跨流域调水对水库蓄量与区域干旱依赖结构的影响——基于SNWD-MRP、RS-HRDI与Copula函数的分析

《Journal of Environmental Management》：Impacts of inter-basin water transfer on reservoir storage and regional drought characteristics

　　

基于多源卫星影像重建了1990—2024年日尺度水库蓄量（reservoir storage）序列。Copula函数（Copula functions）揭示了工程通水后联合干旱概率（joint drought probability）与条件干旱概率（conditional drought probability）的变化。调水运行后，受水区（receiving regions）长历时干旱风险显著降低。工程通水后，区域干旱依赖结构由Clayton型（Clayton-type）转变为Gumbel型（Gumbel-type）结构。水源区（water intake）的空间干旱传播随调水距离增加而减弱。

近几十年来，全球变暖导致温度持续上升，极端气候事件频率和强度增加，对生态系统稳定性和人类福祉构成风险。干旱长期是中国主要自然灾害之一，具有影响范围广、持续时间长和社会经济损失严重等特征。中国水资源空间分布不均衡，南方丰水、北方缺水，并且时间变率显著；在气候变化和社会经济快速发展共同作用下，供需矛盾日益突出。因此，水网建设在缓解区域干旱、优化水资源配置和保障供水安全方面发挥重要作用，已成为国家水安全战略的核心组成部分之一。包括南水北调中线工程（SNWD-MRP）、美国中央河谷工程和印度河流连接工程在内的许多大型跨流域调水工程被建设用于保障缺水地区供水。水网以自然河湖为基础，以引排水工程为输水通道，以调蓄工程为调节节点，兼具水资源配置、防洪减灾和水生态保护等功能。通过跨区域调水和蓄水调节，水网可减轻受水区干旱压力，削弱气象干旱向水文干旱的转换，并增强区域供水安全。但长期、大规模调水也可能改变水源区水量平衡，影响其自然径流调节能力和生态流量支持。水网建设重塑区域间水文联系，使干旱事件不再局限于单一区域，而成为水源区与受水区之间的互联过程。

已有研究多关注工程通水后的水资源配置优化、径流情势变化、地下水恢复、水文干旱缓解和生态影响。区域干旱研究常基于水文或气象时间序列，采用SPI、SPEI等干旱指数进行表征和评估；其他研究关注干旱传播、传输机制、未来气候变化影响、区域间干湿同步格局以及干旱风险和重现期估计。然而，这些研究通常仍假定区域水资源主要受自然入流过程控制。工程通水后，跨区域蓄量变异、空间距离效应和干旱风险传递等问题仍缺乏充分探讨。在跨流域调水条件下，仍难以完整刻画工程运行引起的水文联系变化。水库蓄量作为局地水文响应的直接指标，可反映区域可用水资源状态，并更好捕捉这一动态过程。因此，有必要从蓄量视角系统考察工程通水前后水源区与受水区干旱依赖结构变化。工程运行后，水源区与受水区干旱关系可能呈现非线性、非对称和极端事件同步特征。传统相关分析或回归方法主要捕捉变量间总体线性关系，难以揭示不同干旱严重程度下的区域依赖变化，也不足以量化跨区域干旱事件的联合概率。因此，研究人员采用Copula函数进行概率分析，以表征多干旱变量间的相关结构、依赖模式和同步性，并沿调水方向等距离划分受水区，以减少流域结构和工程布局影响。研究区SNWD-MRP以丹江口水库为水源区，通过渠道、泵站和调蓄设施持续从汉江流域向北华北平原调水，受水区包括北京、天津、河北和河南。该工程2014—2024年累计向受水区供水约62.59 km³。研究人员整合多源卫星数据，采用RS-HRDI和Copula函数，开展四项工作：构建1990—2024年水源区和受水区日水库蓄量时间序列；基于RS-HRDI识别不同区域水库干旱事件，分析水源区和受水区干旱历时与严重程度；应用Copula函数评估水源区与受水区联合干旱概率、条件干旱概率及其空间格局；考察工程通水前后区域依赖结构变化并评估干旱风险。研究结论表明，工程通水后受水区长历时干旱风险显著降低，区域依赖结构由Clayton型向Gumbel型转变，空间干旱传播随距离增加而减弱。这对优化调水运行和评估干旱风险具有重要意义。

主要关键技术方法可概括为：样本队列来源于SNWD-MRP，以丹江口水库为水源区，北京、天津、河北、河南为受水区，按调水方向等距离分为a、b、c三个子区，共纳入46座大中型水库，其中a区8座、b区19座、c区19座，并以2014年12月12日为工程前后分界。研究人员利用Google Earth Engine（GEE）获取Landsat 7、8、9和Sentinel-1、2影像，并结合Global Surface Water（GSW）数据集；采用NDWI和SDWI提取水体，利用Hampel滤波和z-score标准化进行多源数据融合；结合四种数字高程模型（DEMs）与地表水出现频率建立面积—蓄量关系，重建日蓄量序列；采用变阈值水位法（VTL）构建RS-HRDI识别干旱事件；采用Frank、Clayton和Gumbel Copula函数评估联合与条件干旱概率。

