大兴安岭多年冻土区森林流域河川基流特征及其影响因素研究

Baseflow is a stable component in the makeup of the total streamflow. Importantly, it sustains stream river flow during low-flow time-periods and plays a vital role in maintaining river ecological flow and aquatic ecosystems. Studies on baseflow and baseflow separation can improve the understanding of catchment hydrological processes and water balance, designing flood events, calibration of hydrological models, and water resources management. Thus, the research on baseflow characteristics and baseflow separation has been a hot topic in the field of hydrology. Da Hinggan Mountains is the only high latitude permafrost distribution area in China, which extends from the Arctic region of Eurasia. It is also the only region spanning cold temperate coniferous forest in China. The dramatic changes in forest and the degradation of permafrost associated with human disturbance and climate warming inevitably lead to changes in regional baseflow characteristics. In this project, the methods of conductivity mass balance (CMB) associated with CMB calibrated recursive digital filter method will be used to separate the baseflow from total streamflow. The parried catchment method will be used to reveal the mechanism how forest vegetation difference influence baseflow in small forested watersheds. The time series statistical analysis models will be used to quantify the relative contributions of forest change and permafrost degradation to baseflow changes in the big forested watershed. This research helps improve the understanding of the baseflow characteristics of the permafrost region in the Da Hinggan Mountains. It can also help understand and predict the hydrological response to the changes of boreal forest and permafrost degradation in the context of future climate change, which has important theoretical and practical value for regional forest and water resources management.

基流是河川径流中稳定的径流组成，它对维持河流生态流量和水生生态环境起着至关重要的作用。基流研究不仅有利于深入理解流域水文过程和水量平衡，并且对设计洪水研究、水文模型率定和水资源评价有重要价值。因此，基流研究一直是水文学领域的研究热点。大兴安岭是我国境内唯一的高纬度多年冻土分布区，并且具有我国唯一性的寒温带针叶林森林生态系统，在人为干扰和气候变暖背景下，森林变化和多年冻土退化导致的水文地质改变势必引起基流特征变化。本项目通过电导率质量平衡法及其率定的数字滤波法获得大兴安岭森林流域的基流特征，利用配对流域法揭示森林植被差异对森林小流域基流的影响机制，利用时间序列统计分析模型量化评价森林植被变化和多年冻土退化对大流域基流的相对贡献。项目的开展可以准确地掌握大兴安岭多年冻土区河川基流特征，并且对理解和预测气候变化背景下北方森林和冻土变化的水文响应有重要意义，对区域森林和水资源管理具有重要理论价值。

基流是河川径流中稳定的径流组成，是枯水季节河川径流的主要来源，它对维持河流生态流量和水生生态环境起着至关重要的作用。然而，大兴安岭多年冻土区森林流域河川基流特征如何，基流对森林植被变化和冻土退化如何响应仍然是该地区亟待解决的科学问题。本项目选取大兴安岭多年冻土区典型森林流域为研究对象，在2019年至2022年期间对森林流域基流特征、森林植被差异对小流域基流影响机制、森林覆盖率变化及全球气候变暖导致的多年冻土退化对森林大流域基流的贡献等方面进行研究。. 利用电导率质量平衡法（CMB）进行基流分割发现，基流是大兴安岭森林小流域河川径流的主要补给来源，对年径流量的贡献高达65%，然而，在大兴安岭森林大流域中，塔河和呼玛河上游基流流量分别为5925.4和6087.8m3/s，总径流量分别为15023.4和22580.1m3/s，基流指数（BFI）分别为39.44%和26.96%。CMB法在大兴安岭地区应用在大流域河小流域中计算获得的基流差异较大，根据当地的水文地质情况，认为在大流域中CMB法更为准确。同时发现大 流域中非连续多年冻土分布比例更大的呼玛河流域的基流指数显著小于零星和岛状冻土更多的塔河流域基流指数。通过对塔河流域1964-2016年径流退水过程的研究，发现塔河流域在过去的50年里经历了快速的冻土融化。 自 1988 年以来，平均融化开始时间提前了约10天，活动层厚度平均增加了约19厘米。使用流量分析研究了流量衰退常数的演变，呈现出显着的正趋势（0.0005/年). 此外，从变暖期（1972-1988）到解冻期（1989-2016），年平均衰退天数增加了11.5天（53%）。塔河流域和呼玛河上游流域全年和融化季BFI呈下降趋势，冻结季BFI呈上升趋势，并且塔河流域基流和BFI变化速率均大于呼玛河上游流域。这些基流变化特征均与多年冻土退化和分布差异紧密相关。利用Budyko模型的流域特征参数量化研究发现，年冻土退化在塔河和呼玛河上游流域对径流变化的贡献率分别为22.43%和17.18%，多年冻土退化对基流变化的贡献率分别为20.67%和15.26%。. 本项目的研究结果为我国东北高寒多年冻土区水资源管理提供了可靠的基流基础数据，为中国东北多年冻土区乃至全球多年冻土区的水资源管理和利用提供了重要的启示。