《Water Research》：Water-quality responses and management-oriented spatial thresholds in a complex river-estuary continuum
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珠江三角洲复杂水网结构下，通过分析2019-2023年45个站点的日水质数据，结合网络拓扑指标（如Dendritic Connectivity Index）与环境驱动因素（水文、人类活动），揭示了空间异质性、阈值效应及最优管理尺度（摘要）。
江武|唐刘|段宝莉|张丽娟|秦华鹏|孙伟玲|徐楠
北京大学深圳研究生院环境与能源学院生态环境与资源效率研究实验室，中国深圳518055
摘要
珠江三角洲是一个高度城市化的河口连续体，拥有世界上最复杂的低地网络之一。其高度分支、强潮汐和盐度分层的特性，加上密集的人类活动，使得网络配置在水质管理中的作用变得复杂。由于对时空变化、多重驱动因素及其环境影响阈值的理解有限，从统一管理向精准管理的转变受到了阻碍。我们分析了2019年至2023年间45个监测站的每日水质数据，并结合了网络指标和环境驱动因素。网络几何结构表现出明显的空间差异，树状连通性指数（DCI）显示出明显的南北梯度。随着缓冲半径、河段长度、节点数量和发育系数（Kω）的增加，在600-800米范围内达到稳定状态，表明超过这个范围后效益递减。空间异质性表明，水质通过水流连通性和物质传输受到网络调控。西部站点（水面比例Wp较高）受到西江碳酸盐风化的影响，pH值较高；东部电导率（EC）热点反映了盐水入侵和河口交换受限的情况；浊度在湾内和分流口处达到峰值（Kω较低），而营养物质则集中在东部城市化区域。LightGBM模型确定400-800米为最具有解释力的距离范围：溶解氧、浊度和氨氮主要受水化学因素影响，电导率受水文因素影响，营养物质受社会经济因素影响。在结构指标中，DCI、河流密度和Wp对电导率和浊度的解释能力最强。地幔分析证实，人类活动和水动力连通性是水质变化的主要驱动因素，尤其是在600米以上的距离范围内。800米的缓冲区为整个城市聚集区的分区水质管理提供了清晰的界限。
引言
河口连续体是物质从陆地转移到海岸的主要途径，也是陆地、海洋和大气之间重要的交换场所。这一连续体正受到气候变化和人类活动的日益严重压力（Best, 2019; Nienhuis et al., 2020; Zhang et al., 2022）。水质是河流生态系统健康状况的直接指标，对水生生物多样性、饮用水安全及区域可持续性具有重大影响（Giri, 2021; Vorosmarty et al., 2010）。近几十年来，水利基础设施建设和快速城市化共同加剧了水质恶化（Fletcher et al., 2013; Grill et al., 2019; Meybeck, 2003）。珠江三角洲（PRD）作为中国经济最发达、人口最密集的地区之一，是典型的城市河口连续体。珠江在密集的三角洲网络中汇聚后，通过八个潮汐出口流入南海，形成了“三江汇流、八口分流”的独特格局，构成了世界上最复杂的低地网络之一（Ma et al., 2024; Zhang et al., 2015）。因此，理解珠江-河口连续体上的水质时空变化及其水动力控制机制具有重要的科学和实践意义。
河流网络几何结构有效调节了水质的空间组织和演变。网络结构指标影响着稀释、交换、沉积和循环过程，而水文连通性则控制着溶质和颗粒物的迁移路径。树状连通性指数（DCI）等连通性指标被广泛用于评估纵向连通性，并已适用于具有复杂水力特性的低坡度平原河流网络（Cote et al., 2009; Huang et al., 2024）。全球范围内，大坝、水库、堤坝和河道整治等人类活动减少了自由流动河流的比例；长度超过1000公里的河流中，只有约37%仍保持自由流动状态，这表明网络结构和连通性发生了显著变化（Grill et al., 2019）。在中国太湖上游平原河流网络中，统计关联分析显示水质与河流网络几何结构之间存在强烈关联（平均灰色关系等级约为0.75），凸显了水质变化对结构和连通性属性的敏感性（Deng, 2019）。在低洼平原和三角洲河流系统中，河流密度降低和水面比例减小通常反映了水文网络的简化和破碎化，从而削弱了侧向交换和稀释能力，导致局部溶质积累和水质恶化。相反，增强水文连通性可以增加水流交换并缩短水体滞留时间，显著改善水质（Liu et al., 2021; Yang et al., 2025）。
