气候变化和水资源管理对底格里斯-幼发拉底跨界流域的水文影响

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Hydrological impacts of climate and water management in the Tigris-Euphrates transboundary basin

　　穆罕默德·雷扎·扎吉扬|马吉德·德拉瓦尔|瓦希德·肖克里·库查克|萨伊德·莫里德
伊朗德黑兰塔比亚特·莫达雷斯大学水工程与管理系

**摘要**
**研究区域**
底格里斯-幼发拉底河流域（TETR）是一个重要的跨界流域，主要由土耳其、叙利亚、伊拉克和伊朗共享。由于地缘政治和环境因素，该地区目前面临严重的水资源压力。
**研究重点**
本研究调查了1950年至2019年间气候变化和人为干预对水文状况的影响。通过整合观测流量记录与多种来源的全球数据集（CRU、GLDAS和GLEAM），分析了温度、降水量、积雪深度和蒸发蒸腾的时空变化趋势。研究特别探讨了气候变化与人類活动（主要是大坝建设和农业扩张）之间的相互作用，将流域的发展分为不同的阶段，以确定水文变化的主要驱动力。

**研究结果**
结果表明，1980年至2000年间发生了关键的水文制度转变，这是由于上游大坝建设的加速导致的。伊拉克下游流量减少了30%至60%。虽然基础设施发挥了重要作用，但气候因素同样显著：研究期间该地区气温普遍上升了约0.9°C，积雪深度减少，降水量下降约10%，影响了15%的区域。此外，农业扩张增加了蒸发蒸腾率，进一步降低了可用水量。这些发现表明，流量减少是储存管理和气候变化共同作用的结果，强调了需要制定综合考虑人类调控和环境变化的整体水库运营策略。

**引言**
气候变化和人类活动对流域的水文状况产生了显著影响，这种现象在跨界流域尤为明显，因为水资源往往是沿岸国家之间政治争端的焦点（Zolfagharpour等人，2022年）。底格里斯-幼发拉底跨界河流域（TETR）就是这种情况的典型代表（Adamo等人，2020年）；De Stefano等人（2017年）将其归类为具有高度水政治风险的区域。该河流的流量变化经常成为沿岸国家之间紧张关系的根源（Wolf等人，2003年），例如20世纪70年代初的卡班大坝和塔布卡大坝建设几乎引发了伊拉克和叙利亚之间的战争（Morris，1997年）。以往的争端评估表明，上游国家通常将问题归因于气候变化，而下游国家则认为大坝建设是主要原因。然而，区分这两种驱动因素的作用至关重要。因此，解决这些问题并评估TETR流量变化的原因需要联合研究流域气候条件的潜在变化（即气候变异性）以及储存基础设施的影响。仅关注其中一个因素可能会误导判断并引发争端。
虽然也有少数研究关注TETR，但这些研究主要局限于流域的某个部分或只考虑了一个驱动因素。例如，Al-Faraj和Scholz（2014年）指出，在1999年至2013年间，底格里斯河主要支流迪亚拉河流域的自然流量受到了大坝和灌溉项目发展的显著影响（减少了0.26%至82%）。类似地，Mohammed和Scholz（2018年）报告称，在1998年至2002年和2006年至2008年间，小扎布河流域的流量减少了约80%。研究表明，气候变异性和人为干预都有效，其中前者是主导因素。Haghighi等人（2020年）研究了上游开发计划对下游流域（阿拉伯河形成处）的影响，他们的研究表明，自1911年以来在这条河流系统中建设的大量水利设施极大地改变了流域不同地点的流量。其他研究也显示了气候变异性在TETR流域不同部分（如土耳其境内的下游底格里斯-幼发拉底流域和伊拉克境内的底格里斯河流域）水文状况中的重要作用（Esit等人，2023年；Albarakat等人，2022年）。这些研究主要采用非参数检验方法（如Yucel等人，2015年；Buyukyildiz，2023年）来分析非平稳数据。然而，它们较少考虑这些因素与人类活动之间的相互作用。实际上，蒸发蒸腾是一个相关变量，因为它同时受到气候变化和人类活动（如农业发展、水资源储存和调水项目）的影响。

