《Sustainable Horizons》：Human perturbations reshape hydrological responses in riverine systems: Insights from a reach-level quantification framework to the Pearl River Basin
编辑推荐：
本研究针对静态评估难以捕捉人类活动对河流水文动态影响的难题，通过建立河段尺度的动态量化框架，揭示了珠江流域纵向筑坝与横向城市化两大人类扰动在时空上的演变规律及其对降水-径流关系的差异化影响，为面向可持续性的适应性河流管理提供了科学依据。
河流，作为地球的血脉，维系着生态平衡与人类文明。然而，随着水坝的兴起与城市不断向河畔扩张，这些自然水系正日益受到人类活动的深刻“改造”。水坝在纵向上切断了河流上下游的联系，改变了水流自然的传播过程；而城市扩张侵占洪泛区，则在横向上阻断了河道与滩地的连接。这两种“限制”（confinement）共同作用，重塑着河流的水文功能。珠江流域是中国经济社会发展的前沿地带，坐拥数万座水坝，其三角洲地区更是经历了举世瞩目的快速城市化。一个紧迫的问题随之而来：这些日益加剧的人类“束缚”，究竟如何改变了河流对降雨的响应？传统的评估往往较为粗糙或静态，难以捕捉其精细尺度的动态变化与综合影响，这使得我们评估其对水文过程的真实影响、制定适应性管理策略面临巨大挑战。
为解开这一谜题，由北京大学的研究人员领衔的团队在《Sustainable Horizons》上发表了一项研究。他们创新性地提出了一个动态的、河段尺度的量化框架，首次在时间和空间上精细描绘了珠江流域过去35年（1985-2019年）人类扰动如何演变，并系统揭示了其对水文响应的差异化影响。这项研究不仅更新了我们对人类活动压力的认知，更为实现可持续的河流管理提供了关键的决策支持。
研究人员运用了多项关键技术与数据集来支撑这项复杂的分析。首先，他们以高精度的MERIT-Basins水文数据集定义的约1.7万个河段为基本单元。其次，为量化纵向限制，他们整合了包含大坝位置与库容的GeoDAR大坝清单，并计算了能反映上游水库调节潜力的年度变化“调节程度”（Degree of Regulation, DOR）。再者，为量化横向限制，他们结合了SHIFT数据集提供的洪泛区范围与GLC_FCS30D土地覆盖数据中的不透水面信息，计算了“城市化洪泛区百分比”（URBanized floodplain percentage, URB），以此表征洪泛区自然水文功能的丧失程度。此外，研究还利用了GRDR全球河流流量再分析数据和CMFD气象强迫数据集，来分析降水（P）与径流（Q）关系的变化。通过构建“分布指数”（Distribution Index, DI）和基于DOR、URB阈值划分的四种人类扰动等级（如低-低LL代表近自然状态，高-高HH代表双重高强度扰动），研究人员得以深入剖析限制的时空演变轨迹及其水文效应。
研究结果揭示了人类扰动在时空上的深刻演变及其对水文响应的差异化调控。
3.1. 河段尺度限制水平的时空动态
研究发现，从1985年到2019年，珠江流域的纵向限制（DOR）和横向限制（URB）均显著加剧。纵向限制（筑坝）显示出向下游主干河道转移的清晰趋势，而横向限制（城市化）则从沿海的珠三角等发达地区向上游内陆蔓延。至关重要的是，与之前著名的静态评估（如Grill等人2019年的研究）相比，本研究的动态框架揭示出过去的评估严重低估了限制水平。在主河道，纵向限制的低估范围在4.07%到18.80%之间；在珠三角地区，横向限制的低估范围在3.9%到16.96%之间。这种低估源于持续的水电开发向下游推进以及城市化向内陆扩张的动态过程。
3.2. 河流限制对P-Q动态影响的实测证据
通过分析上游（江边街站）、中下游（迁江站）和下游（马口站）三个水文站的长序列观测数据，研究获得了人类扰动影响水文响应的直接证据。结果显示，以城市化为主导的站点（江边街），其降水-径流转换效率和径流变异性均大幅增加，这与不透水面增加导致产流加速、洪峰更陡峭的理论一致。而以筑坝调节为主导的站点（迁江），则表现出转换效率和变异性的显著下降，体现了水库对洪峰的削减和流量的均化作用。在两者共同作用的下游站点（马口），虽然转换效率因水库调节而大幅下降，但径流变异性却因城市化影响而上升，凸显了在基础设施完善的地区，城市化对水文波动的放大效应依然存在。
3.3. 不同限制条件下的河段尺度水文响应
为了在全流域范围揭示规律，研究进一步利用融合了人类活动信号的模拟径流数据进行了分析。结果表明：1. 高强度横向限制（城市化为主）的河段，其转换效率和变异性普遍显著增加，热点区分布在快速城市化的洪泛区，如珠三角、广西部分城镇，这表明了洪水敏感性升高。2. 高强度纵向限制（筑坝为主）的河段，两项指标普遍下降，这类区域多位于受密集水库调控的上游地区，如南盘江、黑水河流域，这暗示了生态脆弱性风险，如长期水 availability 变化和生境改变。3. 在两种限制均高的河段，水文响应呈现“效率被压制，变异性被放大”的典型特征，即筑坝降低了径流转化效率，但城市化依然推高了径流变异性。统计分析证实，径流转换效率的变化主要受纵向限制（筑坝）主导，而径流变异性的变化对横向限制（城市化）更为敏感。这一发现解释了为何在双重高压地区，尽管有水库调节，洪水风险信号（变异性增加）依然突出。
结论与讨论部分对上述发现进行了总结与升华。本研究首次在河段尺度上提供了珠江流域过去35年人类限制（DOR和URB）的时空动态图谱。核心结论是：人类扰动在珠江流域发生了空间再分配——筑坝向下游主干道集中，而城市化向上游支流蔓延。这种再分配导致了水文响应的重塑。当两种限制共同加剧时，主要的水文响应模式表现为：筑坝抑制径流产生，而城市化放大水文波动，且波动性对横向限制更为敏感。这精准地指出了不同区域面临的核心风险：快速城市化的洪泛区（如珠三角、广西部分城镇）水文波动性增加，洪水敏感性升高；而受高强度调控的上游地区（如南盘江、黑水河）则面临径流与变异性持续被抑制，暗示着长期水安全与生态脆弱性。这些发现强调了需要采取差异化的、适应性的河流管理策略。例如，在城市化的洪泛区，应加强海绵城市、绿色基础设施建设和预警系统；在高度调控的河流上游，需关注生态流量保障与跨区域水资源协调。尽管研究中使用的全网络径流产品存在不确定性，三角洲河网也被简化，但通过与实测数据的交叉验证及与既有研究的对比，证实了其主要空间格局和结论是稳健的。这项工作建立的分析框架，将人类扰动量化、时空动态与水文响应评价有机结合，为在更精细尺度上理解“人-水”复杂互馈关系、制定面向可持续发展的韧性管理方案提供了新颖有力的工具。
