高寒山区河道径流水分来源及其季节变化规律 ——以黑河上游葫芦沟流域为例

论文摘要

作为诸多江河的发源地,中、低纬度高寒山区具有非常重要的水源涵养和调节功能,常被称为“水塔”。对于我国西北干旱、半干旱区的内陆河,因中、下游地区降水稀少且蒸发强烈,河道径流的绝大部分都形成于上游高寒山区,上述水文功能显得尤为重要:它决定着输往中、下游地区的水资源量,进而限制着其社会经济发展。因此,了解高寒山区的径流形成机制,对于内陆河流域水资源的科学管理、乃至社会经济可持续发展具有重要的现实意义。与温热地区不同,高寒山区广泛分布冰川、积雪和冻土,固态水及其与液、气态水间的转化在水文循环中起着重要作用,使得径流形成过程更为复杂。在我国青藏高原北部祁连山区,受高山-峡谷地貌的控制,局部高差大,景观垂直分带显著,导致水流驱动力强、下垫面和水文地质条件复杂多变,进一步增大了径流形成过程的复杂性,许多科学问题目前仍有待解答,其中最突出的问题是:在这类以基岩和薄层风化物覆盖为主的高寒山区,地下水对河道径流有多大贡献?它储存在哪些含水层中,受何种机制调控?在此背景下,本论文选取黑河上游葫芦沟流域为研究区,开展了河道径流水分来源、形成过程及其季节性变化的研究。葫芦沟流域是祁连山高寒山区的典型代表,其垂向景观分带明显,具有典型的高山-峡谷型地貌,其山前冲洪积平原第四系孔隙含水层是山区径流汇入黑河的必经通道。首先,基于水文地质资料,按沉积物特征划分出了3类孔隙含水层,即冰川前缘冰碛角砾含水层、夷平面泥质砾石含水层和山前平原冲洪积砂砾石含水层,分别分布于流域内冰川前缘、多年冻土区和季节性冻土区,具有孔隙大、连通性好的特点。其次,基于水文和气象观测数据,识别出了葫芦沟流域不同季节的水分输入方式分别为:季节性积雪融水（冬季11月到明年2月）、暂时性积雪融水（3月下旬到4月下旬）、冰雪融水（510月）、降雨（510月）。在此基础上,确定了本次研究的径流分割方案:在2013年5月9日6月1日（春末）和2013年7月9日9月21日（夏季）,将径流分割为冰雪融水、降雨和地下水三种水源;在2014年3月1日3月31日（春初）,将径流分割为季节性积雪融水和地下水两种水源。分析了各潜在水源（端元）的水化学和稳定同位素特征,发现不同水分来源的水化学类型和同位素特征存在显著的差异,满足同位素混合端元模型的基本假设条件。然后,采用传统同位素端元混合模型（IHS）对春初、春末、夏季三个时段河道径流进行了分割,其计算结果显示:在春初,地下水是河道径流最高的贡献来源,其总贡献比例为91.10±3.09%,季节性融雪水的贡献很小（8.90±3.09%）;在春末,地下水对河道径流贡献最大,其贡献比例为90.85±0.59%,冰雪融水次之（7.26±0.62%）,降雨最小（1.89±0.25%）;在夏季,地下水仍是河道径流最主要的贡献来源,其贡献比例为62.55±0.74%,而冰雪融水（24.34±3.01%）和降雨（13.11±2.36%）也是不可忽视的来源。同时,与采用贝叶斯三元混合模型（BMC）径流分割结果进行了对照,显示在春末和夏季,地下水对河道径流的贡献比例分别为73.50±3.67%和85.72±0.60%。虽然两种方法计算各水源的贡献比例有明显差异,但两种结果均说明地下水在不同季节对河道径流的贡献是最高的。