渭河流域南北岸基流演变与驱动机制归因分析:多方法评估与气候变化及人类活动影响量化

【字体: 时间:2026年02月26日 来源:Frontiers in Environmental Science 3.7

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  本研究对渭河流域南北两岸18条支流(2006-2020年)的基流动态进行了系统性分析。文章首先比较了九种基流分割方法(包括数字滤波法、平滑最小值法等),确定F2方法性能最佳。随后,研究分析了基流及水文气象要素的变化趋势,并利用滑动T检验与累积斜率变化法(SCRCQ)量化了气候变化(如降水量、潜在蒸散发)与人类活动对基流变化的贡献。结果表明,南北岸基流均呈现不显著的增加趋势,但其驱动因素存在显著空间异质性:南岸部分站点以气候驱动为主,而北岸多数站点则以人类活动影响为主导。该研究为理解干旱半干旱地区基流控制的复杂性及制定流域综合管理策略提供了科学依据。

  
材料与方法
本研究选取渭河流域南北两岸共计18个水文站(北岸11个,南岸7个)2006年至2020年的径流数据,以及流域内气象站的气象数据。研究目标明确,旨在评估不同基流分割方法、分析水文气象要素及基流变化趋势,并量化气候变化和人类活动对基流的影响。为实现这些目标,文章详细阐述了研究区概况、数据来源及一系列核心分析方法。
首先,研究系统比较了九种基流分割方法的性能。这些方法主要分为数字滤波法(包括F1至F5方法)和图形分割法(包括平滑最小值法F6、局部最小值法F7及两种基流指数法F8、F9)。其中,数字滤波法的原理是将径流过程视为高频地表径流与低频基流的叠加,通过过滤分离得到基流;而图形分割法则基于寻找径流过程线中的局部最小值点进行分割。为了客观评价各方法的有效性,研究引入纳什效率系数(NSE)和Kling-Gupta效率系数(KGE)作为评价指标,并以低流量指数法估算的基流作为观测值进行对比验证。结果表明,在所有九种方法中,F2数字滤波法(Chapman改进法)在18个站点上的平均NSE(0.73)和平均KGE(0.76)最高,表现最优,因此被选为后续趋势及归因分析的标准方法。
其次,研究对基流、径流、降水量、潜在蒸散发(PET)及温度等水文气象变量的变化趋势进行了分析。结果显示,研究期内渭河流域南北两岸的降水量均呈增加趋势,而潜在蒸散发和温度则呈下降趋势。基流与径流在南北两岸均呈现不显著的增加趋势。北岸基流和径流最大值出现在2020年,而南岸则分别出现在2014年和2011年。
基流特征与驱动归因的时空差异
基于最优的F2分割方法,研究计算了各站点的基流量和基流指数(BFI)。结果表明,北岸各支流的基流量范围在1.44至188.01 × 106m3之间,BFI值在0.39至0.79之间;南岸基流量范围在5.79至131.29 × 106m3之间,BFI值在0.29至0.70之间。这表明了流域内基流贡献率存在明显的空间差异。
为了识别基流序列中的突变点,研究采用了滑动T检验方法。在此基础上,引入累积斜率变化法(SCRCQ)来量化气候变化和人类活动对基流变化的贡献。该方法通过计算基流累积曲线在突变点前后两段时期斜率的变化,并将其与降水、潜在蒸散发、温度等气候因子累积曲线斜率的变化进行关联,从而分解出各驱动因子的贡献率。具体而言,降水对基流变化产生正向贡献,而潜在蒸散发和温度则产生负向贡献,人类活动的贡献则通过残差法计算。
归因分析揭示了显著的南北岸空间异质性。在渭河南岸,老峪口、大峪、罗李村等站点的基流变化主要受气候驱动,贡献率分别为63.26%、58.81%和74.55%。而在北岸,仅冯家岭和千阳站主要受气候驱动(贡献率分别为72.29%和53.92%),其余大多数站点则主要受人类活动的影响。这种差异可能与南北岸不同的自然地理条件(北岸多为黄土高原,南岸为秦岭山区)以及人类活动强度(如农业、人口、工业)的空间分布有关。
结论与意义
本研究的核心发现包括:第一,在渭河流域的基流分割中,F2数字滤波法是最可靠的方法。第二,南北岸基流总体呈不显著增加趋势,但其背后的主导驱动因子存在鲜明对比。第三,归因分析结果强调了基流控制的强空间异质性,南岸部分区域对气候变化更为敏感,而北岸则更多地受到人类活动的塑造。
这些结论具有重要的科学与实践意义。在科学层面,研究通过多方法比较和精细化的空间归因,深化了对干旱半干旱流域基流生成机制及其对全球变化响应复杂性的理解,特别是揭示了同一流域内不同子区域驱动机制的差异性。在实践层面,研究结果强调了在流域水资源管理中必须同时考虑气候变化和人类活动的双重影响,并采取差异化的管理策略。例如,对于气候驱动为主的区域,管理重点应放在适应气候变化、保护自然水文循环上;而对于人类活动主导的区域,则需通过调整土地利用、改进灌溉方式、加强水土保持等措施来减轻其对基流及流域生态健康的负面影响。
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