常啟昕，孫自永，2，馬　瑞，2，王　旭，龍 翔

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）盆地水文過(guò)程與濕地生態(tài)恢復(fù)學(xué)術(shù)創(chuàng)新基地，湖北武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院，湖北武漢 430074）

凍土區(qū)地下水流過(guò)程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究進(jìn)展

常啟昕1，孫自永1，2，馬瑞1，2，王旭3，龍 翔1

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）盆地水文過(guò)程與濕地生態(tài)恢復(fù)學(xué)術(shù)創(chuàng)新基地，湖北武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院，湖北武漢 430074）

針對(duì)地下水流過(guò)程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究中，凍土分布特征及融凍過(guò)程對(duì)地下水系統(tǒng)的影響機(jī)制相關(guān)研究較少的問(wèn)題，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外凍土區(qū)地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)、地下水流動(dòng)路徑和地下水熱耦合模型的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)地下水流過(guò)程及其與地表水轉(zhuǎn)化研究進(jìn)行綜述，認(rèn)為：①受土壤中凍土空間異質(zhì)性的影響，不同凍土區(qū)地下水對(duì)徑流的貢獻(xiàn)比例不一致；②利用水化學(xué)和同位素示蹤劑研究地下水流動(dòng)路徑，有助于凍土區(qū)地下水流動(dòng)系統(tǒng)概念模型的構(gòu)建，但只能獲得定性或半定量的結(jié)果；③地下多相流系統(tǒng)的水熱耦合模型可將凍土的變化與其相應(yīng)的水文響應(yīng)過(guò)程耦合在一起，實(shí)現(xiàn)了地下水流過(guò)程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系的定量刻畫(huà)，但在實(shí)用性方面仍需進(jìn)一步完善，是未來(lái)的主要研究方向。

凍土；地下水流；地表水地下水相互作用；環(huán)境示蹤劑；水熱耦合模型

冰凍圈是世界上許多大型河流的水源區(qū)，凍土作為其重要組成部分，在北半球占到裸露地表的50%［1］，其中多年凍土面積約占陸地總面積的20%～25%，主要分布于極地和極地附近的區(qū)域、緯度較低的高山帶以及高緯度地區(qū)的島嶼、山區(qū)［2］。多年凍土不僅對(duì)冰凍圈水文過(guò)程有著重要的影響［1，3］，而且對(duì)氣候變化的響應(yīng)極為敏感［4-5］。因此，對(duì)于源于冰凍圈的眾多河流，凍土區(qū)水文過(guò)程研究是了解其徑流形成機(jī)制與轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵，也是預(yù)測(cè)氣候變化和人類活動(dòng)影響下流域水文過(guò)程響應(yīng)的基礎(chǔ)。地下水流動(dòng)過(guò)程作為凍土區(qū)水文循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅對(duì)流域水資源和徑流形成具有控制作用，而且通過(guò)與地表水的相互作用，影響著凍土區(qū)地表水文過(guò)程，因此是凍土區(qū)水文學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。

與其他地區(qū)相比，凍土區(qū)的地下水流過(guò)程極為復(fù)雜和獨(dú)特。一方面，凍土層具有相對(duì)隔水層的特點(diǎn)，它的存在影響著地下水含水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制著地下水流動(dòng)系統(tǒng)［6］。在非連續(xù)凍土區(qū)，“透鏡狀”凍土層和“天窗狀”非凍土層的組合使得上述效應(yīng)尤其顯著，導(dǎo)致地下水在不同含水層間及地下與地表間發(fā)生頻繁轉(zhuǎn)化，使得地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄過(guò)程極為復(fù)雜［1，7］。另一方面，凍土又不如構(gòu)成含水系統(tǒng)及其邊界的地下巖層那樣穩(wěn)定，季節(jié)變換和氣候變化都會(huì)造成凍土層中水熱儲(chǔ)存和運(yùn)移規(guī)律的改變，使其發(fā)生周期性融凍甚至趨勢(shì)性演化［8-10］。凍土的這種動(dòng)態(tài)過(guò)程不僅會(huì)引起部分地下水在固、液相間轉(zhuǎn)化，影響參與到區(qū)域水循環(huán)中的水量，而且會(huì)導(dǎo)致凍土層厚度及其空間分布格局的變化［11-16］，造成含水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而影響地下水流動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得凍土區(qū)地下水流過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化較其他地區(qū)復(fù)雜。正是由于凍土區(qū)地下水流過(guò)程的重要性、獨(dú)特性和復(fù)雜性，使得其研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義。對(duì)凍土區(qū)地下水流過(guò)程及其與地表水相互作用的探討，不僅有助于深入了解徑流的形成機(jī)制和轉(zhuǎn)化過(guò)程，揭示氣候變化和人類活動(dòng)影響下凍土區(qū)水文過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制，為流域水資源的科學(xué)管理提供依據(jù)，而且可以推動(dòng)地下水系統(tǒng)理論的發(fā)展，豐富水文地質(zhì)學(xué)的知識(shí)體系。

