《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Baseflow sensitivity to historical and potential future drought scenarios in the Delaware River basin
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研究区域
美国特拉华河上游与中游流域（upper and middle Delaware River basin，UMDRB）
研究重点
基流是人类与生态系统供水的重要组成部分，尤其在气象干旱期间，河川流量受控于浅层地下介质水力学过程，这些过程控制储存地
研究区域
美国特拉华河上游与中游流域（upper and middle Delaware River basin，UMDRB）
研究重点
基流是人类与生态系统供水的重要组成部分，尤其在气象干旱期间，河川流量受控于浅层地下介质水力学过程，这些过程控制储存地下水的释放。尽管既往研究已考察干旱在景观中的传播过程，本研究整合了独特的高分辨率大气模型与地下水/地表水耦合（groundwater/surface water，GW/SW）模型，用于比较受管理流域中历史与潜在未来不同干旱强度下的区域基流响应。研究人员为UMDRB构建了一个GW/SW模型，在该流域中，人类需求与生态需求共同竞争干旱期基流。经校准的模型再现了区域记录期干旱期间景观与地下介质的响应，并进一步用于预测未来情景下该历史干旱再现时的基流变化。
区域水文学新见解
结果表明，在未来再次出现历史干旱时，冬季补给的幅度与时序都可能发生变化，从而导致更低的地下水位，并进一步引起更低的基流排泄以及减少的滨岸带蒸散（riparian evapotranspiration，ET）。在各自最低极值条件下，未来基流较历史基流低25%，这表明历史经验可作为未来可能再现情形的一个有效上限。结果还表明，优先补给（preferential recharge）——这一过程需要更完善的全流域表征——可能是维持地下水位与基流的重要机制。
该论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》，聚焦美国特拉华河上游与中游流域（UMDRB）在多年份干旱背景下基流响应的历史—未来对比问题。研究背景在于，基流是干旱时期维系人类供水、生态栖息地与河道最小生态流量的关键水源，而气象干旱向水文干旱传播的过程中，地下水补给、地下水储存、河网排泄与滨岸带蒸散之间存在复杂的非线性耦合关系。以往研究虽然已讨论干旱传播、地下水记忆效应以及气候变化对地下水和径流的影响，但在区域尺度上，同时结合高分辨率大气重建、未来增暖情景与物理过程驱动的地下水—地表水耦合模拟，并以历史极端干旱作为未来再现的参照条件进行分析的研究仍较少。特拉华河流域的1960年代干旱曾严重威胁城市供水、河口盐水入侵控制与生态环境，因此有必要系统评估在更暖更湿背景下该类极端干旱重现时，地下水系统与基流是否会表现出不同于历史经验的响应。
围绕这一问题，研究人员整合大气模型、陆面水文模型和地下水模型，构建了面向UMDRB的区域耦合地下水/地表水（GW/SW）模型，用以比较历史记录干旱与潜在未来对应干旱再现情景下的地下水位、基流排泄和滨岸带蒸散损失变化，并进一步识别控制补给和基流响应的关键过程。研究的核心结论是：在未来较暖且总体更湿的气候下，冬季补给的时序和幅度将发生显著变化，导致整体地下水位降低、基流排泄普遍减弱，并使未来最低基流较历史最低基流进一步下降；在所分析的3年参考干旱时段内，未来最低极端基流约比历史低25%。与此同时，优先补给（preferential recharge）被识别为维持地下水位和基流的重要但约束不足的过程。该研究的重要意义在于，它表明即便未来总降水增加，增暖引起的积雪减少、冻土蓄水改变与蒸散需求增强，仍可能通过改变补给形成机制而削弱干旱期基流，因此历史低流量经验更可能是未来类似事件的上限，而不是保守估计。
