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

常啟昕，孫自永，2，馬　瑞，2，王　旭，龍 翔

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院，湖北武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學（武漢）盆地水文過程與濕地生態(tài)恢復學術(shù)創(chuàng)新基地，湖北武漢 430074；3.中國地質(zhì)大學（武漢）公共管理學院，湖北武漢 430074）

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

常啟昕1，孫自永1，2，馬瑞1，2，王旭3，龍 翔1

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院，湖北武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學（武漢）盆地水文過程與濕地生態(tài)恢復學術(shù)創(chuàng)新基地，湖北武漢 430074；3.中國地質(zhì)大學（武漢）公共管理學院，湖北武漢 430074）

針對地下水流過程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究中，凍土分布特征及融凍過程對地下水系統(tǒng)的影響機制相關(guān)研究較少的問題，通過分析國內(nèi)外凍土區(qū)地下水對河道徑流的貢獻、地下水流動路徑和地下水熱耦合模型的相關(guān)文獻，對地下水流過程及其與地表水轉(zhuǎn)化研究進行綜述，認為：①受土壤中凍土空間異質(zhì)性的影響，不同凍土區(qū)地下水對徑流的貢獻比例不一致；②利用水化學和同位素示蹤劑研究地下水流動路徑，有助于凍土區(qū)地下水流動系統(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的水文響應過程耦合在一起，實現(xiàn)了地下水流過程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系的定量刻畫，但在實用性方面仍需進一步完善，是未來的主要研究方向。

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］。多年凍土不僅對冰凍圈水文過程有著重要的影響［1，3］，而且對氣候變化的響應極為敏感［4-5］。因此，對于源于冰凍圈的眾多河流，凍土區(qū)水文過程研究是了解其徑流形成機制與轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵，也是預測氣候變化和人類活動影響下流域水文過程響應的基礎。地下水流動過程作為凍土區(qū)水文循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅對流域水資源和徑流形成具有控制作用，而且通過與地表水的相互作用，影響著凍土區(qū)地表水文過程，因此是凍土區(qū)水文學研究的核心內(nèi)容之一。

與其他地區(qū)相比，凍土區(qū)的地下水流過程極為復雜和獨特。一方面，凍土層具有相對隔水層的特點，它的存在影響著地下水含水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進而控制著地下水流動系統(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尤其顯著，導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，使得地下水的補給、徑流和排泄過程極為復雜［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造成凍土層中水熱儲存和運移規(guī)律的改變，使其發(fā)生周期性融凍甚至趨勢性演化［8-10］。凍土的這種動態(tài)過程不僅會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，而且會導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，進而影響地下水流動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得凍土區(qū)地下水流過程的動態(tài)變化較其他地區(qū)復雜。正是由于凍土區(qū)地下水流過程的重要性、獨特性和復雜性，使得其研究具有重要的實用價值和科學意義。對凍土區(qū)地下水流過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制和轉(zhuǎn)化過程，揭示氣候變化和人類活動影響下凍土區(qū)水文過程的響應機制，為流域水資源的科學管理提供依據(jù)，而且可以推動地下水系統(tǒng)理論的發(fā)展，豐富水文地質(zhì)學的知識體系。

近年來，凍土區(qū)地下水流動過程的相關(guān)研究逐漸增多，但主要集中在凍土區(qū)地下水流動過程的模擬及地下水與地表水間轉(zhuǎn)化關(guān)系的刻畫兩個方面，而凍土分布格局及融凍過程對地下水循環(huán)的影響機制則缺乏深入探討。筆者試圖通過總結(jié)凍土區(qū)地下水對河道徑流的貢獻、地下水流動路徑、地下水-熱耦合模型等方面的研究進展，為凍土區(qū)地下水流過程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究提供新的思路。

1　凍土區(qū)地下水對河道徑流的貢獻

凍土區(qū)地下水對河道徑流的補給是近年來地下水與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究中的熱點。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，前者可達到甚至超過0.7［2］。導致這種差異的主要原因是多年凍土區(qū)地下水對河道徑流的貢獻與非凍土區(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入河道，導致徑流系數(shù)的變化［9-11］。因此，作為冰凍圈的重要組成部分，凍土區(qū)地下水對河道徑流的貢獻研究具有重要的意義。

