大型流域的年轻水体比例特征及其影响因素：来自长期高频率水样采集的见解

《Journal of Hydrology》：Young water proportion characteristics and influencing factors of large-scale basins: insights from long-term and high-frequency water sampling

　　张勇|张新平|詹旭红|夏成成|刘金兆|饶志国|何新光|刘克绍|刘 Zhu|肖雄
湖南师范大学地理科学学院，长沙410081，中国

**摘要**
气候变化加剧了极端天气事件，因此了解河流对气候变化的响应对于水资源管理至关重要。本研究从2010年到2025年在长沙对降水和河水进行了15年的每日和5天一次的采样。通过将现场同位素测量结果与湘江流域（XRB）的水文气象数据以及isoGSM2模拟的降水数据相结合，我们采用了多种方法来估算年轻水成分（Fyw）并评估了其不确定性。研究结果表明：（1）湘江流域经历了变暖和干燥的趋势，导致由于流域内储存水的蒸发分馏作用增强，河水中的同位素富集程度增加；（2）与5天采样相比，标准月度采样方法在估算Fyw时引入了超过两倍的不确定性；（3）受降水影响，高流量期间的Fyw估算精度更高（例如，90–95%、95–100%和Top 2.5%，调整后的R2分别为0.66、0.66和0.71）。这一结果为湘江流域在强降水事件期间有效的年轻水传输过程提供了直接的经验证据；（4）全球综合研究表明，在湿润的季风地区，Fyw主要受降水强度驱动。短期强降水会激活瞬态优先流动路径，使年轻水能够绕过大型流域中的大量老水。这种机制解释了为什么在湿润年份，大型季风流域观测到的Fyw水平高于预期。总体而言，本研究揭示了水文气象因素变化对湘江流域Fyw的影响。

**引言**
河流径流是衡量流域内水文气象变化的关键指标，在水文过程中起着重要作用。由于其快速更新和短周期循环特性，河流径流被广泛用于工业和农业生产。它还对维持河岸和水生生态系统至关重要（D?ll等人，2014年；Arnell和Gosling，2016年；Wang等人，2023年）。河流径流整合了各种水文气象因素的信息，出水口的水反映了整个流域的特征（Holmes等人，2020年；Stadnyk和Holmes，2023年）。然而，大型流域在这些因素上表现出更大的异质性，这可能是许多研究主要关注较小流域的原因（Song等人，2017年；Lutz等人，2018年；Stockinger等人，2019年；Xia等人，2024年）。鉴于气候变化，研究大型河流流域中年轻水成分（Fyw）的变化及其影响因素对于预测水文过程和管理水资源以确保水资源安全至关重要。

**稳定同位素（如δ2H和δ18O）**在天然水体中是高度敏感的示踪剂，能够有效记录环境变化（Zhang等人，2012年）。作为流域水文循环的关键输出，河流径流的稳定同位素组成反映了流域水文循环的综合响应，为了解整体水文气象状况提供了见解（Halder等人，2015年；von Freyberg等人，2022年）。因此，利用稳定同位素估算Fyw的方法越来越受到重视（Jasechko等人，2016年；Sprenger等人，2019年）。从概念上讲，流域水文可以通过传输时间分布（TTDs）来描述，该分布表征了水以降水形式进入与以径流形式流出之间的时间。在这个理论框架下，Fyw被正式定义为径流中年龄小于特定阈值（通常为2-3个月）的水的比例，代表了流域TTD的“年轻尾部”（Kirchner，2016年）。由于这种年轻水通过瞬态优先流动路径快速绕过深层地下储存，其动态变化对采样频率非常敏感。准确量化Fyw对于理解和预测流域水文行为至关重要。作为一种易于获取且具有物理意义的综合指标，Fyw直接揭示了流域对降水事件的响应能力及其水文连通性（Jasechko等人，2016年）。这一指标对一系列关键的水文应用具有深远意义。首先，它是评估流域脆弱性的关键指标，表明了干旱期间维持基流的能力或在强降雨期间快速响应洪水的潜力（Xia等人，2024年）；其次，Fyw有助于阐明污染物（如农业硝酸盐）从地表输送到河流系统的潜力和速度，为水质管理提供了重要见解（Hrachowitz等人，2016年）。因此，系统研究Fyw的时空变化及其驱动因素不仅加深了我们对流域过程的机制理解，而且对于预测水文行为和制定水资源管理策略以确保水资源安全也具有重要意义。