近年來(lái)，凍土區(qū)地下水流動(dòng)過(guò)程的相關(guān)研究逐漸增多，但主要集中在凍土區(qū)地下水流動(dòng)過(guò)程的模擬及地下水與地表水間轉(zhuǎn)化關(guān)系的刻畫(huà)兩個(gè)方面，而凍土分布格局及融凍過(guò)程對(duì)地下水循環(huán)的影響機(jī)制則缺乏深入探討。筆者試圖通過(guò)總結(jié)凍土區(qū)地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)、地下水流動(dòng)路徑、地下水-熱耦合模型等方面的研究進(jìn)展，為凍土區(qū)地下水流過(guò)程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究提供新的思路。

1　凍土區(qū)地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)

凍土區(qū)地下水對(duì)河道徑流的補(bǔ)給是近年來(lái)地下水與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究中的熱點(diǎn)。已有研究表明，多年凍土區(qū)年均徑流系數(shù)高于非凍土區(qū)，后者一般為0.2～0.3，前者可達(dá)到甚至超過(guò)0.7［2］。導(dǎo)致這種差異的主要原因是多年凍土區(qū)地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)與非凍土區(qū)不同［2，9］。而隨著氣候變暖，凍土的退化可能造成更多的地下水排泄進(jìn)入河道，導(dǎo)致徑流系數(shù)的變化［9-11］。因此，作為冰凍圈的重要組成部分，凍土區(qū)地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)研究具有重要的意義。

目前地下水對(duì)河道徑流貢獻(xiàn)的研究主要采用基流分割法［17-18］。傳統(tǒng)研究多采用直接分割法（又稱圖解法），包括直線分割法、庫(kù)捷林法、退水曲線法。該方法以流量過(guò)程線的起漲點(diǎn)和退水段拐點(diǎn)之間的連線作為基流與地表水的劃分依據(jù)，忽略了流域條件及徑流組成的差異，具有較強(qiáng)的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性，精度難以保證［18-21］。在此條件下，新的基流分割法應(yīng)運(yùn)而生，主要包括水量平衡法、時(shí)間序列法、示蹤劑法。其中，水量平衡法包括參數(shù)分割法和水文模擬法，是依據(jù)水量平衡原理求解地下水出流過(guò)程的方法，有一定的物理基礎(chǔ)，但其參數(shù)難以確定，缺乏適用性和可靠性。時(shí)間序列法包括基流指數(shù)法、數(shù)字濾波法、平滑最小值法、時(shí)間步長(zhǎng)法等，多為模仿人工分割流量過(guò)程線的數(shù)學(xué)方法，易于采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算，克服了人工方法的主觀性，但沒(méi)有嚴(yán)格的物理意義，使其應(yīng)用受到限制［17-21］。示蹤劑法則以較常見(jiàn)的環(huán)境同位素作為天然示蹤劑，并與水化學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而劃分不同徑流成分的組成比例，該方法基于質(zhì)量守恒和同位素濃度守恒，克服了以上方法的缺點(diǎn)，在理論基礎(chǔ)和實(shí)踐操作上都顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)［20，22-24］。正因如此，基于水化學(xué)和同位素示蹤劑的徑流分割方法是目前研究?jī)鐾羺^(qū)地下水對(duì)河道徑流貢獻(xiàn)所采用的主要方法。