目前地下水對河道徑流貢獻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、庫捷林法、退水曲線法。該方法以流量過程線的起漲點和退水段拐點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，具有較強的主觀性和經(jīng)驗性，精度難以保證［18-21］。在此條件下，新的基流分割法應運而生，主要包括水量平衡法、時間序列法、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程的方法，有一定的物理基礎，但其參數(shù)難以確定，缺乏適用性和可靠性。時間序列法包括基流指數(shù)法、數(shù)字濾波法、平滑最小值法、時間步長法等，多為模仿人工分割流量過程線的數(shù)學方法，易于采用計算機來實現(xiàn)復雜的計算，克服了人工方法的主觀性，但沒有嚴格的物理意義，使其應用受到限制［17-21］。示蹤劑法則以較常見的環(huán)境同位素作為天然示蹤劑，并與水化學數(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，在理論基礎和實踐操作上都顯示出其獨特的優(yōu)點［20，22-24］。正因如此，基于水化學和同位素示蹤劑的徑流分割方法是目前研究凍土區(qū)地下水對河道徑流貢獻所采用的主要方法。

早在20世紀初就有部分研究認為：凍土具有低滲透性，通常會限制降水入滲，并促進坡面流的產(chǎn)生；凍土區(qū)地下水主要以固態(tài)形式儲存在凍土層中，只有近地表活動層中的地下水有可能排泄進入河道，但水量極?。?5-26］。因此，這些研究推斷凍土區(qū)河道徑流主要由降水轉(zhuǎn)化成的地表徑流補給，地下徑流的補給也主要來自于活動層，深層地下水的補給量很少［27］。但該觀點只被少數(shù)水化學和同位素的實地示蹤研究所證實［28-29］。

自20世紀70年代引入水化學和同位素示蹤法以后，大量同位素徑流分割研究得以開展，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)：整個融雪期間，凍土區(qū)地下水的補給量占河道徑流總量的50%左右；Carey等［33］、Boucher等［34］發(fā)現(xiàn)地下水對河道徑流的貢獻比例超過70%。對于凍土區(qū)地下水在河道徑流中占有較高比例的原因，通常認為是隨著凍土逐漸解凍，釋放水分的同時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，造成地下水對河道徑流貢獻比例較高的主要原因是融雪水入滲后與活動層中地下水的混合，此外，有機層和礦質(zhì)層分界面處的管道流可能是另外一個重要原因。部分示蹤研究還發(fā)現(xiàn)，凍土區(qū)地下水對河道徑流的貢獻隨著季節(jié)的變化而變化［35］。很多研究還報道了全球氣候變暖背景下，凍土消融造成地下水對大型河流徑流量貢獻的增大，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］。在過去30年里，由于凍土消融，地下水對加拿大育空河的年貢獻率增大了1%，加拿大西北地區(qū)多個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)性導致不同流域內(nèi)水文過程的響應方式出現(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)系來確定地下水對河道徑流的貢獻，對凍土區(qū)地下水流過程，特別是地下水的補給來源、流動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，因而無法準確刻畫地下水向河道的排泄過程。

2　凍土區(qū)地下水流動路徑

地下水流動路徑的研究，對識別地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，了解地下水流過程及構(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程極為復雜和獨特。在連續(xù)多年凍土區(qū)，地下水的流動主要受區(qū)域地形控制，無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)，地下水流動路徑可能各不相同。

凍土區(qū)大多位置偏遠且生活條件艱苦，地質(zhì)和水文地質(zhì)基礎資料往往比較匱乏［15］，難以進行地下水含水系統(tǒng)和流動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直接刻畫。相對而言，利用泉水和地表水的水化學和同位素特征來反演地下水流路徑更具優(yōu)勢［39］。因此，凍土區(qū)地下水流路徑的已有研究多采用水化學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給來源、滯留時間，且接觸不同的地層，所處的水文地球化學環(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溶質(zhì)示蹤劑研究地下水流動路徑奠定了基礎。

早期的凍土區(qū)地下水流動路徑示蹤研究多采用pH值、電導率、主要離子等常規(guī)化學參數(shù)作為示蹤劑。由于部分參數(shù)“活性”過強，即集水區(qū)內(nèi)多種過程都可能影響其變化，使得這些參數(shù)與流動路徑間不具有唯一對應性，在指示地下水流動路徑時常存在多解，難以對結(jié)果進行解釋［40-41］。因此，采用對地下水流動路徑具有唯一標記性的示蹤劑就成為準確刻畫地下水流動路徑的關(guān)鍵。

