一个用于量化气候变化和人类活动对基流及直接径流影响的综合性框架：在中国六个不同流域的应用

《Journal of Hydrology》：A comprehensive framework for quantifying the impacts of climate change and human activities on baseflow and direct runoff: Application across six diverse basins in China

气候变化与人类活动对黄河流域等六个人文景观差异显著的流域径流组分的影响研究。采用扩展Budyko框架结合基流分离技术，通过Mann-Kendall和Pettitt检验识别突变点，量化年际及旱雨季尺度下基流与直接径流的贡献率。结果表明：SR-Yellow River、Luanhe River和Dongjiang River年际总径流减少主要归因于人类活动（贡献率52.0%-82.8%），而气候变暖对Jinghe River、PRU-Huai River和Ganjiang River的径流变化贡献率53.6%-79.0%。季节分析显示，除PRU-Huai River外，气候变化与人类活动在旱雨季的影响强度均高于年际尺度，且直接径流对降水变率的响应更为敏感。研究证实了多尺度联合评估框架在揭示不同驱动因子时空异质性方面的有效性。

　　### 水文研究综述：气候变化与人类活动对径流的影响

气候变化和人类活动对全球水文循环产生了显著影响，导致了严重的水资源问题。水资源作为水文循环的重要组成部分，其变化直接影响到水的储存、传输和分配。在面对全球变暖和人口增长的背景下，对径流变化的定量分析对于水资源的可持续管理和保护具有重要意义。近年来，许多研究探讨了气候变化、人类活动或两者共同作用对径流变化的影响。然而，这些研究在分析径流的不同组成部分（如基流和直接径流）时存在一定的局限性，尤其是对季节性变化和区域间差异的关注不足。因此，本研究旨在提出一种全面的框架，结合多种成熟的方法，如扩展的Budyko方法和基流分离，以评估气候变化和人类活动对年径流和季节性基流及直接径流的影响，并通过中国六个流域进行验证。

#### 研究区域与数据来源

本研究选取了六个中国流域，包括黄河源头区（SR-Yellow River）、泾河（Jinghe River）、滦河（Luanhe River）、淮河上游部分区域（PRU-Huai River）、赣江（Ganjiang River）和珠江（Dongjiang River）。这些流域涵盖了中国多样的气候条件、地形特征和人类活动强度，从西北干旱半干旱地区到南方湿润亚热带地区，为分析气候变化和人类活动对水文过程的影响提供了坚实的地理和气候基础。研究区域的数据来源包括六处水文观测站的每日径流数据，以及从中国气象局国家气候中心获得的1960年至2012年的气象数据，包括降水量、温度、风速、相对湿度和日照时数。此外，潜在蒸散发（PET）通过Penman-Monteith方法计算，而研究区域的空间平均气象数据则采用Thiessen多边形方法生成。

#### 方法论

本研究提出了一种综合评估框架，用于量化气候变化和人类活动对径流组成部分的影响。该框架包括四个主要步骤：（1）分离径流组成部分；（2）将时间序列划分为基线期和比较期；（3）基于Budyko假说估算径流组成部分；（4）分析气候变化和人类活动对径流的影响。其中，基流分离采用了四种常用方法，包括Boughton方法、Jakeman方法、Lyne-Hollick方法和Maxwell方法，并通过取平均值以减少不确定性。研究还采用Mann-Kendall和Pettitt测试来识别径流的突变点，从而更准确地划分基线期和比较期。此外，研究还引入了abcd模型，用于模拟土壤水分和地下水储量的季节性变化，弥补了直接观测数据的不足。

#### 研究结果

研究结果表明，人类活动在黄河源头区、滦河和珠江流域的年基流和直接径流下降中起主导作用，占总变化的52.0–82.8?%。而在其他流域，如泾河和淮河上游部分区域，气候变化对基流和直接径流的影响更为显著，贡献了53.6–79.0?%的变化。此外，气候变化和人类活动对基流和直接径流的影响在雨季通常比在旱季更为显著，但淮河上游部分区域存在例外。基流分离结果显示，基流指数（BFI）在六个流域中变化较大，范围从0.34到0.56，且在雨季的BFI通常低于旱季。

在对水文气象变量变化的分析中，研究发现所有流域的年降水量和总径流均呈下降趋势，而赣江流域则表现出增加的趋势。潜在蒸散发在某些流域如黄河源头区和泾河有所增加，而在其他流域如淮河上游部分区域则显著减少。在季节尺度上，水文气象变量的变化趋势与年变化趋势基本一致，但在某些流域如黄河源头区和滦河，降水量和总径流在雨季的变化幅度更大。此外，研究发现，在雨季，基流和直接径流对气候变化的敏感性通常高于旱季，而人类活动的影响则在雨季和旱季均有所体现。

#### 讨论

本研究的成果与以往的研究相比，具有一定的创新性。通过将总径流分解为基流和直接径流，研究能够更细致地分析两者对气候变化和人类活动的响应。结果显示，基流和直接径流对环境变化的响应存在显著差异，这可能与降水季节性、蒸散发动态和流域特征有关。此外，研究发现，考虑径流组成部分的Budyko框架能够更准确地估算气候变化的贡献，与不考虑组成部分的估算相比，其结果在所有流域中均有所提高，这可能是因为弹性系数的计算基于不同的模型。

然而，本研究也存在一定的局限性。首先，由于数据限制，研究仅覆盖了六个流域，可能无法全面反映中国多样化的气候和水文条件。其次，Budyko框架通常假设气候变化和人类活动之间相互独立，但在实际中，这些因素可能存在复杂的相互作用。例如，土地利用变化可能通过直接机制（如不透水地表增加、森林砍伐）和间接途径（如蒸散发模式变化）影响水文过程，从而使得径流变化的归因更加复杂。此外，基流和直接径流的估算依赖于基流分离方法和abcd模型，这些方法可能存在一定的误差。例如，基流分离方法在某些流域可能低估或高估基流，而abcd模型在模拟高流量时可能存在问题。最后，降水量和径流数据的质量，以及潜在蒸散发的估算方法，也是研究结果中存在不确定性的来源。

#### 结论

本研究通过提出一种全面的评估框架，结合多种成熟的方法，量化了气候变化和人类活动对径流组成部分的影响。研究发现，人类活动在黄河源头区、滦河和珠江流域的年基流和直接径流下降中起主导作用，而在其他流域，气候变化的影响更为显著。此外，研究还发现，气候变化和人类活动对基流和直接径流的影响在雨季通常比在旱季更为显著，但在淮河上游部分区域存在例外。研究结果表明，基流和直接径流对降水和潜在蒸散发的敏感性存在显著的空间和时间差异，且在某些流域，降水弹性系数的绝对值大于潜在蒸散发的弹性系数。总体而言，本研究为理解气候变化和人类活动对径流组成部分的影响提供了新的视角，并为未来的水资源管理和保护提供了科学依据。