多年冻土退化对冻结层上水变化的影响研究-以黄河源区为例.pdf
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1、DOI:10.16030/ki.issn.1000-3665.202303060朱亮,杨明楠,刘景涛,等.多年冻土退化对冻结层上水变化的影响研究以黄河源区为例 J.水文地质工程地质,2023,50(6):3-13.ZHU Liang,YANG Mingnan,LIU Jingtao,et al.The influence of permafrost degradation on the change of suprapermafrost water:A casestudy in the source areaof the Yellow RiverJ.Hydrogeology&Engineeri
2、ng Geology,2023,50(6):3-13.多年冻土退化对冻结层上水变化的影响研究以黄河源区为例朱亮1,杨明楠1,刘景涛1,2,张玉玺1,2,李备1,周冰1,3,陈玺1(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄050061;2.河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄050061;3.中国地质大学(北京),北京100083)摘要:冻结层上水是支撑寒区生态系统的重要水源和维持寒区水热循环过程的重要纽带,科学认识冻土退化对冻结层上水的影响作用,对气候变化加剧下高寒地区水资源及生态保护具有重要意义。针对黄河源区多年冻土退化的水文效应,基于典型监测点冻
3、土地温、含水率监测数据和黄河沿水文站断面径流变化数据,分析黄河源区多年冻土退化特征,探讨冻结层上水水位埋深和补给过程对多年冻土退化的响应。结果表明:20102020 年监测点 02.4 m 剖面上平均升温 0.42 C,多年冻土上界面埋深由 2.1 m 降至 2.5 m,平均下降速率 4 cm/a;以 2018 年为时间节点,冻结层上水埋深由 0.9 m 以浅降至0.91.8 m 之间;冻土退化引起活动层融化期(510 月)的径流过程提前、径流极值比降低、1 月份径流过程线更加凸出。地温是控制冻结层上水变化的核心要素,在暖湿化的气候变化条件下,多年冻土退化将改变冻结层上水的动态特征及其与地表水
4、之间的水力联系,进一步影响黄河源区的水文生态过程。关键词:冻土退化;冻结层上水;土壤水;地表径流;黄河源区;气候变化中图分类号:P641.139 文献标志码:A 文章编号:1000-3665(2023)06-0003-11The influence of permafrost degradation on the change ofsuprapermafrost water:A case study in the source areaof the Yellow RiverZHU Liang1,YANG Mingnan1,LIU Jingtao1,2,ZHANG Yuxi1,2,LI Bei1
5、,ZHOU Bing1,3,CHEN Xi1(1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China;2.Key Laboratory of Groundwater Pollution Mechanism and Remediation,China Geological Survey/Hebei Province,Shijiazhuang,Hebei050061,China;3.China Univers
6、ity ofGeosciences(Beijing),Beijing,100083,China)Abstract:The supra-permafrost water is a vital water source to support the ecosystem and an important link inmaintaining the hydrothermal cycle in the permafrost area.Under the intensification of climate change,scientificunderstanding of the effect of
7、permafrost degradation on the supra-permafrost water is of great significance to 收稿日期:2023-03-15;修订日期:2023-06-17投稿网址:基金项目:中国地质科学院基本科研业务费项目(YK202312);中国地质调查局地质调查项目(DD20230422)第一作者:朱亮(1984-),男,博士,副研究员,主要从事水资源与地下水环境方面的研究。E-mail:通讯作者:杨明楠(1985-),女,博士,助理研究员,主要从事水循环与水环境演化方面的研究。E-mail: 第 50 卷 第 6 期水文地质工程地质V
8、ol.50 No.62023 年 11 月HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGYNov.,2023water resources and ecological protection.Focusing on the hydrological effects of permafrost degradation in thesource areas of the Yellow River,this study analyzed the degradation characteristics of permafrost,and revealedthe response of
