人类活动与气候变化共同引发了底格里斯河和幼发拉底河流域的水资源危机

《Environmental Science & Policy》：Human interventions and climate change trigger water crisis in the Tigris and Euphrates Basin

流域水资源时空演变及人因贡献评估方法研究

　　

阿里·达尔维希·博卢拉尼（Ali Darvishi Boloorani）|拉明·帕皮（Ramin Papi）|马苏德·苏莱曼尼（Masoud Soleimani）|纳杰梅·内萨尼·萨马尼（Najmeh Neysani Samany）|阿里·阿尔-赫穆德（Ali Al-Hemoud）|莫赫森·巴赫蒂阿里（Mohsen Bakhtiari）|纳斯塔兰·纳西里（Nastaran Nasiri）|萨哈姆·米尔扎埃（Saham Mirzaei）|阿尔弗雷多·乌埃特（Alfredo Huete）

伊朗德黑兰大学地理学院遥感与地理信息系统系

摘要

底格里斯河和幼发拉底河流域（TEB）跨越伊拉克、土耳其、叙利亚和伊朗三国，正面临日益严重的水资源危机，这一危机既受气候变化影响，也受人类活动驱动。本研究采用了一种综合性的、以因果关系为导向的方法，利用长期的多源卫星数据（1984–2022年）、水文气候分析和水资源消耗模型来量化这些因素的相对影响。结果显示，在过去四十年中，该流域的平均降水量减少了9.6%，而蒸发量增加了6.3%。上游的水库面积扩大了100%以上，形成了9500平方公里的蒸发水面；此外，GAP项目下的农业发展每年消耗了72亿立方米的水资源。因此，美索不达米亚沼泽地的永久性地表水和季节性地表水分别减少了76%和63%。定量分析表明，人类活动导致了39.3%的水资源消耗，而长期水文气候变化（与气候变化相关）仅贡献了13.6%，凸显了人为因素的主导作用。本研究的创新之处在于将多源遥感观测数据与水资源消耗模型相结合，首次实现了对整个流域的定量评估。这些发现为TEB地区的跨界合作和可持续水资源管理政策提供了坚实的科学依据。

引言

水是环境中最重要的物质，对维持自然生态系统、粮食安全和人类生活至关重要（Shiklomanov, 1998; Stagl and Mayr, 2014; Salameh et al., 2021）。然而，水资源正面临日益严重的全球性和局部性威胁，主要来自气候变化和人类活动（Shukla et al., 2019）。气候变化通过改变降水模式、可再生水资源、土壤湿度和内陆水域状况来影响水文平衡（Haddeland et al., 2014; Sukanya and Joseph, 2023）。同时，大规模农业扩张、水坝建设和水资源调拨等人为活动加剧了这些压力。

底格里斯河和幼发拉底河历史上滋养了美索不达米亚地区的农业和沼泽地长达一万多年（Cowan et al., 2006），如今这两个河流构成了伊拉克、土耳其、叙利亚和伊朗共有的跨界流域的核心。该地区越来越容易遭受严重干旱（Hameed et al., 2020; Darvishi Boloorani et al., 2024）、水资源短缺（Joffe, 2016）和沙尘暴（Papi et al., 2022; Darvishi Boloorani et al., 2023a）的侵袭。

自20世纪70年代以来，由于农业、能源和城市用水需求的增加，该流域的人类活动显著加剧。例如，土耳其的东南安纳托利亚项目（GAP）包括22座水坝和19座发电厂，极大地改变了河流流量（Yuksel, 2015; Bilgen, 2018）。1990年至2016年间，流入伊拉克的底格里斯河和幼发拉底河水量减少了25%。伊拉克还修建了大量水坝和人工湖泊，使得下游沼泽地的年用水量从20世纪90年代前的约475亿立方米减少到2001年的不到42亿立方米（Darvishi Boloorani et al., 2021; Darvishi Boloorani et al., 2023b）。

