基于地球物理技术的评估方法，用于研究印度半干旱西喜马拉雅地区人类居住区内的残余岩石冰川的水文维持能力

《Science of The Total Environment》：Geophysical-based assessment of hydrological sustenance in inhabited relict rock glaciers of the semi-arid Western Himalaya, India

　　普拉蒂玛·潘迪（Pratima Pandey）|谢赫·纳瓦兹·阿里（Sheikh Nawaz Ali）|苏雷什·卡纳乌吉亚（Suresh Kannaujiya）|阿普尔瓦·马尔维娅（Apoorva Malviya）|M.A. 拉扎·汗（M.A. Raza Khan）|桑迪普·K. 古普塔（Sandeep K. Gupta）|威尔弗雷德·海伯利（Wilfred Haeberli）|安舒曼·巴尔瓦杰（Anshuman Bhardwaj）|莉迪亚·萨姆（Lydia Sam）|伊拉克利斯·吉安纳基斯（Iraklis Giannakis）
印度遥感研究所（Indian Institute of Remote Sensing, ISRO），德里敦（Dehradun），印度

**摘要**
由于冰川退缩、积雪覆盖减少以及永久冻土融化等重大威胁，高海拔喜马拉雅社区（High Mountain Himalayan Communities, HMHC）的未来日益岌岌可危。历史上，这些因素为当地社区提供了稳定可靠的淡水来源。为应对水资源日益减少的问题，土著社区正在采取创新的农牧策略，包括向高海拔地区迁移。在西部喜马拉雅地区，当地居民越来越多地迁往更高海拔的山谷寻找水源和可耕地，常常选择在岩石冰川上定居。本研究首次系统地对这些位于印度西部喜马拉雅地区的两个有人居住的残余岩石冰川（IRRGs：Komic和Chicham）进行了实地调查，利用地貌分析和电阻率层析成像（ERT）技术对其内部结构进行了研究。同时，还对融水进行了同位素分析以确定其主要来源。实地调查发现，即使在融化季节高峰期，这两种地形上也存在大量的常年性湿地/池塘，成为这些居民赖以生存的水源。由于这两个冰川位于冰川边缘环境，研究人员沿冰川布置了8个电阻率层析成像剖面，以评估冰（永久冻土）的存在与否，并确定水资源的来源。研究结果表明，这些地形的内部结构具有明确的过饱和区域，这可能是由冻土内部冰的融化以及上游渗透的融水所形成的。然而，加速的、随海拔升高的气候变暖以及季节性降雪量的减少，对这些高海拔社区的水资源安全构成了严重威胁，可能对其生计和生存造成灾难性后果。通过首次对这一地区的残余岩石冰川进行全面的实地评估，本研究为喜马拉雅其他研究不足的区域提供了宝贵的参考，为未来关于水资源储备、永久冻土动态以及社区适应策略的研究奠定了重要基础。

**引言**
随着气候变化加剧了冰冻圈的退化，高海拔喜马拉雅社区的生存环境日益脆弱（Mukherji等人，2019；Rasul和Molden，2019）。喜马拉雅地区通过河流和地下水资源支持着下游超过十亿人口的生计，但该地区的积雪覆盖、冰川范围和永久冻土稳定性正在发生快速变化。这些变化极大地改变了该地区的水文状况，对农牧业生计造成压力，并威胁着高海拔地区的长期水资源安全（Molden等人，2015；Jeelani等人，2024）。最新研究表明，喜马拉雅地区的变暖速度快于全球平均水平，显著的海拔依赖性气候变化导致冰川退化和大规模的永久冻土退化（Pepin等人，2015；Pandey等人，2024a）。虽然冰川受到了较多关注，但作为同样重要的、但研究较少的喜马拉雅冰冻圈组成部分的永久冻土，直到最近才受到系统的研究（Gruber，2012；Gruber等人，2017；Khan等人，2021；Pandey等人，2024b）。永久冻土的退化不仅会破坏坡面稳定性和基础设施，还会改变寒冷地区的水文过程，如基流贡献、春季径流时间和地下水资源储存（Krautblatter等人，2013；Gao等人，2016；Jin等人，2022）。特别是在印度西部喜马拉雅地区，这些变化更为明显，表现为积雪覆盖减少、融雪季节提前以及旱季水资源减少（Jeelani等人，2012；Nepal等人，2021）。冰冻圈退化的综合影响已经在内陆村庄引发水资源短缺和季节性水紧张，促使人们采取短期适应措施（如建造储水池），同时也引发了关于长期生存和迁移的担忧（Immerzeel等人，2010；Pandey等人，2022）。