**Fyw的估算**主要基于对降水和河水中稳定同位素组成的正弦波拟合。这种方法最初是为数据有限和采样稀疏不规则的情况开发的（Kirchner，2016年）。其可靠性源于其作为综合信号的本质：无论流域内流动路径的复杂性如何，最终到达河流的年轻水其年轻的同位素特征都会平均到河流水的整体同位素时间序列中。因此，估算Fyw的方法在异质流域中表现出高可靠性，能够准确反映流域的水文特征和行为（Sprenger等人，2019年；Hu等人，2020年；Wang等人，2023年；Xia等人，2024年）。尽管Fyw估算方法具有高可靠性，但每种方法都有其独特的优缺点，这些优缺点会影响最终的见解。全周期正弦波拟合方法可以估算整个研究期间的Fyw总体值，但可能会忽略极端事件，从而丢失关键信号（von Freyberg等人，2022年；Ren等人，2023年）。为了解决这个问题，移动时间窗口方法生成了能够捕捉特定事件影响的时间序列数据；然而，其在短时间窗口内的准确性仍受采样频率的影响，可能会增加不确定性（Sprenger等人，2019年；Liao等人，2023年）。同样，去趋势校正方法通过减少降水和河水同位素长期趋势的影响来提高准确性，但这种校正对模拟结果的精确影响仍需进一步研究。最后，模拟流量敏感方法可以在不同的流量区间捕捉同位素信号，从而确定极端事件的影响，并为深入分析这些事件在河流径流过程中的作用提供基础（Xia等人，2024年）。多种方法的综合应用允许相互验证估算结果，提高Fyw计算的准确性，并为选择适当的Fyw估算方法提供重要指导。

**研究区域**
湘江（24°31′N–29°01′N，110°30′E–114°01′E）是湖南省最大的河流，也是长江的主要支流，发源于广西壮族自治区，流经湖南省中东部（图1）。这条河流全长856公里，流域面积为94,660平方公里。河流采样点位于长沙的Orange Isle；上游流域面积为81,638平方公里，占总流域面积的86.2%。

**水文气象数据的时间变化**
图2展示了湘江流域内5天的降水量（P）、温度（T）和蒸发量（E）的时间序列，以及月度径流深度和径流系数。降水量、蒸发量和温度的时间序列表现出明显的季节性变化，夏季温度高且降雨量大，冬季温度温和且降雨量少。这些季节性模式与蒸发量的峰值时期密切相关，这归因于该地区统一的气候、降水形式和大气环流模式。

**不同Fyw估算方法的准确性和不确定性**
本研究使用四种方法估算了湘江流域的全周期Fyw：全周期正弦波拟合、去趋势校正、移动时间窗口和模拟流量敏感方法，平均结果分别为0.22、0.22、0.23和0.25（表5）。虽然这些平均值之间的一致性表明所有方法通常适用于湘江流域，但我们的重采样实验揭示了平均值之间存在的显著差异。

**结论**
本研究对湘江流域内Fyw的时间变化及其影响因素进行了定量和定性分析，评估了不同估算方法的适用性和结果的不确定性。主要结果如下：（1）在观测期间，湘江流域经历了显著的变暖和干燥趋势。这种气候变化导致了流域内蒸发分馏作用的增强。饶志国：写作——审稿与编辑，方法论。何新光：写作——审稿与编辑，方法论。刘克绍：写作——审稿与编辑；利益冲突声明：作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。致谢：本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42571118）以及湖南省高等学校科技创新研究团队支持计划（项目编号：0531120-4944）的资助。我们感谢那些在15个水文年度内不间断地采集水样并检测水稳定同位素的研究生们的辛勤工作。