中国青藏高原东南部冰冻圈水体与地下水的水文连通性：多种示踪剂的补给路径及季节变化规律

《Journal of Hydrology》：Hydrologic connectivity from cryospheric waters to groundwater in the Southeastern Tibetan Plateau, China: recharge pathways and seasonal regulation from multiple tracers

　　

摘要

在青藏高原受冰冻圈影响的源头地区，地下水是水储存与输送中至关重要但研究不足的组成部分。2024年至2025年间，通过水文监测、主要离子分析、氢氧稳定同位素检测、氡-222、氚以及放射性碳测定，研究了青藏高原东南部地区降雨、融雪、冰川湖水及河水与浅层和深层地下水之间的水文联系。估算的补给高度高于采样点高度，说明地下水补给主要来自较高地形的侧向渗透，而非流域内的局部渗入。夏季融雪带来的补给高度最高，表观循环深度也最大；而冰川湖则起到了缓冲作用，使不同来源的水混合，河流则将冰冻圈的信号传递给地下水。贝叶斯分析法显示，直接融雪贡献了4.6%至16.1%的地下水水量，而冰川湖水和河水共同贡献了71.2%至75.3%。地下水的水化学特征表现为矿化度逐渐升高、水与岩石的相互作用增强，以及阳离子交换作用加强。洞穴地下水的水化学差异十分显著，夏季的氡-222浓度极高，这表明存在季节性激活的裂隙流动、快速的浅层补给以及活跃的地下水与地表水交换过程。相比之下，钻孔地下水属于更为稳定的系统，H1-H2钻孔存在与河流相连的补给路径，而H3钻孔则有明显的湖泊缓冲补给路径。所有地下水样本中都检测到了可测量的氚，说明这些地下水具有广泛的现代补给来源；而较低的放射性碳活性及校正后的表观年龄则表明这些地下水与较古老的储水形成了混合。本研究表明，青藏高原的地下水循环呈现出分层且随季节变化的多源连通网络结构，为了解该地区关键带的水分与元素循环提供了重要依据。

引言

青藏高原被誉为“亚洲水塔”，因为它为亚洲各地的主要河流系统、下游生态系统以及大量人口提供水源（Yao等人，2021；Li等人，2022；Chen等人，2023；Eslamian和Eslamian，2026）。虽然雪、冰川和地表径流对青藏高原的水文循环起着重要作用，但地下水在补充地表水、维持基流以及缓冲气候变化带来的影响方面同样不可或缺。然而，目前对于地下水作用的了解仍远不及地表水（Ma等人，2017；Hayashi，2020；Somers和McKenzie，2020；Xu等人，2024）。在气候快速变暖的背景下，这一差距愈发重要，因为冰川退缩、永久冻土退化、陆地水储存格局的变化以及湖泊动态的改变正在重塑高原上的水储存与分配方式，从而导致地下水的响应呈现高度差异性（Cuthbert等人，2019；Naeem等人，2025；Zheng等人，2025）。在青藏高原东南部，季风降雨、季节性积雪、冰川湖、陡峭的河流网络、浅层裂隙地下水以及深层地下水往往在较短的地形距离内共存，从而形成了复杂的多水转化过程。因此，弄清多种来源的水与地下水之间的关联，对于理解这座对气候敏感的山地水塔如何储存、输送和释放水资源至关重要。

以往的研究已经大大提升了人们对冰冻圈驱动的径流以及地下水对河流补给作用的理解，但这些研究尚未完全阐明多种来源的水是如何通过不同路径为地下水提供补给的。在寒冷高山地区的流域尺度研究中，人们发现冰川融雪和雪水可以通过溪流、斜坡、永久冻土层上方地下水、永久冻土层下方地下水以及多孔含水层进入河流，即便冰川覆盖范围有限，地下水依然可以主导或显著维持河流流量（Ma等人，2017；Ma等人，2021；Chang等人，2018；Guo等人，2022）。在雅鲁藏布江和北喜马拉雅地区，同位素和模型研究进一步表明，地下水对河流径流有着重要贡献，而深层裂隙岩层储水以及山区补给也可能导致流域尺度上的水分失衡现象（Yao等人，2017；Fan等人，2023；Han等人，2023；Feng等人，2024；He等人，2024；Wang等人，2026b）。针对青藏高原湖泊的研究也表明，地下水与冰前湖、冰盖湖以及内陆湖之间存在物质交换，而且地下水对湖泊的水量平衡和湖泊演化具有不可忽视的影响（Luo等人，2018；Liao等人，2022；Zhu等人，2025）。与此同时，来自青藏高原中部以及其他水资源匮乏的山地流域的地下水研究也发现了混合补给来源、水与岩石的相互作用，以及现代地下水成分与古老地下水成分的共存现象（Xiao等人，2018；Moran等人，2019；Gong等人，2022；Hernández-Pérez等人，2022；L. Wang等人，2022；Z. Wang等人，2022；Zhao等人，2024）。尽管取得了这些进展，但仍存在三个研究局限。首先，大多数研究都是围绕径流成分或地下水对河流的补给作用展开的，而非聚焦于包含冰川湖和季节性积雪在内的从水源到地下水的完整路径。其次，人们通常通过径流比例或同位素变化来推断季节差异，而单个地下水路径的季节性激活、减弱以及重组机制仍缺乏足够的研究。第三，尽管在青藏高原东南部那些地形陡峭、多水源的中小型流域中，冰冻圈水体、河流与地下水之间存在着紧密的联系，但直接观测数据仍然十分稀缺。