在滿足上述條件的示蹤劑中，應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)遷移時濃度穩(wěn)定，只在水與礦質(zhì)土接觸時才會發(fā)生化學反應從而改變濃度，反應速率快且可在短時間內(nèi)達到平衡［42］。因此，可溶性SiO2可用于指示水流是否經(jīng)過礦質(zhì)層，從而指示水流路徑。與之相反的則是可溶性有機碳（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層接觸，導致DOC濃度較高；在埋藏相對較深的地下水中，因水流在補給到地下含水層之前，往往流經(jīng)礦質(zhì)土，后者的化學吸收及生物作用使得DOC在地下水中濃度降低［27，44-46］。當流域內(nèi)凍土消融，會促使地下水流動路徑變深，增大水與礦物交換時間，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個水文年觀測的DOC和Ca2+、Mg2+、K+及Na+濃度，對阿拉斯加2個流域的地下水流動路徑進行了對比研究。Wickland等［48］研究了美國阿拉斯加育空河及其2條支流，根據(jù)可降解的溶解有機碳（BDOC）和溶解有機物（DOM）化學組成的差異，指示了河道徑流里來自不同徑流途徑的成分。

基質(zhì)遭受到的風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)趨勢性變化，從而可以指示地下水的流動路徑［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種流動路徑。任東興等［52］在青藏高原長江源區(qū)發(fā)育多年凍土的風火山流域開展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)來自融雪和凍土融水的徑流水化學成分不同，可以用來區(qū)分河道徑流的補給來源。

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用［39］。Mcintosh等［53］在歐洲和北美地區(qū)，通過D、18O和14C等同位素來區(qū)分凍土消融釋放的地下水和其他來源的地下水。Bagard等［54］利用主要化學組分、微量元素、Sr和U同位素分析了西伯利亞凍土區(qū)河道徑流補給來源的季節(jié)性變化，發(fā)現(xiàn)春汛期間河道徑流主要由在土壤有機層中流動的地表徑流補給，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給，冬季則由深層地下水補給。Casanova等［55］用B同位素作為示蹤劑，研究了芬蘭和瑞士凍土區(qū)不同場地內(nèi)地下水的凍結(jié)過程對其補給和排泄的影響。此外，34S、13C、15N等反應溶質(zhì)同位素也可用來指示流域內(nèi)水的流動路徑。例如，由于土壤有機層中的微生物作用活躍，淺層地下徑流中可溶性無機碳（DIC）的δ13C值常較深層地下水低，所以可用于識別多年凍土區(qū)不同深度的地下徑流［56］。

雖然同位素和水化學示蹤法自20世紀70年代起就被廣泛用于水文地質(zhì)學研究中，且顯示了其獨特的優(yōu)勢，但在凍土區(qū)地下水流動路徑研究中的應用還相對較少，有待進一步加強。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)水文地球化學過程或同位素豐度的因素眾多，研究結(jié)果常具有多解性；使用時需滿足一定的假設條件，否則會使研究結(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行徑流分割時，有5種潛在的誤差來源會造成分割結(jié)果的不確定性。目前，示蹤法的不確定性研究已引起國內(nèi)外學者的重視，許多學者致力于開發(fā)更為準確的不確定性評價方法，部分學者則通過改進徑流分割模型，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程變化所帶來的誤差［59］。總體而言，盡管水化學和同位素示蹤方法在水分來源的定量識別中存在著一定的限制性，但卻有助于概念模型的構(gòu)建（在偏遠高海拔地區(qū)，甚至是形成概念性認識的唯一手段），從而為數(shù)值模型的構(gòu)建奠定基礎。

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凍土區(qū)地下水流動過程，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地下水系統(tǒng)的影響機制，進而提升流域水資源形成及其轉(zhuǎn)化機制的認知水平，還可為氣候變化和人類活動影響下凍土區(qū)水文過程的響應機制研究提供支撐，為流域水資源的管理提供依據(jù)［2，60］。

目前，在凍土區(qū)開展的水文試驗和觀測逐漸增多，但建立的基于物理過程且適用于凍土區(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)重于對地表徑流或土壤水的模擬，對地下水流過程考慮較少［64-66］。HydroGeoSphere［65，67］和GSFLOW［68］等模型雖然包含了地下水流過程，但忽略了水的物理相變（孔隙水凍結(jié)和融化過程）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，為分析凍土對季節(jié)性和長期溫度變化的水文響應，Ge等［11］利用美國地調(diào)局開發(fā)的SUTRA軟件建立了青藏高原北部凍土山區(qū)流域的二維剖面地下水流和熱傳導耦合模型。該模型考慮了水的物理相變對滲透性的影響，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］建立了一個假想的、由地形驅(qū)動的多級次松散沉積物含水系統(tǒng)的二維剖面模型，并用于預測地表變暖情形下高緯度地區(qū)凍土融化對水文地質(zhì)過程的影響。該模型考慮了非穩(wěn)定狀態(tài)下的熱傳輸和水流運移，并考慮了凍土融凍過程中的滲透性變化。模擬結(jié)果表明，無論是凍土消融過程中含水介質(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水量的釋放，都會導致河道基流的增加。Provost等［69］針對北歐凍土區(qū)建立了長度為1500 km的地下水流二維剖面模型，預測了未來140 ka內(nèi)由氣候變化所引起的地下水流過程的變化。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時間尺度下的演變及其對地下水循環(huán)的影響，而針對具體研究地點的實際地下水系統(tǒng)的實證計算和模擬比較缺乏，且對模型的校正及后續(xù)驗證研究也不夠深入。為更好地揭示凍土區(qū)地下水流過程，精確計算地下水資源量及基流對河道的補給量，需要通過更多的實證研究提升模型的實用性。

