引用本文
程根伟, 范继辉, 彭立. 高原山地土壤冻融对径流形成的影响研究进展. 地球科学进展, 2017, 32(10): 1020-1029
Cheng Genwei, Fan Jihui, Peng Li. Progresses in Soil Freezing-Thawing Effects on the Runoff Generation in Plateau-Mountain Regions. Advances in Earth Science, 2017, 32(10): 1020-1029  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.10.1020
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高原山地土壤冻融对径流形成的影响研究进展
程根伟, 范继辉, 彭立
中国科学院成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041

作者简介:程根伟(1956-),男,四川成都人,研究员,主要从事陆地水文学与山地环境研究.E-mail:gwcheng@imde.ac.cn

基金:国家自然科学基金项目“西南高山(高原)土壤冻融作用对径流形成的影响及其动态模拟研究”(编号:41671016)资助.
摘要

亚洲主要江河的水源补给受到山地高原寒冻环境的影响,高寒山区积雪和冻土影响了江河源头的径流形成条件,是高寒环境下的具有固液两相变化的径流形成机制,在全球气候变化的大背景下对亚洲主要河流的径流变化和水资源供给具有重要作用。其中冻土的分布、发展和消融是决定该区域径流形成的一个关键环节,研究和揭示土壤冻融对径流形成的影响机制,成为研究全球气候变化和水资源安全领域的热点。要认识亚洲主要江河源头径流变化规律,预测气候变化条件下西部主要河流水资源动态,需要攻克高山(高原)地表环境要素对冻土格局的影响机制,高寒山区土壤冻融和地下水分的转化条件与阈值,冻土产汇流模型及相关参数确定方法,相关冰雪冻融—径流形成关系等关键环节。通过高寒地区冻土水文观测、土壤冻融模拟实验和基于热力学的土壤水多相转化模式的研究,将在冻土水文学的微观机制、尺度效应以及预测能力等方面获得新的认识,建立适合高寒山区的多尺度分布式流域水文模型,使寒区水文过程预测预报达到更高的水平。

关键词: 冻土水文; 高原山区; 气候变化; 模拟预测
中图分类号:P642.14 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)10-1020-10
Progresses in Soil Freezing-Thawing Effects on the Runoff Generation in Plateau-Mountain Regions
Cheng Genwei, Fan Jihui, Peng Li
Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041,China

First author:Cheng Genwei (1956-), male,Chengdu City, Sichuan Province, Professor. Research areas include hydrology and eco-environment.E-mail:gwcheng@imde.ac.cn

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “The soil freezing-thawing impacts to runoff generation in southwestern alpine-plateau and their dynamic simulations”(No.41671016).
Abstract

The water feeding of main rivers in Asia is under influence by cold environment in alpine regions. The snow coverage and soil freeze affect surface condition of runoff generation of river heads. The mechanism of water-ice phase transition plays an important role to the river water supplying in cold regions. It greatly affects the water resource for large rivers in Asia, especially in the impact of global climate change. The soil freezing and thawing effects are the controlling factors of runoff change of mountainous rivers. The prediction of stream flow is of large uncertainty under the influence of climate change, which is the hotspot in the study on the global change impacting water resource. To explore the runoff change rule of river heads in Asia and predicate the water resource dynamics, one needs to know the alpine environment affecting freeze pattern of soil water, determine transformation condition and threshold of soil ice-water in mountain regions, design runoff generation models and parameters in alpine region, propose relative theories on the soil freezing-thawing and runoff generation. For these purposes, jointed stadies are necessary for the mountain field hydrological observation, simulation experiments of soil freezing and thawing in laboratory, and mode study of phase transition of soil water based on the thermodynamics. These studies will solve the key problems in micro-mechanism of cold hydrology, scale effect and predication techniques. It will help to develop multi-scale distributed hydrological models, and enhance the forecasting level for the river hydrographs in mountain regions.