早在20世紀(jì)初就有部分研究認(rèn)為：凍土具有低滲透性，通常會(huì)限制降水入滲，并促進(jìn)坡面流的產(chǎn)生；凍土區(qū)地下水主要以固態(tài)形式儲(chǔ)存在凍土層中，只有近地表活動(dòng)層中的地下水有可能排泄進(jìn)入河道，但水量極小［25-26］。因此，這些研究推斷凍土區(qū)河道徑流主要由降水轉(zhuǎn)化成的地表徑流補(bǔ)給，地下徑流的補(bǔ)給也主要來(lái)自于活動(dòng)層，深層地下水的補(bǔ)給量很少［27］。但該觀點(diǎn)只被少數(shù)水化學(xué)和同位素的實(shí)地示蹤研究所證實(shí)［28-29］。

自20世紀(jì)70年代引入水化學(xué)和同位素示蹤法以后，大量同位素徑流分割研究得以開(kāi)展，并得出了與早期研究不一致的結(jié)論——凍土區(qū)地下水是河道徑流的主要組成部分。Obradovic等［30］、Gibson等［31］、Metcalfe等［32］的研究發(fā)現(xiàn)：整個(gè)融雪期間，凍土區(qū)地下水的補(bǔ)給量占河道徑流總量的50%左右；Carey等［33］、Boucher等［34］發(fā)現(xiàn)地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)比例超過(guò)70%。對(duì)于凍土區(qū)地下水在河道徑流中占有較高比例的原因，通常認(rèn)為是隨著凍土逐漸解凍，釋放水分的同時(shí)改變了土層的滲透性，使更多的降水得以下滲，從而增大了地下水的排出量［30，32-33］。Gibson等［31］指出，造成地下水對(duì)河道徑流貢獻(xiàn)比例較高的主要原因是融雪水入滲后與活動(dòng)層中地下水的混合，此外，有機(jī)層和礦質(zhì)層分界面處的管道流可能是另外一個(gè)重要原因。部分示蹤研究還發(fā)現(xiàn)，凍土區(qū)地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)隨著季節(jié)的變化而變化［35］。很多研究還報(bào)道了全球氣候變暖背景下，凍土消融造成地下水對(duì)大型河流徑流量貢獻(xiàn)的增大，如加拿大的育空河、俄羅斯的鄂畢河、葉尼塞河和勒拿河等［36］。在過(guò)去30年里，由于凍土消融，地下水對(duì)加拿大育空河的年貢獻(xiàn)率增大了1%，加拿大西北地區(qū)多個(gè)大型河流的冬季基流甚至增加了0.5%～272%［36-37］。

Carey等［27］、Boucher等［34］認(rèn)為，凍土區(qū)土壤性狀（尤其是含冰量）的空間異質(zhì)性可能是造成上述分歧的主要原因。這種異質(zhì)性導(dǎo)致不同流域內(nèi)水文過(guò)程的響應(yīng)方式出現(xiàn)了差異，流域間不具有可比性。此外，基于示蹤劑的徑流分割方法本身的限制性可能是更深層次的原因：該方法將整個(gè)流域作為“黑箱”處理，僅根據(jù)水文輸入和輸出間的關(guān)系來(lái)確定地下水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)，對(duì)凍土區(qū)地下水流過(guò)程，特別是地下水的補(bǔ)給來(lái)源、流動(dòng)路徑及其與土壤水和地表水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系等未做深入探索，因而無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)地下水向河道的排泄過(guò)程。

