季節性河流補給地下水的特徵（研究揭示非季風降水主導季風區地下水補給）

2023-07-29 23:03:37

地下水佔全球液態淡水的99%，是人類賴以生存的重要水源，我國660多個城市中，就有400多個城市開採利用地下水。地下水資源遍布於上地殼，時間上又不受季節性乾旱影響，在全球氣候變化背景下，地下水資源的演變及管理對於糧食安全及能源保障具有重要意義。但是由於對降水以及冰川融水入滲補給地下水的機理認識不清，氣候變化對地下水影響的研究一直是個難題。

一般而言，一個地區地下水的多少取決於其降水量的豐富程度。那麼降水量大的時候，是否地下水補給量就較高？研究發現，平原區地下水的補給量是降水量與入滲係數的乘積，這間接地對這一問題給出了回答。那麼在山區是否有同樣的結論？

青藏高原是亞洲水塔，其冰川水資源關係到數十億人口用水。在近幾十年來氣溫顯著升高的影響下，冰川消融強烈。青藏高原的梅裡雪山的明永冰川末端僅有2600m，是橫斷山脈海拔最低的冰川之一（圖1），區域內降水季節性差異顯著，為降水和冰川融水補給地下水機理研究提供了絕佳條件。

中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室副研究員孔彥龍與中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室博士蒲燾等開展合作研究，在明永河流域開展了連續降水、河水、冰川融水和地下水穩定同位素監測工作，為期一個水文年，獲得1145組氫氧穩定同位素數據。研究發現，該區域的水體同位素呈現與常見現象不符的「異常」現象（圖2）：1）地下水和冰川融水的點都分布在雨水線左上側；2）地下水線和冰川融水線的斜率都小於雨水線；3）地下水和冰川融水的平均值均顯著高於降水加權均值。為解釋以上現象，他們採用瑞利分餾模型進行定量模擬，發現冰川融水經歷了再凍結過程，而地下水由經歷了再凍結過程的冰川融水和降水的混合形成，致使水同位素呈現以上「異常」分布特徵。他們進一步採用質量守恆方程，計算降水和冰川融水對地下水補給貢獻分別為46%±22% 和54%±22%。

考慮到明永冰川區季風降水和非季風降水同位素信號差異顯著，他們又將補給地下水的降水細分為非季風降水和季風降水。將冰川融水線與降水線相交發現，交點的同位素值與非季風降水同位素平均值十分相近，結合前人的氣象學研究結果，可以認定，明永冰川主要積累於非季風降水。因此，將冰川融水對地下水的補給看作非季風降水對地下水的補給之後，可以得出結論認為：87%±28%的地下水補給來自非季風期的降水，也就是說，儘管非季風期降水量小於季風期降水量，但它主導了地下水補給過程。

為佐證同位素的定量分析結果，研究人員進一步分析了區域遙感和水文模型數據，構建了非季風降水主導地下水補給機制的概念模型（圖3）：在非季風期，降水以固態為主，以冰川和積雪的形式累積，而後逐漸融化、入滲補給地下水，地下水位逐步抬升；而季風期，降水以液態為主，相對較為集中（大-暴雨），且此時土壤含水量相對較高，地下水位相對較高，入滲補給量有限。

研究成果發表於JGR: Atmosphere。