量化中国青藏高原黄河源地区地下水中超永冻层水分的时空变异性

《Groundwater for Sustainable Development》：Quantifying spatiotemporal variability of water sources to supra-permafrost water in the source region of the Yellow River, Qinghai–Tibet plateau, China

青藏高原超永久冻土水补给机制研究利用δ1?O和d-excess同位素及EMMA模型分析2019-2021年降水、雪融、冰融对SPW的贡献动态，揭示夏季补给主导规律及海拔梯度效应，为冻土退化区水文管理提供依据。

　　

李宗杰|李浩|刘芳|李宗星|冯琦|刘梦清|徐斌

兰州理工大学土木与水利工程学院，中国兰州，730050

摘要

青藏高原的加速变暖正在破坏永久冻土，并可能改变上层永久冻土水（SPW）的补给情况，而SPW是黄河源头地区重要的近地表地下水储存库。本研究探讨了降水、地下冰融水和融雪对SPW补给的相对贡献在整个融化季节以及沿海拔梯度的变化情况。我们采用基于示踪剂的端元混合模型（EMMA），将SPW的同位素组成解释为补给、蒸发和冻融过程的综合信号，并结合了双稳定同位素（δ¹⁸O和d-excess）分析方法及当地蒸发数据。2019年至2021年期间，我们在海拔2900至4700米的范围内收集了383个降水、SPW、融雪和地下冰融水样本进行分析。SPW的同位素组成具有明显的季节性特征：δ¹⁸O值在消融期（7月至8月）最低，d-excess值介于11.6‰至15.7‰之间。EMMA结果显示，降水始终是SPW补给的主要来源；而地下冰融水的相对贡献从夏季早期逐渐增加。融雪的贡献主要发生在季节转换期，即6月和9月，在7月至8月期间几乎可以忽略不计。随着海拔的升高，降水的相对贡献总体下降，而地下冰融水的影响则增强。这些结果表明存在一种“融化驱动的浅层快速补给”机制，该机制对气候变暖非常敏感，并为保护夏季渗透窗口、草地结构以及支持下游水资源安全的浅层地下水连通性提供了定量依据。

引言

全球变暖是毋庸置疑的。根据IPCC第六次评估报告（AR6），2011–2020年的全球平均陆地表面温度比工业化前基准高出1.09°C（Arias P等人，2021年）。在青藏高原（TP，即“世界屋脊”），变暖现象更为显著，过去四十年的变暖速率大约是全球平均水平的两倍（Cheng等人，2013年；You等人，2019年）。在黄河源头地区，这一变暖速率是TP平均水平的1.2倍（Meng等人，2020年；Zhang等人，2024年；Yang等人，2022年）。因此，冰冻圈正在迅速萎缩（Wang等人，2019年）。青藏高原拥有广阔的永久冻土区域及其上方的上层永久冻土带；高原永久冻土面积约为126万平方公里（占中国总面积的13%）（Cheng等人，2013年；Jin等人，2022年）。冻融过程将上层永久冻土水（SPW）释放到寒冷地区的水循环中，这使得其补给机制和季节动态成为研究重点。

历史上，上层永久冻土起到了储存和屏障的作用；最近的研究表明，在源头地区（例如长江源头），SPW可以通过混合和延迟释放主导径流形成（Li等人，2020a）。该地区的水文地质条件独特：季节性的冻融作用、永久冻土层位置以及山坡的差异控制着水分储存和连通性，从而影响土壤湿度、SPW水平及其与地表水的耦合（Chang等人，2015年；Ma等人，2017a；Gao等人，2021年；Guo等人，2022年；Wei等人，2021年）。SPW对温度非常敏感，在永久冻土区域已经观察到其对生态和水文的影响（Bibi等人，2018年；Zhang等人，2015年；Frampton等人，2013年）。气候变暖和人类活动共同加速了永久冻土的退化，使活动层加深并改变了近地表的水文连通性（Frampton等人，2013年；Sheng等人，2020年；Gui等人，2024年）。SPW指的是永久冻土上方活动层中的浅层地下水。由于永久冻土的限制，降雨渗透、活动层融化以及来自地下冰和雪的融水沿着永久冻土边界横向积累和流动。这一过程形成了一个关键的近地表水源，为河流、湖泊和湿地提供补给（Gao等人，2021年）。在洪水季节，SPW的补给强度受永久冻土厚度的影响，并直接影响河流水位（Pan等人，2017年；Mukherjee等人，2024年）。在更大范围内，气候变暖导致的活动层加深增加了SPW在径流中的占比；融雪初期至高峰期的“新水”部分与降水、温度和霜冻天数呈非线性耦合，而热水文过程则影响SPW的停留时间和河道交换（Wang等人，2024年；Qin等人，2024年；Du等人，2024年）。