为了解决上述问题，人们采用了多种研究方法，但单独使用任何一种方法都存在局限性。水化学分析、氢元素（δ²H）、氧-18（δ¹⁸O）等指标被广泛用于识别水源特征、估算补给高度，以及追踪高山河流和地下水中的水混合与水-岩石相互作用过程（Gong等人，2022；L. Wang等人，2022；Z. Wang等人，2022；Ma等人，2023；Xie等人，2024；Zhao等人，2024；Wang等人，2026a）。氡-222（²²²Rn）这类放射性核素有助于检测活跃的地下水排放以及地下水与湖泊或河流之间的物质交换（Luo等人，2018；Liao等人，2022），而利用氚（³H）和放射性碳（¹⁴C）作为年龄示踪剂，则能够帮助区分现代补给水与较古老的储水成分，以及不同停留时间的水体（Moran等人，2019；Hernández-Pérez等人，2022）。水文监测和综合建模方法可以量化地下水的贡献程度，同时分析永久冻土、补给分配以及未来气候变暖对径流和储水量的影响（Fan等人，2023；Feng等人，2024；He等人，2024；Zhu等人，2026）。基于过程的数值模型则能够进一步解析地表水与地下水的混合过程，以及由混合过程引发的生物地球化学反应（Ping等人，2026）。卫星观测或基于GRACE技术的研究则揭示了青藏高原地下水及陆地水储存的总体变化趋势（Zou等人，2022；Wang等人，2024；Weng等人，2025）。热监测方法也能为了解地下水的缓冲作用、停留时间以及交换过程提供重要信息，尤其是在难以直接获取地下水流动路径的情况下（Wang等人，2021）。从方法论角度来看，单一示踪剂和区域尺度分析方法也存在明显局限：稳定同位素和水化学分析可能无法区分重叠的水源信号，²²²Rn主要能用于判断靠近活跃流动界面的水交换情况，³H和¹⁴C则可能会整合不同时间尺度的混合水体，而区域模型或遥感产品很少能够清晰反映小型高山流域中的补给路径切换现象。正是这些局限性，促使人们需要一种结合多种示踪剂、以过程为导向的分析框架，从而共同确定水文连通的路径和时间尺度。

本研究结合水文监测、主要离子分析、稳定水同位素（δ²H、δ¹⁸O和δ¹⁷O）、氡-222、氚以及放射性碳等分析方法，旨在研究青藏高原东南部一个高海拔小型流域的水文连通特征。研究重点关注降雨、融雪、冰川湖、河流、洞穴地下水以及钻孔地下水之间的季节性关联。具体而言，本研究的目标包括：（1）确定地下水的主要补给来源；（2）明确连接冰冻圈水体、河水与地下水的主导路径；（3）分析这些路径在温暖季节与寒冷季节之间的变化规律；（4）构建一个从冰冻圈水体到地下水的多源水文连通的综合概念模型。

章节概要

研究区域

该研究区域位于青藏高原东南部，靠近雅鲁藏布江下游的大拐弯处，周边纳木错峰两侧的流域水都流入雅鲁藏布江（见图1a和b）。白玛河流域是多雄拉山以东、纳木错以南的第一个小型流域，其水最终流入多河。多河的另一个上游支流是诺恩河，该河有三条源头溪流汇入。该流域被以下地理边界所包围

野外测量

我们在2024年8月、2024年12月、2025年7月以及2025年11月，即气温较高和较低的不同时段，共开展了四次野外采样工作。在采样过程中，我们采集了16份雨水样本、6份雪样、13份冰川湖水样本、16份河水样本、19份洞穴地下水样本以及8份钻孔地下水样本（见表S1）。样本的采集数量是根据水文的代表性、季节性可获得性以及野外访问的便利性来确定的。雨水样本是在

水文状况与地下水响应

2024年7月至2025年8月的每日降雨数据显示，温暖季节会出现频繁的降水事件，而冬季的降雨量则要少得多（见图2a）。2024年7月至10月以及2025年5月至8月期间，降水相对频繁，而2024年12月至2025年3月的降水则较为稀少，且强度普遍较低。2025年夏季出现了数次强降水事件，这体现了该地区极为明显的季节性水文特征。所监测的两口钻孔表现出

不同来源向地下水的水补给路径

该流域内所有类型水体的估算补给高度均高于采样点高度（见图11），这说明地下水的补给主要来自较高地形的侧向输入，而非局部的垂直渗入。夏季融雪带来的补给高度最高（4.96至5.14公里，见表S6），表观循环深度也最大（1.03至1.58公里），这表明水是从高海拔的雪原向下流动而来的。相比之下，冬季降雪带来的表观循环深度要小得多

结论

本研究结合水文监测、水化学分析、稳定同位素与放射性同位素检测，以及贝叶斯源解析方法，分析了青藏高原东南部一个高海拔小型流域中冰冻圈水体与地下水之间的水文连通关系。主要结论如下：

• (1)
  地下水的补给主要来自较高地形的侧向输入，而非局部的垂直渗入。直接融雪贡献了4.6%至16.1%的地下水水量，而冰川湖水和河水则共同贡献了其余部分

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号为42407098和W2511045）、江苏省自然科学基金（项目编号为BK20241512和BK20240190），以及水资源工程与管理国家重点实验室访问研究基金（项目编号为2024SGG03、2024SGG05和2025SGG02）的支持。

Zejun Wang|Zhi Dou|Jinguo Wang|Liang Chen|Zhen Liao|Hao Yu|Zhifang Zhou