《Journal of Hydrology》：The impact of a mega-flood event on the water quality of the southern Murray-Darling Basin, Australia
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本研究分析了澳大利亚墨累-达令流域2011-2023年六个主要水文事件中的总氮、总磷和溶解有机碳动态，发现2022-2023年特大洪水贡献了总流量的30%以上，下游站点营养浓度峰值更高，滞后释放现象显著，可能因漫溢和农业输入。
Dilanka Athukoralalage|Justin D. Brookes|Richard W. McDowell|Luke M. Mosley
阿德莱德大学农业、食品与葡萄酒学院，澳大利亚南澳大利亚州阿德莱德
摘要
由于气候变化的影响，极端洪水在许多地区的发生频率和严重程度都在增加，但其对水质的影响仍不确定。澳大利亚的墨累-达令盆地是一个大型干旱至半干旱的河流系统，在过去几十年中经历了多次严重的干旱和洪水事件。在这项研究中，我们调查了2011年至2014年间六次主要洪水事件中总氮（TN）、总磷（TP）和溶解有机碳（DOC）的动态变化，其中包括2022-2023年的“超级洪水”，这是自1956年以来最大的一次。我们在覆盖该盆地上下游地区的三个研究地点应用了统计和滞后分析方法。超级洪水事件占总流量的30%以上，以及整个研究期间总氮的约18%和总磷的约20%，下游地区的营养物质峰值和浓度更高。这可能是由于溢流、广泛的洪泛区淹没以及来自相邻农业流域的营养物质输送增加共同作用的结果。超级洪水期间的营养物质浓度表现出明显的逆时针滞后现象，即在流量下降阶段浓度更高，表明营养物质从洪泛区的释放被延迟了。这与上游源头地区的情况形成对比，后者表现出弱的顺时针滞后现象，反映了山坡快速驱动的营养物质迁移。我们的研究结果表明，更频繁的气候驱动的超级洪水可能导致更大的营养物质负荷和更长期的水质恶化。然而，营养物质输出的规模最终取决于上游流域的条件以及可输送的营养物质储备量，这些因素在不同洪水事件间可能存在显著差异。
引言
由于气候变化，极端天气条件的频率和严重程度在全球范围内都在增加（Chen等人，2018年；Gu等人，2023年）。降雨量减少和大气变暖的叠加效应可能导致严重的干旱，尤其是在厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）的厄尔尼诺阶段（Tallaksen等人，2023年）。未来的气候变化预测也表明极端事件将更加剧烈（Bl?schl等人，2019年；IPCC，2023年），包括降水和洪水的加剧（Rodell和Li，2023年）。在许多低地河流流域，大规模洪水可能导致河水超过河岸（以下简称“溢流”），并淹没河岸附近的广大流域区域（Devitt等人，2023年）。然而，极端强降雨和长期潮湿期对河流流域的影响并不均匀，且因地区和流域而异。
严重的水文极端事件对全球河流水质产生了深远影响（Kemter等人，2021a；Murphy等人，2018年；van Vliet等人，2023年）。许多研究表明，在干旱到洪水的过渡期间水质会恶化（Fabian等人，2023年；Hrdinka等人，2012年）。在水文干旱期间，流域径流减少会导致河流洪泛区中的营养物质停留时间和植物残渣积累增加（Hrdinka等人，2012年；Worrall等人，2002年）。由于强降雨导致的流量突然增加可能会导致河流中的营养物质浓度和碳负荷升高（Zhou等人，2023年）。这些富集的物质可能超过河流的吸收能力，造成严重的后果，如营养物质富集、水体富营养化、蓝藻生长、沉积物中金属的释放、溶解氧（DO）的减少以及缺氧的黑水现象（Baker等人，2000年；Beavis等人，2023年；Mosley等人，2021年）。例如，Whitworth等人（2012年）报告称，在澳大利亚东南部的墨累河主干道上，2018-2019年夏季的所谓“千年干旱”期间发生了多次严重的缺氧黑水事件。在2018-2019年的六周内，达令河中有数百万条本地鱼类死亡（Stocks等人，2021年），并且这类事件的频率正在增加。据估计，仅2004年达令河鱼类死亡事件造成的损失需要52年才能恢复（Koehn，2021年）。
洪水期间有许多机制会导致水质恶化。在水文干旱结束后，流域径流和洪泛区淹没会将大量积累的营养物质和有机物质（OM）输送到附近的溪流和河流中（Lee等人，2021年；Lee等人，2016年）。洪水期间的土壤侵蚀和沉积物输送会增加溪流和河流的浑浊度、悬浮固体含量以及颗粒态氮和磷的含量，同时还会携带微生物和其他化学污染物（Brookes等人，2005年；Hipsey等人，2006年；Murphy等人，2018年）。此外，土地利用的变化，如农业扩张和森林砍伐，会通过减少自然生态系统功能（如减缓地表径流的植被覆盖、捕获沉积物和营养物质的河岸缓冲带以及降低洪水期间的土壤渗透能力）来加剧这些影响（Cheng和Yu，2019年）。