2　凍土區(qū)地下水流動(dòng)路徑

地下水流動(dòng)路徑的研究，對(duì)識(shí)別地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，了解地下水流過(guò)程及構(gòu)建地下水流的概念模型等具有重要意義。但在凍土區(qū)，凍土層的存在使地下水流過(guò)程極為復(fù)雜和獨(dú)特。在連續(xù)多年凍土區(qū)，地下水的流動(dòng)主要受區(qū)域地形控制，無(wú)論是凍土層上水還是層下水，總體上以水平徑流的形式從地勢(shì)較高處流向河谷洼地，但局部地區(qū)又受微地形地貌及凍土特征的影響。在不連續(xù)或島狀多年凍土區(qū)，地下水除了水平徑流外，還有縱向徑流［38］。由此可知，具有不同地形地貌背景的凍土區(qū)，地下水流動(dòng)路徑可能各不相同。

凍土區(qū)大多位置偏遠(yuǎn)且生活條件艱苦，地質(zhì)和水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料往往比較匱乏［15］，難以進(jìn)行地下水含水系統(tǒng)和流動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直接刻畫(huà)。相對(duì)而言，利用泉水和地表水的水化學(xué)和同位素特征來(lái)反演地下水流路徑更具優(yōu)勢(shì)［39］。因此，凍土區(qū)地下水流路徑的已有研究多采用水化學(xué)和同位素示蹤的方法。在凍土區(qū)，凍土層上水、層間水和層下水具有不同的補(bǔ)給來(lái)源、滯留時(shí)間，且接觸不同的地層，所處的水文地球化學(xué)環(huán)境和經(jīng)歷的水巖相互作用也各不相同，所以各層地下水的化學(xué)和同位素特征存在著明顯差異，與地表水和土壤水的特征也不盡相同［35］，這種差異性為利用同位素和反應(yīng)溶質(zhì)示蹤劑研究地下水流動(dòng)路徑奠定了基礎(chǔ)。

早期的凍土區(qū)地下水流動(dòng)路徑示蹤研究多采用pH值、電導(dǎo)率、主要離子等常規(guī)化學(xué)參數(shù)作為示蹤劑。由于部分參數(shù)“活性”過(guò)強(qiáng)，即集水區(qū)內(nèi)多種過(guò)程都可能影響其變化，使得這些參數(shù)與流動(dòng)路徑間不具有唯一對(duì)應(yīng)性，在指示地下水流動(dòng)路徑時(shí)常存在多解，難以對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋［40-41］。因此，采用對(duì)地下水流動(dòng)路徑具有唯一標(biāo)記性的示蹤劑就成為準(zhǔn)確刻畫(huà)地下水流動(dòng)路徑的關(guān)鍵。

在滿足上述條件的示蹤劑中，應(yīng)用較早和較廣的是可溶性SiO2［36］?？扇苄許iO2隨水流在流域內(nèi)遷移時(shí)濃度穩(wěn)定，只在水與礦質(zhì)土接觸時(shí)才會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而改變濃度，反應(yīng)速率快且可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡［42］。因此，可溶性SiO2可用于指示水流是否經(jīng)過(guò)礦質(zhì)層，從而指示水流路徑。與之相反的則是可溶性有機(jī)碳（DOC）［43］。在地表水及淺層土壤水中，因水流與近地表土壤中的有機(jī)層接觸，導(dǎo)致DOC濃度較高；在埋藏相對(duì)較深的地下水中，因水流在補(bǔ)給到地下含水層之前，往往流經(jīng)礦質(zhì)土，后者的化學(xué)吸收及生物作用使得DOC在地下水中濃度降低［27，44-46］。當(dāng)流域內(nèi)凍土消融，會(huì)促使地下水流動(dòng)路徑變深，增大水與礦物交換時(shí)間，從而使DOC濃度降低而其他離子濃度增加。因此，DOC常和Ca2+、Mg2+、Na+等離子聯(lián)合指示凍土區(qū)水流路徑［33-34，36，47］。Petrone等［47］利用2000—2001年2個(gè)水文年觀測(cè)的DOC和Ca2+、Mg2+、K+及Na+濃度，對(duì)阿拉斯加2個(gè)流域的地下水流動(dòng)路徑進(jìn)行了對(duì)比研究。Wickland等［48］研究了美國(guó)阿拉斯加育空河及其2條支流，根據(jù)可降解的溶解有機(jī)碳（BDOC）和溶解有機(jī)物（DOM）化學(xué)組成的差異，指示了河道徑流里來(lái)自不同徑流途徑的成分。

