青藏高原多年冻土区冻结层上地下水动态过程与变化机制研究

The suprapermafrost groundwater in permafrost region is a key but very unclear part of the hydrological cycle processes in Qinghai-Tibet Plateau. The suprapermafrost groundwater, located in the active soil layers that controlled by seasonal freezing and thawing, is seriously affected by climate change. How to understand the impacts of permafrost and alpine ecosystem changes on dynamic processes of the suprapermafrost groundwater under climate change are meeting the urgent needs of river water resources management in cold regions including Qinghai-Tibet plateau and pan-arctic region. To understand the groundwater runoff generation and mechanisms controlling by freeze-thawing cycle of the active soil layers, and to develop the numerical methods for describing the dynamical processes of the suprapermafrost groundwater are the great challenging frontier issues in modern hydrology. By using the multi-scales nested observation systems constructed in the source regions of Yangtze and multi-factor experiments for groundwater dynamics and water cycle, the spatiotemporal dynamic process and variation mechanism of the suprapermafrost groundwater will be researched, and the groundwater runoff processes, physical mechanism and numerical methods for the suprapermafrost groundwater dynamic process in different period of freezing and thawing will be explored to reveal the temporal and spatial variation of water balance of the suprapermafrost groundwater. This study will be contributed to expound the dynamic trends of the suprapermafrost groundwater system and its effects on watershed hydrology under the influence of global climate change. The research results will also be helpful to understand the special hydrology in permafrost region and to provide the crucial scientific basis for enriching and developing the land surface processes theory and models of cold regions.

多年冻土区地下水系统是青藏高原水循环过程中十分关键且研究严重不足的部分，其中冻结层上水广泛分布在受季节冻融影响的活动层中，受全球气候变化的影响十分显著。然而在全球气候变化下冻土和高寒生态环境变化如何影响寒区冻结层上水动态过程，对区域水资源有何反馈作用，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问题。活动层冻融循环控制下的寒区地下径流形成过程与机制的认知、地下水动态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。本项目通过坡面和集水流域尺度的多要素系统观测和试验，研究冻结层上水的时空动态过程与变化机制，发展不同冻融阶段地下水动态过程的量化分析模式，系统揭示冻结层上水的径流过程、水均衡时空变化及其形成机理，阐明全球气候变化下冻结层上地下水系统动态变化趋势及其流域水文效应。研究结果对于深入理解特殊的冻土水文学规律，丰富和发展寒区陆面过程理论与模式提供关键科学依据。

在青藏高原多年冻土区，冻结层上水广泛分布在受季节冻融影响的活动层中，与寒区生态环境变化关系密切，受全球气候变化的影响十分显著。本项目以青藏高原腹地风火山多年冻土区为典型研究区，选择多年冻土区广泛分布的冻结层上水为研究对象，通过野外系统观测不同海拔、不同地形条件下的冻结层上水水位的季节变化情况以及野外抽水试验等，开展了在活动层冻融循环作用下冻结层上水动态变化过程及规律的研究。研究结果显示，青藏高原多年冻土区冻结层上水水位动态变化具有显著的季节性，在相应的春夏秋冬季节分为水位迅速上升期、水位波动变化期、水位迅速下降期和低水位或无地下水期。同时，由于海拔、地形地势等环境因素的影响，处于不同坡向、海拔高度的冻结层上水水位的变化特征都有所不同，其水位动态变化表现出显著的空间异质性。活动层不同深度土壤的温湿度对地下水位都有不同程度的影响，地温与地下水位具有显著的Boltzmann S型函数关系，浅层土壤含水量与地下水位的关系较深层土壤更为显著。另外，降水以及溪流对地下水的补给也是影响其水位变化不可忽视的因素。在活动层冻融循环作用下，土壤渗透性的变化与地温表现出明显的正相关关系，在一定的温度变化范围内（土壤深度不同其温度变化范围也不同），土壤的渗透性随着温度的降低而减小。与地下水位的动态变化类似，土壤渗透性的变化也具有明显的季节特征和显著的空间异质性。通过模型模拟不仅验证了由于渗透性的时空差异所导致的不同地点地下水流量的时空变化过程，还发现由于气候变暖地下水流加剧对活动层温度的影响也是加速多年冻土退化的不可忽略的影响因素。.本项目对认知高寒区冻土水文过程及发展基于水循环机理的寒区水文模型及陆面过程模型具有重要意义，为全球气候变化下青藏高原脆弱的生态系统未来的变化趋势和驱动因素提供科学依据和理论支持，为丰富冻土水文学科的基础理论体系和完善高寒草地生态系统演变理论提供参考。