一个更合适的框架，用于在水能分配空间中对水文变化进行图形化归因

黄土高原15个集水区的水资源变化归因方法研究。通过对比正交性归因法（OGA）与基于Budyko模型的归因法（BGA），发现OGA因线性近似导致非线性的Budyko关系分解偏差，且存在路径选择不合理问题。提出改进的WEP空间双路径BGA方法，揭示直接效应（18%）与地表-大气系统调节效应（82%）对径流变化的贡献。研究证实双路径方法在WEP空间中更具物理一致性，为水文变化归因提供新框架。

　　
本文聚焦于水文变化归因方法的理论差异与实践改进，以中国黄土高原15个流域为研究对象，系统对比了基于Budyko框架的BGA方法与基于正交性的OGA方法，并提出适用于水-能协同空间（WEP空间）的二维路径改进方法。研究揭示了两种方法在路径选择、分解逻辑和物理一致性上的根本差异，并通过大量案例验证了改进方法的有效性，为区域水文响应机制解析提供了新视角。

### 一、研究背景与核心问题
全球气候变化与人类活动协同作用导致水文系统复杂化，传统归因方法常将气候因子（如降水与潜在蒸散比?）与地表因子（如植被覆盖、土地利用）简单割裂。尽管Budyko模型因简洁有效被广泛应用，但其参数（如n值）整合了气候-地表耦合效应，导致归因结果存在理论矛盾。本文通过构建水-能协同空间（WEP空间），重新审视归因框架的物理基础与路径选择问题，为破解气候-地表因子交互作用提供新方法。

### 二、方法学创新与比较分析
#### （一）传统方法的局限性
1. **BGA方法**：基于Budyko模型参数n值的变化，将水文变化归因于?的直接效应（气候）与n值的调节效应（地表）。但n值本身是气候与地表因子共同作用的综合体现，导致归因逻辑存在混淆。
2. **OGA方法**：通过WEP空间正交投影分离效应，但线性假设导致在非理想水文条件下出现物理不可行解（如E/P>1或E/P<0），且路径选择依赖性较强。

#### （二）改进方法的核心突破
1. **二维路径分解机制**：突破传统单一路径假设，建立同时考虑"气候主导路径"（?先变）与"地表主导路径"（n值先变）的混合模型。通过数学推导证明，两种路径结果的加权平均可有效消除单一路径偏差（平均权重系数0.5）。
2. **WEP空间物理约束**：将Budyko-MCY方程转换为能量-水分协同空间，实现参数n的显式表达（公式4-6），使归因过程严格遵循水热平衡约束。
3. **参数解耦技术**：通过Budyko曲线在WEP空间的几何映射（图3），直观展示n值的动态调整过程，将传统参数变化转化为可观测的水分能量分配路径。

### 三、黄土高原案例验证
#### （一）水文响应特征
研究区15个流域在1960-2020年间呈现显著水文衰减趋势（Q均值下降34.7%），其中12个流域Q值增幅超过10%，最大降幅达46.6毫米/年。空间异质性明显：南部流域（如渭河）Q值增幅显著（+17.5毫米/年），而北部流域（如洛河）降幅达46.6毫米/年。

#### （二）归因机制解析
1. **直接效应（?变化）**：气候变暖导致蒸发效率提升（平均?增加18.7%），在湿润区（n<2）产生蓄水能力增强效应，但总体贡献度仅18%。其中典型案例如定西流域，尽管?增加25%，但因地表调蓄能力下降（n值降低0.3），最终仍导致Q值下降。

2. **调节效应（n值变化）**：生态恢复（植被覆盖率提升15-30%）使n值平均下降0.2，直接增强土壤蓄水能力。值得注意的是，n值的动态调整存在显著空间分异：东南部流域n值降幅达40%（如白家川流域），而西北部干旱区n值变化幅度较小（±5%）。

#### （三）方法对比验证
通过数学推导与案例验证，发现：
- **OGA偏差率**：在?增幅>20%时，OGA对直接效应的估算误差达±60%，尤其在n>2的湿润区（如马家河）偏差率达-82%。
- **BGA改进空间**：二维路径方法使直接效应估算误差控制在±15%以内，显著优于OGA（平均误差±35%）。
- **物理一致性**：改进方法有效规避了WEP空间约束边界问题（如E/P>1或<0），在15个案例中均获得可行解，验证了模型的理论自洽性。

### 四、理论贡献与实践启示
#### （一）归因逻辑重构
1. **双路径分解理论**：建立"气候-地表"双驱动归因框架，揭示传统单路径分解（BGA/OGA）隐含的路径依赖偏差。通过数学证明（公式7-10），双路径加权平均可使归因误差降低40%以上。
2. **水热协同约束**：WEP空间将能量平衡（E/P）与水分平衡（Q/P）耦合分析，突破传统单维度模型局限，实现气候-地表因子的动态交互解析。

#### （二）方法学优化
1. **参数解耦技术**：通过Budyko-MCY方程显式表达（公式4-6），将隐含的n值参数转化为可观测的E/P与Q/P空间坐标，消除传统方法参数混淆。
2. **路径选择算法**：开发基于WEP空间可行域的自动路径选择程序，通过拓扑分析确定最优分解路径（如黄土高原北部优先地表路径，南部优先气候路径）。

#### （三）区域水文响应机制
1. **干旱区特征**：黄土高原典型流域（如马家河）呈现"气候主导-地表调节"的复合效应，即干旱化趋势（?↑25%）与植被恢复（n↓0.3）的协同作用使Q值下降42%。
2. **湿润区特殊性**：渭河流域等湿润区因n值下降（n↓0.2）产生的调节效应（Q↓18%）超过气候效应（Q↑3%），凸显地表过程的关键作用。
3. **阈值效应**：当?>1.5时，气候效应与地表效应的交互作用显著增强（贡献率增幅达18%），在刘家川流域（n=2.1→1.9）表现出极端值敏感性。

### 五、应用前景与挑战
#### （一）实践价值
1. **生态工程评估**：为退耕还林、梯田建设等工程提供量化归因工具，证实植被恢复可使Q值下降幅度降低62%（典型值）。
2. **气候变化适应**：揭示气候变暖背景下，黄土高原地表过程调节效应占比可达82%，为适应性管理提供依据。

#### （二）研究局限
1. **数据时空分辨率**：气象站点密度（每万平方公里<5站）可能影响E/P计算精度，需结合遥感数据优化。
2. **参数动态反馈**：未考虑n值变化对E/P的逆向影响，需构建动态耦合模型。
3. **多因子交互**：未量化人类活动（如水利工程）与气候-地表因子的交互效应。

#### （三）发展方向
1. **多尺度耦合**：将流域尺度（WEP空间）与大气-海洋尺度气候模式耦合，建立跨尺度归因框架。
2. **机器学习集成**：利用深度学习自动识别最优分解路径，开发归因决策支持系统。
3. **社会-生态系统整合**：构建包含人类活动的多维归因指标体系（如CLUE-SH模型扩展）。

### 六、总结
本研究通过理论分析与实证检验，确立了WEP空间下双路径BGA方法的技术优势：①物理一致性达100%（15个案例全在约束域内）；②归因误差降低至8.3%（对比OGA的21.7%）；③揭示地表过程（n值变化）贡献度达82%，颠覆传统"气候主导"认知。该成果为全球变暖背景下脆弱生态系统（如黄土高原）的水文响应归因提供了新方法，对实施"双碳"战略具有重要实践价值。未来研究需进一步结合多源遥感数据与深度学习算法，提升复杂水文过程的归因精度。