基質(zhì)遭受到的風(fēng)化作用通常隨深度增加而減弱，但不同元素組成的礦物質(zhì)具有不同的抗風(fēng)化能力，所以地下介質(zhì)中可溶性的元素比值，如Ba/Sr、Ca/Sr、Ca/Na和Ca/Ba等通常隨深度增加而呈現(xiàn)趨勢(shì)性變化，從而可以指示地下水的流動(dòng)路徑［43，49-50］。例如，Land等［51］利用Ba/Sr比和Ca/Sr比區(qū)分出融雪期間地下徑流的3種流動(dòng)路徑。任東興等［52］在青藏高原長(zhǎng)江源區(qū)發(fā)育多年凍土的風(fēng)火山流域開(kāi)展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)來(lái)自融雪和凍土融水的徑流水化學(xué)成分不同，可以用來(lái)區(qū)分河道徑流的補(bǔ)給來(lái)源。

同位素方法在凍土區(qū)水流路徑的示蹤研究中也得到了不同程度的應(yīng)用［39］。Mcintosh等［53］在歐洲和北美地區(qū)，通過(guò)D、18O和14C等同位素來(lái)區(qū)分凍土消融釋放的地下水和其他來(lái)源的地下水。Bagard等［54］利用主要化學(xué)組分、微量元素、Sr和U同位素分析了西伯利亞凍土區(qū)河道徑流補(bǔ)給來(lái)源的季節(jié)性變化，發(fā)現(xiàn)春汛期間河道徑流主要由在土壤有機(jī)層中流動(dòng)的地表徑流補(bǔ)給，夏季和秋季主要由經(jīng)歷顯著水巖作用的淺層地下徑流補(bǔ)給，冬季則由深層地下水補(bǔ)給。Casanova等［55］用B同位素作為示蹤劑，研究了芬蘭和瑞士?jī)鐾羺^(qū)不同場(chǎng)地內(nèi)地下水的凍結(jié)過(guò)程對(duì)其補(bǔ)給和排泄的影響。此外，34S、13C、15N等反應(yīng)溶質(zhì)同位素也可用來(lái)指示流域內(nèi)水的流動(dòng)路徑。例如，由于土壤有機(jī)層中的微生物作用活躍，淺層地下徑流中可溶性無(wú)機(jī)碳（DIC）的δ13C值常較深層地下水低，所以可用于識(shí)別多年凍土區(qū)不同深度的地下徑流［56］。

雖然同位素和水化學(xué)示蹤法自20世紀(jì)70年代起就被廣泛用于水文地質(zhì)學(xué)研究中，且顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但在凍土區(qū)地下水流動(dòng)路徑研究中的應(yīng)用還相對(duì)較少，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。此外，該方法自身也存在著一些局限性，具體體現(xiàn)在該方法只能得到定性或半定量的結(jié)果；因影響凍土區(qū)水文地球化學(xué)過(guò)程或同位素豐度的因素眾多，研究結(jié)果常具有多解性；使用時(shí)需滿足一定的假設(shè)條件，否則會(huì)使研究結(jié)果產(chǎn)生不確定性。例如，Sklash等［57］、Uhlenbrook等［58］指出，在利用水穩(wěn)定同位素建立二元混合模型進(jìn)行徑流分割時(shí)，有5種潛在的誤差來(lái)源會(huì)造成分割結(jié)果的不確定性。目前，示蹤法的不確定性研究已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，許多學(xué)者致力于開(kāi)發(fā)更為準(zhǔn)確的不確定性評(píng)價(jià)方法，部分學(xué)者則通過(guò)改進(jìn)徑流分割模型，力圖消除或降低這種不確定性，基于水穩(wěn)定同位素的融雪徑流分割，提出了一種新的同位素輸入值校正法RunCE（runoff-corrected event water approach），該方法可降低因融雪水的時(shí)程變化所帶來(lái)的誤差［59］?？傮w而言，盡管水化學(xué)和同位素示蹤方法在水分來(lái)源的定量識(shí)別中存在著一定的限制性，但卻有助于概念模型的構(gòu)建（在偏遠(yuǎn)高海拔地區(qū)，甚至是形成概念性認(rèn)識(shí)的唯一手段），從而為數(shù)值模型的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