**数据与方法**
为解决这些问题，需要一个全面的数据集，包括气象和水文数据、开发计划以及农业部门的相关信息。然而，由于安全政治考虑和基础设施不足，跨界流域的数据获取变得困难（McCracken和Wolf，2019年；Hajihosseini等人，2016年）。为克服数据获取难度，利用全球数据库已成为一种替代策略。气候研究单位（CRU）数据库（Harris等人，2014年）凭借大量地面观测站，证明了其在分析中国-越南（Vu等人，2016年）、阿富汗-土库曼斯坦-伊朗（Mejdar等人，2023年）和TETR流域（Flint等人，2011年）等跨界河流域的降水量和温度方面的高可靠性。此外，全球陆地数据同化系统（GLDAS）结合卫星和地面数据，使用先进的建模技术（包括雪盖等水文产品的同化），已在印度河（Ali等人，2022年）、湄公河（Sikder等人，2019年）和TETR流域（Boloorani等人，2020年）等跨界流域得到成功应用。如前所述，蒸发蒸腾是确定水资源需求和消耗的关键因素，全球陆地蒸发模型（GLEAM）也对其进行了评估。该模型已在像洞里萨湖（Ang等人，2022年）、湄公河（Tiwari等人，2023年）和TETR（Rateb等人，2021年）等数据稀缺的流域得到应用。

尽管已有许多研究，但能够将整个跨界流域的长期气候因素与人为因素区分开的综合分析仍然有限。因此，本研究试图从综合角度评估气候变化和水资源管理（主要是大坝建设）对底格里斯河和幼发拉底河流量的影响。为此，使用了CRU、GLDAS和GLEAM三个全球数据库，并结合不同的非平稳分析方法，研究了TETR流域的关键气候变量（如降水量、温度、实际蒸发蒸腾（代表水资源需求/消耗）和积雪深度）。同时，还分析了截至2018年的水资源开发计划趋势。本研究的新颖之处在于其综合方法，能够将整个流域七十年间气候变化和人为调控的影响分开，解决了以往局部规模研究中存在的问题。具体而言，本研究探讨了以下研究问题：
i) 在研究期间，关键的水文气候变量如何随时间和空间发生变化？
ii) 战略性重要的大坝在多大程度上改变了自然气候变异性下的河流流量模式？
iii) 时间上的水文变化与主要水利基础设施的运行日期有何关联？

**材料与方法（续）**
**2.1 研究区域**
底格里斯河和幼发拉底河主要发源于土耳其东南部，底格里斯河的一些支流也源自伊朗（图1）。幼发拉底河流经土耳其后，在叙利亚和伊拉克蜿蜒流动，最终与底格里斯河汇合形成阿拉伯河。这一汇合点位于阿尔库尔纳附近，标志着TETR流域的终点，从这里阿拉伯河开始流向波斯湾。流域的主要沿岸国家是土耳其、叙利亚、伊朗和伊拉克，分别贡献了23.7%、13%、5.3%和58%的流域面积。TETR流域气候多样，根据K?ppen-Geiger气候分类（Kottek等人，2006年），从土耳其安纳托利亚高原上游的雪气候到伊拉克的沙漠气候都有（图1）。这种气候多样性导致流域内的年均降水量差异很大，土耳其高地的降水量约为1000毫米，而美索不达米亚平原的降水量不足250毫米（UN-ESCWA和BGR，2013年）。

随着灌溉网络的发展，TETR流域的水资源管理策略发生了显著变化，旨在提高农业生产力。这一趋势始于20世纪50年代，并持续至今。表1列出了流域内一些最重要的水坝的详细信息，其地理位置如图2所示。其中最新增加的是底格里斯河上的伊利苏大坝，该大坝最近已投入全面运行。本研究从各种来源获取了流域内95座水坝的运行数据。

**2.2 气候和水文数据**
**2.2.1 全球气候数据库**
本研究利用了CRU、GLDAS和GLEAM三个全球数据库来分析气候变量（包括降水量、温度、积雪和蒸发蒸腾）的变化。如表2所示，使用CRU数据库的第四版本来研究1950年至2019年间的降水量、最低和最高温度的变化。GLDAS和GLEAM分别用于分析积雪深度和蒸发蒸腾。涉及变量间比较的分析仅限于共同的时间段（1980–2019年），以解决CRU（1950年起）和GLDAS/GLEAM（1980年起）的时间覆盖范围差异。为了获得流域范围和国家级别的时间序列数据，根据相应的shapefile边界进行了面积加权平均值计算。分析前对数据进行了验证，并对降水量数据进行了偏差校正。验证结果确认了数据适用于趋势检测，详见补充材料。