在技术方法上，研究人员首先利用高分辨率Weather Research and Forecast（WRF）模式构建了1960s历史干旱与伪全球变暖（pseudo-global warming，PG）未来再现两套4 km大气强迫数据；其次建立250 × 250 m网格的水量平衡模块（WBM）与MODFLOW 6耦合模型，模拟地下水补给、地下水位、基流与滨岸带ET；模型以2003–2013年资料丰富时段进行校准，并以1959–1969年历史干旱进行检验；随后结合Morris方法、PEST++与一阶二阶矩（first-order second-moment，FOSM）分析开展参数敏感性与不确定性评估，同时设计抽水与滨岸植被根系深度附加情景进行低流量敏感性测试。样本数据来源包括US Geological Survey站点流量、观测井资料以及多种网格化气象和遥感产品。
3.1. Calibration and historical model performance
研究首先验证了模型对历史与校准时期流量过程的再现能力。结果表明，模型能够较好重现2003–2013年期间流域尺度晚春退水、夏季低流量以及秋季基流恢复等关键季节性特征，说明其对地下水补给与地下水释放过程的刻画较为合理。对于1960年代历史干旱期，模型同样较好捕捉了退水动态与夏季低流量特征，说明该模型可用于分析极端干旱下地下水对河川基流的支撑作用。个别月份如1966年9月的总出流被高估，研究人员认为这更可能与快流（quickflow，QF）或水库下泄资料在历史时期的不确定性有关，而非地下水过程表达失真。总体而言，该部分研究支持后续开展未来情景对比分析。
3.2. Changes in simulated groundwater dynamics between historical and future periods
3.2.1. Changes in recharge
研究比较了历史干旱与未来再现干旱情景下补给的时空变化。结果显示，未来情景中冬季多数区域补给高于历史情景，但3月补给明显偏低，4—5月补给也趋于减少，表明景观系统在未来增暖条件下会更快变干。其机制在于，历史情景北部冬季降水中有较大部分以积雪和冻土水分形式暂存，因此1—2月对地下水位的即时补给受抑；而未来情景中冬季更多降水以雨而非雪的形式出现，且冻土暂存减少，使得1—2月补给提前发生。相应地，历史情景中的春季融雪与冻土释放过程在3—4月形成较高补给峰值，但未来情景这一峰值减弱。晚春至夏末两种情景的补给差异缩小，但未来情景总体仍偏低。这说明未来干旱期补给改变并非单纯由降水总量决定，而是由降水相态、冻融过程、QF与土壤蒸散共同塑造。
3.2.2. Changes in GW Levels
在地下水位方面，未来情景整体表现为较历史情景更低的地下水位，且这种差异在距河网较远、埋深较大的区域更为明显。研究通过比较地下水埋深（depth to water table，DTW）的第1四分位数、中位数和第3四分位数，揭示了空间分异特征：靠近河流的区域对情景差异响应较小，而上坡地带和远离河网的区域对补给不确定性及气候变化更敏感。两个情景中地下水位均在1964/PG64年3月附近达到高值，之后下降至10月；在1965/PG65和1966/PG66年，地下水位从更低起点进一步衰减，恢复时间也更晚，显示多年份干旱具有累积效应。高、低补给参数组所形成的模拟带宽显示，未来情景下远离河网区域地下水位对补给参数不确定性的敏感性更强，提示地下水储存亏缺在未来可能更难恢复。
3.2.3. Changes in baseflow discharge
地下水位下降直接导致基流排泄减弱。研究重点分析了Trenton和Montague两个控制断面的基流变化，结果表明上、中游流域在基流生成方面的差异较小。若以3年参考干旱期均值来看，历史与未来情景在冬春季差异最明显，而在夏末秋季逐渐收敛。未来情景中1—2月基流相对较高，但春季基流显著低于历史情景，这与降雪向降雨转变、冬季补给前移以及春季融雪补给峰减弱密切相关。从最低月基流极值来看，未来情景在晚春至初秋期间的最低流量可能接近或低于历史同期的0.75倍，即未来最低基流较历史低约25%。研究还指出，未来情景下晚夏基流略有恢复，可能与优先入渗绕过蒸散需求、直接补给地下水有关。总体上，未来情景的年际基流峰值与总量呈下降趋势，反映出累积储量亏缺和流域“记忆效应”。
3.2.4. Changes in riparian ET
滨岸带蒸散是地下水损失的重要途径，也会进一步削弱基流。模拟结果表明，相较历史干旱，未来情景下滨岸带ET总体略有下降。虽然未来潜在蒸散需求更高，但由于地下水位更低、近河带排泄减弱，实际由地下水支撑的滨岸带ET反而减少。研究将滨岸带ET与基流关系分季节分析后发现，在夏季高潜在ET时期，两者呈明显正相关，即基流越大代表水位越高，从而越能支持滨岸带蒸散；在该季节，历史情景滨岸带ET高于未来情景。春秋季则因潜在ET与地下水位同时处于过渡状态，关系更复杂。该结果说明，在未来增暖条件下，尽管大气蒸散需求增强，但如果水位下降超过一定阈值，则滨岸带植被对地下水的消耗会受到抑制。
