黑河上游多年凍土區(qū)地表水、地下水過程及其效應(yīng)研究

在“黑河流域生態(tài)-水文過程集成研究”重大研究計(jì)劃支持下，針對(duì)黑河流域“凍土變化過程及其流域水文效應(yīng)的辨識(shí)”的科學(xué)問題，項(xiàng)目開展了凍土野外調(diào)查、定點(diǎn)觀測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)等，系統(tǒng)研究了凍土分布、活動(dòng)層水熱過程、多年凍土區(qū)水文過程產(chǎn)流機(jī)制、多年凍土層下水、凍土未凍水、地表水與地下水相互作用，以及凍土變化對(duì)生態(tài)-碳循環(huán)的影響。主要取得以下成果：黑河流域多年凍土下界處海拔~3650m，多年凍土厚度10-137m，年平均地溫>-2°C，大部分屬于不穩(wěn)定型和過渡型多年凍土。多年凍土區(qū)約占黑河流域10.3%?；顒?dòng)層厚度介于0.8m-4.8m?；顒?dòng)層厚度空間變化主要受海拔高度、坡向、泥炭含量及泥炭層厚度、巖性、土壤水分含量等因素影響。活動(dòng)層發(fā)育過程對(duì)徑流產(chǎn)流有顯著影響。徑流系數(shù)在消融初期較高，消融中期最低；降水量、融化深度、土壤濕度和地表蒸發(fā)是決定多年凍土區(qū)徑流產(chǎn)流機(jī)制的重要影響因素。凍土中未凍水含量主要受溫度控制，以指數(shù)曲線隨溫度降低而減少。多年凍土底板下可能存在地下水層，深度在80-120m之間。多年凍土區(qū)地表水略微補(bǔ)給地下水； 季節(jié)凍土區(qū)地下水補(bǔ)給地表水。初步探測(cè)表明，在熱融滑塌區(qū)，地表沉降速率最大，沉降速率可達(dá)4 cm/yr。熱融滑塌的發(fā)育導(dǎo)致草地群落在結(jié)構(gòu)和類型都發(fā)生著強(qiáng)烈的變化，植被類型由高寒沼澤草甸向高寒草原的方向發(fā)展。黑河上游溫度升高可能會(huì)增強(qiáng)山地多年凍土區(qū)沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)的碳匯作用，而高寒草甸可能起到碳源作用。多年凍土區(qū)“生銹的碳庫”占總有機(jī)碳庫約20%；熱融滑塌導(dǎo)致碳氮量減少30%；多年凍土退化加速了碳的流失，且微生物可利用性降低。這些研究結(jié)果明晰了凍土的水資源效益，可以為提高流域出口河流徑流預(yù)報(bào)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。 2100433B

多年凍土及土壤季節(jié)凍融循環(huán)對(duì)地～氣間熱量交換、生態(tài)～水文過程、水資源都起著至關(guān)重要的作用。黑河流域上游位于祁連山高寒帶山地多年凍土區(qū)，是黑河流域的主要產(chǎn)流區(qū)。針對(duì)黑河流域“凍土變化過程及其流域水文效應(yīng)的辨識(shí)”的科學(xué)問題，本課題將應(yīng)用野外鉆孔勘探，定期、定點(diǎn)觀測(cè)，遙感及數(shù)值模擬方法，對(duì)黑河上游土壤季節(jié)凍融過程、多年凍土分布及其流域水文效應(yīng)進(jìn)行全面系統(tǒng)研究；揭示黑河上游多年凍土空間分布特征、土壤季節(jié)凍融過程及其影響因素；編制大比例尺（1:100000）黑河上游活動(dòng)層及多年凍土圖，為凍土水文模型及流域水文集成研究提供基礎(chǔ)資料；綜合研究黑河上游活動(dòng)層、多年凍土及其變化對(duì)水文過程的影響，特別是其與地表徑流和地下水的相互作用。系統(tǒng)分析在氣候變化條件下土壤凍融過程、多年凍土演化過程及其對(duì)流域水文過程，水資源形成過程及生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)；明晰凍土的水資源效益，最終為提高流域出口河流徑流預(yù)報(bào)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書河北省石津灌區(qū)為例，針對(duì)北方井渠結(jié)合灌區(qū)的獨(dú)有特點(diǎn)，開展了北方井渠結(jié)合灌區(qū)地表水地下水聯(lián)合調(diào)度研究，并進(jìn)行了示范推廣。全書共分為6章，主要內(nèi)容包括：第一章緒論、第二章井渠結(jié)合灌區(qū)結(jié)構(gòu)與功能分析、第三章灌區(qū)地表水地下水聯(lián)合調(diào)度模型、第四章地表水地下水聯(lián)合調(diào)度軟件研制、第五章地表水地下水聯(lián)合調(diào)度軟件在石津灌區(qū)的應(yīng)用、第六章結(jié)論與展望。 2100433B