**2.2.2 河流测量数据**
这些记录均位于伊拉克，见表3，包括相应水站的名称。选择这些水站是为了有效展示大坝对流量模式的影响，同时考虑了记录长度的合理性。本书研究中使用的观测气象数据在不同流域地区的覆盖时间和频率不足，这使得趋势分析的准确性降低。因此，研究人员采用了CRU、GLDAS和GLEAM数据库来分析气候变量的趋势。图3总结了当前的研究方法，包括特定时间段内气候要素的趋势和动态变化，以及人类活动的影响。

2.3.1 曼-肯德尔趋势检验（Mann-Kendall Trend Test）
这种检验被广泛认为是非参数趋势分析的常用方法，最初由Mann（1945年）提出，随后由Kendall（1948年）进一步完善。world Meteorological Organization等权威组织也认可了这种方法的有效性（Kundzewicz和Robson，2004年）。该检验的统计参数通过以下公式计算：
$$
S = \sum_{k=1}^{n-1} \sum_{j=k+1}^{n} sgn(x_j - x_k)
$$
其中$n$是观测序列的数量，$x_j$和$x_k$分别表示第$j$个和第$k$个序列的数据。符号函数$sgn$的定义如下：
$$
sgn(x_j - x_k) = \begin{cases}
1 & \text{如果 } x_j - x_k > 0 \\
0 & \text{如果 } x_j - x_k = 0 \\
-1 & \text{如果 } x_j - x_k < 0
\end{cases}
$$
检验统计量$Z$则通过以下公式计算：
$$
Z = \frac{s}{1 + Var(S)}
$$
其中$Var(S)$表示方差，公式为：
$$
Var(S) = \frac{n(n-1)(2n+5)}{\sum_{i=1}^{m} (t-1)(2t+5)}
$$
这里的$m$表示包含至少一个重复数据点的序列数量，$t$是值相同的数据点出现的频率。曼-肯德尔检验统计量服从标准正态分布。在$\alpha$显著性水平下的双尾检验中，如果$Z < Z_{\alpha/2}$，则拒绝原假设（即认为不存在趋势）；反之，则接受原假设。Z统计量的正负值分别表示上升趋势和下降趋势。

2.3.2 Pettitt检验（Pettitt Test）
Pettitt检验是曼-惠特尼检验（Mann-Whitney Test）的非参数形式，即使在对变化时间点把握不多的情况下，也能检测出时间序列中的统计变化（Pettitt，1979年）。该检验的原假设认为统计分布的代表性特征（如平均值、中位数等）在整个时间序列中保持不变。要接受或拒绝原假设，需要计算并分析Pettitt检验统计量。首先根据以下公式确定Ut序列：
$$
U_t = \sum_{i=1}^{t} \sum_{j=t+1} sgn(x_i - x_j)
$$
其中$x_i$为序列中的数据。Pettitt检验的统计量公式为：
$$
K_t = \max\left| U_t - \frac{\sum_{i=1}^{t} sgn(x_i - x_j)}{(t-t)^2}
$$
其显著性通常在5%的水平上检验，公式为：
$$
p_{\text{value}} = 2 \exp\left(-\frac{6K_t^2}{T^3 + T^2}
$$
如果Pettitt检验统计量的值低于临界值，则拒绝原假设，表明时间序列中存在变化。

3. 结果
3.1 温度非平稳性分析
3.1.1 趋势
对于研究区域，曼-肯德尔检验的统计量范围从2.42到7.6，表明年平均最高和最低温度呈现显著上升趋势（见图4b和图5b）。随后使用Pettitt检验确定年平均最高和最低温度的转折点。结果显示，所有转折点的显著性水平均低于0.05（见图4c和图5c）。值得注意的是，随着流域向土耳其北部延伸，显著性水平进一步降低。

3.2 降水量非平稳性分析
3.2.1 趋势
对CRU数据库中位于研究区域的750个观测点进行了降水量趋势分析。曼-肯德尔检验统计量显示降水量既有下降趋势也有上升趋势（见图6a）。此外，Pettitt检验还发现部分流域在1997年（图4d）和1993年（图5d）发生了降水量变化。

3.3 河流流量趋势分析
图7a和图7b显示，对选定站点的平均河流流量进行的曼-肯德尔检验结果表明流量呈现显著下降趋势，尤其是位于底格里斯河支流上的四个站点和位于幼发拉底河下游的一个站点。图7b还指出，两个下游站点的流量转折点分别发生在1990年和1990年，而其他站点则是在随后几年发生的。

3.4 雪深变化
图8a和图8b显示，1980至2000年间，流域北部和西部地区的雪深有所减少，而1990至2019年间雪深进一步减少，反映了这一时期温度升高和降水量减少的趋势。

