具有特殊隔水作用的多年冻土层,其分布和变化在黑河上游山区水文循环中具有重要的作用。近些年来,在升温趋势明显的背景下,多年冻土出现退化现象。因此,开展多年气候变化条件下冻土变化及水文响应研究具有重要的科学意义。本文在对黑河上游山区多年气候变化特征分析的基础上,采用气象站点地表温度插值数据与MODIS地表温度数据,运用ArcGIS空间分析功能,应用冻结数模型进行黑河上游山区冻土分布模拟,并分析时空变化特征,同时运用浅层地表水热参数和Stephen公式计算了活动层冻结融化深度,分析了海拔、坡向等地理因素对冻融深度的影响;采用近30年的地表日径流数据,运用改进加里宁方法,计算并分析退水指数与基流量的变化特征,探讨了多年冻土的变化与退水指数之间联系,同时还分析了在缺乏地下水观测区域的冻土变化对径流基流、最小月均流量的影响;最后还利用氘氧同位素技术,应用端元混合模型,估算了葫芦沟小流域径流组分,探讨冻土融水等不同水体对径流的贡献。研究结果表明:1980~2012年,黑河上游山区多年冻土分布面积保持相对稳定并呈现递减趋势,多年平均退化速度约为1.1%/a,下界平均高程抬升速度为12 m/a。2011年为例,上游西支高海拔的山坡和山顶冻结深度大,海拔较低的河流沟谷及北部出山口地区冻结深度小;冻结深度随海拔增加逐渐增大,融化深度则减小,坡向对于冻融深度也具有较大影响。研究发现,西支流域的多年冻土下界平均高程、分布面积比例与退水指数在年尺度变化上分别呈现较好的正、负相关性,表现为多年冻土分布面积比例越大,冻土下界平均高程就越小,退水指数就越小。利用退水指数的年际变化估算研究区西支流域活动层厚度变化,结果呈现为活动层厚度增加速率为1.3%/a。冻土退化可能是引起基流量和最小月均流量增加的因素之一。以上研究对于探讨多年冻土区气候变化下的水文循环具有一定的参考价值。