青藏高原地形地貌多样，冰川、冻土和积雪广布，水文过程及驱动机制异常复杂。地下水系统是“水塔”区水文循环不可或缺的部分，是水流和物质运移的重要通道，对维持地表生态系统、保证水资源可持续利用具有十分重要作用。然而，青藏高原地下水系统空间分布和储量如何，在冻土退化作用下的地下水变化机理如何，这种变化多大程度、多大尺度会影响水文过程和生态地质环境。本研究选取青藏高原由南至北典型流域，发展多年冻土冷生水文地质三维模型，从机理上量化高寒河流源区地下水运移过程和对气候变化的响应机制，解析冻土退化对地下水循环的影响，提高地下水对生态系统影响的定量评估。研究结果揭示了山区地下水系统以浅层循环为主，深层地下水循环约占5%；发现在青藏高原西南雅鲁藏布江流 域，地下含水层是河道径流形成的“中转站”，地下含水层接收降水及冰雪融水补给量约占年均降水量的23%，喜马拉雅北部含水层在湿润的季风雨期间(5 -10 月)至少储存了 9km³ 的水量用以维持冬季(11 月-翌年 4 月)的河川径流量。通过量化冻土-地下水过程，发现了随着冻土退化含水层渗透性增强，地下水循环由浅层循环转化为深层循环，水流路径和迁移时间增加，山脊区地下水位显著下降从而影响对植被的水分供应；河谷地带在冻土退化初期地下水位上升，而随着多年冻土持续退化，地下水循环减弱可能导致河道枯水期更枯而丰水期更丰的情景发生；冻土退化导致形成的热融湖塘和塌陷对青藏高原基础建设存在潜在风险。研究成果有助于为国家生态保护修复和水-生态-粮食安全战略提供理论基础和科技支撑，为应对全球气候变化影响提供决策辅助。
 

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