青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应

Thermokarst lake is the most visible morphologic landscape developed during the process of permafrost degradation, and it is still an international hot topic in permafrost research. The climate warming, and the consequent degradation of the permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau aggravate thermokarst lake developments. The permafrost is normally considered as an aquiclude, and the permafrost degradation, especially when the permafrost is completely thawed by a thermokarst lake, might influence regional ground water. Therefore, the environmental and hydrological effects of the thermokarst lakes on the ecologically vulnerable plateau are necessary to be studied in engineering plan and environment protection. The works proposed by the application include, analysis of spatial and temporal distribution rule of thermokarst lakes in the Qinghai-Tibet Engineering Corridor (QTEC) under the climate change and engineering activities, and evaluation of the ecological environment effects through remote sensing and field investigation; to reveal the main factors influencing a typical thermokarst lake and its hydrothermal condition, and to elucidate the conversion relationship between the thermokarst lake and the groundwater with hydrological and isotope tracer tests; to analysis the influences of different lake stage and size on regional permafrost, hydrological conditions and ecological environment through numerical simulation and statistical modelling, considering the relationships between the thermokarst lake and the ground water level. The research results will help to accurately assess regional permafrost ecological environment evolution and trend prediction, and to reasonably understand the impact factors of the permafrost hydrological evolution and its response mechanism to the ecological environment in the river source regions of the Qinghai-Tibet Plateau.

本项目拟结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求，针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象，及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响，开展热喀斯特湖环境与水文学效应研究。项目主要通过遥感分析及野外调查，分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律，评价其生态环境效应；选取热喀斯湖广泛发育区域，调查其发育条件、规模和几何分布特点，揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等，通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系；结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析，并通过数值模型及模拟，依热喀斯特湖发育不同阶段、规模，分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于准确评价区域性冻土生态环境演化及趋势预测，深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素，及其相应的生态环境响应机制。

气候变化背景下青藏高原热喀斯特湖加速演化，并对多年冻土及区域水文循环过程产生深刻影响，本研究基于原位动态监测、区域调查、地球物理勘探、同位素示踪及数值模型等方法，聚焦青藏高原热喀斯特湖的环境及水文学效应，取得了以下主要研究成果：（1）厘清了青藏工程走廊热喀斯特湖的时空演化特征，自1969年以来湖泊数量增加了14655个，面积扩张了49.3km2，演化的主要驱动力为降水的增多和气温的升高。易发性区划评估结果显示青藏工程走廊35.1%的区域为热喀斯特湖的极高、高和中等易发区。（2）建立青藏高原热喀斯特湖的定位观测场，确定了数值模型参数，在此基础上阐明了热喀斯特湖的能量收支过程，发现热喀斯特湖对下伏多年冻土的影响程度明显强于对湖塘周围多年冻土的影响。（3）查明了青藏高原热喀斯特湖水化学特征，揭示了多年冻土退化对热喀斯特湖水环境的影响途径及机制，主要包括：（a）多年冻土地下冰中富含大量溶解性离子，快速融化补给热喀斯特湖；（b）多年冻土融化加深活动层厚度，降水的长路径淋溶增加了冻结层上水中的离子含量；（c）地下冰融化改变湖塘形态（深度、面积等），影响湖塘蒸发结晶过程。（4）构建了热喀斯特湖分布区域土壤颗粒的分形模型，并结合核磁共振技术分析了土壤水文过程变化，阐明了高寒土壤水文特性的影响因素，发现气候变化导致更多降水入渗，地表产流能力降低，增加了冻结层上地下水的渗流能力。（5）评估了水文循环过程对热喀斯特湖水量平衡的贡献，研究发现冻结层上水渗流对热喀斯特湖水量的贡献<1.4mm/d，湖面降水占总补给量的14-18%。（6）建立热喀斯特湖塘水－冰－热耦合模型，揭示了热喀斯特湖对多年冻土与水文循环相互作用的影响机制。研究成果将有助于深入理解气候变暖背景下青藏高原的水文循环过程、生物地球化学循环过程等，并可为冻土工程的合理规划及有效维护提供理论参考。发表论文23篇，其中22篇被SCI/EI收录，出版专著1部；毕业博士3名，硕士4名。