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，水化學和同位素示蹤方法仍是目前研究凍土區(qū)地下水流過程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系的主要手段。然而，凍土分布特征以及融凍過程對地下水循環(huán)和河道徑流形成的影響機制極為復雜，不僅會引起部分地下水在固液相間轉(zhuǎn)化，而且會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，進而影響地下水的補給、徑流、排泄過程。因此，凍土對地下水系統(tǒng)的影響也是凍土區(qū)地下水過程及其效應研究的難點所在，如何準確地刻畫凍土分布特征和凍融過程對地下水含水系統(tǒng)和流動系統(tǒng)的影響是該研究要解決的關(guān)鍵科學問題。今后應在以下幾個方面加強研究：

a.凍土區(qū)基礎水文地質(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地區(qū)，水文與水文地質(zhì)調(diào)查工作難以開展，長期的野外監(jiān)測工作難以維持［53］，這必然導致基礎資料的匱乏，從而限制凍土區(qū)地下水流過程及其與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究的開展。因此，建議從以下兩方面進行完善：①在凍土區(qū)合理布設新的水文地質(zhì)監(jiān)測孔，并整合已有的監(jiān)測孔，構(gòu)建地下水監(jiān)測網(wǎng)絡，進行水位、水溫、水化學和同位素等的動態(tài)監(jiān)測；②開展系統(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、活動層的厚度、凍土層上層間層下水的聯(lián)系等。

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

c.凍土區(qū)水-熱耦合模型的實用性。目前，考慮水在不同相態(tài)間變化和凍土融凍過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)模型是對實際情況進行極度簡化處理后的理想模型［61-68］，主要用于預測氣候變化下凍土的消融對地下水流過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)的實際地下水流的模擬及水資源量的計算。關(guān)于凍土區(qū)水熱耦合模型實用性的改進，將來有兩個方向值得注意：①針對具體研究區(qū)域構(gòu)建三維的實際模型，用于地下水流動過程刻畫、數(shù)據(jù)整合和結(jié)果預測。在構(gòu)建模型的過程中，關(guān)鍵科學問題是水文尺度的轉(zhuǎn)化，即將點（井）上獲取的參數(shù)通過空間技術(shù)［74-75］擴展到面上。異質(zhì)性的精確刻畫則可能是面臨的另一個主要挑戰(zhàn)，它不僅會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)也會遇到［76］。可能的突破方向是建立凍土區(qū)水文地質(zhì)試驗場，開展多手段、高精度的試驗，獲取模型所需的相關(guān)參數(shù)，同時形成凍土區(qū)含水介質(zhì)異質(zhì)性的理論認識。②在模型的構(gòu)建和校正過程中，充分利用多源數(shù)據(jù)，以提高模型的可靠性。如基于地下水流動路徑的示蹤結(jié)果構(gòu)建凍土區(qū)地下水流概念模型，開展少量水文地質(zhì)調(diào)查和試驗以獲取模型所需的水力學和熱力學參數(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、水溫等野外自動監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行校正。

［1］WOO M.Permafrost hydrology［M］.Berlin，Heidelberg：Springer-Verlag，2012.

［2］楊針娘.中國寒區(qū)水文［M］.北京：科學出版社，2000.

［3］FRAMPTON A，PAINTER S L，DESTOUNI G.Permafrost degradation and subsurface-flow changes caused by surface warming trends［J］.Hydrogeology Journal，2013，21（1）：271-280.

［4］周劍，王根緒，李新，等.高寒凍土地區(qū)草甸草地生態(tài)系統(tǒng)的能量-水分平衡分析［J］.冰川凍土，2008，30（3）：398-407.（ZHOU Jian，WANG Genxu，LI Xin，et al. Energy-water balance of meadow ecosystem in cold frozen soil areas［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2008，30（3）：398-407.（in Chinese））

［5］GRENIER C，RéGNIER D，MOUCHE E，et al.Impact of permafrost development on groundwater flow patterns：a numerical study considering freezing cycles on a twodimensional vertical cut through a generic river-plain system［J］.Hydrogeology Journal，2013，21（1）：257-270.

