黑河流域上游山区为研究对象，基于气象、水文等大量数据，通过地表-地下水耦合模拟，探究高寒山区地下水系统和生态水文过程对气候变化的响应机理。项目首先分析黑河流域上游山区气候、水文、植被要素的时空变化特征；然后分析区内冻土空间分布和冻融特征，建立考虑冻土冻融过程的地表-地下水模型；最后通过敏感性分析和水分运移路径解析等方法定量评价地下水系统和生态水文过程对气候变化的响应方式和响应程度。本研究有助于进一步认识气候变化对地下水系统的综合影响机制，更加准确地模拟预测流域水循环过程变化，为内陆河流域水资源可持续利用和生态系统管理提供借鉴。

河流上游山区是流域径流的主要形成区，区内地形复杂，广泛分布着冰川、冻土和积雪，对气候变化较为敏感，是全球关注的热点区域。地下水系统是高寒山区水文循环不可获取的组成部分，对保障全流域生态系统安全具有十分重要的作用。气温变化不仅影响了地下水入渗补给过程，更导致季节冻土和多年冻土的水文地质连通性发生变化，影响了地下水排泄向河道的基流量。本项目选取我国青藏高原北部祁连山为典型研究区，通过结合多源观测数据与水文模型和地表-地下水耦合模型模拟等方法，定量评价研究区多年冻土变化对地下水系统的影响（包括地下水入渗补给，地下水基流的年、季变化规律，空间地下水流路径等）。研究结果表明：在历史阶段（1985-2014），青藏高原多年冻土平均厚度为43m，而祁连山区冻土平均厚度为14m，根据CMIP6的四种情景模式，预测祁连山多年冻土厚度将以1.99cm、5.19cm、7.21cm、8.69cm每年的速度退化；祁连山不同子流域地下水基流量级不同，约占总径流的30%-62%，升温导致地下水基流变大；含水层水力渗透系数随温度变化成分段函数，在-0.5℃以后迅速增大；祁连山平均地下水补给量为116.25mm/年，地下水位自南向北随高程变化逐渐降低，在南部最高处可达5500m，向北至与中游交界处越降低至2000m。上游山区64%的地下水流处于局部水流循环中，流动范围小于10km。随着冻土退化，含水层水利渗透系数增大，地下水系统深部水循环增加，在山区水位降低，而在河谷处水位上升。研究成果对辩证认识气候变化影响机理，准确进行流域水循环模型，科学地规划未来水资源和生态系统的管理模式具有借鉴意义。