除了网络几何结构外，环境因素也影响水质成分的来源、传输和汇积过程。人类活动往往起着主导作用。城市化增加了不透水表面的覆盖面积，使雨水将沉积物和道路沉积物带入溪流，产生复杂的非点源污染，加剧了流域治理的难度（McGrane, 2016）。全国范围内的评估表明，82.5%的总磷（TP）污染和79.5%的氨氮（NH3-N）污染归因于人类活动，而自然因素仅解释了20.5%（TP）和17.5%（NH3-N）。夜间光照数据可以反映城市化强度，是河流中TP和NH3-N的关键预测指标。城市地区是地表水氮的主要来源（Huang et al., 2021; Huo et al., 2025）。长期的大规模遥感分析进一步揭示了浊度、有机污染和人类活动强度之间的紧密耦合，这种耦合在不同气候和人为因素梯度下存在显著的空间差异。在湿润的中西部地区，由于沉积物捕获和采砂作用，污染物浓度普遍下降；而在受风蚀影响的地区，污染物浓度则出现波动性增加。在约800毫米等雨量线范围内，湿润的东南部地区有机污染总体下降，而干旱至半干旱的西北部地区则有所增加，这反映了全国范围内气候驱动的稀释作用与人为排放之间的地理差异（Yan et al., 2025a; Yan et al., 2025b）。
越来越多的研究表明，环境距离对不同地貌环境下的水质响应具有非固定的、类似阈值的效果。过小的距离可能忽略相关干扰，而过大的距离可能稀释信号；因此，需要多尺度分析来确定最佳距离。在不同流域特征和污染情景下，100-1000米的缓冲区通常被认为是高敏感度范围，而在大型流域或受污染严重的地区，1000-2000米的缓冲区可能更具信息量（Deng, 2019; Sliva and Williams, 2001; Uriarte et al., 2011; Yang et al., 2024）。确定关键驱动因素、距离阈值及其在不同流域类型中的解释能力是精细流域管理的核心（Wu et al., 2023; Xu et al., 2024）。
尽管近期取得了一些进展，但对珠江-河口连续体的综合理解仍有限。该系统具有高度分支、强潮汐、盐度分层的特点，并受到人类活动的强烈调控。网络配置和连通性的变化如何影响此类河口环境中的水质传输及相关环境效应尚未完全明了。此外，直接支持精细管理的距离阈值识别不足，阻碍了从统一管理向重点管理方式的转变（Ma et al., 2024; Wang et al., 2024; Wei et al., 2021; Yu et al., 2022）。为解决这些问题，本研究聚焦珠江-河口连续体，结合高分辨率监测和机器学习模型，旨在：（1）阐明复杂水动力环境下水质时空变化的传输机制；（2）量化河流网络几何结构和关键环境因素对水质传输的影响及其相互作用；（3）确定关键且稳定的环境距离阈值，为基于证据的分区控制和精细管理提供依据。研究结果为珠江三角洲城市聚集区的水质管理和政策制定提供了基于过程的依据。
研究区域
珠江是中国径流量第二大的河流，发源于云贵高原，最终注入南海。该流域有三个主要支流：西江（西）、北江（北）和东江（东）（PRWRC, 2019）。在珠江三角洲内，河道得到充分开发。西北部三角洲的主要水道长度接近100公里，总长度约为1600公里；东部三角洲的五个主要水道总长度约为138公里。该地区属于湿润气候类型。
珠江三角洲河流结构指数概述
珠江流域的水库密度较高（约每10^3平方公里6座水库）（Chenyu et al., 2025），这对整个流域的水文连通性产生了广泛影响。DCI地图显示了明显的南北梯度，北部的连通性较低，南部较高（图2a）。
研究区域内的大型和巨型水库（蓄水量超过0.1立方公里）（图2a, 图S1）降低了连通性，改变了水文动态，并使河流网络变得破碎（Song et al., 2022）。
结论
在整个珠江-河口连续体中，水文连通性表现出明显的南北梯度。随着缓冲半径的增加，河流长度（L）增加，而河流密度（Dr）减少。拓扑指标在中等距离范围内（600-800米）趋于稳定，尤其是河段数量（m）、节点数量（n）和发育系数（Kω），表明超过800米后效益递减。空间对比显示，西部的Wp值大于东部，北部的Dr值大于南部。
CRediT作者贡献声明
江武：撰写初稿、方法论设计、资金申请、数据分析。
唐刘：数据可视化、软件开发。
段宝莉：方法论设计、调查实施。
张丽娟：撰写、审稿与编辑、资金申请。
秦华鹏：撰写、审稿与编辑、概念框架构建。
孙伟玲：撰写、审稿与编辑、资源协调。
徐楠：撰写、审稿与编辑、项目监督、概念框架构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3205901）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2023A1515110824和2025A1515011839）以及深圳市科技计划（编号RCBS20231211090638066）的支持。
