中国东北季节性冻融区地表水-地下水相互作用的时空变化及其关键影响因素

本研究针对季节性冻融过程如何影响地表水(SW)-地下水(GW)相互作用这一关键科学问题，通过长期水位监测、多期同位素采样和二维数值模拟，揭示了松花江下游SW-GW相互作用的时空变异规律。研究发现冻融过程会引发SW-GW相互作用方向的突变，地形、水文地质条件和人类活动是空间分异的主控因素。该成果为寒区水资源精准管理提供了重要科学依据，发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

　　

在广袤的东北平原，每年冬季来临后大地封冻，春季回暖时冰雪消融，这种周而复始的冻融循环如同大自然的呼吸节律，深刻影响着当地的水文循环。然而，这种季节性冻融过程如何调控地表水与地下水的"对话"，一直是水文地质学家面临的难题。传统的水资源管理往往将冻融期简单归类为"枯水期"，忽视了冻融过程中水文过程的独特性和复杂性。

在松花江流域这片典型的季节性冻土区，冻融期长达六个月，冻土层深厚，使得地表水与地下水的相互作用格外复杂。以往的研究由于观测手段和时间的限制，对冻融过程中SW-GW相互作用的时空变化规律认识不足，导致不同研究得出的结论甚至相互矛盾。这种认知的局限直接影响着寒区水资源的科学评估和合理利用。

为了解决这一科学问题，吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室的孟博、杜新强等研究人员开展了一项系统性的研究。他们巧妙地将水文监测、同位素示踪和数值模拟相结合，首次全面揭示了松花江下游SW-GW相互作用在冻融周期中的动态变化规律。这项研究成果发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上，为寒区水资源管理提供了新的科学视角。

研究人员采用了多项关键技术方法开展此项研究。他们在松花江下游布设了4个代表性断面，利用自动水位记录仪(HOBO U20001-04)连续监测地表水和地下水水位变化(2018-2019年，每2小时一次)。通过三期同位素采样(非冻融期、冻结期、融化期)，分析了水样的δD和δ¹⁸O组成，测试精度分别为±0.51‰和±0.14‰。基于Visual MODFLOW建立了二维非稳定流地下水数值模型，结合MODPATH模块追踪水流路径，模拟了不同冻融阶段的SW-GW交换过程。研究还采集了大气降水和积雪融水样品，以识别不同水源的贡献。

3.1. 稳定同位素特征

通过分析氢氧稳定同位素组成，研究人员发现地表水δ¹⁸O含量呈现明显的季节性变化：非冻融期(-10.31‰) > 融化期(-11.51‰) > 冻结期(-11.77‰)。地下水同位素组成在融化期最为贫化，表明受到积雪融水补给的影响。大多数采样点的地下水δD-δ¹⁸O关系分布在当地大气降水线左侧，反映出明显的积雪融水入渗特征。

3.2. 冻融循环影响下的地下水流动模式

基于同位素示踪和数值模拟结果，研究揭示了不同冻融阶段的地下水流动模式。在上游区域(S1、S2断面)，非冻融期地下水主要通过蒸发蒸腾和抽取排泄，而冻结期和融化期则主要以地表水排泄为主。下游区域(S4断面)由于强烈的地下水开采，形成了常年性的地表水补给地下水模式。研究发现，冻融过程会引发SW-GW相互作用方向的突然转变，特别是在河流开始冻结和融冰阶段。

3.3. SW-GW相互作用的时空变异及影响因素

3.3.1. 时间变异及影响因素

研究表明，SW-GW相互作用的时间动态受水文条件和冻融过程共同控制。非冻融期(5-11月)，水文条件是主导因素，7-9月汛期地表水对地下水补给强度达到年度峰值。而冻结期(11-3月)和融化期(3-5月)，河流冻融过程引起的水位突变成为控制SW-GW交换的关键。特别是在11月初河流开始冻结时，SW-GW相互作用方向在短时间内发生快速反转。

3.3.2. 空间变异及影响因素

空间上，SW-GW相互作用表现出明显的分段特征。上游地区地形和水文地质条件起主导作用，而下游地区人类活动的影响更为显著。计算表明，单位河段长度上的地表水补给量从上游到下游逐渐增加，下游断面(D-D')的年补给量达到626.3×10⁴ m³(2018年)和457.6×10⁴ m³(2019年)。大规模的水田开发和地下水开采已显著改变了天然条件下的SW-GW交换关系。

3.4. 与同类河段已有研究的对比

与松花江下游已有研究相比，本研究通过多期同位素采样和长期数值模拟，首次定量揭示了冻融过程对SW-GW相互作用的显著影响。研究证实了近年来人类活动强度的加大已导致下游地区地表水常年补给地下水的新模式，为理解寒区水循环演变提供了更新、更全面的认识。

3.5. 研究局限性

本研究主要存在以下局限：同位素采样和地下水位监测仅沿代表性断面开展，可能无法完全捕捉地下水流动的三维特征；各冻融阶段仅进行一次同位素采样，时间分辨率有限；同位素分析基于水体完全混合和同位素分馏可忽略的假设，实际地理气候因素可能引入偏差。

研究结论表明，冻融过程是调控寒区SW-GW相互作用的关键因素。在松花江下游，地下水流动模式在冻融周期内持续波动，上游地区地下水排泄途径随季节转换，下游地区人类活动已显著改变天然交换关系。时空变异机制分析揭示，上游主要受地形和水文地质条件控制，下游则受人类活动主导；时间上非冻融期受水文条件驱动，而冻融期则主要受冻融过程引起的水文突变控制。

这项研究的创新之处在于首次系统阐明了冻融过程对SW-GW相互作用的调控机制，提出了寒区水资源管理应考虑冻融阶段划分的新思路。在全球气候变化背景下，冻融过程正在发生显著改变，未来SW-GW相互作用的研究和预测必须充分考虑冻融过程的影响。研究人员建议，在冻结期地下水补给受限时应控制开采强度，非冻融期则可充分利用地表水补给，实现水资源优化配置。这些认识对寒区水资源可持续管理具有重要的指导意义。