［6］BENSE V F，F(xiàn)ERGUSON G，KOOI H.Evolution of shallow groundwater flow systems in areas of degrading permafrost［J］.Geophysical Research Letters，2009，36（22）：297-304.

［7］WELLMAN T P，VOSS C I，WALVOORD M A.Impacts of climate，lakesize，andsupra-andsub-permafrost groundwater flow on lake-talik evolution，Yukon Flats，Alaska（USA）［J］.Hydrogeology Journal，2013，21（1）：281-298.

［8］HARRIS C，ARENSON L U，CHRISTIANSEN H H，et al. PermafrostandclimateinEurope：monitoringand modellingthermal，geomorphologicalandgeotechnical responses［J］.Earth-Science Reviews，2009，92（3）：117-171.

［9］MCKENZIE J M，VOSS C I.Permafrost thaw in a nestedgroundwater-flow system［J］.Hydrogeology Journal，2013，21（1）：299-316.

［10］羅棟梁，金會軍，林琳，等.巴顏喀拉山青康公路沿線多年凍土和活動層分布特征及影響因素［J］.地理科學，2013，33（5）：635-640.（LUO Dongliang，JIN Huijun，LIN Lin，et al.Distributive features and controlling factors of permafrost and the active layer thickness in the Bayan Har MountainsalongtheQinghai-KangdingHighwayon NortheasternQinghai-TibetPlateau［J］.Scientia GeographicaSinica，2013，33（5）：635-640.（in Chinese））

［11］GE S，MCKENZIE J M，VOSS C I，et al.Exchange of groundwater and surface-water mediated by permafrost response to seasonal and longtermairtemperature variation［J］.Geophysical Research Letters，2011，38（14）：130-137.

［12］BENSE V F，KOOI H，F(xiàn)ERGUSON G，et al.Permafrost degradation as a control on hydrogeological regime shifts in a warming climate［J］.Journal of Geophysical Research：Earth Surface，2012，117（3）：1-18.

［13］O'DONNELL J A，AIKEN G R，WALVOORD M A，et al. Dissolved organic matter composition of winter flow in the Yukon River Basin：implications of permafrost thaw and increasedgroundwaterdischarge［J］.Global Biogeochemical Cycles，2012，26（4）：103-112.

［14］GUGLIELMIN M.Advances in permafrost and periglacial research in Antarctica：a review［J］.Geomorphology，2012，155（3）：1-6.

［15］CHENG G，JIN H.Permafrost and groundwater on the Qinghai-Tibet PlateauandinNortheastChina［J］. Hydrogeology Journal，2013，21（1）：5-23.

［16］陽勇，陳仁升.凍土水文研究進展［J］.地球科學進展，2011，26（7）：711-723.（YANG Yong，CHEN Rensheng. Research review on hydrology in the permafrost and seasonal frozen regions［J］.Advances in Earth Science，2011，26（7）：711-723.（in Chinese））

［17］黃國如.流量過程線的自動分割方法探討［J］.灌溉排水學報，2007，26（1）：73-78.（HUANG Guoru.Base flow separation from daily flow hydrograph using automated techniques［J］.Journal of Irrigation and Drainage，2007，26（1）：73-78.（in Chinese））

［18］徐磊磊，劉敬林，金昌杰，等.水文過程的基流分割方法研究進展［J］.應用生態(tài)學報，2011，22（11）：3073-3080.（XU Leilei，LIU Jinglin，JIN Changjie，et al. Baseflowseparationmethodsinhydrologicalprocess research：a review［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2011，22（11）：3073-3080.（in Chinese））

［19］TALLAKSEN L M.A review of baseflow recession analysis［J］.Journal of Hydrology，1995，165（1）：349-370.

［20］張華，張勃，趙傳燕.黑河上游多年基流變化及其原因分析［J］.地理研究，2011，30（8）：1421-1430.（ZHANG Hua，ZHANG Bo，ZHAO Chuanyan.Annual base flow change and its causes in the upper reaches of Heihe River［J］.Geographical Research，2011，30（8）：1421-1430.（in Chinese））

［21］陳利群，劉昌明，李發(fā)東.基流研究綜述［J］.地理科學進展，2006，25（1）：1-15.（CHENLiqun，LIU Changming，LI Fadong.Reviews on base flow researches［J］.Progress in Geography，2006，25（1）：1-15.（in Chinese））

［22］孫彥龍，龐中和.高寒流域同位素徑流分割研究進展［J］.冰川凍土，2010，32（3）：619-625.（KONG Yanlong，PANG Zhonghe.Isotope hydrograph separation in alpine catchments：a review［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2010，32（3）：619-625.（in Chinese））