基于IHS和BMC计算冰雪融水的贡献率和贡献量,分析了其季节性变化特征,发现冰雪融水对河道径流的贡献比例与冰川前缘处的气温之间存在明显的正相关关系,与日降水事件没有明显的响应关系;流域内冰川覆盖率约7.75%,但冰雪融水对河道径流提供了相当可观的水量（IHS:1.13×106m3,BMC:3.53×105m3）。其主要原因:冰川排水管道系统较浅,存储以中期-短期存储为主,冻岩区冰碛角砾孔隙含水层有极强的导水能力,缩短了冰雪融水的运移时间,极大地促进了冰雪融水对河道径流的贡献。基于IHS和BMC计算降雨的贡献率和贡献量,分析了其季节性变化特征,发现降雨对河道径流的贡献率和贡献量变化与日降雨事件存在明显的响应关系,很大程度上归因于流域内基岩裸露面积和多年冻土的分布较大。流域内基岩裸露区的面积占整个高山区80%左右,具有较小的渗透性和存储容量,极大地促进了降雨对河道径流的贡献以及径流对降雨事件的快速响应过程。多年冻土具有隔水层的作用,春末期间冻土层上水的水位接近地表或甚至超过地表,夏季期间冻土层上水的水位接近地表,促使降雨在春季末期以超蓄坡面流形式和在夏季多以超渗坡面流的形式快速进入河道径流,增大了降雨对河道径流的贡献。基于径流分割计算结果,对地下水贡献率和贡献量的季节变化特征的分析,与河流中反应示踪剂沿流程的变化规律相结合,揭示了三种孔隙含水层的调节功能,即:（1）位于冰川前缘冰碛角砾孔隙含水层在暖季有很强的导水能力,冰雪融水、降水和坡面流进入该含水层,迅速流入附近河道和位于低处的含水层中;在冷季,该含水层处于疏干状态。（2）在多年冻土区,夷平面泥质砾石孔隙含水层在暖季有着很强的导水能力,在冷季因为活动层冻结导致导水能力变得极差,表现出隔水层或弱透水层性质;冻土层下含水层在暖季和冷季其导水能力一般,因该含水层厚度限制,其储水能力也一般。（3）山前平原冲洪积砂砾石孔隙含水层在暖季表现出较强的导水能力和储水能力,而在冷季,山前平原地下水是流域出口水分唯一来源,在维持河道基流上发挥着重要的作用。最后,对上述研究成果进行了归纳,提出了“山区+山前平原”组合的产、汇流过程的概念模型为:基岩山区和多年冻土区是主要的产流区,山前平原季节性冻土区是主要的汇流区。冰雪融水和降水在冰川前缘冰碛垅岗内侧急剧渗漏,迅速转化为第四系松散岩类冻结层孔隙水,其中一部分水流穿过冰碛物后以下降泉形式排出,成为河流的源头,而另一部分水流会补给位于低处的夷平面泥质砾石孔隙含水层,成为冻土层上孔隙水。在多年冻土区,降水和冻土融水部分入渗转化为冻土层上孔隙水,向下部汇集时,在坡脚受弱透水层和冻土层阻隔溢出地表,以坡面流的形式进入河道径流。河水在流入山前平原时,通过河床下带状融区渗漏或侧向补给的形式转化为地下水,在山前平原末端出露,再次补给河流。论文的创新之处:（1）在青藏高原北部高山-峡谷型地貌的代表区——祁连山区,分布多年冻土、季节性冻土,水流路径复杂。本研究识别了沿冰川前缘-多年冻土区-季节性冻土区分布的3类典型孔隙含水层,系统总结了它们在径流形成中的调节功能,分析了其调节功能随年内冻-融循环而发生的转变机制,构建了典型高山-峡谷型流域河道径流形成的概念模型。（2）在贝叶斯蒙特卡罗估算方法的应用中,以往的研究通常缺乏冰雪融水动态监测数据,冰雪融水描述为静态变量,分割结果无法反映冰雪融水对河道径流贡献的动态特征。本研究在该方法的基础上考虑冰雪融水的动态输入,从机理上而言更为科学合理,从计算结果而言更为准确。

