政策评估与Budyko框架的整合：理解气候变化和人类活动影响下半干旱内陆湖泊流域的水文演变

《Journal of Hydrology》：Integration of policy assessment and Budyko framework: Understanding hydrological evolution in semi-arid inland lake basin under climate change and human activities

本研究以内蒙古乌兰察布市代湖为对象，基于Budyko模型整合政策评估方法，定量分析了1970-2023年间气候变化与人类活动对流域水文过程的贡献。通过Mann-Kendall趋势分析和突变检测，发现2002年为关键转折点，此后人类活动主导水文演变（贡献率-84.24%），而气候变化贡献率-15.76%。农业用水是最大负驱动因子（相关系数-0.84），政策干预（2014年后）显著改善人水关系，使人类贡献率转为+91.92%。研究揭示了半干旱内陆湖泊系统水-土-植被耦合机制，为类似区域生态恢复提供科学依据。

　　本研究围绕内蒙古乌兰察布市的岱海湖展开，探讨了气候变化和人类活动对内陆湖泊水文演变的综合影响。岱海湖作为一个典型的半干旱内陆湖泊，其面积为2305平方公里，受到全球范围内严重水资源压力的显著影响。通过整合Budyko框架与政策评估，本研究定量分析了1970年至2023年期间气候变化和人类活动对水文演变的贡献。研究采用Mann-Kendall趋势分析、突变点检测和弹性系数方法，识别出2002年作为关键转折点，并分析了气象变量、土地利用变化和经济社会因素对径流过程的影响，同时评估了近期的水资源管理政策效果。

### 气候变化与人类活动对水文的影响

岱海湖作为一个闭合流域，自20世纪70年代以来经历了显著的变化：湖泊面积从164.11平方公里减少至45.46平方公里，水位下降了12.28米。研究发现，人类活动主导了水文变化，其贡献率高达-84.24%，而气候变化的贡献率仅为-15.76%。2002年后，径流-降水关系发生了根本性变化，斜率从0.12下降至0.04，表明了对高强度用水的响应减弱。农业用水是径流变化的最强负驱动因素，相关系数为-0.84，p值小于0.01。自2014年起，政策干预显示出可衡量的效果，牲畜数量从73万头减少至32万头，2020-2023年间人类活动的贡献转为正值，达到91.92%。尽管有所改善，但水资源结构仍存在不平衡，地下水依赖度高达85.08%，而生态分配仅占7.26%，这凸显了在半干旱内陆湖泊系统中持续实施政策的必要性。

### 研究区域与数据

研究区域位于内蒙古乌兰察布市，地理坐标为112°30′-112°52′E和40°30′-40°45′N，总面积约为2312.75平方公里。岱海湖是内蒙古第三大内陆湖泊，其流域包括凉城、丰镇和卓资三个县，其中凉城县占总面积的85.1%。岱海湖位于典型的半干旱地区，西北被马罕山环绕，东南被马头山包围。湖泊呈不规则的椭圆形，地势低平，周围有广阔的平原。湖泊的水源主要来自22条季节性河流、地下水和周边地区的降水。主要流入湖泊的河流包括索岱河、第五河和天城河。

### 气候特征

岱海湖具有温带大陆性气候，以显著的干旱性为特点。年平均气温范围在5.6℃至6.1℃之间，冬季漫长寒冷，夏季短暂炎热。年降水量较低，范围在409至416毫米之间，季节分布极不均匀。大部分降水集中在6月至9月，占年降水量的65%以上，其中7月和8月贡献超过50%。流域的蒸发量远高于降水量，年蒸发量范围在586至1095毫米之间，潜在蒸发量甚至更高。

### 数据来源

本研究利用了水文、气候和人类活动数据。水文因素包括径流、湖泊面积和水位。由于缺乏径流观测数据，我们采用水平衡方程进行估算。湖泊面积和水位数据来自Sansumu站的水文局。湖泊面积通过“地面测量法”测量，水位参考黄海高程系统（YSES）。为了验证我们水平衡方程估算的可靠性，我们采用了Terraclimate数据集作为比较参考。该数据集提供了1958年至现在的高分辨率（4公里）全球气候水文再分析产品，包含月度水文气象数据，如降水、温度、蒸散发和径流。该数据集可通过气候数据中心网站获取。

### 方法论

水平衡方程是应用Budyko框架的基本数据来源。在Budyko理论体系中，长期流域水平衡关系表明降水在时间和空间尺度上被分配为实际蒸散发和径流，这是整个分析框架的核心物理关系。准确的径流估算对于推导弹性系数和进行归因分析至关重要。由于研究区域缺乏长期径流观测数据，本研究通过水平衡方程估算径流，为后续基于Budyko框架的弹性分析和驱动因素归因提供可靠的数据基础。