虽然极端或超级干旱最近受到了较多关注（Athukoralalage等人，2024年；Johnston和Maher，2022年；Kemter等人，2021b年；Peraza-Castro等人，2016年），但关于极端或超级洪水对水质影响的研究却相对较少（van Vliet等人，2013年）。超级洪水的特点是径流量大，进入河流的水量多，导致溢流现象以及与洪泛区、湿地和周围农业区的更大程度重新连接。由于溢流造成的广泛淹没可能会输送比低级别洪水更多的营养物质和碳，但目前这一点尚不清楚。此外，超级洪水期间的广泛淹没可能导致水质长期恶化，延缓水质恢复到洪水前的状态。这是因为大量水分需要更长时间才能从淹没区域排出，同时也会带走营养物质和其他成分。这些事件还可能改变地下水的输送动态和流量。
墨累-达令盆地（MDB）是澳大利亚最大的河流流域。该流域内的许多流域具有干旱或半干旱的天气特征，冬季和早春降雨量较多。在过去几十年中，MDB经常遭受长期干旱和破坏性的洪水（MDBA，2023年；Penton等人，2023年）。例如，1997-2010年的“千年干旱”持续了十多年，最终以大量降雨结束，引发了一系列洪水事件（Mosley等人，2012年；van Dijk等人，2013年）。Whitworth等人（2012年）报告称，千年干旱后的洪水事件导致MDB南部许多流域出现了广泛的缺氧黑水现象。虽然MDB流域也报告过多次重大洪水事件，但2022-2023年的超级洪水是自1956年以来最严重、破纪录的一次（DEW，2024年）。这次洪水淹没了广阔的洪泛区，以及周围的农业和住宅区。
鉴于由于气候变化，全球许多河流系统越来越频繁地受到极端气候事件的影响，因此更好地了解超级洪水的水质模式和后果非常重要。2022-23年的MDB超级洪水事件为解决这一空白提供了难得的机会。在这项研究中，我们通过整合浓度-流量模式、基于事件的营养物质输出和定量滞后指标，对该地区自1956年以来最大规模的洪水期间的营养物质动态进行了新的多站点评估，以了解大规模溢流如何改变营养物质输送途径。具体来说，我们的目标是：（1）分析MDB南部几次主要洪水事件期间的水质响应；（2）将2022-2023年超级洪水与其他过去十年的重大洪水事件进行比较；（3）研究洪水前（Pre-FL）、洪水期间（FL）和洪水后（Post-FL）阶段的营养物质行为。我们假设超级洪水期间广泛的洪泛区重新连接会导致更大的营养物质输出和更明显的滞后现象。这些结果对于理解气候变化下越来越频繁和严重的洪水如何重塑大型受调控河流系统中的营养物质输出和生物地球化学过程具有更广泛的意义。
研究地点和数据集
墨累-达令盆地（MDB）是澳大利亚最大的河流流域，面积约为1,062,025平方公里，其特点是水流受到严格调控，拥有大型源头水库以及一系列用于灌溉和环境目的的水闸和堰。该流域分为北部和南部两个主要流域，气候条件从亚热带到地中海温带不等。
本研究重点关注三个……
超级洪水事件（FL-6）和第二大洪水事件（FL-3）期间的流量和营养物质输出变化
正如预期的那样，超级洪水（FL-6）的高流量期总流量显著高于其他洪水事件（图2）。FL-6期间Torrumbarry的总流量达到5.94×10^9立方米。相比之下，FL-3期间Torrumbarry的总流量为3.91×10^9立方米，比FL-6减少了约34%。水位也表现出类似的趋势，Torrumbarry在……期间的水位最高
讨论
我们的结果表明，FL-3和FL-6洪水事件的营养物质浓度、输出量和百分比显著高于研究期间记录的所有较小和中等规模的洪水事件。此外，这两个较大洪水事件中观察到的更宽的滞后模式进一步凸显了它们对水质的显著影响。
结论
本研究表明，MDB南部地区的营养物质浓度和输出量受到洪水规模、沿河流的空间变化以及洪泛区与河流连接程度的强烈影响。2022-2023年的超级洪水（FL-6）引发了比所有其他评估事件更强的水文和生物地球化学响应。在下游站点（Swan Hill和Torrumbarry），FL-6高峰期的总流量超过了5.9×10^9立方米，比第二大洪水事件高出约34%
作者贡献声明
Dilanka Athukoralalage：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、概念化。Justin D. Brookes：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Richard W. McDowell：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Luke M. Mosley：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