9、the depth of groundwater level and recharge process of the supra-permafrost water to thepermafrost degradation,on the basis of the temperature and moisture content of frozen soil at typical monitoringpoints and the runoff change at the Huangheyan Hydrologic Station.The results show that the average
10、temperatureincreased 0.42 C at the 02.4 m profile of the monitoring point from 2010 to 2020.The depth of the upperinterface of the permafrost reduced from 2.1m to 2.5 m,with an average decrease rate of 4cm/a.After 2018,thedepth of supra-permafrost water level reduced from less than 0.9 m to 0.91.8 m
11、.The permafros degradation led tothe runoff process in the melting period of active layer(MayOctober)being advanced,the ratio of extreme valuebeing reduced,and the runoff hydrograph in January being more prominent.Ground temperature is the dominantfactor in controlling the changes of depth of the su
12、pra-permafrost water.Under the condition of warm and humidclimate change,Permafrost degradation would change the dynamic characteristics of the water above the frozenlayer and its hydraulic relationship with surface water,affecting the hydrological and ecological processes in thesource area of the Y
13、ellow River.Keywords:permafrost degradation;suprapermafrost water;soil water;runoff;source area of the YellowRiver;climate change 多年冻土区地下水系统与非冻土区之间存在显著差别,根据埋藏条件、空间分布和补径排特征,多年冻土区地下水主要分为冻结层上水、冻结层间水、冻结层下水和河湖融区地下水 4 种类型1。其中,冻结层上水赋存于多年冻土上部的季节性融化带中,是多年冻土与地表进行水热交换的重要纽带和支撑高寒植被生态系统的重要水分来源,其空间分布和动态变化是影响寒区水文循环
14、和生态格局演变的关键因素2 3。在全球变暖的气候变化背景下,多年冻土发生广泛退化,尤其是中低纬度地区的高海拔型冻土的退化速度更加显著4 7。作为维持高寒地区水文生态过程的关键地质要素,多年冻土退化一方面使多年冻土中的固态水向液态水转化并对冻结层上水形成有效补给;另一方面多年冻土顶板下降使活动层厚度和冻结层上水埋深增加,引起大气降水、土壤水和冻结层上水“三水”转化关系的变化,直接或间接地影响冻结层上水的水源补给及动态变化过程,并进一步对流域水资源格局及生态功能产生显著影响8 10。近几十年来,在我国以三江源地区为代表的青藏高原多年冻土发育区出现了植被退化、径流衰减等一系列生态环境问题,这些都与多
15、年冻土退化引起的冻结层上水的变化存在密切关系11 12。因此,研究冻结层上水变化对多年冻土退化的响应是揭示气候变化下寒区水循环及生态演变的关键所在。地下水水位是反映非冻土区潜水资源变化的重要信息,但在多年冻土区,由于受活动层冻融过程及多年冻土退化等多种因素的影响,水位变化比较复杂且不能完全反映冻结层上水资源的变化特征,融合地温、土壤体积含水率和水位等的多元监测数据集才是准确研判冻结层上水变化的主要依据13 14。在流域尺度上,当多年冻土的覆盖率超过 60%时,冻融过程将对径流过程产生明显的影响作用6,冻结层上水作为多年冻土区地表径流的一个重要补给源,因此,地表径流的变化也是反映冻结层上水变化的
16、重要信息。北极主要河流水文监测资料表明,大部分多年冻土区河流的入海径流量呈现持续增加趋势,与当地降水变化趋势关系不明显,而与气温变化趋势相关性较强15。在我国天山、祁连山的一些流域及长江源区、雅鲁藏布江源区等多年冻土分布区也都存在气候增温胁迫下的径流增加趋势16 18。遥感数据对比分析发现,近年来随着气候变暖,青藏高原多年冻土区的内陆湖泊大多存在面积扩张、水位上升态势19 20,比较极端的实例是地处高原腹地的卓乃湖水位持续上涨并发生溃决事件21。这些变化与冰冻圈固态水融化形成新的补给水源进而参与流域水循环具有密切关系。除了引起径流的年际变化外,多年冻土退化对于径流的季节性变化也存在一定的影响。
17、由于冻土退化,活动层增厚增加了活动层的储水能力,20 世纪80 年代以来黄河源区的春季直接融雪径流系数随着冻融指数的下降而减小,随着气温的持续变暖春汛在 4 水文地质工程地质第 6 期未来可能会逐渐消失。在暖湿化的气候条件下,青藏高原区域地下水资源量在 20032012 年总体上储存量增加,年增长率为 9.7 mm,地下水的增加引起冬季基流排泄量的增加和地表径流的季节分配趋于平缓22 25。但也有研究表明冻土对径流的季节调节作用主要体现在暖季尤其是 6 月径流的增加,其余月份径流均减小26。由于径流的季节性变化还与气象条件、人类活动、区域水文地质特征等多方面因素有关,而且不同研究区所采用的径流