3.1 Reservoir information extraction and calculation（水库信息提取与计算）
3.1.1 Water body information extraction from remote sensing imagery（遥感影像水体信息提取）：研究人员以密云水库典型短期蓄量变化展示多源遥感提取适用性。2023年10月31日至11月28日，水库水面面积显著下降，蓄量由约0.20 km³降至约0.13 km³，随后逐渐恢复正常，表明水库对蓄量变化响应敏感。单源遥感影像即使经云污染校正，仍可能与邻近日期影像或同期Sentinel-1影像存在差异；多源遥感融合可在一定程度上降低单幅影像误差，提高水体提取一致性和稳定性。
3.1.2 Variation characteristics of RS-HRDI（RS-HRDI变化特征）：水源区RS-HRDI时间序列在2017、2019和2022年出现三个明显低谷，低值状态持续时间较长，其余时期波动较小且总体稳定。受水区RS-HRDI变化趋势具有明显空间异质性：a区4座水库下降、1座上升、3座无显著趋势；b区2座下降、1座上升、16座无显著变化；c区8座下降、2座上升、9座无显著变化。多数水库无显著趋势，表明受水区未表现出一致性干旱加剧。
3.2 Drought identification in the water intake and receiving regions（水源区与受水区干旱识别）
3.2.1 Variation characteristics of reservoir storage sequences under drought scenarios（干旱情景下水库蓄量序列变化特征）：丹江口水库在2019和2022年经历显著且持续干旱。2019年干旱持续250天，平均蓄量较年均值降低9.06%，最低蓄量低于干旱阈值22.55%，低于年均值28.92%；受水区影响较弱，a区干旱153天，干旱期蓄量仅低于年均值0.08%，b区78天，平均蓄量降低6.27%，c区39天，仅低于年均值0.62%。2022年丹江口水库干旱持续101天，平均蓄量较年均值降低13.31%，最低蓄量低于阈值17.35%、低于年均值34.22%；a区干旱98天，仅低于年均值0.17%，b区29天，平均蓄量降低14.63%，c区两次干旱合计84天，平均蓄量降低32.60%，最低蓄量低于阈值33.11%，但历时和总体影响仍小于丹江口水库。结果表明，水源区干旱信号向受水区传递时发生明显衰减和分化。
3.2.2 Distribution of drought severity levels（干旱严重程度分布）：多数水库干旱主要发生在9月至次年5月，对应水库蓄水期及随后干季。工程通水前，水源区及受水区a、b、c以历时超过15天的干旱为主，平均事件数分别为25、17.13、16.14和15.74。工程通水后，历时不超过15天的干旱分别发生4、6.50、7.74和7.34次，超过15天的干旱降至3、2.38、3.84和4.63次。工程运行后干旱事件历时缩短，长历时干旱明显减少。
3.3 Drought dependence and its probability characteristics based on copula functions（基于Copula函数的干旱依赖及其概率特征）
3.3.1 Distribution of optimal copula types（最优Copula类型分布）：不同子区干旱依赖结构在工程通水前后发生显著变化。a区工程通水前以Clayton Copula为主，占75.00%，通水后降至25.00%；Gumbel Copula由25.00%升至75.00%，Frank Copula未出现。b区变化更明显，工程通水前Clayton Copula占57.89%，通水后消失；Gumbel Copula由26.32%升至78.95%，Frank Copula由15.79%升至21.05%。总体看，工程通水前Clayton Copula和Gumbel Copula比例分别为45.65%和43.48%，二者共存；通水后Gumbel Copula升至76.09%并占主导，Clayton Copula降至10.87%，Frank Copula由10.87%升至13.04%。这表明工程运行后，极端低蓄条件下的区域同步性减弱，正常或湿润水文条件下的依赖仍相对较强。
3.3.2 Drought probability between the water intake and receiving regions（水源区与受水区干旱概率）：工程通水后，受水区历时超过15天的干旱概率由20.51%—26.54%降至2.26%—3.71%，其中b区降幅最大，表明SNWD-MRP缓解了受水区长历时干旱风险。历时不超过15天的干旱概率在通水前三个受水子区接近0，通水后a、b、c分别升至1.50%、1.64%和1.24%；水源区超过15天干旱概率由20.87%降至接近0，不超过15天概率保持1.82%。联合干旱概率由2.83%—6.12%降至0.18%—0.51%；水源区到受水区的条件干旱概率由13.35%—21.36%变为13.00%—26.79%；受水区到水源区的反向干旱影响由23.33%—36.94%降至3.00%—5.58%。总体上，工程通水后区域干旱风险显著下降。