地表水是地球表面的各種形式天然水的總稱。地表水補(bǔ)給是指地表水（水庫、河流、湖泊、坑塘等）與地下水之間存在水頭差，且地表水位高于沿岸地下水位時(shí)，地表水入滲補(bǔ)給地下水的過程。

河流是地表水體中最主要和最具代表性的水體，河流與地下水之間的補(bǔ)排關(guān)系，取決于河水位與地下水位（潛水位）之間的關(guān)系，這種關(guān)系一般是沿著河流縱斷面變化的。山區(qū)河流深切，河水位常低于地下水位，起排泄地下水的作用，洪水期則河水補(bǔ)給地下水；山前由于河流堆積作用加強(qiáng)，河床抬高，地下水埋藏深度大，則河水常年補(bǔ)給地下水；沖積平原上游地區(qū)，河水位與地下水位接近，汛期河水補(bǔ)給地下水，非汛期河水排泄地下水，季節(jié)性變化較大；而在沖積平原的中下游部分，由于堆積作用強(qiáng)烈，形成所謂“地上河”，如黃河下游，此時(shí)河水常年補(bǔ)給地下水。

地下水補(bǔ)注影響地表水補(bǔ)給地下水的因素

河流補(bǔ)給地下水時(shí)，補(bǔ)給量的大小取決于下列因素：

1. 透水河床長(zhǎng)度與浸水周界（相當(dāng)于過水?dāng)嗝妫?/li>

2. 河床透水性；

3. 河水位與地下水位的水頭差（影響水力梯度）；

4. 河床過水時(shí)間。

同時(shí)，河流對(duì)地下水的補(bǔ)給量可因人為因素的影響而發(fā)生變化。如傍河取水，人為地增大了河水位與地下水位的差值，從而增加了河水對(duì)地下水的補(bǔ)給。事實(shí)上人為因素的影響無非也是上述四個(gè)影響因素變化的反應(yīng)。

河道愈寬廣，河水位愈高，河床濕周愈長(zhǎng)，河床過水時(shí)間愈長(zhǎng)，越有利干補(bǔ)給地下水。

河床透水性對(duì)補(bǔ)給地下水影響很大?？λ固匕l(fā)育地區(qū)往往整條河流轉(zhuǎn)入地下。由卵礫石組成的山前洪積扇上緣，地表水呈輻射狀散流，滲漏量相當(dāng)大。當(dāng)河床與下伏含水層之間存在隔水層時(shí)，河水對(duì)地下水的補(bǔ)給卻很少。當(dāng)?shù)叵滤膫?cè)向徑流強(qiáng)烈，而河床透水性相對(duì)較差時(shí)，即使是常年有水的河流，也可以發(fā)生非飽和滲漏補(bǔ)給，水丘始終處于河床下一定深度，潛水位與河水位并不相連。

需要指出，河水的滲漏量中有一部分消耗于補(bǔ)足包氣帶的水分虧缺，若河流為過水時(shí)間很短的間歇性河流，這部分水所占的比例則不能忽略，此時(shí)不能簡(jiǎn)單地把河水滲漏量當(dāng)作河水對(duì)地下水的補(bǔ)給量。

本書是關(guān)于地表水和地下水相互作用的論著。本書在總結(jié)多項(xiàng)地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化方面的科研項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，從干旱內(nèi)陸河區(qū)水資源特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外已有的地表水和地下水集成模型及特點(diǎn)、地表水和地下水轉(zhuǎn)化機(jī)理方面深入研究地表水和地下水集成模型的模擬方法，提出了以地表水為主體和以地下水為主體的地表水和地下水模型時(shí)空尺度耦合的方法，構(gòu)建了耦合基于水量平衡的地表水模型和分布式的飽和地下水流模型的集成模型，并將之應(yīng)用于石羊河流域水資源配置；同時(shí)構(gòu)建了基于Richard方程的地下水飽和-非飽和流模型和一維明渠匯流模型的耦合模型，考慮了區(qū)域尺度下非飽和滲流過程的簡(jiǎn)化處理方法，將模型應(yīng)用于黑河干流中游地區(qū)地表水和地下水的數(shù)量轉(zhuǎn)化分析和水資源管理。