基于变渗透能力模型和沙普利加法解释模型对中国嘉陵河生态盈余与生态赤字变化的评估

《Journal of Contaminant Hydrology》：Assessment of changes in river eco-surplus and eco-deficit based on variable infiltration capacity model and Shapley Additive exPlanations model of Jialing River, China

基于多时间尺度水文过程分析，结合Copula模型与VIC-LightGBM预测系统，评估Jialing河流域ES/ED动态及其与水文气象因子的协同变化关系，揭示基流主导作用，为梯级水库调度和水资源规划提供依据。

　　

王高珍|郭文贤

华南理工大学土木与交通学院，中国广州510641。

摘要

很少有研究从水流过程的角度评估河流生态盈余（ES）和生态赤字（ED）的变化。因此，本研究通过年际水流过程，从多个时间尺度评估了河流ES（ED）的变化，并结合Copula模型，评估了ES（ED）与各种水文气象因素之间的协同变化关系。研究还通过变渗流能力（VIC）和Light Gradient Boosting Machine（LightGBM）构建了一个ES（ED）预测系统，并利用Shapley Additive exPlanations（SHAP）模型分析了每个影响因素在LightGBM模拟中的作用。研究发现：基于河流流动过程的ES（ED）与实际情况更为吻合；通过二维和三维Copula模型，ES（ED）与各种水文气象因素之间的联合回归期存在显著差异；将VIC模型提取的基础流量与LightGBM算法结合构建的预测系统表现出更好的性能，模拟精度（R2）超过0.85；SHAP模型的结果显示，基础流量的变化对ES和ED动态有显著影响，其次是各种水文气象因素的作用。研究结果可为河流梯级水库的调度和区域水资源规划提供参考依据。

引言

水是河流生态系统中能量流动和物质交换的基础，对于维持这些生态系统的可持续发展至关重要（Viviroli等人，2020；Westall和Brack，2018）。然而，随着世界气候的变化和人类活动的扩张，河流流量减少，甚至有些河流出现了断流现象（Su等人，2018；Yang等人，2023）。河流流量的减少将破坏河流栖息地，不可避免地影响水生生态系统的物种多样性。因此，了解河流生态系统的流量需求、评估河流生态盈余和生态赤字（ES和ED）的变化，并为水库的梯级调度提供依据是实际工作中必不可少的。

根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次会议的报告，过去一个世纪全球气温上升了1.09°C，这一趋势仍在加剧。对于全球水循环而言，温度的变化影响了降水和蒸散模式，改变了区域径流生成和汇流机制，进而影响了水文循环。据报道，全球许多河流都面临着流量减少的困境。为了明确径流变化的原因，许多学者定量评估了人类活动和气候变化对径流变化的影响（Guo等人，2024）。其中，Wang等人（2024a）通过构建一个综合评估框架，定量分离了嘉陵河在不同尺度上的径流变化驱动因素及其各自的作用，发现人类活动在径流变化中起主导作用。人类活动的作用体现在两个方面：首先，它们通过改变碳循环和土地利用间接影响水循环和径流（Balha等人，2023；Jin等人，2023）；其次，沿河修建的大量水利设施改变了河流的连通性，从而直接改变了河流的流量制度（Li等人，2024；Yu等人，2023）。河流流量的变化可能难以满足河流生态系统的需求，导致一系列生态问题。Wang等人（2024b）基于梯级水库的空间影响的长期性和协同性，提出了一个包括生态系统时间稳定性、抵抗力、恢复力等维度的架构，以全面揭示水力发电过程中的生态平衡。

为了评估和缓解河流水资源短缺问题，许多专家和学者开发了各种评估系统来指导河流梯级水库的联合调度。其中，Vogel等人（2007）首次开发了基于流量持续时间曲线（FDC）确定的ES和ED生态指标，用于评估河流水资源短缺情况，这些指标已被广泛使用。此外，Guo等人（2009）发现ES和ED可以有效用于评估河流水文制度的变化及其生态效应。然而，Guo等人（2021b）最近发现Vogel提出的评估系统割裂了日流量与其发生时间之间的时间关系，这可能导致一些特殊情况，例如月度ES大于季节性ES，这是不现实的。因此，有必要改进ES和ED的评估方法。此外，大多数以往的研究利用ES和ED来评估河流水资源短缺的变化，很少有研究评估ES（ED）与水文气象要素之间的相关性，也很少有研究建立ES（ED）的预测系统。因此，本研究将VIC模型与LightGBM模型结合，构建了ES（ED）预测系统，并通过SHAP模型探讨了每个影响因素对LightGBM模型模拟结果的影响，填补了相关研究领域的空白。