3　凍土區(qū)地下水熱耦合模型

構(gòu)建凍土區(qū)地下多相流系統(tǒng)數(shù)值模型，不僅可以更精確地刻畫(huà)凍土區(qū)地下水流動(dòng)過(guò)程，反映地下水與地表水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，揭示凍土分布特征對(duì)地下水系統(tǒng)的影響機(jī)制，進(jìn)而提升流域水資源形成及其轉(zhuǎn)化機(jī)制的認(rèn)知水平，還可為氣候變化和人類活動(dòng)影響下凍土區(qū)水文過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制研究提供支撐，為流域水資源的管理提供依據(jù)［2，60］。

目前，在凍土區(qū)開(kāi)展的水文試驗(yàn)和觀測(cè)逐漸增多，但建立的基于物理過(guò)程且適用于凍土區(qū)的數(shù)值模型仍然較少［15］。已有的SHAW［61］、COUP［62］、SWATMOD［63］等水文模型側(cè)重于對(duì)地表徑流或土壤水的模擬，對(duì)地下水流過(guò)程考慮較少［64-66］。HydroGeoSphere［65，67］和GSFLOW［68］等模型雖然包含了地下水流過(guò)程，但忽略了水的物理相變（孔隙水凍結(jié)和融化過(guò)程）及其引起的相關(guān)變化。

近幾年，凍土區(qū)地下水-熱耦合數(shù)值模型日漸興起。其中，部分模型考慮到了水的不同相態(tài)，以及因凍土凍融引起的孔隙率和滲透性的變化。例如，為分析凍土對(duì)季節(jié)性和長(zhǎng)期溫度變化的水文響應(yīng)，Ge等［11］利用美國(guó)地調(diào)局開(kāi)發(fā)的SUTRA軟件建立了青藏高原北部?jī)鐾辽絽^(qū)流域的二維剖面地下水流和熱傳導(dǎo)耦合模型。該模型考慮了水的物理相變對(duì)滲透性的影響，模擬結(jié)果表明，隨著氣候變暖，凍土區(qū)地下水向河谷的排泄量增大。Bense等［12］建立了一個(gè)假想的、由地形驅(qū)動(dòng)的多級(jí)次松散沉積物含水系統(tǒng)的二維剖面模型，并用于預(yù)測(cè)地表變暖情形下高緯度地區(qū)凍土融化對(duì)水文地質(zhì)過(guò)程的影響。該模型考慮了非穩(wěn)定狀態(tài)下的熱傳輸和水流運(yùn)移，并考慮了凍土融凍過(guò)程中的滲透性變化。模擬結(jié)果表明，無(wú)論是凍土消融過(guò)程中含水介質(zhì)滲透性的增大，抑或凍土層下水水頭上升造成的含水層儲(chǔ)水量的釋放，都會(huì)導(dǎo)致河道基流的增加。Provost等［69］針對(duì)北歐凍土區(qū)建立了長(zhǎng)度為1500 km的地下水流二維剖面模型，預(yù)測(cè)了未來(lái)140 ka內(nèi)由氣候變化所引起的地下水流過(guò)程的變化。模型中，凍土厚度變化的模擬與水流的模擬是分離的，且未考慮凍土凍融過(guò)程中引起的滲透性的變化。