讨论部分表明，工程通水前水源区与受水区干旱依赖结构主要由Clayton Copula和Gumbel Copula共同控制，分别占45.65%和43.48%，Frank Copula占10.87%。在径流主导的自然条件下，水库系统在极端低蓄状态表现出强下尾依赖（lower-tail dependence），在非干旱条件下表现出中等上尾依赖（upper-tail dependence）。工程通水后Gumbel Copula占主导，比例76.09%，Clayton Copula降至10.87%，说明水库同步主要发生在蓄量较充足或非干旱条件下，极端低蓄条件下的下尾依赖显著减弱。工程通水前，水库蓄量变化主要依赖自然径流和降水供给，持续降水亏缺和入流减少容易增加水源区与受水区同时低蓄的概率；工程通水后，工程调节降低受水区对自然入流的依赖，在正常或湿润条件下有助于维持较高且稳定的水库蓄量，在极端干旱条件下提供额外调节能力，从而降低两区域同步低蓄概率。空间上，通水前极端入流亏缺影响在传播中逐渐减弱，a、b区下尾依赖更强，c区较弱；通水后工程调节削弱干旱信号传递，a、b区效果更明显，c区可能已受多级调节和区域配水影响，因此依赖结构相对不变。工程通水还与长历时干旱概率下降相伴随，受水区地表水蓄量增加，河北总水储量下降趋势缓解，北京和天津地下水开采强度下降且地下水位恢复。历时不超过15天干旱概率由0升至7.23%，可能与运行调节下自然入流持续减少有关；工程调节可抑制超过15天干旱，但短期蓄量波动未完全消除，短期降水亏缺、高蒸发或临时用水增加仍可触发短历时蓄量干旱。空间上，通水前超过15天联合干旱概率由a至c递减，分别为6.12%、3.70%和2.83%，条件概率也呈类似递减；通水后联合概率降至0.51%、0.18%和0.21%，条件概率空间依赖显著减弱。短历时干旱总体水平较低，主要与局地降水异常或临时需水扰动相关，不强烈依赖跨区域传播。局限性包括：未纳入调水量、调度策略、外调水供给比例和需水波动等直接工程运行证据，难以定量分离气候与人类活动影响；空间分析主要基于子区域和代表性水库，可能无法完全刻画水库内部异质性，统一干旱阈值不能反映个体水库实际水情；阶段分析假设各时期统计特征相对稳定，但气候变化和工程逐渐运行可能使干旱过程非严格平稳，静态Copula模型可能无法完全捕捉动态依赖。

研究结论翻译：本研究聚焦SNWD-MRP的水源区和三个受水区，利用RS-HRDI和Copula函数，系统分析水源区与受水区水库干旱特征及其演变规律。主要贡献和发现如下。第一，水源区与受水区干旱响应具有明显非对称性。工程通水后，受水区干旱严重程度和历时均弱于水源区。2019年丹江口水库蓄量较多年平均降低9.06%，而受水区a、b、c子区仅分别降低0.08%、6.27%和0.62%；2022年丹江口水库蓄量降低13.31%，受水区分别降低0.17%、14.63%和32.60%。第二，历时超过15天的干旱事件频率和风险显著降低。工程通水前，各区域超过15天干旱事件年均频率分别为25、17.13、16.14和15.74；通水后分别降至3、2.38、3.84和4.63，干旱事件主要以不超过15天为主。水源区与受水区联合干旱概率由2.83%—6.12%降至0.18%—0.51%；水源区发生干旱时受水区同步干旱的条件概率由13.35%—21.36%变为13.00%—26.79%；受水区历时超过15天干旱概率由20.51%—26.54%降至2.26%—3.71%。第三，区域干旱依赖结构发生转变。工程通水前，Clayton Copula（下尾依赖）和Gumbel Copula共同主导，分别占45.65%和43.48%；通水后Gumbel Copula（上尾依赖）升至76.09%并占主导，Clayton Copula降至10.87%。极端低流量条件下联合干旱依赖显著减弱，而正常和湿润条件下水库蓄量协调性增强。第四，工程通水后干旱空间传播效应发生变化。通水前干旱概率随距水源区距离增加而降低；通水后该空间梯度在很大程度上被调水和水库调节消除。受水区干旱现在主要由局地气象变率和短期需水驱动，跨区域联合干旱风险降低。未来应关注跨区域协调管理，增强水库调节，优化受水区用水结构和效率，以减少对高强度调水的依赖。这些措施可平衡水源区与受水区干旱风险，并为类似工程的干旱风险管理提供指导。