Keyword: Cold region hydrology; Plateau alpine; Climate change; Modeling predication.
1 引言

我国西南高原山地是亚洲众多大江大河(如长江、黄河、怒江、澜沧江、雅鲁藏布江、印度河、恒河等)的发源地和径流形成区, 被誉为亚洲“ 水塔” , 也是我国极其重要的水资源安全战略基地和水电能源基地。仅以横断山区为例, 全国18%的可更新淡水资源、47.5%的水能资源和可供开发的1 000万kW以上大中型水电资源的90%分布在该区域[1], 该区域同时也是拟建的南水北调西线工程的水源区。西南高原山地是除新疆北部和东北— 内蒙古地区外的3个季节性冻土(积雪)高值区之一, 也是冻土年际变化很大的地区, 受高山地形及高寒下垫面环境的影响, 冻土分布面积广, 地下储冰量大, 融冰融雪过程空间差异明显, 冰雪冻融对径流的影响复杂, 主要江河源头的径流20%以上来自冰川积雪补给, 而春季冻土积雪的融化补给占江河源头径流量的38%以上[2]。

气候变化将改变山区水循环过程与水资源形成机制, 对这一地区水资源的管理与利用产生显著的影响。气候变暖导致青藏高原冻土的显著消融和山地冰川的迅速退缩, 自20世纪90年代以来我国约82%的冰川处于退缩状态, 不同地区的山谷冰川的面积缩小比例为2%~18%[3, 4]。高原冻土的消融短期内会增加河流的径流量, 加大高原湖泊的补给量, 但是长期来看将加大土壤活动层的厚度, 增大蒸散发量, 减少河川径流[5]。但是最近Wu等[6]研究了季节性冻土和不同地下水条件下的地面蒸发变化, 却发现地下冻土降低了表土水分下渗, 增加地表水蒸发量, 因此冻土层的厚度和位置对下渗和蒸发的影响是非常复杂的。 山地不仅具有显著的地形因子所产生的降水产流效应, 而且其表生环境要素如冰雪、草地和森林等对这些江河水资源的形成与变化有着决定性的影响。Ala等[7]发现树木根系圈的土壤冻融对土壤水分具有显著的增强作用, 可以影响林地壤中流补给。Immerzeel等[8]基于A1B气候变化情景, 在考虑冰雪融水变化下模拟未来40年(2046— 2065年)亚洲主要江河的径流演变, 其中雅鲁藏布江径流减少19.6%, 长江上游减少径流5.2%, 印度河减少17.6%。但是这种变化预测存在多重的不确定性, 表现在:①高山高原的降水变化具有局部特点, 不一定随气温同步变化; ②气温升高产生的冰雪融水加大具有短期性, 长期影响可能会相反; ③冻融变化对山地径流形成的机制比较复杂, 难以用简化的模式进行概化, 河流水资源预测具有较大的不确定性。 Viviroli等[9] 在综述了世界范围内山区在水资源供应的作用后, 认为喜马拉雅山区和横断山区是世界上山地水资源依赖程度最高的地区, 而这种依赖程度直接受到高海拔高寒环境土壤冻融的影响。

因此, 亚洲主要江河的水资源安全取决于青藏高原及其周边山区的河流径流补给, 而这些河流的水源直接受到山地高原寒冻环境的影响, 其中冻土的分布、发展和消融是决定该区域径流形成的一个关键环节, 定量评估该区域高寒环境系统变化趋势及其对水资源的影响, 特别是冻土消融对河流源头的影响, 对于了解亚洲主要河流径流变化的趋势, 解决高原山区寒冻环境下的生态水文问题, 认识和揭示土壤冻融对径流形成的影响机制具有重要的科学意义, 也是我国西部大型江河水资源利用和变化预测的基础科学问题。

2 研究进展
2.1 冻融过程机制

国内外有关科研工作者在冻土过程方面做了大量工作, 李述训等[10]对冻融土壤中的水、热输送问题及冻土性质进行了比较深入的研究; 周幼吾等[11]和徐学祖等[12]较为系统地研究和总结了国内冻土基本物理性质和水力特征。冻融过程中土壤水分迁移规律是反映冻结和融解物理机制的重要因素[13]。在冻土的季节性冻结— 消融的变化过程中, 由于迁移的结果, 水分将在土壤中进行空间上的重新分布, 主要表现在土层含水量空间位置的改变及其水相态上的变化[14]。徐学祖等[15]发现在冻结过程中, 发生了水分从未冻段到冻结段的运移, 水分迁移通量与温度梯度成正比, 而与实验持续时间的平方根成反比, 且随着温度降低呈指数规律减小。杨梅学等[16]根据GAME-Tibet观测项目指出, 藏北高原4 cm深处土壤在10月开始冻结, 次年4~5月开始消融, 冻结持续时间长达5~7个月; Iwata等[17]研究了日本春季融雪水对冻土层入渗的影响, 发现地下薄冰降低了地表入渗, 对春季短期升温时的地表水形成有影响。他们还比较了测量土壤冻结深度的不同方法, 发现可以用土壤温度剖面来确定冻结深度, 但是这个方法不能用于消融阶段[18]; Zhou等[19]采用伽马水分仪和便携式土壤水分测量仪(TDR)研究了冻土中的冰与水的含量变化, Butnor等[20]采用地面透视雷达测量森林区冻土深度, 在10 cm深度内可以取得较好的效果。He等[21]研究了加拿大Alberta的土壤冻融与融雪下渗的关系, 采用TDR观测并比较了室内和野外观测的土壤水分变化。

