从时空异质性的角度探讨基流指数动态及其非单调驱动因素

《Journal of Hydro-environment Research》：Baseflow index dynamics and its non-monotonic drivers from a spatiotemporal heterogeneity perspective

时空异质性分析揭示台湾流域基流指数（BFI）的驱动机制与变化规律，采用GTWR模型对比传统回归方法，发现降雨强度指数（SDII）呈现稳定负向影响，其他因素存在显著时空异质性，为水资源管理提供新依据。

　　
本研究以台湾地区60个流域为对象，系统探讨了基流指数（BFI）的时空演变规律及其驱动机制。通过构建包含静态地形特征与动态气候要素的复合分析框架，首次将时空加权回归（GTWR）模型应用于BFI研究，突破了传统模型忽视空间异质性和时间动态性的局限。研究发现，BFI呈现显著时空分异特征：在空间分布上，23%的流域显示BFI上升趋势，5%的流域呈现下降趋势，72%的流域无明显变化趋势；在时间序列上，不同流域BFI变化速率存在10-30年的滞后效应，且受气候变化与人类活动叠加影响。这种时空异质性在传统全局回归模型（如普通最小二乘法）和仅考虑空间异质性的地理加权回归（GWR）中均无法有效捕捉。

研究创新性地引入GTWR模型，该模型通过同时赋予空间和时间的权重，能够精确识别不同时空尺度下驱动因子的作用模式。比较实验显示，GTWR在模型解释力（R2提升12-15%）、参数稳定性（标准差降低30%）和预测精度（RMSE减少18%）等方面均显著优于传统GWR模型和面板回归模型，同时展现出超越随机森林等机器学习模型的优势。这种性能提升主要源于GTWR对时空双重异质性的有效建模能力。

在驱动因素分析方面，研究揭示了多要素的复杂交互机制。核心发现包括：（1）降雨强度指数（SDII）呈现持续负面效应，其系数在所有时空尺度下均稳定为负值，表明高强度降雨事件对基流贡献具有普遍抑制作用；（2）地形因子（如坡度、高程）与土地利用（如森林覆盖率、城镇化指数）存在显著的非单调关系，具体表现为：当坡度低于15%时，地形因子呈现弱正效应；超过25%时转为负效应，这种转变与流域内地形破碎程度和人类干扰强度密切相关；（3）时间动态性在驱动机制中起关键作用：2010年前，地下水补给对BFI的贡献占主导（系数均值0.38）；2010年后，随着降雨极端化加剧，地表径流对BFI的调控作用增强（系数绝对值提升至0.42）。这种转变在迎风坡与背风坡流域呈现不同相位，滞后时间差达5-8年。

空间异质性分析显示，台湾地区可划分为三个主导型响应区：（1）东北部湿润区：SDII和森林覆盖率呈现显著负相关与正相关交替的周期性特征，与东亚夏季风季节转换密切相关；（2）中部过渡带：地形因子（高程、曲率）与SDII形成交互效应，导致BFI对降雨事件响应呈现空间分异；（3）南部干旱区：基流对地下水补给依赖度高达78%，但近年受气候变化影响，该比例下降至62%，显示生态恢复措施的有效性。

时间演变规律表明，2000-2015年间BFI驱动机制发生结构性转变：前期（2000-2008）以静态地形因子（如土壤蓄水性）为主导（贡献度61%），后期（2015-2022）动态气候因子（SDII、蒸散发）的贡献度提升至54%，这种转变与台湾地区实施"生活圈计划"及"水土保持法"修订密切相关。研究特别发现，2018年后新增的32个自动监测站数据显示，城市化进程对BFI的影响呈现阈值效应：当城镇化率超过40%时，地表硬化导致径流系数增加0.15，但同期植被恢复工程使基流持续时间延长12-18天。

研究通过构建时空双维度归因模型，首次量化了驱动因子的时空权重变化规律。以SDII为例，其系数标准差从2010年的0.15降至2020年的0.07，显示气候因子作用趋于稳定。但空间权重分布呈现显著破碎化特征：2010年全台域SDII权重系数标准差为0.18，2020年提升至0.23，表明气候影响的空间异质性在增强。这种时空权重的动态调整机制，为解释台湾地区基流特征的空间分异提供了新视角。

在实践应用层面，研究建立了包含17个动态参数的BFI预测模型，其中关键参数包括：（1）降雨事件强度阈值（SDII>2.5时基流占比下降37%）；（2）植被覆盖度的临界值（>45%时促进基流形成）；（3）地下水开采指数（>0.6时基流占比下降21%）。这些参数为台湾地区实施"智慧水利"计划提供了量化依据，特别是在南台湾沿海地区，模型成功预测了2023年因极端干旱导致的基流占比骤降（降幅达28%），与当地水文站实测数据高度吻合。

研究还发现，传统模型忽略的"时间-空间"耦合效应对基流演变具有决定性影响。例如，在中央山脉南麓，2015年前地形因子（高程）与SDII的交互作用系数为-0.12，2015年后因水土保持工程实施，该系数转为+0.08，显示出政策干预的时空滞后效应。这种耦合机制解释了为何在相同气候背景下，东部湿润区与西部干燥区的基流响应存在180天以上的相位差。

该成果为流域管理提供了创新方法论：通过构建时空动态权重矩阵，可以精准识别不同区域的关键调控因子。如在台北盆地，模型显示城市化指数（城镇化率）与BFI呈倒U型关系（最优解在35-40%区间），而山区则对SDII敏感度提高2.3倍。这种区域差异化的识别机制，为制定差异化的水资源管理政策提供了科学支撑，特别是在台湾地区即将实施的"水资源110年计划"中，可依据时空权重矩阵动态调整重点治理区域。

研究最后揭示，基流演变存在明显的"三阶段"演变规律：（1）2000年前：静态地形因子主导（贡献度68%）；（2）2005-2015年：动态气候因子（SDII）与人类活动（如水库建设）形成双驱动模式（各自贡献度提升至27%和19%）；（3）2016年后：在气候变暖（年均温上升0.25℃/10年）和生态工程（如生物滞留池建设）共同作用下，基流形成机制发生质变，地下水补给与地表截留的协同作用贡献度达54%。这种演变轨迹为预测未来基流变化提供了关键时间节点参考。

该研究突破传统水文学分析范式，构建了"时空双权重-多要素耦合"分析框架，其创新价值体现在三个方面：首先，将GTWR模型拓展应用于基流研究，解决了传统模型无法捕捉时空异质性的难题；其次，揭示了驱动因子作用机制的非线性与阈值效应，补充了现有研究在机制解析上的不足；最后，建立了动态权重矩阵与政策响应模型，为智慧流域管理提供了可操作的决策支持系统。这些成果不仅深化了基流形成理论，更为亚太地区水资源安全提供了重要的科学依据。