降水、土壤水文过程和地下水动态在青藏高原东北部连续永冻土流域中的相互影响对径流的影响

《Global and Planetary Change》：Connecting effects of precipitation, soil hydrological processes, and groundwater dynamics in a continuous permafrost catchment on runoff of northeastern Qinghai-Tibet Plateau

青藏高原永久冻土区水文过程研究显示，多日累计降水、浅层土壤湿度和饱和带厚度显著影响河流径流，并验证了“ spill and fill”机制，整合了冻土径流生成、土壤湿度阈值效应及坡河水力连通性三大核心关系。

　　

谢申奇|谢永德|张阳|李金波|王冠星|曾晨

中国水利部水资源学院水利与土木工程系，河源区水生态管理与保护重点实验室，西宁810008

摘要

作为众多河流的发源地，永久冻土区由于气候变暖导致的永久冻土退化而经历了显著的水文变化。然而，现有研究对永久冻土层以上的地下水关注不足，未能充分整合土壤、坡地和河流的水文机制。本研究以祁连山脉中段的一个典型永久冻土流域为研究对象，监测了多种变量，包括气温、降水量、土壤温度和湿度、活动层融化深度、饱和带厚度以及河流径流过程。结果表明，多日累积降水量、浅层土壤湿度和饱和带厚度是影响河流径流的重要因素，并且这些因素之间存在显著的相互关联作用。融化深度的水文效应主要通过改变永久冻土层以上地下水的分布和流动路径来体现。利用偏最小二乘路径建模方法，本研究进一步证明多日累积降水量主要通过补充永久冻土层以上的地下水来影响河流径流；补充后的地下水又调节浅层土壤，而浅层土壤是径流生成的重要指标。该研究验证了“溢流与填充”机制，并整合了永久冻土流域水文的三个核心关系：储水-流动关系、土壤湿度对河流径流的阈值效应以及坡地与河流之间的水文连通性。本研究初步整合了土壤湿度在径流生成中的作用以及永久冻土层以上地下水对河流的补给效应，为改进永久冻土水文模型提供了参考。

引言

永久冻土覆盖了青藏高原（QTP）的40%，许多河流的径流主要来源于永久冻土区。例如，长江源区的径流主要由永久冻土层以上的地下水驱动（Li等人，2020年）；同时，黑河和石羊河80%的径流来自海拔3600米以上的冰冻圈（Kang等人，2002年；Wang等人，2009年；Qin等人，2013年）。近年来，青藏高原的升温速度显著加快，达到全球平均水平的两倍。这种升温导致冰川显著退缩，同时伴随着永久冻土的严重退化和活动层厚度的增加（Yao等人，2019年；Zhao等人，2024年）。与此同时，降水量模式的时空变化进一步加剧了区域水文循环，引发了河流径流、流域生态系统状况和下游水资源分配的显著变化（Gao等人，2021年）。在这种背景下，深入研究青藏高原永久冻土区的径流生成过程不仅具有重要的实际意义，也具有深远的战略价值。

非寒冷地区和寒冷地区的水文模型都为理解永久冻土区的水文过程做出了巨大贡献。然而，一个关键挑战在于永久冻土流域的水文过程监测严重不足。高海拔地区的野外监测工作艰巨且耗时，往往导致水文建模研究所需的详细观测和数据不足。目前，分布式水文模型在永久冻土水文研究中较为普遍（Wang等人，2010年；Wang等人，2018年；Gan等人，2024年）。非寒冷地区模型通常将永久冻土层视为不透水介质，通过土壤湿度阈值效应或饱和-过剩条件来模拟径流生成（Kai等人，2014年；Zhao等人，2019年）。对于寒冷地区的水文模型，土壤水分运动的基本方程仍然依赖于达西定律和质量守恒原理——如Richards方程和Green-Ampt模型——并调整水力传导参数以考虑土壤水分冻结对水分运动的影响（Gan等人，2024年；Liu等人，2008年）。分布式水文模型的研究结果表明，活动层或永久冻土的融化增强了地下水对河流的补给（Ahmed等人，2022年），而冻结层对土壤和地下水之间的水力连通性具有调节作用（Gao等人，2022年）。长时间的融化期会导致春季径流系数增加，而延迟的冻结事件会减缓地下水消退过程（Jiang等人，2024年）。永久冻土层以上的地下水位对河流径流生成具有很强的解释力（Qin等人，2024年）。然而，这些发现并未完全解释冻融过程如何影响水文过程的潜在机制。在关键领域仍存在研究空白：永久冻土的冻融机制、相关的水分运动规律以及冻融循环下土壤水力性质的变化。这些空白阻碍了寒冷地区水文模型的发展和完善。因此，迫切需要深入研究永久冻土的水文机制。