冻土的消融对表层土壤水分含量及其动态变化有重要影响, 冻结过程有利于土壤维持其水分。冻土的变化还可以引起其表层土壤性质的变化, 最终引起植被的生长变化[22]。在高寒环境下土的冻结和融化作用所塑造出的寒冻土壤、冷生植被群落以及与冻土有关的水热变化过程等及其在该环境下形成的协同发展着的生态系统, 被称为高寒生态系统或冻土生态系统[23]。吴青柏等[24]的研究表明, 冻土及水热过程与寒区生态环境有着密切的关系, 冻土活动层作为寒区生态系统的下界面, 是最活跃的主导影响因子, 尤其是活动层的水热环境, 活动层的变化会导致土壤持水性改变, 直接影响植被的生存环境。特别是王根绪等[25]近10年坚持在长江源头建立的风火山高寒草甸冻土水文观测站, 在寒区生态水文研究方面取得了系统成果, 加深了对冻土层的热量— 水分作用及其对生态系统的影响方面的认识。

流域尺度冰雪径流变化的分析和模拟研究是高山寒区水文研究的核心内容。以气温为主要输入的度— 日因子模型和以能量平衡为基础的分布式水文模型在融雪和冰川径流的估算中得到广泛应用[26, 27], 但是是否适合于地下土壤冰层变化分析还难以确定。近年来, 许多新技术和新方法的不断推出, 为模型模拟提供了新的验证支持。如将积雪遥感资料、遥感重力资料(Gravity Recovery and Climate Experiment Satellites, GRACE)和水文资料结合研究流域水量平衡[28]以及区域冰川变化的径流补给影响等[29]。

2.2 冻融对径流的影响

我国多年冻土面积为215× 104 km2, 占我国国土面积的21.5%, 约占世界多年冻土分布面积的10%, 包括季节性冻土在内的冻土面积约占全国国土面积的70%[30], 是世界第三大冻土国。我国的多年冻土主要分布在青藏高原, 冻土作为气候变化的指示器之一, 对全球变暖具有明显的反馈响应, 同时, 气候变化又将会促使冻土分布相应的波动[31]。高寒山区的水文过程在很大程度上受多年冻土、季节冻土及其水热状况的影响。近年来, 冻融作用对径流影响的报道很多。王根绪等[32]研究了青藏高原高寒生态区冻土环境变化对径流的影响。Li等[33]采用红外辐射方法测量冻结土壤中的温度剖面和冰— 水界面; Guo等[34]研究了藏北冻土退化及其水文效应; Cheng等[35]通过2年的野外观测, 对东北均匀和分层土壤剖面的冻融过程进行了测量; Chen等[36]采用Noah模型模拟了西昆仑山区多年冻土的分布特性; Li等[37]采用同位素示踪法研究了东北土壤冻融对径流形成的贡献。

据赵林等[38]估算, 青藏高原多年冻土含冰量达9 500 km3, 折合水当量约为860× 1010 m3, 是我国冰川储量的1.7倍。由于西部高原存在显著的变暖趋势, 直接导致近几十年青藏高原多年冻土的退化, 每年释放的水量达到50× 108~110× 108 m3。冻土区的水文过程有其独特的特征:①冻土层的低渗透性, 随着冻融锋面的迁移, 导致其产流机制有别于非冻土区。地下冻土冰体近似于一个不透水层, 减少土壤下渗, 导致融水在完成地表初损后迅速补充径流[39]。②多年冻土活动层季节冻融过程影响冻土区大部分水文活动, 改变了土壤下渗和蒸散发过程, 进而影响整个产汇流过程[40]。③融水以及降水都通过冻土进行再调节, 影响土壤水再分配和土壤水贮量变化, 水分向冻土面的迁移, 以及水分相变潜热的交换, 使冻土水文作为寒区生态— 水文的核心环节[41]。积雪冻土带的再冻结过程导致融雪水或者下渗量的减少, 影响寒区产汇流过程和径流特征, 特别是在高海拔地区的河流冬季冻结作用可能严重改变径流的原有分配特性, 南水北调西线工程的制约性因素就是冬季的河流冰冻造成的径流减少, 导致按照原来规划设计的调水方案难以保证枯季可供水量[42]。

