科罗拉多州一个山区流域源头水文过程中融雪与地下非均质性的作用：模型-数据整合方法

《Water Resources Research》：The Role of Snowmelt and Subsurface Heterogeneity in Headwater Hydrology of a Mountainous Catchment in Colorado: A Model-Data Integration Approach

源头溪流流量受植被和地下结构异质性影响研究。基于美国科罗拉多州Snodgrass集水区，通过集成表面-地下水文模型（ATS）与多源观测数据（雪深度、流量、地下水水平），揭示了常绿森林因遮荫效应减缓雪融化速度，导致峰值流量延迟及基流开始时间延后；地下渗透率差异（花岗岩-页岩过渡带）引发地下水双峰现象，显著影响枯水期流量。研究提出植被-雪融-地下结构协同作用机制，为提升源头集水区水文预测提供过程基础。

　　在高海拔山区，山地源头河流的流量和地下水补给在水资源循环中扮演着至关重要的角色。特别是在科罗拉多河上游流域，这些河流的水源主要来自于融雪和地下水的输入。然而，预测这些源头河流的流量变化以及峰值流量出现的时间仍然是一个复杂的问题，因为融雪速率受到植被类型和海拔高度的影响，而地下水的储存与释放则与地表以下的物理特性密切相关。为了更好地理解这些因素对源头河流流量和地下水水位的影响，研究者采用了一种模型与数据融合的方法，对位于科罗拉多州克里斯特山附近的一个山地源头流域进行了详细分析。

研究中使用的模型是Advanced Terrestrial Simulator（ATS），它能够模拟地表和地下水分水岭的完整分布。通过这一模型，研究者对融雪过程和地下水流进行了综合建模，并结合多种观测数据，包括融雪深度、河流流量和地下水水位，对模型参数进行了校准。这一校准过程利用了神经密度估计器（Neural Density Estimator）等机器学习技术，提高了模型在预测源头河流流量时的准确性，并有效减少了对地下水流参数的不确定性。

研究结果表明，常绿森林中的缓慢融雪速率会延迟源头河流的峰值流量和基流的开始时间。而在上游地层渗透性较低的区域，地下水的存储不能迅速释放为间流或浅层地下水流动，因此在河流流量的衰退阶段，这些区域对下游河流的贡献较少。此外，地下水流的双峰现象出现在地层结构具有空间异质性的区域，如本研究中的花岗闪长岩和曼科斯页岩之间的差异。这些发现揭示了融雪和地下水之间的动态关系，对理解山地源头水文过程具有重要意义。

在研究方法部分，首先介绍了用于监测融雪深度的分布式温度探针技术。这些探针能够记录不同海拔和植被类型下的融雪深度，并结合气温数据计算融雪速率。研究团队部署了18个探针系统，覆盖了Snodgrass流域的多个位置。通过这些数据，研究者能够对融雪过程进行更精细的刻画，并与模型模拟结果进行比较。其次，研究团队还使用了水文观测数据，包括河流流量和地下水水位，用于模型的校准和验证。

在模型建模方面，研究者采用了ATS模型，它能够处理地表和地下水流的耦合模拟，并支持不同植被类型下的融雪参数化。通过全球敏感性分析（Global Sensitivity Analysis），研究团队识别了哪些参数对河流流量和地下水水位的响应具有主导作用。同时，研究者还利用了机器学习技术对模型参数进行了校准，通过结合多种观测数据，提高了模型对地下水流和融雪速率的预测能力。这种方法不仅提高了模型的准确性，还有效减少了由于参数不确定性带来的误差。

研究结果显示，ATS模型在融合了多种数据源后，对源头河流流量的预测能力显著提高。通过Nash-Sutcliffe效率（NSE）和Kling-Gupta效率（KGE）等指标评估模型性能，研究者发现模型在不同时间段（峰值流量、衰退阶段和基流）的模拟结果与观测数据之间存在良好的匹配度。此外，地下水流的双峰现象在两种水文年份（WY 2022和WY 2023）中都得到了确认，这表明地层结构的异质性对地下水的释放和流动路径具有显著影响。

研究还进一步探讨了地下水流的双峰现象形成的原因。在WY 2023，由于融雪量较大，地下水能够迅速填充上游的储水空间，并在后续阶段以较快的速度释放，从而形成双峰。而在WY 2022，由于上游储水空间的渗透性较低，地下水释放较为缓慢，导致双峰出现的时间较晚。这些结果表明，地下水流的双峰现象与地层结构的渗透性差异密切相关，同时也受到融雪速率的影响。

在讨论部分，研究者强调了地层异质性在预测山地源头河流流量中的关键作用。特别是在高渗透性地层和低渗透性地层之间的过渡区域，地下水的释放和流动路径会发生显著变化，从而影响河流流量的动态特征。此外，研究者还指出，融雪速率的差异对双峰现象的形成起到一定的延迟作用，尤其是在常绿森林区域。因此，要准确预测山地源头河流的流量变化，必须综合考虑植被类型、地层结构和气候条件的影响。

研究还提到，地下水流的双峰现象可能对水文预测带来挑战，特别是在缺乏长期观测数据的流域。研究者建议，未来在研究山地源头流域时，应结合多种数据源，如地层结构的地质调查、地下水观测数据和融雪深度测量，以提高模型的准确性。同时，研究者也指出了模型校准过程中的一些问题，例如在高海拔地区，地下水水位的模拟对网格分辨率和初始参数设置的依赖性较强，需要更精细的网格划分和合理的初始条件设置。

最后，研究总结指出，山地源头河流的流量受到融雪过程和地下水补给的共同影响，其中地层异质性和植被类型对流量变化起到了关键作用。通过模型与数据的融合方法，研究者能够更准确地模拟源头河流的水文过程，并为未来的水资源管理提供科学依据。此外，研究者还建议，未来在研究类似流域时，应加强对地下水流和融雪过程的观测，以提高模型的预测能力。