3.5 实际蒸散量变化
图9a和图9b表明，1980至2019年间，TETR流域的蒸散量总体呈上升趋势，特别是在底格里斯河和幼发拉底河沿岸的灌溉区。灌溉面积的扩大是导致这一变化的主要原因。

3.6 底格里斯-幼发拉底河流域的大坝建设
图10显示，自1950年以来，TETR流域共计划建设了134座大坝，其中95座已投入使用，22座正在建设中，17座处于规划阶段。这些大坝的建设显著影响了该区域的蒸散量。B) 幼发拉底河流域。在底格里斯河流域，2000年之前运行中的水库的累计蓄水量估计为33立方千米，其中大部分变化归因于伊拉克和土耳其。相反，2000年之后，利用中的水库的累计蓄水量估计为14立方千米，显著变化主要与伊朗和土耳其有关。

在幼发拉底河流域，2000年之前运行中的水库的累计蓄水量估计为117立方千米，其中大部分变化归因于土耳其。2000年之后，水库的累计蓄水量降至8立方千米。土耳其在水资源开发和利用方面的主要活动集中在幼发拉底河流域。然而，近年来，土耳其将其活动扩展到了底格里斯河流域，建成了包括伊卢苏大坝在内的六个大型水坝。

总体而言，到2020年底，底格里斯-幼发拉底河流域（TETR流域）内运行中的水坝的累计蓄水量估计约为174立方千米。这种上升趋势的主要变化可以归因于土耳其和伊拉克。根据表5，2000年之前，土耳其拥有约63%的累计蓄水量，即大约150立方千米。然而，2000年之后，这一比例上升到了约84%，即23立方千米。此外，2000年之前伊拉克在其境内运行的地表水库方面更为活跃。换句话说，伊拉克在2000年之前和之后分别占运行中水库总蓄水量的27%和0.18%。伊朗的情况最为不利，仅占2%，即3.3立方千米，其中大部分变化发生在2000年之后。

表5. 1955-2020年间TETR流域内运行中水坝的累计蓄水量中各国所占的比例。

国家 2000年之前的水库蓄水量（百万立方米） 2000年之后的水库蓄水量（百万立方米） 总蓄水量（立方千米） 占总蓄水量的百分比
土耳其 96,232.67 19,451.12 115.68 66
叙利亚 14,023 605 14.62 8.4
伊拉克 40,362.24 1.84 0.40
伊朗 321 300 4.23 3.32 1.9

考虑到该流域内水坝建设趋势（图10），可以分为两个时期：A）发展期，这一时期的坡度较陡，与1980-2000年间水开发项目的快速增长相吻合，尤其是在土耳其；B）发展期，这一时期的坡度较平缓，涵盖2000年至2020年的时间。可以看出，伊拉克的穆塞尔大坝和土耳其的阿塔图尔克大坝对底格里斯河和幼发拉底河的总蓄水量影响最大。

3.7. 大型水坝对河流水文制度的影响

本节探讨了TETR流域内大型水坝运行后河流流量制度的变化，这些水坝被视为历史背景下的关键人为因素。为了进行分析，选择了表1中列出的八座大型水坝。值得注意的是，选择了每座水坝下游的第一个河流流量测量站来分析水坝建设前后的河流流量变化。这些站点的位置已在图2中显示。由于幼发拉底河上的第一座可用流量测量站位于叙利亚-伊拉克边境，因此只能通过IRQ_E1站点来监测这条河流的情况。塔布卡大坝和蒂什林大坝也位于叙利亚境内。图11展示了幼发拉底河上水坝建设前后的河流流量变化。此外，伊拉克作为最下游的国家，修建了哈迪塔、阿尔-阿齐姆、德尔本迪汗和哈姆林等大型水坝。结果基于最近的下游水文测量站的数据，如图12所示。

图11. 与土耳其和叙利亚境内大型水坝运行前后的月平均流量（立方米/秒）变化相关的图表。阿尔帕斯兰-1（IRQ-E1）、克拉尔基齐（IRQ-T1）、塔布卡（IRQ-E1）和蒂什林（IRQ-E1）大坝分别于1992年、2009年、1997年和1999年开始运行。

图12. 与伊拉克境内大型水坝运行前后的月平均流量（立方米/秒）变化相关的图表。哈迪塔（IRQ-E3）、阿德海姆（IRQ-T20）、德尔本迪汗（IRQ-T16）和哈姆林（IRQ-T20）大坝分别于1984年、1999年、1962年和1980年开始运行。

