全球沿海流域水资源的长期动态及其驱动机制

《Journal of Hydro-environment Research》：Long-term dynamics of water persistence and the driving mechanisms in global coastal basins

定量分析沿海流域水持续性时空演变及驱动机制，提出"重建-分类-界定"（RCD）集成框架，结合自动间隙填补与多源融合算法，构建2000-2021年全球沿海流域月尺度地表水动态数据库。研究表明水持续性持续增强，其中92.56%增幅来自间歇性水面（ISW），但水文稳定性下降，主要受土地利用强度（49.43%）和降水（11.94%）影响，识别出四种"降水-人类活动"调控模式。

　　水的持久性是衡量水文健康和生态韧性的关键指标，对于保障水资源安全和促进陆海相互作用具有重要意义。然而，由于环境复杂性和时空变化的多样性，量化沿海地区水持久性的变化仍然面临诸多挑战。为了解决这一问题，本研究提出了一种“重建-分类-界定”（Reconstruction-Classification-Delineation, RCD）集成框架，结合了自动填补数据缺失和多源数据融合算法（Automatic Gap Filling and Multi-Source Fusion, AGMF），以重建全球沿海流域（Global Coastal Basins, GCBs）中长期（2000年至2021年）的月度地表水动态。通过该框架，研究不仅能够识别水的持久性，还能够将其划分为永久地表水（Permanent Surface Water, PSW）和间歇地表水（Intermittent Surface Water, ISW）两类，从而揭示水持久性变化的深层机制。

研究结果表明，水的持久性呈现出持续上升的趋势，其增加的面积是地表水减少面积的1.31倍。这一变化主要由间歇地表水（ISW）的扩张所驱动，占总增加面积的92.56%，而永久地表水（PSW）的增加仅占7.44%。值得注意的是，水的持久性内部结构发生了显著变化：永久地表水的比例正在下降，而高频、短周期的间歇地表水则呈现出显著增长的趋势。尽管间歇地表水的扩张推动了整体水持久性的增加，但水的来源稳定性却有所下降。这意味着，虽然水体的持续时间在延长，但其来源变得更加不确定，可能对水资源的可持续性构成挑战。

水持久性的变化主要受到陆地利用强度和降水量的双重影响，分别贡献了49.43%和11.94%。陆地利用强度的增加，如城市化和农业扩张，显著改变了地表水的时空分布模式，进而影响了水的持久性。同时，降水量的波动对水体的持续性也起到了关键作用。研究还发现，全球沿海流域中存在四种不同的“降水-人类活动”模式，这些模式在调控地表水变化方面具有重要作用。第一种是“自然补偿”模式，即自然降水和地表水的循环能够有效缓解人类活动带来的影响；第二种是“双重抑制”模式，表明降水减少和人类活动增强共同抑制了地表水的持久性；第三种是“人工替代”模式，意味着人类活动在一定程度上替代了自然降水对地表水的调节作用；第四种是“双重增强”模式，显示降水增加和人类活动增强共同促进了地表水的持久性增长。

在全球变化的背景下，研究水持久性的变化不仅有助于理解沿海地区的水文动态，还对水资源安全预警、陆海水资源的韧性管理以及可持续沿海规划具有重要意义。沿海地区虽然仅占地球陆地面积的18.43%，却承载着全球超过40%的人口和65.12%的经济产出。这些区域还孕育了丰富的生物多样性，如红树林和潮间带等生态系统，不仅为83%的软骨鱼类和71%的濒危哺乳动物提供了栖息地，还在碳封存、风暴潮缓解等方面发挥着关键作用。然而，高强度的人类活动和气候变化正在对这些生态系统构成系统性威胁，例如海平面上升和极端天气事件的频繁发生，使得沿海地区的水文动态更加复杂和不稳定。

当前的研究在沿海水持久性方面存在一些局限性。首先，全球范围内的开放水产品往往在时间和空间分辨率上存在差异，这导致沿海地区在使用月度30米分辨率数据时，仍然面临某些月份和区域的数据缺失问题。这些数据缺失不仅影响水资源管理，还干扰了长期数据序列的完整性，阻碍了对水持久性变化的准确时空分析和趋势预测。其次，已有研究（如Huang等，2021；Wang等，2019）主要依赖于单一时相或年度合成数据，这限制了对季节尺度动态变化的分析，导致对间歇性水体生态功能的理解不够深入。此外，传统的分类系统通常关注水体类型之间的静态差异（如河流和湖泊），而忽略了水文连续性指标（如淹没频率）在生态系统服务中的调节作用。最后，现有研究要么专注于内陆地表水变化的全球尺度分析，要么局限于特定区域的案例研究，这使得沿海和内陆地表水动态之间的比较和整合变得困难。由于沿海地区具有独特的地理、气候和社会经济特征，其地表水模式与内陆地区存在显著差异，而内陆研究已经揭示了降水和人类活动对地表水的影响，但这些结论在沿海地区的适用性尚未得到充分验证。

