巴西Ribeira de Iguape河流域的水文气候趋势、径流变异性与土地利用变化：基于多站点趋势检验与流域尺度土地覆盖—径流关联的统计分析

《Earth》：Hydroclimatic Trends, Streamflow Variability, and Land-Use Change in the Ribeira de Iguape River Basin, Brazil

　　

研究人员以巴西Ribeira de Iguape河流域为对象，利用1960—2024年14个雨量站的降水记录、10个水文站的平均、最大与最小流量（Qmean、Qmax、Qmin）资料，并结合1985—2024年逐年土地利用与土地覆盖（LULC）图，研究了该流域的水文气候变异性与LULC变化。研究采用Hamed–Rao Mann–Kendall（HR-MK）检验、Sen斜率与突变点分析，并以时间依赖性、站间一致性与错误发现率（FDR）诊断作为补充。经调整后，7个降水站呈显著增加趋势，1个站呈减少趋势。最大正斜率出现在Balsa do Cerro Azul（+101.5 mm decade^?1）、Guanhanha（+98.3 mm decade^?1）与Capela da Ribeira（+90.1 mm decade^?1）。然而，两个相邻站点在1981年前后相对区域参考序列的显著偏离，使上述变化的明确气候学解释受到限制。径流响应更具局地性。Juquiá站最大流量下降（?16.2 m³ s^?1 decade^?1）是调整后唯一保留的年径流趋势，且在共同年份内下游未出现可比拟的下降。城镇与采矿区扩张，森林覆盖先下降后部分恢复，但仍低于1985年的范围。在10个由数字高程模型（DEM）独立勾绘的上游集水区内提取土地覆盖比例，共获得228个可估计的同期LULC—流量相关关系。尽管其中21个在名义上显著，但在相应流量指标族内或合并集合内经Benjamini–Hochberg调整后均不显著。上述结果表明水文气候与景观轨迹存在空间分异，但未能确立LULC变化对观测径流变异性的因果贡献。

研究背景：流域是评估水资源可得性的空间单元，降水、地形、土壤、植被与人类活动在连通排水系统内相互作用，共同影响产流与汇流过程。流量综合了降水输入、下渗、土壤水蓄存、蒸散发以及地表与地下径流，因此历史流量记录可用于识别河流情势的渐变趋势与突变，其中平均、最大与最小流量代表不同的水文响应。非参数趋势与突变点方法已被广泛用于估计这些变化的方向、幅度与发生时间。尽管降水是水量平衡的主要大气输入，但在蓄存、蒸散发、用水与景观特征不同的集水区，相似的降水变化可产生不同的流量响应。巴西已有研究记录了时间或幅度上不一致的降水与流量变化，而纳入遥相关、水文持续性及LULC的分析表明，二者对应关系还取决于时间尺度与集水区特征。植被丧失与再生、城镇化、农业与采矿可改变截留、下渗、蒸散发与径流路径，但其与平均流量及极端流量的关联取决于受影响表面的范围、位置与水文连通性。因此，将流量记录与逐年土地覆盖观测相结合，有助于区分在贡献区内同期发生的变化与在另一时空尺度上呈现表观对应的区域轨迹。自1985年以来，MapBiomas逐年制图显著扩展了巴西土地利用评估的时间覆盖，其年分辨率可用于检验趋势、候选转变及同期水文气候关联。Ribeira de Iguape河流域兼具大面积大西洋森林残存、红树林与海滩植被（restinga），以及城镇、农业、采矿活动和传统社区用地，海拔、地形与海洋影响的差异造成降水与水文响应的显著空间变异；河口段的Valo Grande运河改变了Cananéia–Iguape系统的水沙动力。对Ribeira de Iguape流域而言，整合降水、多种流量指标与逐年LULC轨迹的区域评估仍较有限。将上述组分共同考察，可在解释中兼顾记录覆盖、空间支持与统计假设差异，从而厘清其变化是否在可比时段与贡献区内同期发生，而非将时间关联视为共同成因的证据。

