高寒区多年冻土融化导致的地下水循环变化机制是水文地质和环境地质基础理论研究方面的关键科学问题之一,了解该类地下水动态对冻土变化的响应对寒区水资源保护、生态环境和工程建设具有重要价值。本文以青海大通河源区为研究区,开展高原冻土退化条件下区域地下水循环演化机制研究。通过监测、微结构测试、新型水化学同位素、多场耦合模拟等研究方法,系统分析了冻土退化过程特征,揭示了冻土微结构与渗流特征变化规律以及冻土退化条件下区域地下水循环演化机制,取得了如下主要成果:1)通过遥感解译、多元统计、地温监测及微结构研究,划分冻土类型与退化阶段,对比研究了大通河源区不同冻土退化阶段冻土面积、上下限、边界、地温及微观结构变化规律。通过多元统计分析水均衡计算等手段,阐明了地下水补径排响应规律。在降雨量不显著增加的基础上区内泉水流量、地表水径流量和地下水天然资源量呈现出了增加趋势,认为是冻土退化增大了地下水的补给通道及地下冰融水量所致。通过水均衡概算,得出地下冰融水占比约为17%。2)通过控温CT扫描、压汞实验及控温渗透试验,揭示了退化条件下冻土的微观结构变化及冻土渗透性能变化规律。升温过程使得冻土颗粒以及孔隙产生了重分配,冻土的中大孔隙增多,连通性增强;升温初期渗透系数快速增大,至-0.5℃时,渗透系数成倍增长,说明“高温冻土”已经具有一定的渗透性能,而非必须完全融化才能由“隔水层”变为“含水层”。探索建立了温度、微结构与渗透性能的定量关系方程。3)通过硫、硼、锶、铀同位素识别了不同地下水来源和循环途径;计算了多元水转化关系,结果表明冻土退化条件下,冻结层上水与层下水的联系变为密切,地下水系统由封闭转为开放;地下冰融水参与了地下水循环,其在连续冻土区、片状冻土区和岛状冻土区冻结层下水中补给的比例分别为9%、17%和11%;冻结层上水中补给比例分别为18%、24%和20%。最终建立了冻土退化条件下的高寒河源区山-盆多层级区域地下水循环模式。4)利用COMSOL Multi-physics软件系统的二次开发功能,改进了多场的耦合模型,实现了从中长周期时间尺度冻土退化条件下区域地下水循环演化的定量模拟与预测。5)揭示了“温度→冻土类型→微结构→渗透系数→水文地质结构→地下水循环模式演变→冻土释水→水质变化”的冻土退化条件下区域地下水循环演化机制。最后以地球科学系统理论从多圈层交互带的角度针对冻土退化可能产生的资源环境效应,提出了冻土环境与地下水资源保护的对策和建议。