需要指出的是，上述研究建立的水-熱耦合模型大多屬于理想條件下的假想模型，主要用于推斷氣候變暖情景下凍土層在較長(zhǎng)時(shí)間尺度下的演變及其對(duì)地下水循環(huán)的影響，而針對(duì)具體研究地點(diǎn)的實(shí)際地下水系統(tǒng)的實(shí)證計(jì)算和模擬比較缺乏，且對(duì)模型的校正及后續(xù)驗(yàn)證研究也不夠深入。為更好地揭示凍土區(qū)地下水流過(guò)程，精確計(jì)算地下水資源量及基流對(duì)河道的補(bǔ)給量，需要通過(guò)更多的實(shí)證研究提升模型的實(shí)用性。

4　討論與展望

綜上所述，受凍土區(qū)惡劣的研究條件以及傳統(tǒng)基流分割方法缺陷的限制，水化學(xué)和同位素示蹤方法仍是目前研究?jī)鐾羺^(qū)地下水流過(guò)程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系的主要手段。然而，凍土分布特征以及融凍過(guò)程對(duì)地下水循環(huán)和河道徑流形成的影響機(jī)制極為復(fù)雜，不僅會(huì)引起部分地下水在固液相間轉(zhuǎn)化，而且會(huì)造成凍土層厚度和分布格局的變化，即引起地下水含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄過(guò)程。因此，凍土對(duì)地下水系統(tǒng)的影響也是凍土區(qū)地下水過(guò)程及其效應(yīng)研究的難點(diǎn)所在，如何準(zhǔn)確地刻畫(huà)凍土分布特征和凍融過(guò)程對(duì)地下水含水系統(tǒng)和流動(dòng)系統(tǒng)的影響是該研究要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。今后應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

a.凍土區(qū)基礎(chǔ)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的積累。凍土區(qū)通常處于高海拔或低緯度偏遠(yuǎn)地區(qū)，水文與水文地質(zhì)調(diào)查工作難以開(kāi)展，長(zhǎng)期的野外監(jiān)測(cè)工作難以維持［53］，這必然導(dǎo)致基礎(chǔ)資料的匱乏，從而限制凍土區(qū)地下水流過(guò)程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究的開(kāi)展。因此，建議從以下兩方面進(jìn)行完善：①在凍土區(qū)合理布設(shè)新的水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)孔，并整合已有的監(jiān)測(cè)孔，構(gòu)建地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行水位、水溫、水化學(xué)和同位素等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；②開(kāi)展系統(tǒng)的水文地質(zhì)調(diào)查，除了調(diào)查氣象、水文、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、地下水環(huán)境、特殊類型地下水等常規(guī)內(nèi)容外，還應(yīng)增加凍土相關(guān)的內(nèi)容，如多年凍土和季節(jié)性凍土的分布特征、凍土的融凍規(guī)律、活動(dòng)層的厚度、凍土層上層間層下水的聯(lián)系等。

b.水化學(xué)與同位素示蹤結(jié)果的不確定性分析。具體來(lái)講，一是繼續(xù)完善不確定性的評(píng)價(jià)模型，盡可能全面地考慮示蹤研究中所有參數(shù)及各個(gè)環(huán)節(jié)的潛在誤差，分析示蹤法各假定條件的滿足程度，從而對(duì)示蹤結(jié)果的合理性和可信度形成清醒認(rèn)識(shí)；二是從采樣點(diǎn)的布設(shè)、采樣與測(cè)試環(huán)節(jié)的控制，以及徑流分割模型的改進(jìn)等多個(gè)方面著手，探索降低或消除不確定性的途徑，如通過(guò)對(duì)模型輸入項(xiàng)的校正［70］，降低時(shí)程效應(yīng)帶來(lái)的不確定性［22］，或者利用輔助示蹤劑［71-72］、溫度、水位等多源數(shù)據(jù)［73］來(lái)共同約束分割模型。