3.3. Model sensitivity and uncertainty
在敏感性与不确定性分析方面，研究采用三层策略。首先，对WBM参数进行非线性敏感性分析，结果显示所有情景下补给分配对土壤蒸散参数（ETSM）最为敏感，说明补给形成首先受根区蒸散消耗控制。校准情景中QF是第二关键因素，但在历史和未来干旱情景下，优先入渗比例（INFP）比QF更重要，表明在高温、相对湿润但蒸散更强的背景下，能够绕过根区蒸散、直接补给地下水的那部分入渗，对维持基流尤为关键。其次，基于FOSM方法的线性化贝叶斯敏感性分析表明，未来低流量预测对地下介质参数更敏感，包括浅层水力传导系数（HK）与滨岸带ET最大速率（ETR），高于对补给分配参数的敏感性，这进一步强调物理地下水模拟对低流量预测不可替代。再次，研究引入地下水抽取与滨岸植被根系深度情景，发现即使当前UMDRB地下水开采在水量平衡中占比较小，但在未来低补给背景下，若抽水增强并叠加更深根系导致更强滨岸带ET，则低流量发生概率可进一步上升。该部分结论说明，未来基流风险不仅受气候驱动，也受水资源利用与生态耗水过程放大。
3.4. Comparison with surface water simulation
为检验地下过程表征的重要性，研究将所建WBM-MODFLOW模型与采用相同大气强迫的WRF-Hydro地表水模型进行比较。两者在历史干旱期间的平均基流和夏季低流量幅值上较为接近，但WRF-Hydro对年度退水过程存在时间滞后，且在未来情景下几乎未模拟出明显的多年储量衰减；相反，UMDRB耦合模型显示年际基流峰值和总量持续下降，反映地下水储量逐年亏缺。造成差异的根本原因在于，WRF-Hydro采用独立子流域“桶模型”描述地下水储存与排泄，缺乏单一水力连通地下系统、空间分布导水性与贮水性、动态河网密度等过程，而这些因素正是多年份干旱中基流记忆效应的关键控制。由此可见，仅以简化概念模型处理地下水过程，可能低估未来长期干旱下的基流衰减风险。
在讨论部分，研究人员指出，特拉华河流域未来虽预期更暖更湿，但基流变化的关键不在于降水总量增加本身，而在于降雪减少、冻土贮水转变和蒸散增强如何共同改变地下水补给形成、储存与释放过程。历史极端事件的高保真重建是评估未来极端事件水文后果的基础，而本研究所依托的区域大气重建数据为此提供了独特条件。研究还特别强调优先补给参数（INFP）的重要性：其本质上代表部分入渗绕过根区和非饱和带蒸散损失，直接进入地下水系统的过程。由于该参数目前在流域尺度约束不足，未来若其实际值高于模型中保守设定，则地下水与基流对干旱的缓冲能力可能被低估。同时，QF采用月尺度经验分配，也可能平滑了事件尺度降水强度变化对入渗和补给的影响。研究据此认为，未来需加强优先入渗空间分布、滨岸植被有效根深、土壤毛管作用以及更高时间分辨率降水分配过程的表征，以减少低流量预测不确定性。
论文结论部分可译为：研究利用包含历史与未来情景的独特区域强迫数据集，构建并校准了一个能够在月尺度上再现近期回顾期及1960年代历史极端气候下景观与地下介质响应的模型，并据此比较了合理未来条件下的系统响应。结果表明，在总体更湿且更暖的气候条件下，冬季补给的幅度和时序可能发生变化，而优先补给这一尚不确定、但可通过更完善流域尺度表征加以强化的过程，可能是维持地下水位和基流的重要机制。在本研究假定的优先补给分配条件下——该条件约束不足但可能偏保守——未来时期的地下水位总体低于历史记录干旱期，从而导致基流排泄总体较低。对于所分析的3年干旱子时段，未来基流在最低极端条件下与历史基流最为接近，这表明历史低流量可作为未来可能重现情形的参考，但很可能是未来降水变化与增暖条件下低流量的上限。对比时段内，未来与历史基流差异最大的是冬季和春季，这主要源于积雪与冻土水分累积和释放过程的变化。
总体来看，该研究以物理过程为基础，系统揭示了未来增暖背景下历史型极端干旱再现时UMDRB地下水—基流系统的脆弱性，表明历史低流量经验不能简单外推至未来管理情境；同时也说明，若要提升干旱风险评估与供水管理决策能力，必须强化对地下水补给机制及地下水—地表水耦合过程的区域尺度刻画。
