《Journal of Hydrology》：Quantifying impacts of lakes on baseflow dynamics in headwaters of the Yellow River, Tibetan Plateau
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湖泊对高原基流动态的影响及机器学习量化研究|高原|基流|湖泊效应|气候变化|准配对流域
赵娇|郭润泽|张国涛|朱子英|谭玉华|王国清|刘世轩|张永强|陈云|侯毅|刘佳|张俊龙
山东师范大学地理与环境学院，济南250358，中国
摘要
湖泊的变化会改变流域地貌，从而影响相关的水文过程（例如基流）。然而，在气候变化的影响下，湖泊对青藏高原基流动态的作用尚不明确。本文采用准配对流域的方法，重新考虑了基流的划分。然后利用机器学习（ML）构建了一个无湖泊的情景，以量化湖泊对基流特征的影响。研究结果表明：（i）湖泊流域内的冬季基流持续时间曲线与夏季基流持续时间曲线吻合度较高（R2 = 0.982，%BiasV = 15.38%）；（ii）湖泊对基流指数有双向（正面和负面）影响，并显著降低了高基流日的频率（-46.82%）；（iii）湖泊放大了温度对高基流日和低基流日频率的影响，同时减弱了土壤湿度对基流变化的影响。这些结果表明，湖泊是重要的调节因素，改变了地形和气候变异如何影响源流系统的基流行为。本研究有助于我们更好地理解湖泊如何调节流域基流动态，为未来变化条件下的水资源管理策略制定提供支持。
引言
青藏高原（TP）拥有全球第二大固体水储存量，为多条主要河流（如黄河和长江）提供淡水，同时在调节区域水文循环和控制下游流域的水资源可用性方面发挥着关键作用（Gao等人，2018年）。TP是一个典型的高寒地区，对全球变暖的敏感性极高，其影响几乎是全球平均水平的两倍（Chen等人，2018年；Zhang等人，2020a年；Zhang等人，2020b年）。因此，气候变化引发了湖泊性质（如面积和分布）的变化（Xu等人，2024年），进一步改变了相关的水文过程（Lutz等人，2014年）。
基流是径流中相对稳定的部分，主要由延迟的水流维持（Lyu等人，2022年）。作为变化缓慢的径流成分，TP的基流受到冰川融水、融雪和永久冻土的显著影响（Ficklin等人，2016年）。基流在维持生态稳定（Cheng等人，2021年）、保障人类生活和工业发展用水（Liu等人，2018年；Tan等人，2023年）方面发挥着不可或缺的作用。湖泊是TP陆地覆盖的重要组成部分（Lei等人，2014年），充当连接大气、冰冻圈和生物圈的关键纽带（Wang等人，2022a年；Wang等人，2020b年；Wang等人，2022b年；Wang等人，2022c年；Wang等人，2022d年）。此外，湖泊通过改变蒸发和降水过程影响区域水循环（Scott和Huff，1996年），接收来自冰川融化和永久冻土解冻的大量补给，减轻和调节洪水风险，并改善水质（Haeberli等人，2016年）。因此，湖泊可以影响地表水与地下水的相互作用，并塑造基流模式（Zhan等人，2019年）。
先前的研究探讨了湖泊在不同水文环境中对基流动态的影响。大型湖泊可能主导下游流量。例如，Kumambala等人（2024年）报告称马拉维湖是希雷河基流的主要来源，占年流量的80%-82%，其中约78%发生在雨季。在受积雪影响的源流区域，Liefert等人（2018年）指出，周围湖泊的地下水缓慢补给有助于在Medicine Bow山脉融雪后维持基流。相反，Cherkauer（2007年）发现人工湖泊对基流的影响有限，在密尔沃基北部郊区10月至1月间基流略有增加，随后5月至9月间减少。在小尺度上，湖泊可能增强旱季流量的稳定性。Leach和Laudon（2019年）证明，拥有小型湖泊（<10公顷）的源流流域在6月至9月的基流高于没有湖泊的流域。