18、数据系列及分析方法不同,多年冻土退化对季节性径流变化的影响机制及影响程度等仍是一个有争议的问题,而且在活动层冻结状态下,冬季径流的变化更多地受控于冻结层下水、层间水及河湖融区地下水,对冻结层上水变化的指示作用并不明确。为深入揭示多年冻土区冻土退化对冻结层上水变化的影响作用,本文结合黄河源区多年冻土退化区的典型冻土监测数据和黄河沿水文站的径流数据,主要探讨冻结层上水水位埋深和冻结层上水的补给过程和补给源对多年冻土退化的响应变化。研究成果为科学认识气候变化下黄河源区冻土退化的水资源及水循环效应提供科学依据及理论支持。1 研究区概况黄河在玛多黄河沿水文站以上的河段称河源段,河长 285.5 km,流
19、域面积 20 930 km2。黄河源区平均海拔高度在 4 200 m 以上,属高原大陆性半干旱高寒气候,多年平均降水量为 326.4 mm,多年平均蒸发量(E601)为 797.7 mm。流域的中北部为扎陵湖鄂陵湖盆地、黄河冲洪积平原,地势起伏和缓,其内湖泊星罗棋布,河溪较多,南部巴颜喀拉山地势高亢、山体纵横,沼泽湿地片状点缀其中。区内具有一定厚度的多年冻土(岩)形成一个较统一的隔水层,多年冻土厚度随海拔高度的降低而变薄,受其控制而出现了冻结层上水、冻结层下水、融区地下水等几种特殊的地下水类型。其中,分布于南北山区和广大丘陵区的基岩裂隙冻结层上水,以及分布于山间、山前平原的第四系松散岩类冻结层
20、上水,是该区分布最为广泛的地下水类型。在暖季,大气降水多直接入渗补给地下水,寒冷季节,大气降水多以冰雪形式得以保存,翌年随着暖季的到来,冰雪开始融化,以地表径流入渗的形式补给地下水,因而大气降水与地表水是区内地下水的主要补给来源。区域上基岩山区构成了黄河源区地下水的主要补给-涵养区,各类地下水经过山前冲洪积平原的径流转化后,都以黄河河谷为排泄基准面,向其径流排泄。黄河源区位于青藏高原东部多年冻土区向季节性冻土区过渡的边缘地带,多年冻土覆盖面积占全区80%以上(图 1),且多年冻土具有地温高、厚度小的特点,对气候变化十分敏感。从整个区域上来看,20世纪 80 年代以来,多年冻土下界面高程普遍升高
21、了5080 m。多年冻土由大片状逐渐变为岛状、斑状,厚度变薄,部分多年冻土岛完全消失变为季节性冻土27。结合热传导计算模型的模拟结果显示,在不同气候变化情景下,到 2100 年黄河源区冻土退化幅度可达到22%50%6。N数据接收系统草甸土,根系发育0.5 m0.6 m扎陵湖鄂陵湖黄河0.9 m02550 km1.8 m砂质粉土2.2 m2.4 m季节性冻土区冻土监测点地下冰多年冻土区黄河沿水文站图 1 监测点位置及冻土监测剖面示意图Fig.1 The distribution of permafrost and monitoring points in the source area of t
22、he Yellow River2023 年朱亮,等:多年冻土退化对冻结层上水变化的影响研究以黄河源区为例 5 2 数据与方法 2.1 数据本文的研究数据主要包括 19602020 年气象、水文数据、20102020 年冻土监测点的地温、土壤水分(体积含水率)监测数据和 2022 年 9 月2023 年 9 月的地下水水位、土壤体积含水率监测数据。其中,气温、降水数据来源于中国气象数据网(http:/ 年的地温和土壤体积含水率数据为中科院在黄河源区多格茸盆地的冻土监测点的日均监测数据,监测层位深度分别为 0.5,0.9,1.8,2.4 m;监测点位于黄河源区东部边缘多年冻土退化明显的多格茸盆地;
23、监测点所在区的植被类型为高寒草甸,草甸土厚度约 60 cm,下部为砂质粉土。2022 年 9 月2023 年 9 月的地下水水位、土壤体积含水率监测数据来源于课题组于 2022 年 7 月新建的冻土-地下水联合监测站的监测数据,新建监测站与中科院冻土监测点处于同一个水文地质单元内,从 2022 年 9 月底开始,监测数据基本稳定,监测结果开始具有有效性。2.2 方法以黄河源区多格茸盆地多年冻土监测数据为基础,根据地温和土壤体积含水率的长序列监测结果,采用趋势分析和对比分析的方法量化多年冻土上界面的退化幅度和冻结层上水水位埋深的变化;进一步结合区域气温变化趋势划分不同冻土退化,通过比较不同冻土退
24、化阶段活动层融化期内径流过程的变化,揭示多年冻土退化对冻结层上水补给过程的影响机制。3 结果 3.1 地温变化特征受气温升高的影响,黄河源区多年冻土退化加剧。从各监测层位地温变化曲线(图 2)上可以看出,20102020 年间,0.5,0.9,1.8,2.4 m 监测剖面上年均地温均呈波动上升趋势,10 a 间各层的升温幅度分别为 0.71,0.45,0.26,0.26 C,整个监测剖面上平均升温 0.42 C。各层位年际之间的波动变化趋势一致,浅层地温的升温幅度较大且波动性强,而深层地温的升温幅度较小且波动性较弱。15105051010505 15105051010505 日均地温/日均地温
25、/日均地温/日均地温/2010-01-012012-01-012014-01-012016-01-012018-01-012020-01-012022-01-012010-01-012012-01-012014-01-012016-01-012018-01-012020-01-012022-01-01(c)1.8 m(d)2.4 m(a)0.5 m(b)0.9 m 图 2 不同深度监测层位地温变化曲线Fig.2 Ground temperature changes in different monitoring layers 从不同层位地温的年内波动看,随着深度的增加,地温的谷值和峰值出现的时
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