亚小时尺度降雨-径流事件识别方法：在自然解决方案与水文资源管理中的应用

《River Research and Applications》：A Method for Identifying Rainfall-Runoff Events at Sub-Hourly Time Scales: Applications for Nature-Based Solutions and Water Resources

　　

理解集水区条件变化如何通过降雨-径流事件影响生态水文过程，对于制定提升径流韧性、恢复自然生境、解析水质数据及降低洪水风险的循证策略至关重要。这一目标的实现可通过评估源头至中尺度集水区的洪峰流量变化与径流衰减效应，从亚小时分辨率的流量与降雨时序数据中提取降雨-径流事件来完成。由于源头集水区面积较小且径流响应迅速，此类场景往往需要亚小时尺度的精细观测支持。然而，当前针对亚小时尺度流量时序的标准化事件提取方法的详细技术文档仍较匮乏，且现有常用方法可能存在偏差风险。为解决上述问题，研究人员提出了一种降雨-径流事件提取方法，并结合案例研究展示了该方法如何用于量化不同生态修复策略与集水区干预措施下的水文功能变化。该方法通过关联前期条件、滞后时间等关键水文指标，构建了基于亚小时尺度降雨与流量观测数据的事件划分与提取工作流程。案例研究结果显示，泥炭地修复可使洪峰流量降低49%，渗漏坝与河狸坝可降低洪峰流量23%；尤为重要的是针对水质管理的发现表明，能够衰减径流、削减暴雨流量的集水区措施可产生显著效益。本研究成果已产生实际影响，为集水区管理策略制定提供了支撑，证明了这种系统化方法可在不同地貌类型的集水区广泛推广。

该研究针对亚小时尺度水文观测数据缺乏标准化事件提取方法的问题，由研究人员开发了基于开源R语言的可适应型工作流程，用于在源头至中尺度（10¹–10³km²）集水区中识别、提取与分类降雨-径流事件。研究背景在于，传统方法多适用于日尺度或小时尺度数据，难以捕捉快速响应型小集水区的动态特征，且静态阈值易导致低流量期事件与多峰事件的遗漏，限制了自然解决方案（Nature-based Solutions, NbS）与自然洪水管理（Natural Flood Management, NFM）措施的成效评估。为此，研究人员将递归数字滤波（Recursive Digital Filter, RDF）、动态阈值判定与事件配对算法相结合，实现了对亚小时尺度（15分钟）降雨与流量时序中复杂事件的精准提取，并生成峰值流量、滞后时间、径流体积等核心水文指标。该方法已在英国三个典型集水区案例中完成验证，分别量化了泥炭地修复、河狸湿地构建与人工输水系统对水文过程及水质的影响。研究结果表明，所提方法可有效消除传统技术的偏差，为集水区管理提供可靠的量化依据。

研究人员采用的关键技术方法包括：1. 数据预处理阶段，对15分钟分辨率的降雨强度（mm h^?1）与流量（m³s^?1）时序进行质量控制，计算完整性比率以评估缺失数据影响；2. 降雨事件识别，以降雨强度中位数作为阈值，结合90分钟默认间隔聚合连续降雨时段；3. 流量分离，采用单参数递归数字滤波（RDF）对总流量进行多次正反向交替滤波，分离基流（baseflow）与暴流（stormflow），并进一步划分快流（quick flow）与中间流（intermediate flow）；4. 径流事件提取，基于滤波后快流的斜率变化、动态阈值与局部极大值检测，识别独立事件及其峰值；5. 降雨-径流事件耦合，将径流响应事件与对应降雨事件配对，通过时间窗口切割处理重叠事件，生成包含前期条件、滞后时间等指标的事件数据集。

研究结果部分如下：

3.1 案例研究1——人工与自然水流输入对比及其对水质动态的启示

该案例以英国达特穆尔伯拉托水库集水区为对象，对比德文波特引水渠（人工输水）与米维河（自然径流）的水文与溶解性有机碳（DOC）特征。通过事件提取方法共识别出159个米维河事件与266个引水渠事件。研究发现，引水渠流量全年稳定，峰值波动极小，而米维河流量随季节与降雨显著变化，平均流量为引水渠的10–25倍。DOC浓度在引水渠上游源头最高可达15.3 mg L^?1，但由于引水渠流量稳定且较低，其年DOC负荷仅为米维河的十分之一。事件分析表明，米维河的高DOC负荷主要与秋季与冬季频繁的降雨-径流事件相关，证明能够衰减径流、削减洪峰的集水区措施可同步降低水库DOC输入风险。

3.2 案例研究2——河狸筑坝与湿地构建对下游流态的影响

该案例位于普利茅斯伯查姆流域，监测河狸引入与33处渗漏木坝等NFM措施实施前后的水文响应。共提取367个降雨-径流事件。广义线性模型（Generalized Linear Model, GLM）分析显示，措施实施后伯查姆溪洪峰流量显著降低23%（p=0.01），邻近控制流域塞顿溪降低11.6%（p=0.05），下游福德尔河谷洪峰降低6.8%但未达显著水平。滞后时间在各站点均有小幅延长，表明河狸湿地与渗漏坝通过增加蓄水有效延缓了径流汇集过程。

3.3 案例研究3——泥炭地修复对流态与暴雨响应的影响

该案例针对达特穆尔弗拉特托潘退化泥炭地，监测2014年修复工程前后的水文变化。共识别190个修复前事件与210个修复后事件。广义加性模型（Generalized Additive Model, GAM）分析表明，修复后单位降雨产生的洪峰流量显著降低（p<0.001），平均下降49%，涨水段斜率减少68.1%，5%分位最高流量下降66%。同时，降雨开始至洪峰的滞后时间缩短33.3%，表明修复后集水区产流路径发生改变，上游径流得到更有效衰减。

讨论部分指出，本研究填补了亚小时尺度事件提取方法的三大空白：一是支持快速响应小集水区的高分辨率动态分析，克服了传统日尺度方法的局限性；二是通过动态滤波阈值避免了静态阈值对低流量事件与多峰事件的遗漏；三是可灵活适配不同地貌类型与干预措施评估需求。尽管该方法仍需结合专家知识优化滤波参数，但其开源特性与标准化流程已在水文研究与政策管理中产生实际应用价值。

结论部分总结：本研究提出的亚小时尺度降雨-径流事件提取工作流程，为生态水文研究与管理决策提供了可重复、客观的分析工具。该方法已成功应用于泥炭地修复、河狸重引入与城市NFM措施的效果量化，证实其可支持不同集水区类型的自然资本评估与洪水风险管理策略优化。研究成果发表于《River Research and Applications》。