研究内容与结论：本研究利用1960—2024年可得观测，考察Ribeira de Iguape河流域降水及平均、最大与最小流量的变异性，评估趋势与突变点证据在多大程度上依赖时间持续性、多重检验与站间一致性，并在各水文站上游汇水区内评价同期土地覆盖—流量关联。研究以1985—2024年MapBiomas逐年观测在10个独立勾绘的贡献区内提取数据，通过记录剔除、时间设定与空间支持的敏感性分析，区分观测关联的一致性与水文归因所需的证据。研究得出：年降水趋势以增加为主但空间上并不均匀，7站增加、1站减少经Benjamini–Hochberg（BH）调整后仍显著；两个相邻巴拉那州站点异常大的正变化及1981年突变候选与站间参考序列偏离同时出现，因站点元数据与日聚合历史不完整，不能明确解释为气候不连续；其他降水候选同样对依赖性假设敏感，部分依赖较短的记录段。流量变化更为局地化，Juquiá站年最大流量下降是唯一通过预设BH调整的径流趋势，且共同年份内下游站未出现同等幅度的下降；对ID1-F异常观测与ID7-F 2024年孤立最小值的定向剔除未增加任何经调整的年径流趋势；统计对比与水基础设施时序本身不足以确定观测变化的操作性成因。1985—2024年城镇与采矿区扩张，森林于1993年达到最小值后部分恢复但未恢复至1985年范围；10个DEM勾绘集水区内228个可估计的同期流量相关中，21个名义显著，但在其完整指标族内调整后均不显著。研究意义在于：证据支持降水、流量与景观轨迹存在空间分异，同时表明土地覆盖变化对河流流量的因果贡献尚未解决。

关键技术方法：研究采用Hamed–Rao修正Mann–Kendall（HR-MK）检验并配合Sen中位成对斜率估计趋势方向与幅度，以Benjamini–Hochberg（BH）程序控制错误发现率；采用Pettitt、标准正态 homogeneity 检验（SNHT）与Buishand Range三种突变点检验，并以保留实际日历缺口的移动块置换与一阶自回归[AR(1)]模拟评估对时间依赖性的敏感性；采用Bartlett核异方差与自相关一致（HAC）协方差及移动块重采样作为补充趋势推断；基于Copernicus DEM GLO90、站点坐标与D8汇流路径独立勾绘10个上游集水区并以官方集水面积验证；在集水区内按源分辨率提取MapBiomas Collection 10逐年土地覆盖比例，计算同期Pearson相关并按流量指标族与合并族分别作BH调整。数据来源为巴西国家水务与基础卫生署（ANA）及圣保罗州相关机构（DAEE/SP-águas、SP-águas）的降水和流量记录，以及MapBiomas Collection 10土地覆盖产品。

研究结果：（1）降水。区域降水季节性与年际变率显著，1960—2024年网络平均年降水约1771 mm，JFM约占年降水的40%（约708 mm），8月月均最低（约69 mm）。14个站点中8个年降水趋势经BH调整后仍显著，其中7个为正、1个为负（Serrana do Sul，ID2-R）；最大正Sen斜率出现在Balsa do Cerro Azul（+101.5 mm decade^?1，HR-MK q < 0.001）、Guanhanha（+98.3 mm decade^?1）与Capela da Ribeira（+90.1 mm decade^?1，q = 0.006）。Balsa do Cerro Azul与Capela da Ribeira三个经典突变检验分别集中于1981年（后者SNHT为1972年），但两站相对参考序列的中位数比与双累积斜率同步大幅上升（41.4%与40.8%；34.2%与44.0%），且AR(1)持续性估计在去趋势或分段去均值后下降，故不能确认为区域性气候突变。Apiaí（ID1-R）与Itapeuna（ID3-R）正斜率分别为+48.2与+38.2 mm decade^?1且通过BH调整，但经典突变候选未保留调整后支持，证据指向渐变单调倾向而非已识别的突变。