2.3 冻融的气候响应

气候变化对山地水循环与水资源的影响及其潜在水资源安全风险, 是国际上广为关注的焦点[43], 几乎在所有与山地淡水供给有关的地区均不同程度开展该问题的研究[44, 45]。在气候变化的情景下, 高原山地冰雪水文过程的野外观测试验及模拟研究受到国际水文学界的极大重视。在国际水文学会过去20年的缺资料流域的水文预测(Prediction in Ungauged Basin, PUB)研究计划中, 高山冰雪区的水文预报是其核心内容之一。世界气候研究计划(World Climate Research Reogramne, WCRP)于2000年启动了气候与冰冻圈计划(Climate and Cryosphere Project, CliC), 将在气候变化条件下, 冰雪区水文过程的响应研究作为关键任务。加拿大IP3计划以Rocky山区野外调查为基础, 为增进高山冰雪水文过程的理解和模拟能力, 开展了大量观测和建模工作。大量研究表明气候变暖已经引起山地冰川、冻土和积雪的消融以及山区径流的普遍性或显著增加[46, 47], 而南亚和青藏高原未来50年冰冻圈消减可能影响那里的径流变化、春季冰雪融水灾害和淡水资源的供给减少, 将是对该地区社会和粮食安全最严重的威胁之一[48, 49]。由于缺乏在流域和区域尺度上的研究, 冻土退化的水文效应还少有系统性的成果[50]; 另一方面, 冻土退化引起的生态系统和地面水热过程的改变, 直接影响到流域径流过程, 并逐步受到学界的重视[51, 52]。最近地下冰的融化对径流的补给作用也受到人们的关注, 尝试对这一过程开展相关的观测研究[53, 54]。

冰雪变化在气候系统、水循环过程中起着重要作用[55]。冻土和积雪融水量的多少直接影响到江河下游汛期水位, 而冰雪融水量的多少又受当地气温高低情况及积雪量多少的制约。随着气候变暖, 西南山地的冻土和积雪分布发生了显著变化, 对其相应区域的气象及水文生态过程、地表过程等产生重要影响。就气候变化本身而言, 无论是地区之间, 还是年际之间差异显著, 特别是对于那些人迹罕至的偏远地区和高山地区, 维持有人或无人值守的长期观测存在巨大的困难, 导致对于偏远或高山地区气候变化的认识仍不够清晰, 这在西南山区表现尤为明显[56]。监测那些对于地表热量变化十分敏感、且受人类活动直接影响较小要素的变化是弥补台站观测不足的重要途径。Guo等[57]研究了西藏中部的地表水热交换对土壤冻融的影响; Zhao等[58]对西南高山区埋藏管线区域的土壤冻融进行了研究, 比较了水分热量耦合对冻融的影响。在地球表层所有对于热量变化敏感的物体中, 冰雪尤其是冰川变化可作为反映气候变化的最佳指示器[59, 60]。因此, 通过对典型区域(或流域)调查, 详细获取冰雪变化各种信息、通过遥感资料分析提取冰雪变化的宏观信息成为获取冰雪响应气候变化信息资源的重要手段[61], 可提升西南山区气候变化的认识水平。

气候变暖导致西南山地(高原)的冻土和积雪面积时空分布发生变化, 这种变化也会对径流形成区下垫面产生影响, 进而造成表生系统的变化。下垫面水分状况和河川径流量变化也引起如洪水、泥石流、滑坡等自然灾害事件的发生频次增多[62]。位于西南山区的川藏线通过区是我国冰雪有关灾害的集中分布区之一, 冰雪灾害(冰川泥石流、冰湖溃决泥石流、雪崩、融雪型洪水等)活动频繁、危害严重, 对这些地区正常的交通运行、社会经济发展和国防建设带来了重大影响[63, 64]。川藏公路横穿念青唐古拉山, 是冰川灾受害危害最为突出的地区之一, 如引起广泛关注的易贡湖溃决洪水(2000年6月), 给川藏公路波密段造成重大影响, 而且其危害进一步波及印度东北部。冰雪灾害已成为相关地区经济社会发展的重要制约因素。受气候变化的影响, 近期一些地区的冰川灾害可能进入了一个高发期[65]。