图11和图12的结果表明，由于水坝建设和相关农业用地的发展，河流流量模式发生了变化，年平均流量有所减少。阿德海姆大坝的建设导致年平均流量减少了45%以上，而5月份的月平均流量降幅达到了70%。需要强调的是，由于多个运行中的水坝对河流流量的同时影响，根据现有流量测量站的数据，无法单独评估每座水坝的影响。总体而言，水坝和水力结构对河流流量的减少影响是显而易见的，年平均流量变化范围在1%到46%之间。

4. 讨论

表6总结了气象和水文变量的变化。如前所述，蒸发量（ETa）、积雪深度和降水量在流域的水文状况中起着关键作用，并已被纳入分析。通过综合研究这些因素，人们对流域的水文动态有了更全面的了解。这有助于理解研究期间观察到的区域变化。例如，前几节关于降水量和温度趋势的分析显示，TETR流域内的温度明显上升，降水量相应下降。值得注意的是，这两种气候要素的转折点都发生在1990-2000年这一时间段内。这一特定时间段与发展的第一阶段（1980-2000年）相吻合，该阶段以水坝的密集建设为特征。因此，这为流域水政治中的争端和紧张局势增加了基础。此外，由于温度上升和降水量减少，预计未来会出现不稳定情况，从而可能加剧流域的脆弱性。这些变化的一个主要后果是河流流量的减少，尤其是在发展的第一阶段尤为明显。虽然下游流量反映了累积影响，但统计转折点与大型项目（如阿塔图尔克大坝）的对齐，证实了它们在驱动观测到的流量变化中的主导作用。这强调了气候和人为因素对流域水文动态的复杂相互作用。尽管当前的统计方法能够稳健地检测到流量变化，但它无法量化每个因素（气候和人为因素）的贡献。

另一方面，蒸发量的增加对水资源需求和消费尤其是农业部门产生了影响。随着蒸发量的增加，相应的用水需求也随之上升，导致用水量和取水量显著增加，从而导致河流流量减少。如图所示，选定站点的河流流量变化趋势呈下降趋势，大多数水文转折点发生在2000年之前。总之，TETR流域对气候变化和人为因素的响应存在空间差异。

需要指出的是，网格化数据集（CRU、GLDAS、GLEAM）由于在复杂地形中的插值以及 forcing 数据或模型结构的限制而具有固有的不确定性（Harris等，2020年；Martens等，2017年）。然而，这些独立数据源趋势的一致性，加上检测到的流量变化幅度之大，证实了结果的可靠性，尽管存在这些潜在偏差。

5. 结论

本研究对1950年至2019年的TETR流域进行了深入分析。主要发现如下：

首先，关于气候变化，观察到了温度的显著上升和降水量的相应下降（特别是在伊朗-伊拉克和叙利亚-伊拉克边界地区）。这些气候变化，加上蒸散量的增加和积雪深度的减少，导致了河流流量的减少。蒸发量的增加主要是由于温度上升和农业用地的扩张，对水资源需求产生了影响，尤其是在农业部门。

其次，关于人为干预，研究揭示了人类活动的深远影响，特别是土耳其和伊拉克的水坝建设和运行。具体来说，识别出了两个不同的发展阶段：1980年至2000年的快速发展阶段，以及2000年至2020年的缓慢发展阶段。水坝的累计蓄水量显著增加，导致大多数月份的主要水坝流量大幅减少。同时，除了IRQ_E1站点外，大多数站点的河流流量呈显著下降趋势。值得注意的是，下游站点（包括T20和E3）的流量减少了约30-60%的历史平均水平。这些趋势的转折点与发展的第一阶段相吻合。

第三，关于这些因素的相互作用，研究揭示了气候和人为因素如何共同影响水文动态。总体趋势是积雪深度的减少，这与温度上升和降水量下降一致。这些变化对流域的水文动态产生了显著影响。

总之，研究强调了TETR流域由于气候变量和人为活动而经历的重大变化。这些发现突显了理解这些复杂相互作用的重要性，以制定适应性的跨界机制，以应对下游流量的持续减少，为政策制定者重新谈判水资源分配策略提供了关键证据。

CRediT作者贡献声明

Saeed Morid：撰写、审稿与编辑、验证、监督、概念化。
Vahid Shokri Kuchak：可视化、验证、软件、形式分析。
Majid Delavar：撰写、审稿与编辑、软件、项目管理、方法论、概念化。
Mohammad Reza Zaghiyan：撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、软件、方法论、调查、形式分析。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了Gemini服务来改进手稿的语言和可读性。使用这项服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资金

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。