为克服上述问题，本研究聚焦于沿海地区，构建了一种新的“重建-分类-界定”（RCD）集成框架，结合自动填补数据缺失和多源数据融合算法（AGMF），以实现对全球沿海流域（GCBs）中长期月度地表水动态的精确重建。该框架采用基于水文特征和空间范围的HydroBASINS Level 6流域划分方法，以确保流域边界的科学性和一致性。通过该框架，研究能够揭示水体淹没频率（Water Inundation Frequency, WIF）所隐藏的水持久性变化规律，从而为水资源管理和生态保护提供新的视角和方法。

研究发现，GCBs中的水体淹没频率呈现出显著的空间差异。总体来看，水体淹没频率在不断上升，如图4所示。地表水体淹没频率的变化范围涵盖了35.24×10? km2（P<0.05），其中67.28%的区域显示出上升趋势，覆盖面积为23.71×10? km2，而32.72%的区域则显示出下降趋势，覆盖面积为11.53×10? km2。在各大洲中，亚洲和北美洲的变化尤为显著，其中亚洲经历了最显著的水体淹没频率上升。这一趋势反映了沿海地区在面对自然和人为压力时的复杂响应机制，也凸显了全球变化对沿海水资源的深远影响。

本研究还通过引入RCD框架和AGMF算法，对月度地表水数据进行了精确重建。该方法通过复合掩膜技术对主要地表水数据进行处理，填补了因云层覆盖或其他因素导致的数据缺失问题，从而构建了一个完整、高分辨率的月度地表水数据库，覆盖时间范围从2000年1月到2021年12月。这种高分辨率的数据不仅有助于更精确地捕捉地表水的动态变化，还能够支持更细致的时空分析和趋势预测。此外，研究还对重建结果进行了严格的验证，将其与广泛应用的GSW、GLAD和GWP等全球地表水数据集进行了对比，结果表明重建数据具有较高的可靠性和准确性，与已有研究的结论保持一致，从而进一步验证了该方法的有效性。

在方法论上，本研究强调了多源数据融合和自动填补技术的重要性。传统的地表水监测方法往往依赖单一数据源，而这种方法可能无法全面反映水体的动态变化。通过多源数据融合，研究能够整合不同分辨率和时间尺度的数据，提高对地表水变化的识别能力。同时，自动填补技术有效解决了因云层覆盖、传感器故障或其他因素导致的数据缺失问题，从而确保了数据的完整性和连续性。这种技术的引入不仅提高了研究的精度，还为未来的大规模地表水监测和分析提供了可行的技术路径。

此外，本研究还探讨了水持久性变化的驱动机制。通过分析不同尺度下的影响因素，研究发现自然因素和人为因素在水持久性变化中均起到了重要作用。其中，自然因素如降水变化对水体的持续性产生了显著影响，而人为因素如城市化和农业扩张则通过改变土地利用格局和水文条件，进一步加剧了水体的不稳定性。这种双重驱动机制表明，水持久性的变化并非单一因素所致，而是多种因素相互作用的结果。因此，在制定水资源管理政策时，必须综合考虑自然和人为因素的影响，以实现对水资源的可持续利用和保护。

本研究的成果为全球变化背景下的水资源管理提供了新的思路和方法。通过构建高分辨率的水持久性时空数据库，研究不仅揭示了水持久性的变化趋势，还分析了其背后的主要驱动因素。这种系统性的研究有助于更准确地评估水资源安全风险，制定更加科学和有效的管理策略。同时，研究还为沿海地区的生态保护和可持续发展提供了重要支持，特别是在应对海平面上升、极端天气事件和生态系统退化等方面，具有重要的现实意义。

最后，本研究强调了跨学科合作和多源数据整合在水资源研究中的重要性。水持久性的变化涉及多个领域，包括水文学、生态学、地理学和社会经济学等。因此，研究需要综合运用多种学科的知识和方法，才能全面理解水持久性的变化机制及其对生态系统和人类社会的影响。通过多源数据融合和自动填补技术，本研究为未来的大规模水资源监测和分析提供了可行的技术路径，同时也为全球水资源管理的标准化和系统化奠定了基础。