量化水源贡献的常用方法是使用示踪剂进行径流分段分析。端元混合分析（EMMA）结合了水化学和同位素方法来划分水源（Hooper等人，1990年；Hooper，2003年），并已应用于以上层永久冻土为主的流域（Li等人，2020a）；其他研究则比较了传统的同位素模型（IHS）与贝叶斯三元混合模型（BMC）在代表性时间段内的表现（Chang等人，2019年）。然而，现有研究往往受地域或时间框架的限制，未能充分综合不同季节和地形条件下各种因素的贡献变化，以及地形、植被等因素的综合作用。

本研究聚焦于黄河源头地区，探讨了青藏高原持续变暖背景下永久冻土退化对源区水循环的影响。通过使用稳定同位素追踪和端元混合分析（EMMA），我们量化了三个补给SPW的水源——降水、地下冰融水和融雪，并研究了其随海拔和时空的变化情况（Cheng等人，2013年；Wang等人，2019年；Yang等人，2022年）。在2019–2021年的生长季节（6月至9月），我们在海拔2900–4700米的范围内系统地收集了383个水样，应用了双稳定同位素（δ¹⁸O和d-excess）分析方法，并通过三端元和两端元EMMA框架，根据消融阶段划分SPW来源，并分析海拔带和季节内不同时间段如何调节水源结构和当地蒸发线（LEL）。我们的目标是：（i）描绘6月至9月期间SPW来源比例的变化；（ii）解析海拔和相关关键带特征对水源贡献的系统性影响；（iii）评估蒸发分馏对基于同位素的追踪和归因方法的影响。从学术角度来看，我们在单一流域内提供了统一的归因证据，同时涵盖了季节分段和海拔梯度，解决了时空一致性和不确定性表征方面的问题，并加深了对“活动层–SPW–径流”耦合过程的理解。从实际应用角度来看，这种“同位素+EMMA+梯度”快速诊断方法有助于评估源头地区的水源组成和年度内的补给窗口，为极端年份的水资源分配、草地保护和下游环境流量提供了定量依据，具有可转移的管理价值（Sheng等人，2020年；Gui等人，2024年）。

研究区域

黄河源头地区位于中国青藏高原的东北部，属于高原大陆性气候（图1）。该区域跨越青海、四川和甘肃三个省级行政区，流域面积为122,000平方公里（Li等人，2012年）。该地区位于玉树藏族自治州（青海省境内），是黄河的主要水源之一。地形复杂且多山，平均海拔超过3000米，气候恶劣。

时间特征

在研究过程中，δ¹⁸O值在不同消融阶段存在显著差异。在初始消融阶段，δ¹⁸O值介于?20.41‰至?3.23‰之间，平均值为?10.50‰；在消融期（7月和8月），δ¹⁸O值介于?20.80‰至?6.07‰之间，平均值为?13.78‰；在消融期末阶段，δ¹⁸O值介于?21.83‰至?3.56‰之间，平均值为?12.46‰（图2a）。消融期间δ¹⁸O值的负值越大，表明季风输入和早期融雪/地下冰融水的贡献越强。

动态时空特征

为了专注于主要过程，我们首先筛选了其他潜在的水源，发现研究期间这些潜在水源的同位素证据有限或不一致。这符合我们旨在分离这一高海拔环境下水文动态关键驱动因素的目标。因此，我们重点关注三个主要来源——降水、融雪和地下冰融水，并将EMMA分析得出的比例视为第一级模式。

结论

本研究对当前变暖条件下黄河源头地区上层永久冻土水的补给情况进行了流域尺度上的评估。通过使用双稳定同位素（δ¹⁸O和d-excess）和EMMA方法，我们确定了三个主要的水源——降水、地下冰融水和融雪，并量化了它们的季节性贡献。

在整个消融季节中，降水始终是SPW补给的主要来源，而地下冰融水和融雪的贡献主要发生在季节的初期和后期。

作者贡献声明

李宗杰：撰写初稿、方法论制定、数据分析。李浩：软件开发、数据分析。刘芳：数据分析。李宗星：撰写、审稿与编辑、资金申请。冯琦：撰写、审稿与编辑。刘梦清：方法论研究。徐斌：软件开发。

伦理声明

不适用。

资助

本研究得到了甘肃省科技项目（26ZDFA006）、甘肃省重点人才项目（编号2025RCXM057）、国家杰出青年科学基金（编号42425107）、甘肃省科技项目（编号24JRRA168、23ZDKA017）以及甘肃省自然资源部门的项目（批准号CNPC-B-FS2025070）的支持。我们非常感谢匿名审稿人的宝贵建议，这些建议有助于提升研究质量。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。