**方法**
为了研究Komic和Chicham村庄的残余岩石冰川，采用了结合遥感、实地地貌测绘和电阻率层析成像（ERT）的综合方法。该方法揭示了这些冰川的地表和地下特征，有助于探究其内部结构和潜在的水资源储存区。

**地貌测绘**
通过全面的实地调查结合遥感数据（LISS IV、Landsat 8、MODIS和ALOS DEM），识别、记录并绘制了两个冰川的地表特征，以了解古代永久冻土和过去的冰川边缘活动情况。研究重点关注了海拔范围、地形崎岖度指数（TRI）、坡度、归一化植被指数（NDVI）、潜在入射太阳辐射（PISR）等关键地貌参数。

**电阻率层析成像（ERT）调查与设计**
为了表征冰川的地下结构和水文地球物理特性，沿冰川主要流动方向垂直和平行方向选定了多个剖面进行二维电阻率层析成像（ERT）测量。测量使用了配备60个电极阵列的Lippmann四点Light 10 W IP电阻率仪（图S2）。电极间距根据地形条件调整为2至5米。

**研究区域的地貌特征**
研究区域内可见典型的冰川边缘地貌，表明存在古代和现代永久冻土。岩石冰川作为永久冻土的地表表现形式，是由过去或当前的冻土蠕动形成的碎屑地貌，其特征包括陡峭的前缘、明显的侧缘以及垄沟状地表（Haeberli等人，2006；RGIK，2023）。

**讨论**
基于实地观察和遥感数据的地貌分析证实，Komic和Chicham地区为退化的岩石冰川。使用“退化”一词强调了这些冰川的失稳状态，因为在这些偏远地区，人类活动的增加（尤其是旅游业的发展）使得将其识别为典型的岩石冰川变得困难。Komic被认为是“可到达的最高村庄”，而Chicham则拥有印度最高的桥梁。

**降水量来源与水文动态**
为了了解水源，研究人员在33个地点进行了稳定同位素组成（δ18O、δD和d-excess；图6和S15）及水质分析，以探讨可用水资源、永久冻土/地下冰与水质之间的关系。结果显示，中纬度西风（MLWs）是斯皮蒂山谷（Spiti Valley）的主要降水来源。

**结论**
尽管在气候和水文方面具有高度敏感性和重要性，但对喜马拉雅半干旱地区冰川边缘环境的水文状况的观测仍然非常有限。本研究首次对印度西部寒冷干旱地区的两个残余岩石冰川进行了实地调查。电阻率层析成像（ERT）和水质同位素分析（δ18O、δD）的结果提供了冰川永久冻土广泛退化的有力证据。

**作者贡献声明**
普拉蒂玛·潘迪（Pratima Pandey）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法设计、数据分析、概念化。
谢赫·纳瓦兹·阿里（Sheikh Nawaz Ali）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法设计、数据分析、概念化。
苏雷什·卡纳乌吉亚（Suresh Kannaujiya）：共同构思和设计研究方案。

**致谢**
作者衷心感谢印度遥感研究所（ISRO，德里敦）和布尔巴尔·萨尼古生物学研究所（Birbal Sahni Institute of Palaeosciences，勒克瑙）的领导们持续以来的鼓励和支持。同时感谢Anaaya女士和Sharma先生的野外协助。