［23］吳錦奎，楊淇越，葉柏生，等.同位素技術(shù)在流域水文研究中的重要進展［J］.冰川凍土，2008，30（6）：1024-1032.（WU Jinkui，YANG Qiyue，YE Baisheng，et al. Important progresses on the use of isotope techniques in catchment hydrology［J］.JournalofGlaciologyand Geocryology，2008，30（6）：1024-1032.（in Chinese））

［24］瞿思敏，包為民，石朋，等.同位素流量過程線分割研究進展與展望［J］.水電能源科學，2006，24（1）：80-83.（QU Simin，BAO Weiming，SHI Peng，et al.Review on isotopichydrographseparationmethods［J］.Water Resources and Power，2006，24（1）：80-83.（in Chinese））

［25］KANE D L，BREDTHAUER S R，STEIN J.Subarctic snowmelt runoff generation［C］//The Northern Community @sA Search for a Quality Environment.Reston，Virginia：ASCE，1981：591-601.

［26］HINZMAN L D，KANE D L，EVERETT K R.Hillslope hydrology in an arctic setting［C］//Proceedings of the Sixth International Conference on Permafrost.Beijing：South China Press，1993：257-271.

［27］CAREY S K，WOO M.Slope runoff processes and flow generation in a subarctic，subalpine catchment［J］.Journal of Hydrology，2001，253（1）：110-129.

［28］MCNAMARA JP，KANEDL，HINZMANLD. Hydrograph separations in an arctic watershed using mixing modelandgraphicaltechniques［J］.Water Resources Research，1997，33（7）：1707-1719.

［29］COOPER L W，SOLIS C，KANE D L，et al.Application of oxygen-18tracertechniquestoarctichydrological processes［J］.Arctic and Alpine Research，1993，25（3）：247-255.

［30］OBRADOVIC M M，SKLASH M G.An isotopic and geochemical study of snowmelt runoff in a small arctic watershed［J］.Hydrological Processes，1986，1（1）：15-30.

［31］GIBSON J J，EDWARDS T W D，PROWSE T D.Runoff generation in a high boreal wetland in Northern Canada［J］.Nordic Hydrology，1993，24（2/3）：213-224.

［32］METCALFE R A，BUTTLE J M.Soil partitioning and surface store controls on spring runoff from a boreal forest peatland basin in North-central Manitoba，Canada［J］. Hydrological Processes，2001，15（12）：2305-2324.

［33］CAREY S K，QUINTON W L.Evaluating snowmelt runoff generation in a discontinuous permafrost catchment using stable isotope，hydrochemical and hydrometric data［J］. Nordic Hydrology，2004，35（4）：309-324.

［34］BOUCHER J，CAREY S.Exploring runoff processes using chemical，isotopic and hydrometric data in a discontinuous permafrost catchment［J］.Hydrology Research，2010，41（6）：508-519.

［35］CLARK ID，LAURIOLB，HARWOODL，etal. Groundwater contributions to discharge in a permafrost setting，Big Fish River，NWT，Canada［J］.Arctic，Antarctic，and Alpine Research，2001，33（1）：62-69.

［36］CAREY S K，BOUCHER J L，DUARTE C M.Inferring groundwater contributions and pathways to streamflow during snowmelt over multiple years in a discontinuous permafrost subarctic environment（Yukon，Canada）［J］. Hydrogeology Journal，2013，21（1）：67-77.

［37］WALVOORD M A，STRIEGL R G.Increased groundwater to stream discharge from permafrost thawing in the Yukon River Basin：potential impacts on lateral export of carbon and nitrogen［J］.Geophysical Research Letters，2007，34（12）：195-225.

［38］楊潤田，林鳳桐.多年凍土區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)學［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，1986.

［39］UTTING N，LAURIOL B，MOCHNACZ N，et al.Noble gas and isotope geochemistry in Western Canadian arctic watersheds：tracing groundwater recharge in permafrost terrain［J］.Hydrogeology Journal，2013，21（1）：79-91.

［40］MAULE C P，STEIN J.Hydrologic flow path definition and partitioning of spring meltwater［J］.Water Resources Research，1990，26（12）：2959-2970.

［41］劉彥廣.基于水化學和同位素的高寒山區(qū)雨季徑流過程示蹤［D］.武漢：中國地質(zhì)大學，2013.

［42］HOOPER R P，SHOEMAKER C A.A comparison of chemical and isotopic hydrograph separation［J］.Water Resources Research，1986，22（10）：1444-1454.

