黄河源区冻土空间分布异常复杂，冻土因其特殊的水热物理性质显著影响水源涵养功能，然而冻土影响下的水源涵养空间格局尚未得到充分研究。本文基于InVEST模型模拟黄河源区水源涵养量空间分布变化，同时对黄河源区冻土变化及其对水源涵养的影响进行了研究。结果表明，1980—2019年间，黄河源区多年平均水源涵养量为41.15±14.55 mm，受降水作为主控因素的影响，其整体以（0.10±0.08）mm/a(p>0.05)的速率增加，季节冻土区增加速率（0.09±0.09）mm/a(p>0.05)略高于多年冻土区（0.07±0.07）mm/a(p>0.05)；当前，季节冻土区平均水源涵养量约为多年冻土区的1.29倍。多年冻土顶板温度（TTOP）对水源涵养量的单因子解释力为0.20，其多因子交互作用均强于单因子作用。空间回归分析和自相关分析表明，TTOP与水源涵养量呈显著的协同关系，而活动层厚度（ALT）及最大季节冻深（MSFD）均与水源涵养量呈权衡关系。在回归性上，TTOP与水源涵养量回归系数由西北向东南递增，正相关区域集中在季节冻土区；ALT与水源涵养量的回归系数由南向北递增，...

黄河源区是黄河流域的重要产水区和水源涵养区，近年来气候变暖导致黄河源区冻土退化加速、多年冻土活动层逐渐增厚。冻土的变化使黄河源区的水资源和涵养功能研究变得更复杂。研究明晰多年冻土变化状况、量化评估水源涵养量对多年冻土变化的响应，对黄河流域及青藏高原水资源科学管理具有重要意义。基于水文、气象及冻土等多源数据，对黄河源区多年冻土变化对流域地表径流和水源涵养量的影响进行了具体分析。结果表明，（1）1960—2020年间，黄河源区多年冻土呈退化趋势，活动层厚度增加10～25 cm，多年冻土集中分布区域逐渐缩小，到2020年部分区域多年冻土已退化消失。（2）黄河源区水源涵养量呈波动上升趋势，1979—2018年间有14年为负值，26年为正值，表明水资源总体上补给大于消耗。自1998年实施水量调度和退耕还林还草政策以来，水源涵养量逐步提升。（3）随着多年冻土退化（活动层厚度的增加），水源涵养量呈增加趋势。源头至黄河沿站和吉迈站至门堂站区域的水源涵养量变化，对多年冻土退化的响应最为显著。本研究有关结论可为黄河流域水资源管理和科学利用提供参考。

冻结层上水是支撑寒区生态系统的重要水源和维持寒区水热循环过程的重要纽带，科学认识冻土退化对冻结层上水的影响作用，对气候变化加剧下高寒地区水资源及生态保护具有重要意义。针对黄河源区多年冻土退化的水文效应，基于典型监测点冻土地温、含水率监测数据和黄河沿水文站断面径流变化数据，分析黄河源区多年冻土退化特征，探讨冻结层上水水位埋深和补给过程对多年冻土退化的响应。结果表明：2010—2020年监测点0～2.4 m剖面上平均升温0.42℃，多年冻土上界面埋深由2.1 m降至2.5 m，平均下降速率4 cm/a；以2018年为时间节点，冻结层上水埋深由0.9 m以浅降至0.9～1.8 m之间；冻土退化引起活动层融化期（5—10月）的径流过程提前、径流极值比降低、1月份径流过程线更加凸出。地温是控制冻结层上水变化的核心要素，在暖湿化的气候变化条件下，多年冻土退化将改变冻结层上水的动态特征及其与地表水之间的水力联系，进一步影响黄河源区的水文生态过程。

冻土水文要素变化及关键参数的确定是黄河源区水文过程分析和模型模拟研究的核心内容之一。为进一步认识冻土冻融影响下黄河源区冻土水文关键要素变化及特征，论文选取玛曲季节冻土观测站和康穷多年冻土观测站进行对比分析，结合降水、蒸散发、冻土土壤水分的野外观测，采用HYDRUS-1D模型冻融模块进行模拟分析。结果表明：(1)冻土冻融过程会改变土壤水力参数，季节冻土饱和含水率θs冷季大于暖季，残余含水率θr冷季小于暖季；多年冻土饱和含水率θs冷季大于暖季，残余含水率θr仅深层冷季小于暖季。(2)季节冻土与多年冻土在年内冻结期间土壤含水量呈“U”形变化；在冻结稳定时期季节冻土储水量减少比多年冻土快。(3)冻结稳定时期季节冻土与多年冻土底部渗漏通量都不断减少，而多年冻土由于底部冻土层的存在，底部渗漏通量减少到0后保持不变。(4)季节冻土与多年冻土在地下20 cm处存在冻结锋面，冻结开始期间土壤水双向流向冻结锋面，融化开始期间土壤水由冻结锋面双向流出。研究对于深化黄河源区冻土水文过程的认识，优化水资源管理具有重要的理论和实际价值。