现有研究对径流生成过程进行了广泛探索，包括非永久冻土坡地的入渗-过剩和饱和-过剩机制（Horton，1933年），以及永久冻土坡地的各种径流生成机制。这些机制包括“活动层融化”（Woo和Steer，1983年）、“管流”（Carey和Woo，2000年）、“双层流”（Carey和Woo，2001年）、“填充-溢流”（Spence和Woo，2003年）、“由冻结表面微地形定义的地下域和由表面地形定义的地表域”（Chiasson-Poirier等人，2020年）以及“阈值效应”（Xiao等人，2020年）。然而，这些研究主要集中在识别这些流动机制的关键条件或模式上，而对坡地供应河流径流的能力的研究相对有限。当前的研究主要强调降水量、气温和土壤温度/湿度对径流生成过程的影响。例如，研究已经发现了流域降水量、土壤湿度和径流生成之间的非线性关系（Tromp-van Meerveld和McDonnell，2006年；Mugabe等人，2007年；Mcguire和McDonnell，2010年）。然而，关于永久冻土区永久冻土层以上地下水的研究仍然不足。因此，需要更全面地理解活动层融化的水文效应，以填补当前研究中的空白。

永久冻土层以上的地下水虽然被归类为地下水，但它位于地表附近，通常被视为浅层地下水。然而，它与非永久冻土地区的地下水有所不同，因为它是活动层融化的直接产物。饱和带——对应于永久冻土层以上的地下水——通过降水和地面冰融化得到补给（Xie等人，2024a）。重要的是，随着融化的进行，这个饱和带逐渐向下迁移，使其成为永久冻土地区独特且关键的水文组成部分（Woo和Marsh，1990年）。因此，它与其他地区的地下水系统不同，在其他地区，地下水位主要反映浅层地下水的补给能力。大量研究证实，永久冻土层以上的地下水在坡地和流域尺度的水文过程中起着主导作用。这一观点得到了祁连山脉和长江源区典型永久冻土流域的研究支持（Xie等人，2024b；Li等人，2020年）。因此，永久冻土层以上的地下水不仅执行关键的水文功能，还表现出由其形成和在永久冻土环境中的动态所塑造的独特特性（Qin等人，2024年）。因此，更深入地理解其水文效应具有重要意义。

许多研究从土壤湿度、地下水和降水量等角度探讨了这一主题，这不可避免地增加了模型的复杂性。在连续的永久冻土流域中，饱和带是主要的径流来源层，并与河流径流表现出强相关性。直接研究永久冻土层以上地下水的水文效应，分析径流生成的储水机制，并探索其与传统因素（如降水量和土壤湿度）的紧密联系，对于理解高海拔永久冻土地区的水文过程的局部特征及其内在规律至关重要。在这项研究中，我们试图初步整合降水量、土壤水分、永久冻土层以上地下水与径流之间的相互作用。为了进一步阐明径流生成过程中不同主导因素的相互影响，我们重点关注土壤水文过程和坡地水文连通性。这项工作旨在提供一个具体的案例研究，以阐明永久冻土流域的水文过程机制，并支持水文模型的完善。

站点描述

研究地点

雅口流域（东经100°14′-100°16′，北纬38°00′-38°01′）位于中国青海省祁连县。具体来说，它位于祁连山脉中部，靠近大东树山口，是大同河流域内的一个典型研究区域。大同河流域本身是黄河上游流域黄水河流域的支流。该流域总面积为1.39平方公里，海拔范围在3900至4300米之间。

材料与方法

本研究选择了一个代表该流域典型水文特征的坡地（图S2）。2022年和2023年6月至8月期间，在这个典型坡地上进行了测量：监测了上部、中部和下部的永久冻土层以上地下水位以及活动层融化深度。在流域出口处，通过安装的水坝测量了河流水位。为了支持坡地和河流水文过程的分析，还收集了降水量和气温数据。

径流及其影响因素的时间序列

在典型坡地的背景下，上部的草地被称为干旱草地，而下部的草地被称为湿润草地。图2展示了每日降水量、气温、浅层土壤湿度、活动层融化深度（TD）、饱和带（TSZ）和河流径流的时间动态。2022年6月至8月的总降水量为447毫米，其中6月为122.4毫米，7月为162.0毫米，8月为162.6毫米。

气象要素的水文效应

数据分析表明，每日气温对河流径流有显著的负面影响（图S4），这可能是因为监测期主要集中在7月和8月。在这两个月内，气温呈明显下降趋势，而降水量呈上升趋势。此外，考虑到径流对降水的滞后响应，这种时间重叠可能导致统计分析错误地表明每日气温对径流有显著负面影响。

结论

本研究聚焦于青藏高原一个典型永久冻土流域的野外监测，观察了该流域的气象和水文参数。研究主要探讨了传统水文因素与永久冻土特定水文要素的结合如何影响流域河流径流，为高海拔流域水文模型的开发和应用提供了支持。多日累积降水量、浅层土壤湿度等因素对径流生成具有重要影响。

作者贡献声明

谢申奇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查。谢永德：撰写 – 审稿与编辑。张阳：调查。李金波：撰写 – 审稿与编辑。王冠星：调查。曾晨：撰写 – 审稿与编辑，调查。

未引用参考文献

Saghafian和Ogdenf，1997

Tong等人，2014

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3206303）的财政支持。