那曲流域土壤冻融事件特性及对土壤水分入渗的影响研究

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土壤水分入渗是重要的水循环过程之一,识别其演变特征对保障水安全和生态安全具有重要的作用。“千山之巅、万水之源”的青藏高原地域辽阔、地势高而起伏,空间上分布着大量且理化性质差异化的季节冻土资源。受高原气象驱动,随机、反复和活跃的冻融过程使得季节冻土中的水分入渗过程变得特殊而复杂,有待明晰。同时全球气候持续暖化的进程下,季节冻土中的冻融和入渗过程又深受影响。因此气候变暖下的土壤水分入渗响应及其应对措施一直备受关注。本文以青藏高原怒江源区那曲流域为研究区,遴选了小唐古拉、措玛乡、香茂乡、那曲大桥4个典型实验场,并完成了传感器埋设与监测、土样采集与检测、双环入渗三项主要实验内容,收获和整理了那曲流域土壤温湿度、基质势、物理构成、化学性质、入渗量与入渗速率等数据。从土壤水分入渗过程的特征和短历时冻融事件的特性两方面,并结合土壤内部理化性质,探究了那曲流域现状下(2019年至2021年期间)入渗和冻融两个重要水文要素的时空规律和影响关系。通过解析负温与土壤持水、水势及导水性质之间的关系,引入温度参数改进了Green-Ampt入渗模型。最终利用模型数值模拟探究了气候变化下和冻融事件演变下的土壤水分入渗对其的响应,并具有针对性地提出切实可行的应对策略。主要成果如下:(1)分析了2个不同冻融时期(完全融化期、冻结过程期)和4个不同海拔位置(5015m、4732m、4693m和4443m)下的土壤水分入渗特征,以及初始、稳定入渗率与土壤理化因子之间的影响关系。结果表明,等水平液态含水量下,完全融化期的入渗速率可显著大于冻结过程期的入渗速率。现状条件下,那曲流域完全融化期,4500m以下低海拔区的土壤入渗速率大、渗透性好,4500-5000m中海拔区土壤的入渗速率略有降低、渗透性其次,5000m以上高海拔区土壤的水分入渗速率低、渗透性最差。土壤初始入渗速率与初始含水量具有极显著的负相关关系,稳定入渗速率与容重具有极显著的负相关关系,与总有机质、总氮磷含量以及黏粒含量具有极显著的正相关关系。(2)提出了季节冻土短历时冻融事件的评价方法,并从起止时间、总历时、总次数、循环频率及强度五项内容,评价了流域短历时冻融事件的特性。强度评价中采用Copula函数法构建了综合强度指数提高了评价的效率和全面性。结果表明,现状下那曲流域冻融事件总体特性主要受海拔因素影响并随海拔呈现出一定规律,事件在入冬前高海拔区向低海拔区依次开始发生,来年入夏前低海拔区向高海拔区依次结束;中海拔区比高、低海拔区呈现总历时更长、总次数更多、循环频率更高的特点;那曲流域中的措玛乡地区是具有最长总历时、最多总次数和最高频率的地区,而小唐古拉地区是具有最高强度的地区,两地更显著受到冻融影响。(3)改进了Green-Ampt入渗模型并设置入渗模拟情景,探究不同程度的气候变暖(升温)下和不同程度的冻融特性(湿差)演变下的土壤水分入渗响应。2021年至2050年,冻结土壤入渗量的增量在RCP8.5情景中将最多(响应程度最高)、在RCP4.5情景中其次、在RCP2.6情景中最少,且各情景的增量均在中海拔地区最多(响应程度最高)、低海拔区其次、高海拔区最少;当那曲大桥地区的冻结湿差降低演变到措玛乡地区的冻结湿差时,各地入渗量的增加最多。当香茂乡地区的冻融湿差升高演变到那曲大桥地区的冻融湿差时,各地入渗量的减少最多。中低海拔区之间发生冻融特性演变时响应程度最高。本研究有利于进一步探索高寒区水文循环的机制,为高寒区有效利用水资源、合理开展寒区工程建设、自然灾害防治及生态环境保护提供一定的参考依据。
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