### 湖泊水平衡

湖泊水平衡通常定义为闭合内陆湖泊中水流入和流出的平衡。在此背景下，闭合湖泊中水储量的变化可以通过水平衡方程在年度时间间隔内进行估算。研究发现，岱海湖的水体具有极高的矿物质浓度，因此地下水渗入和流出对水储量变化的影响微乎其微。此外，直接从湖泊中取水的记录有限。因此，净地下水流量（Gi - GO）和人类活动导致的水消耗（W）可以视为可忽略。基于此，水平衡方程可以简化为：

### 突变点分析

突变点检测是识别Budyko框架中参数n随时间变化特性的关键步骤。在传统的Budyko理论中，流域特征参数n通常假设为一个相对稳定的常数，反映了自然地理因素的综合影响。然而，在人类活动强烈干扰的流域中，主要的政策实施、土地利用变化或经济结构转变可能导致径流序列的突变，这些突变往往伴随着参数n的变化，从而改变流域的水文响应特性。因此，准确识别径流及其他水文序列的突变点对于建立参数n的分段模型、界定不同阶段的人类活动影响以及基于Budyko框架进行动态归因分析具有重要意义。

### 趋势分析

对岱海湖的水文变量趋势分析表明，基于水平衡方程和TerraClimate数据集估算的径流趋势和值显示出显著的一致性。时间序列分析显示，两种方法在1970-2030年间捕捉到了相似的年际变化模式，特别是在高径流时期（1975-1985和2000-2010）和低径流时期（1990-2000和2010-2020）。相关性分析量化了这种一致性，显示出高相关系数（R2=0.78）、可接受的均方根误差（RMSE=12.74）和良好的纳什-sutcliffe效率系数（NSE=0.76）。尽管两种方法在方法学上有所不同——水平衡方程基于理论计算，而TerraClimate依赖观测数据和模型同化，但它们在径流估算方面显示出有价值的互补性。这种一致性为区域水文过程研究提供了可靠的科学基础；因此，水平衡方程计算的结果将作为本研究中的测量数据。

### 弹性系数与径流变化因素贡献

本研究采用弹性系数方法对气候变化和人类活动对水文过程的影响进行了定量评估。第一步是通过方差膨胀因子（VIF）分析对候选变量进行变量筛选，选择相对独立的人类活动因素，确保后续建模的统计稳定性。第二步应用弹性系数理论，基于Budyko框架计算每个因素对径流变化的贡献。为了进一步量化人类活动对径流的影响，本研究参考了弹性系数公式，构建了流域特征参数n与各种人类活动因素之间的关系，旨在揭示人类活动对水文过程的影响机制。

### 气候变化趋势

对岱海湖的气候分析显示，长期气候因素的变化显著影响了区域的水资源可持续性。降水、蒸发、潜在蒸散发、温度、风速、相对湿度和日照小时数均显示出下降趋势，而温度、实际蒸散发和潜在蒸散发则显示出显著上升趋势。这些气候因素的变化加剧了水资源短缺，并推动了流域内的广泛生态变化。

### 人类活动趋势

本研究对岱海湖的水文-社会系统（1978-2023）的分析揭示了人类活动和水资源利用之间的复杂双向关系，具有不同的发展阶段和系统变化模式。通过将2002年的径流突变点作为时间边界，采用Mann-Kendall趋势检验对系统演变进行了定量评估，比较了突变点前后指标的均值以及区域发展模式。岱海湖的发展经历了三个显著的转变阶段，每个阶段都表现出不同强度的人类活动和水资源利用模式。这些阶段揭示了社会经济系统与水文系统的耦合动态及其内在驱动机制。

### 水资源利用模式的变化

本研究对岱海湖的水资源利用模式进行了分析，发现其呈现出显著的变化趋势。具体来说，研究区域的水资源利用模式在不同时间段内经历了显著的演变。2002年前，农业用水占总用水量的79.66%-95.28%，工业用水则相对较低。2002年后，随着政策的实施和经济结构的变化，农业用水和工业用水的比例发生了显著变化。这些变化不仅反映了人类活动对水资源利用的直接影响，也表明了人类活动在水资源利用模式上的演变。

