变化环境下基于非平稳性分析的河流生态流量动态估算方法研究

针对气候变化和人类活动导致的河流生态流量估算不确定性增加问题，研究人员提出了一种融合趋势、突变和周期特征的非平稳性估算方案。通过构建时变概率模型改进传统7Q10方法，在黄河典型支流西柳河验证发现低流量存在22.3-49年周期特征，证实库布齐沙漠蓄水能力对水文周期的影响。该研究为变化环境下的生态流量动态管理提供了新范式。

　　

在全球气候变化与人类活动双重压力下，河流生态系统正面临前所未有的挑战。随着社会经济用水需求激增，自然水循环过程被不断打破，如何科学确定维持河流生态功能的最小水量——生态流量（Ecological Flow），成为水资源管理领域的核心难题。传统生态流量估算方法如7Q10（十年一遇最小7日平均流量）建立在"水文平稳性"假设基础上，但越来越多的证据表明，受气候变化和人类干预影响，现代水文过程已呈现显著的非平稳性特征，表现为趋势性变化、突变和周期性波动。这种变化使得静态阈值法难以适应动态的生态需求，亟需发展能够捕捉水文时变特征的动态估算方法。

针对这一科学难题，内蒙古农业大学等机构的研究团队以黄河重要支流西柳河为研究对象，创新性地提出了融合确定性成分（趋势、突变、周期）的非平稳性生态流量估算框架。研究团队发现，受库布齐沙漠特殊的水文调节作用影响，西柳河低流量过程存在22.3-49年的显著周期特征，这一发现为理解干旱区河流水文行为提供了新视角。相关成果发表在《Journal of Hydrology》上，为变化环境下的生态流量管理提供了方法论突破。

研究采用多尺度分析方法，首先通过Mann-Kendall检验、BFAST突变检测和奇异谱分析（SSA）识别年/季/月尺度的水文周期；继而构建包含线性、多项式和周期函数的时变矩模型，采用AIC准则优选拟合方案；最终改进传统7Q10方法，建立动态生态流量阈值。研究数据来源于龙头拐水文站1964-2021年的径流观测，并利用ERA5-Land遥感降水数据验证流域尺度的水文响应。

趋势、突变和周期检测
年尺度分析显示西柳河低流量存在0.003 m³/s/10a的微弱上升趋势，1987年发生显著突变。周期检测揭示9.5年（太阳黑子活动）、15.3年（太平洋年代际振荡）和40.9年（气候系统震荡）三重周期，其中40年周期与库布齐沙漠的蓄水-释放过程高度吻合。

周期性变化特征
洪水期（5-10月）月均主周期达32.5年，与年尺度40.9年周期共同指向沙漠介质对降水的延迟释放效应。这种"沙漠水库"现象使得西柳河在干旱年份仍能维持基本生态流量，为干旱区河流韧性研究提供了典型案例。

结论与意义
该研究首次量化了库布齐沙漠对河流水文周期的调控作用，证实周期性时变模型（AIC值最优）较传统平稳模型能更准确捕捉生态流量的动态特征。所提出的非平稳性估算框架具有三方面突破：① 通过引入周期函数增强模型物理解释力；② 实现年/季/月多尺度生态流量动态阈值生成；③ 为干旱区"沙漠-河流"复合系统研究提供新范式。实践层面，研究建议在高流量年份（周期峰值）采用较高生态流量标准，低流量年份（周期谷值）适当降低要求，这种弹性管理策略更符合水文自然变律。成果对协调黄河流域生态保护与水资源利用具有重要指导价值，特别为"十大孔兑"区域生态修复工程提供了科学依据。