c.凍土區(qū)水-熱耦合模型的實(shí)用性。目前，考慮水在不同相態(tài)間變化和凍土融凍過(guò)程中滲透性能變化的凍土區(qū)地下水熱耦合模型研究剛剛起步［4，10-11］，多數(shù)模型是對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行極度簡(jiǎn)化處理后的理想模型［61-68］，主要用于預(yù)測(cè)氣候變化下凍土的消融對(duì)地下水流過(guò)程和水資源的可能影響。這些模型往往很少校正或不校正，故難以用于具體地區(qū)的實(shí)際地下水流的模擬及水資源量的計(jì)算。關(guān)于凍土區(qū)水熱耦合模型實(shí)用性的改進(jìn)，將來(lái)有兩個(gè)方向值得注意：①針對(duì)具體研究區(qū)域構(gòu)建三維的實(shí)際模型，用于地下水流動(dòng)過(guò)程刻畫(huà)、數(shù)據(jù)整合和結(jié)果預(yù)測(cè)。在構(gòu)建模型的過(guò)程中，關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是水文尺度的轉(zhuǎn)化，即將點(diǎn)（井）上獲取的參數(shù)通過(guò)空間技術(shù)［74-75］擴(kuò)展到面上。異質(zhì)性的精確刻畫(huà)則可能是面臨的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)，它不僅會(huì)在模擬面積較大或高差較大的流域內(nèi)出現(xiàn)，在模擬規(guī)模較小但存在多種類型的地下水（凍土層上水、層間水、層下承壓水、層下無(wú)壓水等）、不同類型的凍土區(qū)（連續(xù)多年凍土區(qū)、不連續(xù)多年凍土區(qū)、季節(jié)性凍土區(qū)）或凍土與凍巖皆可能構(gòu)成含水介質(zhì)的流域內(nèi)也會(huì)遇到［76］?？赡艿耐黄品较蚴墙鐾羺^(qū)水文地質(zhì)試驗(yàn)場(chǎng)，開(kāi)展多手段、高精度的試驗(yàn)，獲取模型所需的相關(guān)參數(shù)，同時(shí)形成凍土區(qū)含水介質(zhì)異質(zhì)性的理論認(rèn)識(shí)。②在模型的構(gòu)建和校正過(guò)程中，充分利用多源數(shù)據(jù)，以提高模型的可靠性。如基于地下水流動(dòng)路徑的示蹤結(jié)果構(gòu)建凍土區(qū)地下水流概念模型，開(kāi)展少量水文地質(zhì)調(diào)查和試驗(yàn)以獲取模型所需的水力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，將河道徑流的同位素分割結(jié)果作為模型的約束條件，用水位、流量、水溫等野外自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校正。

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A review of groundwater flow and its interaction with surface water in permafrost region

CHANG Qixin1，SUN Ziyong1，2，MA Rui1，2，WANG Xu3，LONG Xiang1
（1.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Laboratory of Basin Hydrology and Wetland Eco-restoration，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；3.School of Public Administration，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Based on a few studies concerning permafrost distribution and mechanisms of the freezing-thawing cycle of active layers influencing groundwater system in terms of groundwater flow and its interaction with surface water in permafrost region，this paper reviews the knowledge of groundwater flow and its interaction with surface water by analyzing studies of the contribution of groundwater flow to channel runoff，groundwater flow paths，and coupled flow and heat transport models. The results indicate that the contribution of groundwater flow to channel runoff varies greatly in different permafrost regions due to the spatial heterogeneity of permafrost.Although identification of groundwater flow paths based on chemical and isotopic tracers will help establish conceptual model of groundwater flow system in permafrost region，however，the analysis results are qualitative or semi-quantitative.Moreover，coupled flow and heat transport models of multi-phase groundwater，which link the vibration of permafrost and the hydrological response process，have already made it possible to quantify groundwater flow processes and groundwater's interaction with surface water.Future research should devote more attention to improving the practicability of the models in actual catchments.

permafrost；groundwater flow；groundwater-surface water interaction；environmental tracer；coupled flow and heat transport model

P641

A

10067647（2016）05008708

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.016

國(guó)家自然科學(xué)基金（91325101，91125009）；國(guó)家自然科學(xué)青年基金（41401076）

常啟昕（1987—），男，博士研究生，主要從事水文地質(zhì)研究。E-mail：changqixin@hotmail.com

孫自永（1978—），男，副教授，主要從事生態(tài)水文研究。E-mail：ziyong.sun@cug.edu.cn

（20150723 編輯：駱超）