### 弹性系数分析

本研究通过弹性系数方法对气候变化和人类活动对水文过程的影响进行了定量评估。通过变量筛选和弹性系数理论的应用，研究对每个因素对径流变化的贡献进行了计算。研究发现，农业用水是径流变化的最强负驱动因素，相关系数为-0.84，p值小于0.01。2014年后实施的政策干预显示出可衡量的效果，牲畜数量从73万头减少至32万头，2020-2023年间人类活动的贡献转为正值，达到91.92%。尽管有所改善，但水资源结构仍存在不平衡，地下水依赖度高达85.08%，而生态分配仅占7.26%，这凸显了在半干旱内陆湖泊系统中持续实施政策的必要性。

### 气候变化与人类活动对径流的综合影响

研究发现，尽管气候变化对径流的影响相对较小，但人类活动的主导作用更加显著。农业用水是径流变化的最强负驱动因素，相关系数为-0.84，p值小于0.01。2014年之后，政策干预显示出显著的效果，减少牲畜数量，优化水资源利用模式，促进生态系统的恢复。通过弹性系数分析，研究揭示了人类活动和气候变化对径流的综合影响，以及政策干预对这些影响的调控作用。

### 水资源管理与政策实施

研究指出，气候变化和人类活动对水资源的影响是相互作用的。农业用水和工业用水的增加导致了地下水位的持续下降，加剧了水资源短缺。政策干预，如2014年实施的农业节水项目和2016年启动的岱海湖生态保护计划，对这些影响起到了一定的缓解作用。研究还强调了在半干旱地区实施水资源管理政策的重要性，以确保水资源的可持续利用和生态系统的恢复。

### 气候变化对水文的响应

研究显示，气候变化对水文的影响是多方面的。降水的减少和蒸发的增加是主要的气候因素，对水资源的可持续性产生了显著影响。随着气候变化的加剧，降水的减少和蒸发的增加进一步加剧了水资源短缺。政策干预和生态恢复措施在一定程度上缓解了这些影响，但需要更长时间的监测和评估。

### 研究的局限性

本研究存在一定的局限性。简化水平衡方程虽然在岱海湖的特殊水文化学条件下具有科学依据，但可能限制其在其他不同条件下的适用性。弹性系数框架假设变量之间的关系相对稳定，这可能无法完全捕捉快速变化的社会-生态系统中的非线性动态。此外，研究期间的气候变率，包括ENSO的影响（厄尔尼诺导致降水减少15%，气温上升0.4℃），代表了特定的区域条件，这可能与其他半干旱流域有所不同。未来的研究应关注开发更复杂的模型，以更好地表示气候变率、政策实施和生态系统响应之间的动态反馈机制。长期监测系统对于跟踪持续的恢复努力和验证当前管理策略的可持续性至关重要。将这一分析框架扩展到其他半干旱湖泊系统，可以提高研究结果的普适性，并为全球范围内水资源管理的普遍原则提供参考。

### 结论

本研究成功量化了岱海湖在1970-2023年间的水文演变机制，揭示了半干旱地区气候变化与人类活动之间的关键影响。研究确定了2002年作为关键转折点，径流-降水关系发生了显著变化，斜率从0.12下降至0.04，表明了流域水文过程的显著改变。水资源显著减少，径流下降速度为1.15×10?立方米/年，导致湖泊面积从164.11平方公里减少至45.46平方公里，水位下降了12.28米。归因分析表明，人类活动是这些变化的主要驱动因素，贡献率为-84.24%，而气候因素的贡献率为-15.76%。农业用水与径流表现出最强的负相关（r=-0.84，p<0.01），而到2023年，水资源结构高度依赖地下水（85.08%），农业消耗了总水资源的71.5%。重要的是，自2014年起实施的政策干预显示出人类活动影响的可控性，成功减少了牲畜数量，并启动了生态恢复过程。

本研究的结果对全球半干旱地区的水资源管理具有重要启示。研究显示，人类活动导致的水文退化具有可逆性，表明战略性的政策干预可以有效抵消负面影响，即使在持续的气候压力下。对于水资源管理者和政策制定者，本研究提供了一个定量框架，用于评估干预措施的效果，并优化水资源分配策略。方法论可以指导未来的管理决策，特别是优化水资源结构、增加生态水分配（目前仅占7.26%）以及确保政策的持续实施以实现长期生态系统的恢复。除了水文，本研究还为更广泛的社会-生态系统韧性与适应性提供了认识，这对全球气候变化适应规划和可持续发展倡议具有重要意义。本研究尝试将物理过程建模与政策评估相结合，为半干旱水文研究提供了一种分析方法，为类似内陆湖泊流域在严重水资源压力下的研究提供了参考，并为其他面临类似挑战的干旱地区提供了比较研究的依据。