《Sustainability》：Role of Groundwater in Sustaining Streamflow and Temperature Stability in a Semiarid High-Mountain Watershed (SE Spain)
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摘要：半干旱地区的高山河流由于积雪减少和气温升高，对气候变化预估尤为敏感。在这些环境中，地下水可能在维持河流径流和调节河流热状况方面发挥关键作用。本研究分析了2020–2025水文年在Alhorí河流域（西班牙东南部内华达山脉）沿海拔梯度采集的流量、气温和水温
摘要：半干旱地区的高山河流由于积雪减少和气温升高，对气候变化预估尤为敏感。在这些环境中，地下水可能在维持河流径流和调节河流热状况方面发挥关键作用。本研究分析了2020–2025水文年在Alhorí河流域（西班牙东南部内华达山脉）沿海拔梯度采集的流量、气温和水温记录。该流域已完全无冰川覆盖，以冰川-冰缘沉积物和风化片岩为特征，这些条件促进了融雪入渗和地下水储存。结果表明，流量沿程逐渐增加，上游河段增益最高达164%，从源头泉水至测流站总体增加约484%，表明沿河有大量地下水贡献。观测到气温与水温之间强烈的热解耦。泉水温度几乎保持恒定（约4 °C），相对于气温的热滞后约49天，年变幅（约0.3 °C）远小于气温年变幅（约10 °C）。河流水温随海拔的递减速率低于气温（?0.33 对 ?0.54 °C/100 m），证明了地下水持续的热缓冲作用。这些发现为浅层地下水储存在维持地中海山区流域径流和调节热变异中的作用提供了证据，并在未来水文气候变化的背景下具有潜在意义。
半干旱高山区流域地下水对径流与温度稳定性的维持机制——基于西班牙东南部Alhorí河流域的研究解读
一、研究背景与科学问题
在全球气候变化背景下，半干旱高山河流系统正面临前所未有的压力。气候模型普遍预测，未来这些地区将出现积雪减少、融雪时间提前和气温持续升高的趋势，这将深刻改变高山流域的水文过程和热力状态。高山源头河流的水温作为反映水文、气候和地貌过程的综合指标，直接关系到生物地球化学循环和水生生物的栖息地适宜性。然而，在无冰川覆盖的流域中，地下水是否能够在融雪补给减弱的情况下继续维持河流基流和水温稳定，仍是亟待回答的关键科学问题。以往研究多聚焦于冰川融水对河流的调节作用，而对已完全脱冰川化的半干旱高山区流域，地下水储层在维持径流连续性和热稳定性方面的功能尚缺乏系统观测证据。因此，在西班牙东南部内华达山脉的Alhorí河流域开展多水文年、沿海拔梯度的连续监测，对于理解地下水在高山流域水文调节中的核心角色具有重要意义。
二、研究目标与主要方法
研究人员旨在通过分析Alhorí河流域2020–2025水文年的径流和水温观测数据，建立该流域的综合水文地质概念模型，并量化地下水对河流径流和温度时空变异性的影响。研究区域位于内华达山脉中段北坡，流域面积上游至Alhorí河测流站为17 km2，平均海拔1925 m。研究布设了4个监测断面（源头S、Piedra Vencejos PV、La Pozá PZ和测流站GS），利用高精度传感器逐时记录气温和水温，并通过盐稀释法直接测量流量以建立水位-流量率定曲线。同时，研究计算了各控制断面的比径流和区间径流，采用年正弦模型量化泉水温度相对于气温的季节性热滞后，对比了实测水温与基于大气温度垂直递减率估算的理论平衡水温，并利用水文年异常分析评估水温对气温年际变异的敏感性。此外，研究还结合了流域内气象站数据、降水记录以及已有的水文地球化学和同位素研究成果。
三、主要研究结果
（1）径流沿程增益与地下水贡献
监测期间年降水量介于346–517 mm之间，整体略低于长期平均值。河流流量呈现以融雪为主导的季节性 regime，5月融雪期在GS断面平均流量达300 L/s，日流量常超过700 L/s。流量沿程持续增加：从源头S至PV断面，流量增加高达164%；从源头至GS断面，总增加约484%。比径流计算显示，S、PV、PZ和GS的年均比径流分别为605、677、495和317 mm/yr，其中PV断面虽海拔低于S，但比径流反而更高，表明部分融雪水可能绕过源头泉通过侧向地下路径在下游出流。下游PZ和GS断面较低比径流可能与松林覆盖引起的蒸散发损失有关。区间径流进一步表明，S–PV区间贡献最高（729 mm/yr），而PZ–GS区间仅61 mm/yr，反映了上游高渗透性冰缘沉积物对融雪的快速吸收和地下水释放。