［43］KENDALL C，MCDONNELL J J.Isotopetracersin catchment hydrology［M］.Berlin，Heidelberg：Elsevier，2012.

［44］BOYER E W，HORNBERGER G M，BENCALA K E，et al.Response characteristics of DOC flushing in an alpine catchment［J］.Hydrological Processes，1997，11（12）：1635-1647.

［45］MACLEAN R，OSWOOD M W，IRONS III J G，et al.The effect of permafrost on stream biogeochemistry：a case study of two streams in the Alaskan（USA）taiga［J］. Biogeochemistry，1999，47（3）：239-267.

［46］HARRIS K J，CAREY A E，LYONS W B，et al.Solute and isotope geochemistry of subsurface ice melt seeps in Taylor Valley，Antarctica［J］.Geological Society of America Bulletin，2007，119（5/6）：548-555.

［47］PETRONE K C，JONES J B，HINZMAN L D，et al. Seasonal export of carbon，nitrogen，and major solutes from Alaskan catchments with discontinuous permafrost［J］. Journal of Geophysical Research Biogeosciences，2006，111（2）：347-366.

［48］WICKLAND K P，AIKEN G R，BUTLER K，et al. Biodegradability of dissolved organic carbon in the Yukon River and its tributaries：seasonality and importance of inorganic nitrogen［J］.Global Biogeochemical Cycles，2012，26（4）：143-157.

［49］AUBERT D，PROBST A，STILLE P，et al.Evidence of hydrological controlofSrbehaviorinstreamwater（Strengbach Catchment，Vosges Mountains，F(xiàn)rance）［J］. Applied Geochemistry，2002，17（3）：285-300.

［50］BLUM J D，EREL Y.Radiogenic isotopes in weathering and hydrology［J］.Treatise on Geochemistry，2003，5：365-392.

［51］LAND M，INGRI J，ANDERSSON P S，et al.Ba/Sr，Ca/Sr and Sr-87/Sr-86 ratios in soil water and groundwater：implications for relative contributions to stream water discharge［J］.Applied Geochemistry，2000，15（3）：311-325.

［52］任東興，王根緒，胡宏昌，等.青藏高原多年凍土區(qū)典型小流域徑流水化學特征［J］.蘭州大學學報（自然科學版），2010，46（1）：7-13.（REN Dongxing，WANG Genxu，HUHongchang，etal.Hydrochemical characteristics of runoff in a typical small permafrost of the Qinghai-TibetanPlateau［J］.JournalofLanzhou University（Natural Sciences），2010，46（1）：7-13.（in Chinese））

［53］MCINTOSH J C，SCHLEGEL M E，PERSON M.Glacial impacts on hydrologic processes in sedimentary basins：evidence from natural tracer studies［J］.Geofluids，2012，12（1）：7-21.

［54］BAGARD M L，CHABAUX F，POKROVSKY O S，et al. Seasonal variability of element fluxes in two central Siberian rivers draining high latitude permafrost dominated areas［J］.Geochimica Et Cosmochimica Acta，2011，75（12）：3335-3357.

［55］CASANOVA J，NéGREL P，BLOMQVIST R.Boron isotope fractionation in groundwaters as an indicator of past permafrost conditions in the fractured crystalline bedrock of the fennoscandian shield［J］.Water Research，2005，39（2）：362-370.

［56］KENDALL C，DOCTOR D H.Stable isotope applications in hydrologic studies［J］.Treatise on Geochemistry，2003，5：319-364.

［57］SKLASHMG，F(xiàn)ARVOLDENRN.Theroleof groundwater in storm runoff［J］.Journal of Hydrology，1979，43：45-65.

［58］UHLENBROOK S，HOEG S.Quantifying uncertainties in tracer-based hydrograph separations：a case study for two-，three-and five-component hydrograph separations in a mountainous catchment［J］.Hydrological Processes，2003，17（2）：431-453.

［59］VITVAR T，AGGARWAL P K，MCDONNELL J J.A review of isotope applications in catchment hydrology［M］.Dordrecht：Springer Netherlands，2005.

［60］IRESON A M，KAMP G V D，F(xiàn)ERGUSON G，et al. Hydrogeological processes in seasonally frozen northern latitudes：understanding，gapsandchallenges［J］. Hydrogeology Journal，2013，21（1）：53-66.

［61］FLERCHINGER G N，SAXTON K E.Simultaneous heat and water model of a freezing snow-residue-soil system I：theory and development［J］.Transactions of the American Society of Agricultural Engineers，1989，32（2）：565-571.

［62］JANSSON P E，MOON D S.A coupled model of water，heat and mass transfer using object orientation to improve flexibility and functionality［J］.Environmental Modelling &Software，2001，16（1）：37-46.