利用黄河源区9个气象站1997—2018年的逐日气温、地表温度和冻土深度资料,使用线性趋势分析法,基于ArcGIS的反距离权重插值法、高程插值法和相关系数法,对黄河源区温度和季节性冻土最大冻结深度以及封冻期起止时间进行分析,研究最大冻结深度与温度的相关关系。结果表明:黄河源区季节性冻土的最大冻结深度分布具有较明显的纬度分带性和垂直分布性,纬度较高地区大于纬度较低地区,海拔较高地区大于海拔较低地区。同时纬度高海拔高的地区相较于纬度低海拔低的地区来说,冻土冻结起始日出现的更早,解冻日出现的更晚,封冻期更长;黄河源区季节性冻土的冻结起止时间均发生了变化,大致表现为冻结起始时间延后,冻结消融时间提前,封冻期缩短,不同地区变化幅度有所不同,源区平均缩短速率为8 d/(10 a)。近20年来,源区绝大部分地区气温、地温和负积温均呈现不同程度的上升趋势,冻土最大冻结深度呈波动减小的趋势,最大冻土深度和冬季平均气温地温、周期内平均气温地温、负积温均呈负相关关系,其对负积温的响应最为显著,相关系数R=-0.762 7。这说明负积温每上升100℃,最大冻土深度将减少7.07 cm。

冻土土壤水分运动由于受到冻融过程的影响而显示其独特性,而目前对于不同类型冻土土壤水分入渗特性尚缺乏足够的认识。为此,以黄河源区康穷小盆地多下坡年冻土和上坡季节冻土区为例,结合季节降雨变化,基于大气降水、冻土土壤水分、冻结层上水等野外监测数据分析,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行土壤水分入渗模拟,对比分析了融化期多年冻土和季节冻土土壤水分运移过程的差异性,研究结果表明:(1)在快速融化阶段,降雨以地表径流为主,表层土壤水分含量增加,土壤下渗有限,冻结层上水位上升幅度较小;在稳定融化阶段,土壤水分含量增加,土壤水分下渗增强,受冻土层阻隔影响,多年冻土区冻结层上水水位上升幅度较大,季节冻土区土壤水分则以深层渗漏或侧向流动为主。(2)受到降雨强度、土壤质地、蒸散发、植被覆盖等因素的影响,降雨损失主要以地表径流为主,下坡各层土壤水分随冻结土壤融化自上而下逐渐增加并达到饱和状态,但上坡表层土壤不易达到饱水状态。(3)区域河流贯穿融区地下水发育,导致上坡冻结层上水位小幅度上升,下坡冻结层上水位的变化除受到降雨入渗的影响外,还受到融区地下水的影响,引起下坡冻结层上水位的快速上升。研究结果有助于深...

为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:(1)冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。(2)降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。(3)受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。

基于IPCC第五次评估报告预估的气温变化情景,采用数值模拟的方法对黄河源区典型冻土类型开展模拟,推算过去及预测未来黄河源区冻土分布空间变化过程和发展趋势。结果表明:1972-2012年源区多年冻土只有少部分发生退化,退化的冻土面积为833 km2,季节冻土主要集中在源区东南部的热曲谷地、小野马岭以及两湖流域南部的汤岔玛地带;RCP 2.6、RCP 6.0、RCP 8.5情景下,2050年多年冻土退化为季节冻土的面积差别不大,分别为2224 km2、2347 km2、2559 km2,占源区面积的7.5%、7.9%、8.6%;勒那曲、多曲、白马曲零星出现季节冻土,野牛沟、野马滩以及鄂陵湖东部的玛多四湖所在黄河低谷大片为季节冻土;2100年多年冻土退化为季节冻土的面积分别为5636 km2、9769 km2、15548 km2,占源区面积的19%、32.9%、52.3%;星宿海、尕玛勒滩、多格茸的多年冻土发生退化,低温冻土变为高温冻土,各...

采用黄河源区2012年8月—2013年7月的日尺度地温观测数据,运用含有水相变化的地下水运动的水-热耦合原理,利用SUTRA-ice软件建立了模拟冻土在冻融过程中温度场分布的二维模型,在校正模型参数的基础上,预测了未来情景下黄河源区多年冻土活动层厚度的变化情况。结果表明:黄河源区冻土活动层浅层地温最高为14℃,最低为-9.5℃,分别出现在7月、1月;土壤温度变幅从浅层20 cm到深层150 cm不断减小且存在滞后现象,与20 cm处的冻结日期相比,50、90、120、150 cm处分别滞后9、24、41、51 d;在假定升温率为0.04℃/a的情景下,黄河源区冻土活动层厚度由3.90 m增加到20 a后的5.86 m,增加率为9.8 cm/a。

鉴于黄河源区实测季节冻土最大冻结深度资料极其匮乏,基于1996～2008年黄河源区及其周边气象站点季节冻土数据,分析了季节冻土最大冻结深度与负积温的关系及时空变化规律,建立了最大冻结深度估算公式,对气温空间插值并由最大负积温和高程估算季节冻土最大冻结深度。结果表明,在季节冻土的迅速发展期,冻结下界深度与负积温呈线性相关;最大冻结深度和最大负积温相关性显著;最大负积温可反映季节冻土随时间的变化趋势;黄河源区仅阿尼玛卿山及其周边存在山地多年冻土,季节冻土最大冻结深度由西北向东南方向递减;气温较高年份中东部地区最大冻结深度明显变小,最大冻结深度小的地区对气候变暖更加敏感;1996～2007年间,最大冻结深度随时间推移呈减小趋势。