2.4 冻土水文模型

近20年来, 国际上一些常用的分布式水文模型中都对寒区的积雪和冻土过程进行了一定程度的拓展表达, 例如ARHYTHM, WEBDHM, DWHC, CRHM, VIC和Geotop等, 以及由SOIL模型和SHAW发展出来的CoupModel等[66]。Wu等[67]采用数学模型模拟了季节性冻土中的温度、水分和热量平衡; Bronfenbrener等[68]采用数字模拟方法和野外观测数据对比, 研究了俄罗斯西北利亚冻土区温度的空间分布特性; Koren等[69]采用物理基础的SSMA模型模拟了地面冻结对径流形成的影响; Kozlowski[70]提出了确定土壤中冻结点和不冻结水量的简化方法, 并且可以得到土壤空隙曲线。这些方法在较小尺度(例如坡面尺度, 径流场尺度、极小流域尺度)的冻土积雪变化和径流形成计算中得到较为合理的结果, 但是用于较大尺度的区域仍需要检验。

目前大多水文模型对流域积雪的水文过程(季节尺度)有较好的描述, 对冻土径流过程的描述较为粗浅, 缺乏较大尺度区域的冻土观测和水文效应评价方法, 且几乎没有冻土变化(几十年到数百年)引起的水文效应的数学表达[25], 这些问题是目前山地流域水文模型面临的挑战之一。问题的复杂性还在于山区影响水文过程的植被要素与积雪和冻土要素相重叠, 要求山地水文模型能够具备同时识别这些要素及其相互作用关系的能力。瑞士森林、雪与景观研究所(Eidgenö ssische Forschungsanstalt fü r Wald, Schnee und Landschaft, WSL)最近针对这一前沿问题开展“ 气候变化对山区环境水循环影响” 的研究, 其中专门设立了水文模型研究课题, 目的是将陆地生态过程模型(Biome-BGC)与积雪和冰川水文模型相嵌套, 并引入GLUE和GSA方法进行适用于山区环境水文模型的开发。

我国在这方面的研究虽然比发达国家起步晚, 但也取得了很大进步, 如康尔泗等[71]根据HBV 水文模型的基本原理, 将我国西部山区流域分为高山冰雪冻土带和山区植被带, 建立了气候变化条件下预测内陆河山区流域可能变化趋势的模型, 并对河西走廊黑河莺落峡水文站控制山区流域的逐月出山径流量进行了预报, 所提出的内陆河山区流域出山径流的模拟和预报模型对年径流量和月分配的预报具有较好的精度, 可用于黑河以及其他西北干旱区内陆河出山径流的预报; Ding等[72]首次建立了土壤冻融过程中的冻融深度与土壤温度的对照关系, 提出最大冻融深度、不同冻结深度的冻融时间可由表层土壤温度值确定; 杨针娘等[73]根据水量平衡原理、线性水库模式最早建立了高山冻土区的产流模型; 张艳武等[74]的冻土产流模型中增加了对土壤含冰量的求解, 较真实地反映了土壤的冻融过程。陈仁升等[75]和阳勇等[76]以黑河干流山区流域为例, 吸收了SHAW 和COUP 等模型的思想, 构建了一个分布式水热耦合模型(Distributed Water-Heat Goupled, DWHC); 胡宏昌等[77]通过分析VIC, SWAT, DHSVM和RSM等模型提出冻土草地分布式水文模型(FGW), 解释了冻土区流域水文和能量过程, 刻画了不同植被盖度下的水文和能量过程; 吴晓玲等[78]为描述季节性冻土地区的积融雪及冻土水热过程, 采用能量平衡及水量平衡法建立融雪模型, 采用有限体积法离散热传导方程和非饱和土壤水运动方程, 并对其交界面处进行耦合处理, 从而建立季节冻土区融雪冻土耦合数学模型。