［63］KIM N W，CHUNG I M，WON Y S，et al.Development and application of the integrated SWAT-MODFLOW model［J］.Journal of Hydrology，2008，356（1）：1-16.

［64］凌敏華，陳喜，程勤波，等.地表水與地下水耦合模型研究進展［J］.水利水電科技進展，2010，30（4）：79-84.（LING Minhua，CHEN Xi，CHENG Qinbo，et al.Advances in coupled surface water and groundwater models［J］. Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30（4）：79-84.（in Chinese））

［65］徐力剛，張奇，左海軍.地表水地下水的交互與耦合模擬研究現(xiàn)狀與進展［J］.水資源保護，2009，25（5）：82-85.（XU Ligang，ZHANG Qi，ZUO Haijun.Status and progress of research on interaction and coupled modeling of surface water and groundwater［J］.Water Resources Protection，2009，25（5）：82-85.（in Chinese））

［66］陳仁升，康爾泗，吉喜斌.黑河源區(qū)高山草甸的凍土及水文過程初步研究［J］.冰川凍土，2007，29（3）：387-396.（CHENRensheng，KANGErsi，JIXibing. Preliminary study of the hydrological processes in the alpine meadow and permafrost regions at the headwaters of Heihe River［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2007，29（3）：387-396.（in Chinese））

［67］盧文喜，劉派，徐威，等.基于HydroGeoSphere的地下水數(shù)值模擬及參數(shù)靈敏度分析［J］.水電能源科學，2011，29（6）：64-67.（LU Wenxi，LIU Pai，XU Wei，et al. Numericaisimulationofgroundwaterandsensitivity analysisofparametersbasedonHydroGeoSphere technology［J］.Water Resources and Power，2011，29（6）：64-67.（in Chinese））

［68］MARKSTROM S L，REGAN R S，NISWONGER R G，et al.Gsflow-a basin-scale model for coupled simulation of groundwater and surface-water flow：concepts for modeling surface-waterflowwiththeU.S.geologicalsurvey precipitation runoff modeling system model［C］//3rd Federal Hydrologic Modeling Conference.Nevada，Reno：U.S.Geological Survey，2006.

［69］PROVOST A M，VOSS C I，NEUZIL C E.Glaciation and regional groundwater flow in the fennoscandian shield［J］. Geofluids，2012，12（1）：79-96.

［70］CAPELL R，TETZLAFF D，SOULSBY C.Can time domain and source area tracers reduce uncertainty in rainfallrunoff models in larger heterogeneous catchments？［J］. Water Resources Research，2012，48（9）：184-189.

［71］MROCZKOWSKI M，RAPER P G，KUCZERA G.The quest for more powerful validation of conceptual catchment models［J］.Water Resources Research，1997，33（10）：2325-2335.

［72］SEIBERT J，MCDONNELL J J.On the dialog between experimentalist and modeler in catchment hydrology：use of soft data for multicriteria model calibration［J］.Water Resources Research，2002，38（11）：1-14.

［73］馬瑞，董啟明，孫自永，等.地表水與地下水相互作用的溫度示蹤與模擬研究進展［J］.地質(zhì)科技情報，2013，32（2）：131-137.（MA Rui，DONG Qiming，SUN Ziyong，et al.Using heat to trace and model the surface watergroundwater interactions：a review［J］.Geological Science and Technology Information，2013，32（2）：131-137.（in Chinese））

［74］王中根，劉昌明，左其亭，等.基于DEM的分布式水文模型構(gòu)建方法［J］.地理科學進展，2002，21（5）：430-439.（WANG Zhonggen，LIU Changming，ZUO Qiting，et al.Methods of constructing distributed hydrological model based on DEM［J］.Progress in Geography，2002，21（5）：430-439.（in Chinese））

［75］姜光輝，郭芳.利用GIS水化學和同位素方法判斷靈水來源［J］.水資源保護，2012，28（1）：59-63.（JIANG Guanghui，GUO Fang.Source identification of Lingshui Spring using GIS-based hydrochemistry and environmental isotopic methods［J］.Water Resources Protection，2012，28（1）：59-63.（in Chinese））

［76］程國棟，金會軍.青藏高原多年凍土區(qū)地下水及其變化［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（1）：1-11.（CHENG Guodong，JIN Huijun.Groundwater in the permafrost regions on the Qinghai-Tibet Plateau and it changes［J］. Hydrogeology&Engineering Geology，2013，40（1）：1-11.（in Chinese））

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

國家自然科學基金（91325101，91125009）；國家自然科學青年基金（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）