全球气候变化背景下,冻土将会发生显著变化,进而影响寒区生态和水文系统的物理、化学和生物过程,并诱发区域水资源恶化与生态功能退化,其中坡面冻土水文过程是物质和能量在寒区地表各圈层迁移转化的重要载体与基本单元。为此,基于"驱动-过程-机制"这一研究视角,从冻土退化及其水文过程响应、冻土水文过程及其局地因素影响、冻土水文过程机制及其影响模拟等三个方面,综述了国内外有关冻土退化影响下坡面水文过程研究方面的最新进展;同时,在总结了当前冻土水文过程研究不足的基础上,提出了如下建议:(1)更加注重坡面冻土水文过程要素观测与方法集成研究;(2)更加注重坡面冻土水文过程变化机理与耦合机制研究;(3)更加注重坡面冻土水文过程时空演化与效应评估研究。以期提升寒区流域径流形成演化的认知能力与径流变化的预测能力,并为寒区流域水资源稳定和适应性利用提供理论基础与科学对策。
选择天山北坡呼图壁县内军塘湖流域为试验场,利用相关分析和回归分析对季节性冻土冻融特征及其对融雪洪水的影响进行研究。结果表明:(1)在军塘湖流域内气温对冻土厚度有正反馈影响作用;(2)冻土消融时,消融速率远大于其冻结速率,而低海拔季节性冻土的消融时间比高海拔短;(3)随着融雪加剧,土壤表层和下层土壤湿度呈增加趋势,随着冻土不断融化,其土壤下渗强度增强;(4)冻土厚度与流域径流量成反比关系,降水与对融雪洪水则成正比的关系。本文通过分析季节性冻土冻融及其对融雪洪水的影响,以期为农业生产和洪水预警等提供参考依据。
多年冻土区河流中溶解性有机碳(DOC)的输出对全球碳循环有着重要贡献,是全球气候变化研究的热点。当前研究主要集中在2个方面:多年冻土区河流DOC输出的时空特征及其影响因素;多年冻土区河流DOC输出对气候变暖和冻土退化的响应。研究表明,河流中DOC的浓度、通量、化学组分等主要受流域内水的流动路径、滞留时间及路径上潜在DOC源的特征控制,而多年冻土的分布及其季节性融冻循环对上述因素有显著影响,进而控制多年冻土区河流DOC的输出规律。气候变暖可从3个方面对多年冻土区河流DOC输出产生影响:(1)造成多年冻土退化,使地下水的流动路径变深和滞留时间增长,导致河流的DOC输出量降低;(2)使多年冻土中储存的老有机碳释放,导致河流的DOC输出量增高;(3)改善深部土壤的通气和温度条件,促进土壤微生物活性,进而影响河流DOC的输出量和化学特征。今后,有3个方面的研究需要加强:(1)中、低纬度高海拔冻土区河流DOC的输出规律及其与流域水文过程的关系;(2)小型源头河流DOC输出的对比与控制性试验;(3)冻土区地下水流过程的精细刻画和潜在有机碳源的直接探测。
为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:(1)冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。(2)降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。(3)受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。
冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为:1)考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2)在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.
如何考虑流域内部基本单元径流过程的空间变异性是分布式水文模拟待解决的问题，迄今鲜见相邻小流域径流过程空间变异性的观测及综合定量研究。通过野外试验、比较水文学和地统计学方法，依托地表过程与资源生态国家重点实验室黑龙江鹤山九三水土保持试验站建立水文过程综合观测系统，同时观测5~8个相邻小流域的降水、土壤湿度和径流等变量；引入有时滞的时间序列回归数据分析方法，量化各次自然降雨条件下其它流域和参考流域径流过程的差异性与相似性（比例系数k和拟合程度R2），也将该方法应用于土壤湿度和降水变量，分析此3水文过程的空间变异性特征；探讨这些空间特征随时间变化特性，对比降水、土壤湿度、地形等单因子空间变异性特征与径流过程空间变异性特征，建立k和降水、土壤前期含水量等的函数关系，揭示小尺度径流过程空间变异性的影响机制。研究成果有利于增加对水文响应空间过程的新理解，用于支撑分布式水文模型的开发、测试和能力提升。
2016-01变化环境下的区域蒸散发估算及其变化归因研究是当今水文科学领域的国际前沿。在气候变化和人类活动双重影响下，中国大部分流域的农田种植结构和用水方式发生了较大变化，农田蒸散发耗水时空演变也呈现新的规律，目前还缺乏成熟的区域蒸散发耗水变化归因分析理论和方法体系。基于此，本项目拟选择渭河流域关中农业耕作区，构建适合该区域的二层遥感蒸散发模型和考虑自然-人文复合过程的分布式水文模型；并以遥感蒸散发模型为观测算子、以水文模型为模型算子构建蒸散发数据同化系统，结合地面实测数据对同化系统验证、优化，获得较高精度的区域农田蒸散发耗水过程；同时，考虑人类活动因子改进经典的气候弹性系数法，定量归因分析气候变化和人类活动对农田蒸散发耗水的影响；通过探讨上述区域农田蒸散发耗水模拟及其变化归因方法的不确定性，实现揭示农田耗水时空演变规律以及受气候变化影响的机制，为农业水资源高效利用和区域水资源可持续管理提供科学支撑。
2014-01太原市是严重缺水的城市之一。为了恢复被长期过量开采而破坏的地下水资源，兴建了引黄入晋工程通过汾河天然河道每年向太原市输送黄河水3.2亿m3以满足用水需求。近年来黄河出现污染，查明调入的黄河水对受水区水环境的影响十分迫切。本研究以汾河引黄河段为典型区域，综合水文观测、同位素水文学，水文地球化学、统计分析以及数值模型模拟等多种研究方法，分析河水和地下水中离子含量、2H和18O组成、有机物（TOC、DOC、UV254和环境激素DBP）分布，研究河水与地下水水量交换模式，探讨不同自然地理环境下饱和/非饱和渗水、河岸入渗调蓄等情形地下水水化学变化和污染物运移问题，并讨论引水活动的影响。本研究将揭示引黄入晋工程调水对汾河受水区水环境的影响，对太原地区水资源保护有重要意义，有助于加深对人类活动影响下流域水循环和水环境问题的理解。
2014-01在气候变化的背景下，我国水资源时空分布发生了变化，国家近期对水资源变化及其适应问题研究需求十分迫切。水循环是水资源问题的理论基础，湿润-干旱过渡带水循环的时空变化对气候变化非常敏感，本项目拟开展湿润-干旱过渡带水循环过程对气候变化的响应研究，为区域水资源管理对气候变化的适应提供科学依据。主要内容：1）识别我国湿润-干旱过渡带及其摆动范围，分析过渡带水循环的时空变化特征、水热平衡的格局及变化规律；2） 从水圈和气圈相互作用出发，研发耦合水热平衡变化的分布式水文模型，模拟中国湿润-干旱过渡带主要水循环过程；3）在过渡带选取代表不同气候特征的典型流域（西辽河、黄河中游、拉萨河），结合水文模型和室内外试验，揭示主要水循环要素对气候变化的响应机理；4）在气候变化对过渡带水循环影响分析的基础上，综合人类活动对水循环过程的影响，预估过渡带未来“蓝水”与“绿水”的转化趋势。
2014-01