在国内针对不同的山区高原小流域, 亦建立了一些专用模型, 用于解决冻土变化及其过程的动态仿真, Feng等[79]提出了一个土壤水分迁移模型, 可以模拟土壤在冻结期间的水分迁移, Wang等[80]采用数值模拟方法研究了季节性冻土的水热耦合作用及其对水分迁移的影响; 此外, 一些学者还通过对国外模型进行改进, 提出了用于黄河上游[81]、喜马拉雅山北坡[82]、长江中下游[83]等区域的冻土水文学评估模型。综合考虑山地表生环境各要素变化对水循环的影响, 融合山地不同水文要素变化对水资源影响的定量模拟是水文学和全球变化研究普遍关注的重点, 但是在大尺度(上万平方公里)上对气候变化下高原山地径流变化的影响预测还是薄弱环节。

3 有待解决的重要问题

高寒山区积雪和冻土直接影响了江河源头的径流形成条件, 是特殊环境下的具有固液两相转换方式的径流形成机制, 在气候变化的大背景下对亚洲主要河流的径流变化特性和水资源供给具有控制性作用, 因此成为全球变化影响和水资源变化研究领域的热点。

解决这些问题需要攻克以下关键环节:

3.1 冻结界面变化对地下水系统的影响

目前对地下土壤层在冻结界面变动的情况下, 地下水系统如何补充或承接冻土的水分还不清楚, 这就难以准确刻画冻土区地下水文过程, 无法对寒区径流变化进行细致的模拟。但是目前很多研究都开始从坡地尺度研究地面和地下土壤— 水— 冰的转化关系, 逐步揭示了地下冻土层上、下界面的发展变化和消融特征, 这个问题的解决将有助于高寒地区地下水文学的完善。

3.2 土壤冻融循环对坡面产流模式的影响

传统的坡面水文学依据是多孔介质渗流理论, 土壤冻融循环将使流域下垫面产生一种非均匀的不连续介质, 对于各种产流模型来说都存在如何更新冻融条件下的产流机制的问题。这一方面需要认识土壤冻融本身的过程和影响范围, 确定冻结— 消融转化的条件, 也需要动态描述下土壤层水力特性, 解决冻土和水分的补给、排泄关系, 提出新的径流形成机理。

3.3 基于土壤热力学的地下冻融模型

要准确描述地下冻土的发展消退问题, 最根本的方法还是需要结合寒区地面环境, 建立基于土壤热力学的2D或3D冻土模型, 特别是坡地尺度的冻土模型, 这方面的计算技术已经没有问题, 但是需要解决如何确定冻土范围的边界条件, 多相耦合体(土壤、水分、冰、空气)的热力学参数确定, 模型的检验和尺度转化等问题。

3.4 相关冰雪冻融— 径流形成关系假说

高寒山区土壤冻融的过程比较复杂, 冻融对径流的影响也存在若干关键环节需要澄清, 特别是冻土层的水分盈亏变化还难以按照现在的温度— 辐射模型或者积温模型加以解释, 其中可能存在如下机制:

(1) 冻土变化的热惯性假说。目前多数土壤冻结消融模型都采用土壤温度作为主要的热力控制因素, 但是受到土壤传热和冰水相变潜热的影响, 在贡嘎山3 000 m站的冻土深度观测发现, 冻土厚度的变化显著滞后于地下温度, 因此可能需要在冻土模拟计算中加入热惯性来反映冻土变化的滞后性。

(2) 冻土冻融的抽吸作用假说。从几个高山冻土水文站的观测发现, 在土壤的冻结和解冻阶段, 即使没有降水出现, 地下水位也会发生急剧的变化, 因此可能存在冻土形成时从地下水库抽吸水分补充土壤水, 以及消融期冻土融解的水分补充地下水的情况, 实际情况需要从模拟实验加以确定。

(3) 地下冻土层的活塞作用假说。地表冻土形成的时候, 土壤冰的体积膨胀, 将挤压地下土壤空隙空间, 在一定的条件下可能会形成活塞一样的移动面, 将地下水挤出原有的水平面, 导致地下水的加快排泄, 这种现象在我们的土柱观测实验中有所表现, 但是对于更大尺度的土层是否存在有待确定。这个现象的存在条件和实际影响都需要加以检验。