对于河流而言，基础流量是河流水资源中最宝贵的部分，对于保持河流生态系统的健康和确保工业及农业用水具有重要意义（Gan等人，2022）。在ES和ED变化的过程中，基础流量为河流提供了必要的供水保障，使河流生态系统在不同水文条件下保持相对稳定。在水文研究中有多种方法来确定基础流量，但由于河流形态和河床质地等多种原因，准确描述基础流量的变化仍然具有挑战性（Xie等人，2020）。然而，许多研究人员最近在通过分布式水文模型模拟河流流量时，将基础流量的生成作为河流流量的一个来源，并反向提取了基础流量数据（Chen和Ruan，2023；Zheng等人，2023）。在分布式水文模型中，VIC模型因其能够模拟复杂的水文过程和强大的适应性而被广泛使用。Gou等人（2020）应用VIC模型模拟了10个典型中国流域的月径流，并通过结合敏感性分析（SA）和自适应替代模型优化（ASMO）算法在自动校准框架中提高了模拟精度。然而，在最近的研究中，许多学者不再局限于通过VIC模型模拟河流流量，而是对VIC模型进行了二次开发，利用VIC模型模拟的过程变量来预测流域内的蒸散、地表温度、土壤湿度、基础流量和水资源的变化（Koohi等人，2022；Umair等人，2018）。Tatsumi和Yamashiki（2015）应用VIC模型模拟湄公河流域的水资源、地表温度和Bowen比的变化，并使用多目标复杂演化（MOCOM-UA）优化器对模型进行了校准。Yousefi Sohi等人（2024）利用VIC模型评估受人类活动影响的流域内可用水资源的时空分布，以准确反映淡水的可用性，服务于区域可持续发展。本研究依赖于在VIC模型开发过程中提取的基础流量数据，结合其他水文气象要素，共同构建了河流ES（ED）预测系统。此外，SHAP模型用于评估基础流量等因素对河流ES和ED预测的影响。

作为中国西南部的重要水运通道，嘉陵河与数亿人的穿衣、食物、住房和交通密切相关。作为中国西南部的“母亲河”，其独特的水环境也为许多物种的生长和繁殖提供了有利条件。然而，随着工业化的加速，嘉陵河流域（JRB）的水文过程发生了变化，出现了严重的水资源问题。因此，评估嘉陵河的水资源短缺程度并通过梯级水库的联合运行来弥补这一问题至关重要。

研究区域

研究区域

嘉陵河流域（东经102.5°–109°，北纬29.3°–34.4°）是长江八大支流中流域面积最大的，其名称源于山西省嘉陵谷的源头（图1）。嘉陵河主干道的总长度为1345公里，平均坡度为0.29‰。嘉陵河具有明显的河道特征：上游河谷狭窄，水流湍急；中游河床平坦，水面宽阔。

研究方法

本研究结合VIC模型和LightGBM模型，按月尺度预测河流的ES和ED，并通过SHAP模型评估各种影响因素对LightGBM模型模拟效果的影响，从而构建了河流ES和ED的综合性评估框架。具体而言，研究首先评估了嘉陵河的水文和气象要素的变化，然后评估了嘉陵河ES和ED的变化。

水文和气象要素的变化

采用了Mann-Kendall突变检验等方法（累积距离水平检验、Pettitt检验和均值t检验）来确定突变年份（Wang等人，2025），考虑到马汇水库（被誉为“千里嘉陵第一坝”）于1992年开始正式发电和通航，最终选择1993年作为水文制度突变年份（表2）。从年际尺度的角度来看，

讨论

通过DTW等方法验证后，ED与SI之间的相关性更为明显，表明水资源短缺更可能影响生态系统的稳定性。事实上，河流中的水资源短缺会引发一系列生态效应，如水流减缓、污染物积累增加、生态系统食物链和网络中断、物种消失等生态问题，从而加剧生态问题。

结论

为了评估河流ES和ED的变化，本研究基于流量过程曲线确定了ES（ED），并使用二维和三维Copula模型评估了ES（ED）与相关因素之间的联合回归期。然后，利用VIC模型和LightGBM模型建立了河流ES（ED）变化的预测和评估系统，并通过SHAP模型评估了影响ES（ED）预测系统的主要因素。得出的结论如下：

作者贡献声明

王高珍：参与的过程包括概念化、数据收集、正式分析、研究设计、方法论、初稿撰写和编辑。

郭文贤：资金获取、项目管理、资源管理、研究监督。

数据访问性

作者无权分发任何数据。

CRediT作者贡献声明

王高珍：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论、调查、正式分析、概念化。郭文贤：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了河南省高校关键科学研究项目基础研究项目（编号23ZX012）和中华人民共和国国家自然科学基金（编号51779094）的资助。