论文目录

• 作者简历
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 基于水稳定同位素的水分来源示踪研究
•     1.2.2 基于反应溶质示踪剂的流动路径示踪研究
•     1.2.3 高寒山区含水层水文特征研究
•     1.2.4 黑河上游葫芦沟流域
•   1.3 研究内容、技术路线及创新点
•     1.3.1 研究目标
•     1.3.2 研究内容
•     1.3.3 技术路线
•     1.3.4 创新点
• 第二章 研究区概况
•   2.1 自然地理概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 地形地貌
•     2.1.3 气候条件
•     2.1.4 水文特征
•     2.1.5 植被景观
•   2.2 区域地质条件
•     2.2.1 地层
•     2.2.2 构造
•   2.3 区域水文地质条件
•     2.3.1 孔隙含水层的类型
•     2.3.2 地下水类型
•     2.3.3 地下水补给、径流和排泄特征
•   2.4 流域冻土分布及地温特征
•     2.4.1 冻土的分布
•     2.4.2 不同高程处地温特征
• 第三章 河道径流水分来源的分割方法
•   3.1 数据获取
•     3.1.1 观测点布设和数据获取
•     3.1.2 样品的采集与测试
•   3.2 径流分割端元混合模型
•     3.2.1 传统同位素端元混合模型
•     3.2.2 贝叶斯三元混合模型
•   3.3 径流分割时段的选择
•   3.4 河道径流潜在水分来源的水化学和同位素特征
•     3.4.1 地下水的水化学和同位素特征
•     3.4.2 降雨的水化学和同位素特征
•     3.4.3 冰雪融水的水化学和同位素特征
•     3.4.4 季节性融雪水的同位素特征
•   3.5 本章小结
• 第四章 河道径流水分来源的分割结果
•   4.1 春季末期河道径流分割
•     4.1.1 基于传统同位素端元混合模型的分割结果
•     4.1.2 基于贝叶斯三元混合模型的分割结果
•     4.1.3 基于上述两种分割方法结果的对比分析
•   4.2 夏季和初秋期间河道径流分割
•     4.2.1 基于传统同位素端元混合模型的分割结果
•     4.2.2 基于贝叶斯三元混合模型的分割结果
•     4.2.3 基于上述两种分割方法结果的对比分析
•   4.3 春季融雪期间河道径流分割
•     4.3.1 基于传统同位素二元混合模型的分割结果
•     4.3.2 影响季节性融雪水对河道径流贡献率和贡献量的因素
•   4.4 本章小结
• 第五章 河道径流水分来源的季节性变化特征
•   5.1 冰雪融水贡献率和贡献量的季节性变化特征
•     5.1.1 影响冰雪融水对河道径流贡献率和贡献量的气象因素
•     5.1.2 冰川存储与冰碛角砾孔隙含水层对冰雪融水贡献量的影响
•   5.2 降雨贡献率和贡献量的季节性变化特征
•     5.2.1 基岩山区对降雨贡献率和贡献量的影响
•     5.2.2 多年冻土对降雨贡献率和贡献量的影响
•   5.3 地下水贡献率和贡献量的季节性变化特征
•     5.3.1 孔隙含水层对地下水贡献率和贡献量的影响
•     5.3.2 河流中DOC和 DIC浓度的季节变化特征
•   5.4 本章小结
• 第六章 孔隙含水层对河道径流形成的调节机制
•   6.1 河流中反应示踪剂沿流程的变化规律
•     6.1.1 春末河流中反应示踪剂沿流程的变化
•     6.1.2 夏季河流中反应示踪剂沿流程的变化
•     6.1.3 初秋河流中反应示踪剂沿流程的变化
•   6.2 孔隙含水层的水文调节功能及其季节性转换特征
•   6.3 祁连山“山区-山前平原”型流域径流形成的概念模型
•   6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
•   7.1 结论
•   7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录一

文章来源

类型: 博士论文

作者: 常启昕

导师: 周爱国,孙自永

关键词: 冰川,多年冻土,含水层,端元混合模型,贝叶斯方法

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国地质大学

基金: 国家自然科学基金“黑河上游山区融雪径流过程的同位素和水文化学示踪研究”项目,项目编号:91125009,“黑河上游冻土区地下水流过程及其与地表水转化研究”项目,国家自然科学基金,项目编号:91325101

分类号: P333

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000112

总页数: 181

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