Serrana do Sul为唯一FDR稳健的减少趋势（?34.3 mm decade^?1，q = 0.006）。Pariquera-A?u与Tapiraí正斜率分别为+28.5与+26.2 mm decade^?1（q = 0.031与0.026），其经典突变候选在BH调整后不成立；Guanhanha的SNHT 2018年候选仅有5个后续有效年观测。（2）流量趋势与突变点。流量格局的空间连贯性弱于降水且因指标而异。Juquiá（ID5-F）Qmax年下降?16.2 m³ s^?1 decade^?1（q < 0.001）是唯一通过BH调整的年径流趋势，移动块区间支持负斜率，但HAC线性设定未保留BH调整显著性；Jacupiranga（ID2-F）Qmean与Qmin名义增加（+1.3与+0.3 m³ s^?1 decade^?1）、Balsa do Cerro Azul（ID8-F）Qmax名义增加（+51.7 m³ s^?1 decade^?1），均未通过原HR-MK的BH调整。Jacupiranga Qmean三种经典检验一致识别1993年（段均值22.1与29.4 m³ s^?1，+33.3%），满足经典BH准则但对全记录AR(1)敏感性较弱且最长无中断子记录未跨越候选年，故描述为统计对比而非已确认的情势转变；Balsa do Cerro Azul Qmin 1994年候选（+20.9%）仅Buishand通过BH调整（q = 0.043），Juquiá（ID5-F）Qmin 1986年候选（+20.2%）亦仅Buishand通过（q = 0.005）；Ribeira（ID9-F）Qmin候选无一切通过调整；下游Juquiá（ID7-F）无年Qmin趋势或候选通过调整，2023年SNHT候选仅基于单个后续年观测。（3）土地利用与土地覆盖变化及趋势。森林在1985—2024年始终为优势类，面积由17,166.5 km²降至17,053.2 km²（净变化?113.3 km²，?0.7%），1993年最低（16,755.3 km²）后部分恢复；农业/牧场变化+0.6%，红树林与草本restinga分别减少11.9%与10.0%；城镇由48.3增至128.7 km²（+166.3%），采矿由9.6增至49.5 km²（+415.5%），二者在40幅年图上严格单调增加（Kendall τ = 1.000，Sen斜率分别+20.1与+7.7 km² decade^?1），但严格序列可能是制图产品时间一致性滤波的属性而非物理不可逆性的独立证明；森林全期Sen斜率（+56.2 km² decade^?1）在1993年最小值前后分别为?459.4与+77.8 km² decade^?1，若解释为持续扩张则具误导性。海滩分类面积下降31.8%仅表示分类表面范围缩小，不能等同于实测海岸侵蚀。（4）贡献区验证与LULC—流量关联。10个DEM勾绘贡献区均满足相对官方集水面积±10%的预设一致性准则（ID1-F为+1.2%、ID3-F为+1.0%、ID6-F为?9.4%），替代站点多边形则出现+29.4%、?58.5%与?26.8%的更大偏差，显示地理匹配对边界定义的敏感性；480次域—年覆盖检查中栅格—矢量面积最大绝对差为0.016%。240个计划同期Pearson比较中228个可估计，21个名义显著（Qmean 12个、Qmin 7个、Qmax 2个），但在相应76检验指标族内及合并228检验分析中均无q ≤ 0.05者；ID3-F的Rivers, Lakes and Ocean类与Qmean（r = +0.471，n = 36）和Qmin（r = +0.523，n = 36）正相关，但族内BH q分别为0.0765与0.0809，去趋势相关在另一时间模型下达到调整显著而一阶差分不然，映射水体面积也可能随水位变化，故应解释为同期对应而非方向性水文效应。