在佛罗里达州中西部，Paynter等人（2010年）发现湖泊水位波动会减少基流，而相邻的湿地可以抵消这种减少。预计随着气候变暖，高海拔地区的湖泊扩张将增强与基流相关的过程（Zhang等人，2021年）。在TP，冰川湖泊的储水作用是稳定下游水文变化的关键因素（Yang等人，2025年）。Wang等人（2022a年；Wang等人，2022b年；Wang等人，2022c年；Wang等人，2022d年）进一步表明，湖泊和其他液态水的储存增加延长了消退时间尺度，从而在年尺度上支持更稳定的基流。
黄河（HYR）的源头位于TP东北部，以高海拔和显著的地形起伏为特征（Gao等人，2024年）。该地区永久冻土广泛分布（Sun等人，2020年），积雪覆盖面积大，湖泊众多。这些因素与河流网络共同决定了水流路径和水文特征。然而，湖泊变化对HYR基流水文过程的影响仍不确定。
研究湖泊对流域基流过程的作用是理解高寒地区水文过程的基础问题。因此，我们采用准配对流域方法和情景建模相结合的方法，来分离湖泊对HYR基流动态的贡献。本研究旨在确定湖泊在HYR变化环境中的影响。具体目标是：（1）定量研究基流行为；（2）揭示湖泊特征在基流过程中的作用；（3）识别影响湖泊流域基流响应的环境因素。这项研究为高寒流域在气候变化下的水文变化提供了宝贵的见解，有助于保障流域水资源管理和安全。
研究区域
研究区域
准配对流域黄河源（HHY）和??（JG）位于中国西南部的HYR（图1a）。HYR的主河道长度为1552公里（Sun等人，2020年），是黄河流域的主要产流区域，每年产生约2×10^10立方米的水量（约占整个流域水资源的35%），基流贡献较高（约60%）（Zhang等人，2024年）。该地区具有山地气候特征，冬季较长
基流和径流的时间分布
水文站的平均消退时间为124.85±90.3天（平均值±1标准差），JG的值介于61天至HHY的188.7天之间（图2b）。值得注意的是，JG的径流和基流值均高于HHY。
基流持续时间曲线（BDC）反映了基流动态的整体变化。JG的季节性差异更为明显（%BiasV = 173.37%），而HHY为15.38%（图3）。在JG，夏季基流占总基流的73.4%
量化湖泊对基流过程的季节性影响
湖泊对基流的影响具有强烈的季节性，其方向和幅度全年都在变化。湖泊在春季和夏季减弱基流（图7a和b）。春季，随着高原地区气温的升高，融雪开始。然而，地表渗透能力受到冻结土壤和薄透水层的限制。春季融雪水主要通过地表径流流入附近的湖泊，这不利于基流的补充
结论
本研究采用准配对流域方法研究了湖泊如何影响基流动态，以尽量减少HYR地区其他环境因素的影响。应用了五种机器学习模型来量化湖泊对基流行为的影响。湖泊有助于基流分布的季节性平衡，在春季和夏季减弱基流，在秋季和冬季增强基流。总体而言，湖泊对大多数基流的贡献有限（<10%），这些
CRediT作者贡献声明
赵娇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，数据整理，概念化。郭润泽：正式分析。张国涛：可视化，验证。朱子英：验证。谭玉华：撰写 – 审稿与编辑，监督。王国清：监督。刘世轩：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。张永强：监督。陈云：监督。侯毅：撰写 – 审稿与编辑。刘佳：监督。张俊龙：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42101038）和国家重点研发计划（项目编号2024YFC3012701）的共同支持。作者感谢中国留学基金委员会（CSC）资助刘世轩在不列颠哥伦比亚大学（UBC）攻读博士学位。我们感谢吴彤和张晓斌对手稿的有益修改和评论。作者衷心感谢匿名审稿人和编辑的帮助