(4) 活动冻土层的变动蓄水容量假说。由于活动冻土层的存在, 上土壤层的蓄水容量随季节和年份变化, 在蓄满产流地区, 蓄水容量的大幅度变化将影响原有的产流关系。例如, 黄河源头近10年的径流减少可能就是与河源区冻土融化、活动层增大和土壤蓄水容量增加有关, 但是这种假说的可靠性和机制, 仍需要进一步的研究才能确定。

以上这些关键环节和假说反映了冻融对高寒山区径流形成机制中的难点问题, 需要在进一步研究中加以解决, 改进或完善现有的高寒区水文模型, 提高江河源区径流预测的可靠性。

4 结语与展望

亚洲主要江河的水资源安全取决于青藏高原及其周边山区的河流径流补给, 而这些河流的水源直接受到山地高原寒冻环境的影响, 其中冻土的分布、发展和消融是决定该区域径流形成的关键环节, 认识和揭示土壤冻融对径流形成的影响机制具有重要的科学意义, 也是我国西部大型江河水资源利用和变化预测的基础科学问题。高山(高原)寒冻带是气候敏感地区, 土壤的冻融作用直接改变了地表的水分环境, 对径流形成和流动方式产生强烈的影响, 是山区河流水资源变化的重要影响因素。而土壤冻融变化对径流形成的作用研究一直是比较薄弱的问题, 特别是如何进行定量地计算和模拟是冻土水文学中的弱项, 需要进行深入的研究, 提出可供实际应用的模型和算法。

未来冻土水文学的发展应该加强以下方面研究:

(1) 高山(高原)地表环境要素对冻土的影响机制:需要结合野外观测和室内模型实验, 揭示不同地表环境和气象条件下, 高山(高原)冻土积雪的发展过程和消融特征, 研究不同地表覆被条件下这些冻融过程的变化特点, 建立气温(日气温、累积气温)、地温、地表积雪量、土壤冻结量以及它们的消融速率关系。

(2) 高寒山区土壤冻融和地下水分的转化条件与阈值:这是解决寒区径流形成条件的一些关键参数, 需要根据高山区地表边界和微气象特点, 揭示这些高寒环境下的能量水分相互影响关系, 研究坡地径流形成条件受到表土层冻融的机制变化, 确定冻土层和土壤水分的转化条件(温度、水份含量), 并且确定有关阈值(临界温度)。

(3) 冻土区产汇流模型及相关参数确定方法:在以上研究基础上, 需要提出体现地表土壤冻融作用的山地降水— 冻融— 径流数学模式, 解决不同尺度地表形态和地表覆被特性的定量表达方式, 研发出适合西部高山(高原)特点的分布式流域水文模型, 利用典型流域的观测数据确定模型的相关参数, 由此解决山区河流径流变化预测的理论和技术问题。

(4) 基于大气陆面耦合的分布式水文模型:寒区的分布式水文模型需要较为复杂的数据输入, 特别是陆面— 大气界面的水热通量是决定性的参数, 这需要基于区域大气模式的陆面过程模型的支持, 陆面过程模式还可以耦合地面覆盖类型及其他边界参数, 借助于目前比较成熟的中大尺度陆面过程模型, 可以为寒区水文模型提供充分的输入驱动和边界描述, 可以对高寒地区的流域尺度水文过程实现精确的模拟

(5) 变化环境下的江河源区径流变化预测:江河源区径流变化主要受到高原山地冻土积雪的影响。在全球气候变化条件下, 准确预测径流变化具有重要的科学意义和现实价值。可以采用IPCC等的气候变化情景预估的结果, 采用气候模式的最优降尺度结果, 驱动嵌套的陆面过程模式和冰雪冻融的分布式水文模型, 进行山区河流径流变化情景模拟, 预测和评估未来30, 50和100年典型流域在区域气候变化条件下对江河水资源的影响。

要认识西南主要江河源头径流变化规律, 预测气候变化条件下亚洲主要河流水资源动态, 需要攻克高山(高原)地表环境要素对冻土的影响机制, 高寒山区土壤冻融和地下水分的转化条件与阈值, 冻土区产汇流模型及相关参数确定方法, 相关冰雪冻融— 径流形成关系假说等关键环节。通过高寒地区冻土水文观测、土壤冻融模拟实验和基于热力学的土壤多相转化模型的研究, 将可能在冻土水文学的微观机制、尺度效应以及预测能力等方面都获得新的突破, 使寒区水文过程预测预报达到一个更高的水平。

The authors have declared that no competing interests exist.

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