讨论与结论：全流域降水显著年趋势的空间集中程度高于流量，但两个监测网络并非水量平衡的空间等效量度：降水由区域雨量站网概括，而流量整合了单个及部分嵌套贡献区内的过程，故降水与流量图式差异应解释为观测水文气候轨迹的差异，而非定量的降水—径流残差。最强正降水趋势出现在巴拉那州相邻站点，其序列在1981年前后同时存在显著的站间一致性偏离（ID13-R中位数比+41.4%、双累积斜率+40.8%；ID14-R分别为+34.2%与+44.0%），不能排除共同气候贡献，但也不能排除站点运行、日聚合、仪器或处理变化；仅凭月聚合值无法判定记录来源与均一性，尤其ANA bruto与consistido类别未有文档说明，且AR(1)零模型下突变调整支持取决于持续性估计方式。区域气候证据本身异质：观测研究识别了巴拉那州东部气候极端值变化，南美东南部夏季降水增加超出多数气候模式再现能力，部分与南美低空急流水汽输送增强有关；流域内Serrana do Sul的减少及突变点空间不同步，提示不应将站网视为单一均匀趋势。年流量结果因指标而异，Juquiá Qmax下降是唯一通过族内BH调整的HR-MK结果，但HAC线性设定较不明确；Jacupiranga Qmean 1993年候选虽有补充季节与HAC支持，但在全记录AR(1)零模型下减弱且最长无中断子记录不跨越1993年，其时序不能视为独立核实。流量指标间差异与气候变率、集水区蓄存、土地利用与水资源管理对流量大小与时序的不同影响一致。水量平衡解释将这些流量对比置于降水在径流、蒸散发与蓄存之间分配以及取水或调水（如存在）的框架内，大西洋森林模拟表明气候与土地覆盖变化可改变下渗、蒸散发与产水，但定量Budyko或弹性归因需要本研究中不可得的集水区降水与蒸散发观测；风暴历时、前期土壤湿度与集水区特征也可将降水强度变化与洪水响应分离。Juquiá水电系统及调水背景见区域与运营方资料，Fran?a、Fuma?a、Alecrim、Serraria、Porto Raso与Barra水电站分别于1958、1964、1974、1978、1982与1986年投运，S?o Louren?o供水系统依据2016年授权可从Cachoeira do Fran?a水库取水至多6.4 m³ s^?1，但装机容量与许可取水量并非实际水库放水或取水体积序列；1970—2023年48个共同年份内，上游ID5-F与下游ID7-F的Qmax Sen斜率分别为?15.4与?0.3 m³ s^?1 decade^?1，尽管站间协变为正，下游站整合了显著更大的集水区，支流输入、水文蓄存、记录差异与运行条件均可能贡献该不匹配，现有证据无法分离任一机制。森林序列不应解释为简单恢复趋势：早期急剧损失、1993年最小值与随后增加导致全期Sen斜率为正，而1985—2024端点差为负；年类面积无法区分森林年龄、结构与生态质量，森林范围的小净变化亦使其水文含义悬而未决。城镇与采矿自小基数大幅扩张且年序列严格递增，时间一致性滤波可能贡献该排序，故τ = 1.000应作为分类轨迹属性而非物理单调转换的独立证据，其潜在水文相关性取决于位置、连通性与集水区尺度。红树林与草本restinga损失发生在河口、沉积与陆域影响交互的环境中，难以与年类面积分离；海滩面积下降描述的是分类表面范围缩小而非实测海岸侵蚀速率，潮汐与河口水流影响Cananéia地区泥沙再分配，加之狭窄动态表面的分类不确定性，若无独立岸线与泥沙观测则不能解释为岸线后退。土地覆盖对流量的潜在影响取决于景观变化在上游区内的范围、格局与水文连通性；将逐年土地覆盖观测与DEM勾绘集水区匹配建立了物理相关的比较空间基础，但不识别因果效应的方向或幅度，228个可估计主关联在族内BH调整后无一显著，水文解释还须考虑集水区降水、蓄存、取水以及土地覆盖与流量记录的不确定性。