（2）泉水温度的高度稳定性与热滞后
源头泉水年平均水温约3.95 °C，远低于当地年平均气温（约6.8 °C）。气温年变幅约10 °C，而泉水水温年变幅仅约0.3 °C，显示了极强的热缓冲能力。通过年正弦模型拟合，得到泉水水温相对于气温的季节性热滞后约48.7±1.98天（p<0.001）。泉水流量呈现5–6月高峰（约70 L/s）、9–10月低峰（约16 L/s）的季节变化，但即使流量在20–30 L/s的基流与100–130 L/s的峰值之间大幅波动，泉水温度始终稳定在3.7–4.2 °C狭窄范围内。融雪期泉水温度平均比非融雪期低约0.14 °C，该系统性差异虽接近传感器精度，但多年重复出现，与较冷融雪水补给含水层的机制一致。
（3）沿程水温递减率低于大气温度递减率
利用气象站数据回归得到研究区大气温度垂直递减率为?0.54 °C/100 m，而实测河流水温沿程递减率仅为?0.33 °C/100 m，比大气梯度低约38%。在PV、PZ和GS断面，实测平均水温比根据大气热平衡估算的理论水温分别低1.38、1.55和2.59 °C。在最下游的GS断面，河水温度比当地气温低约5 °C，比理论平衡水温低约2.5 °C，表明河流全程未达到大气热平衡，地下水持续提供冷却效应。
（4）年际热变异性的空间异质性
对2021–2024水文年气温和水温异常的分析显示，泉水温度对大气年际变异几乎完全解耦，呈极低敏感性。在PV断面，水温异常与气温异常相关性较强但振幅减弱，表明该断面受大气影响相对较大，可能与植被遮蔽较少有关。而在PZ和GS断面，热异常再次被强烈衰减，这可能与下游河段森林遮蔽减少太阳辐射以及地下水补给共同作用有关。整体上，河流系统表现出源头地下水强缓冲、中游大气暴露增强、下游多种因素综合衰减的空间异质性热响应。
四、讨论与结论
研究结果支持将Alhorí流域概念化为一个由融雪驱动、浅层地下水强烈耦合的高山含水层系统。高渗透性的冰碛和冰缘沉积物以及风化片岩的次生渗透性促进了高效的融雪入渗和地下水流动，虽然含水层厚度有限（最大30–50 m），但快速补给和延迟释放机制仍能维持显著的基流贡献。热信号在系统中的传播表现为低通滤波特征，地下水作为热储层延迟并衰减了气温波动。这一结果与此前水文地球化学估算的约53%–61%的地下水贡献比例相吻合，热学与化学证据的相互印证增强了结论的可靠性。值得注意的是，与仍受冰川融水补给的阿尔卑斯或安第斯流域不同，Alhorí流域已完全脱冰川化，地下水储存完全取代了冰川的水文缓冲功能，这使其成为研究暖化背景下无冰川高山流域响应模式的理想自然实验室。研究还强调，传统careo渠道系统通过人工增强入渗补给地下水，可能进一步降低河流水温及其变率，对依赖地下水的生态系统（如高山湿草甸borreguiles）具有保护意义。然而，未来积雪减少和融雪提前可能削弱地表-地下系统的水力连通性，导致地下水储量和基流减少，威胁流域水资源和生态功能。研究也指出监测期偏干、水温示踪属间接方法、河段遮蔽与蒸散发未量化等局限性，建议未来结合分布式温度传感和示踪试验，并开展更长期监测以涵盖湿年情景。
研究结论明确指出，监测期间的观测证据表明，在这个已脱冰川化的高山区流域中，浅层地下水储层对径流和水温维持具有实质性贡献。河流全程表现为增益型河流，侧向地下水补给在半干旱条件下维持了基流。融雪作为重要补给机制，通过风化基岩和冰缘沉积物的储存与缓慢释放，支撑了大部分时间的坡面-河道连通性。热力方面，系统对大气变异性表现出强烈缓冲，泉水温度稳定在4 °C左右并存在显著滞后，这种地下水控制效应向下游传播，维持了持续的冷水条件和缓和的纵向温度梯度，局部空间差异可能受河岸遮蔽和河道条件影响。总体而言，研究结果强调在评估山区流域水文与热稳定性时，必须将浅层地下水储存和地表水-地下水相互作用纳入考量；未来气候变化下积雪持续性和地下水补给的变化可能改变这些过程，凸显了综合长期监测和可持续水资源管理策略的必要性，以维护地下水-地表水连通性及其支撑的生态功能。该论文发表于《Sustainability》，为半干旱地中海高山流域的水资源可持续性评估提供了关键科学依据。