这些变化凸显了在跨界底格里斯河和幼发拉底河流域实施全面水资源管理政策的紧迫性。有效的策略需要准确了解水资源及其变化的关键驱动因素。这些知识是促进沿岸国家合作、开展知情谈判和实现可持续发展的基础（García et al., 2008; Keskinen et al., 2021）。

然而，由于政治和后勤限制，获取面积为87万平方公里以上流域的可靠地面数据十分困难。卫星遥感技术为监测水资源的时空变化提供了经济高效的选择。多十年的Landsat观测数据为检测自然和人为过程引起的景观变化提供了可靠的全球基准（Sheffield et al., 2018; Wulder et al., 2022）。这些数据集使得在数据稀缺的地区（如TEB）进行长期、一致的水文气候动态评估成为可能。

以往的研究分别利用卫星遥感数据评估了气候变化和人类活动对水系统的影响。例如，基于GRACE模型的研究表明，陆地水资源减少的约61%可归因于气候变化，约39%则由人类活动造成（Chang and Niu, 2023）。区域气候模拟也表明，灌溉范围的扩大显著增加了TEB上游地区的蒸发蒸腾量和水资源消耗（Yilmaz et al., 2019）。此外，全球水文模型显示，在许多河流流域中，人类活动的影响与中等程度全球变暖的影响相当甚至更大（Haddeland et al., 2014）。然而，这些研究要么观测时间较短，要么采用全球性概括，要么仅分析气候或人为因素中的某一方面，未能提供结合地表水动态、水坝和水库建设、农业扩张以及水文气候变化的流域特定、长期综合评估。

为填补这一空白，本研究采用了一种综合性的、以因果关系为导向的方法，将多源卫星观测数据与水资源消耗模型和水文气候分析相结合，以区分和量化气候变化和人类活动的相对影响。这是首次实现跨越近四十年的全流域定量评估，为TEB地区的可持续跨界水资源管理提供了实用见解。

方法论

本研究采用了一种综合方法论框架，结合了多源卫星遥感数据、气候再分析产品和统计分析，以量化气候变化和人类活动对TEB地区水资源消耗的相对影响。首先，利用基于Landsat的全球地表水数据集分析了长期的地表水动态，以检测水坝、湖泊和沼泽地带的水域永久性和季节性变化（第2.1节）。

背景：TEB地区人工水库的发展

20世纪之前，TEB地区的水资源处于自然水文状态。当时，传统农业的用水需求仅占总水资源的一小部分，确保了美索不达米亚沼泽地获得必要的水源。TEB地区的人类活动始于20世纪初，当时伊拉克为发展农业建造了人工湖泊（如图2所示，Razzaza湖的创建就是例证）。

结论与建议

由于人类活动和气候变化导致的水文失衡，底格里斯河和幼发拉底河流域出现了水资源危机。本研究利用长期多源卫星遥感数据探讨了气候变化和人类活动对TEB地区水文平衡的破坏作用。这种综合方法为测量自然因素和人为因素的相对影响提供了新的框架，为水资源外交提供了科学依据。

作者声明

作者声明他们独立撰写了这篇题为“人类活动和气候变化引发底格里斯河和幼发拉底河流域的水资源危机”的论文，且不存在任何可能影响论文结果的竞争性财务利益或个人关系。所描述的工作尚未在其他地方发表，也未被其他机构接受发表；所有作者均同意发表该论文；如果获得接受，作者将按照规定分享研究成果。

CRediT作者贡献声明

阿里·达尔维希·博卢拉尼（Ali Darvishi Boloorani）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资源协调、方法论设计、数据收集与整理、概念构思。拉明·帕皮（Ramin Papi）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、资源协调、方法论设计、数据分析、数据整理、概念构思。马苏德·苏莱曼尼（Masoud Soleimani）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源协调、方法论设计、数据分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文结果的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Google Earth Engine（GEE）提供的云计算服务，该平台便于处理大量数据集和各种遥感卫星图像的分析。同时，作者也感谢伊朗国家科学基金会（项目编号4021582）对这项研究的支持。