区域降水—土地覆盖比较与集水区特定流量分析回答不同的空间问题，网络降水描述量不能解释为各上游面积上的整合降水，其与大尺度制图类别的关联仍属探索性。ID3-F水体类关联说明空间匹配与推断支持的区别：族内q不满足阈值，去趋势关系调整证据较强而一阶差分不然，这些设定描述不同时间组分，不能合并为单一机制的佐证，且映射水体范围可随水位或库水位变化，现有观测无法确定映射水体范围与流量之间的影响方向。几何验证表明10个独立勾绘集水区均在官方面积±10%以内，但ID6-F的?9.4%偏差接近筛选阈值，栅格—矢量比较与40年MapBiomas提取支持空间匹配的有效性，但不能消除站点记录不确定性、分类误差或统计关联中的混杂。ID1-F 2020与2022年大值及ID7-F 2024年低Qmin值值得直接核查原始记录：ID1-F的4.26与5.52是将流量推算年径流深与区域（而非局地集水区整合）降水比较，剔除2020与2022年使ID1-F Qmax Sen斜率由?0.9增强至?2.3 m³ s^?1 decade^?1，但调整概率仍为q = 0.143；筛选后ID7-F Qmin斜率在BH调整后仍不显著，说明主要推断并不依赖于将存疑记录标为错误，同时原始测量与异常大的段间对比仍明确未经核实。空间分异的降水与流量轨迹与气候、蓄存、景观及水资源管理等多种影响相容，观测设计未能分离其因果贡献；集水区勾绘与逐年土地覆盖提取建立了地理对应，而机制评估还需集水区降水与蒸散发、经核实的水文元数据以及水库放水或取水记录。局限性包括：站点记录时段覆盖与完整性不一，部分缺乏足以确定率定曲线历史、ANA降水分级类别及缺测日值处理的元数据；相对一致性诊断只能识别记录间偏离而不能判定其为观测变化还是局地气候变率；AR(1)敏感性依赖持续性估计，移动块分析可能涉及排除候选年的无中断子记录；流域尺度LULC轨迹代表约26,332 km²的栅格域，按类提取在已记录陆域边界内仅覆盖1985与2024年端点而非边界协调的40年区域序列。区域降水指标与站点流量摘要不构成空间匹配的水量平衡组分，若干流量站排泄嵌套区域且记录完整性不等；在DEM勾绘集水区内，同期土地覆盖—流量系数无一通过预设BH调整，该结果限制了年线性关联的证据，但并不能证明不存在景观相关的水文效应，解释仍受序列依赖、集水区嵌套、观测质量、分类不确定性与未测驱动因子制约；MapBiomas分类不确定性对小面积或空间动态类别尤为相关，森林呈非单调轨迹而时间一致性滤波可能贡献城镇与采矿业序列的严格递增，集水区几何满足面积、拓扑与嵌套准则但ID6-F相对官方面积偏差?9.4%接近容差限，40幅年图的一致栅格覆盖支持地理可比性但不保证土地覆盖分类或水文观测无误；投运日期、许可取水量与共同期ID5-F/ID7-F比较约束了可能的操作性解释，但不能替代水库放水、取水与局地降水时间序列，关于水电或调水影响的推断仍属假设而非对观测流量格局的既定解释。结论翻译：年降水趋势以正为主，但在Ribeira de Iguape流域并不均匀：BH调整后7站保留增加趋势、1站保留减少趋势。两个相邻巴拉那州站点异常大的正变化与1981年候选与站间参考序列偏离同时出现；由于站点元数据与日聚合历史仍不完整，这些观测不能明确解释为气候不连续。其他降水候选同样对依赖性假设敏感，部分依赖较短的记录段。流量变化更为局地化：Juquiá年最大流量下降是唯一通过预设BH调整的径流趋势，且共同年份内下游站未观测到同等幅度的下降；对ID1-F异常观测与ID7-F 2024年孤立最小值的定向剔除未增加任何经调整的年径流趋势；统计对比与水基础设施时序本身不足以确定观测变化的操作性成因。1985—2024年城镇与采矿区扩张，森林于1993年达到最小值后部分恢复但未恢复至1985年范围；10个DEM勾绘集水区内的土地覆盖观测产生228个可估计的同期流量相关，其中21个名义显著，但在其完整指标族内调整后均不显著。因此，证据支持降水、流量与景观轨迹的空间分异，同时土地覆盖变化对河流流量的因果贡献仍未解决。