加拿大安大略省东北部中尺度前寒武纪地盾流域中河川径流年轻水比例变异的流域预测因子研究

《Journal of Hydrology》：Investigating catchment predictors of the fraction of young water variability in streamflow in mesoscale Precambrian Shield catchments in Northeastern Ontario, Canada

　　

利用水体中氧同位素（δ¹⁸O）估算河川径流中的年轻水比例（Fyw，表示近2–3个月内降水对河川流量的贡献），并结合流域特征识别其关键控制因子。研究对象为加拿大安大略省东北部 Sturgeon River–Lake Nipissing–French River（SNF）前寒武纪地盾大型异质流域内16个子流域。结果表明，Fyw在0.16±0.03至0.66±0.07之间变化，空间差异显著；流量加权与非加权Fyw差异不显著。阻尼比（DR，反映河川与降水同位素季节振幅衰减程度）与Fyw呈强正相关。中位地形湿润指数（TWI，表征地形汇流与湿润潜势）以及fen+marsh面积是解释Fyw空间变异的主要因子；湖泊面积、混交林和高径流潜势土壤的独立贡献较弱，主要由于与其他变量共线。该研究说明，在中尺度地盾流域中，地形汇流条件和湿地连通性比单纯的森林、土壤或湖泊覆盖更能解释年轻水贡献差异。

研究围绕大型异质前寒武纪地盾流域中径流形成机制展开。过去关于地盾区水文过程的认识，多来自小尺度源头流域研究；而在更大尺度上，地形、土地覆盖、湿地和湖泊等要素的组合效应更复杂，且不同尺度下“储水”与“输水”功能的相对重要性可能改变。为弥补这一空缺，研究人员以安大略省东北部 SNF 流域为对象，利用降水与河川水稳定同位素数据估算Fyw，并进一步检验其对降水输入来源和记录长度的敏感性，同时采用层次分割回归（hierarchical partitioning, HP）识别流域尺度上Fyw变异的独立预测因子。研究表明，SNF流域Fyw具有强烈空间异质性，但在较大嵌套流域中表现出一定“自相似”特征；DR可作为Fyw的稳健替代指标；中位TWI与fen+marsh面积是最关键的解释变量，说明地形汇流与湿地输送过程主导了该区年轻水比例的空间分布。该结论对理解前寒武纪地盾中尺度流域的径流生成、改进同位素示踪解释以及区域水资源管理具有重要意义。

主要技术方法可概括为：基于2013—2019年河川与降水δ¹⁸O观测，采用正弦拟合估算Fyw及其加权形式；以流量分割计算BFI、QFI和CVQ等水文指标；结合高分辨率DEM、土地覆盖、第四纪地质与土壤数据开展流域形态分析；通过相关分析与HP回归识别关键预测因子，并用RMSE、KGE、ICC等评价模型与敏感性。

**结果**
**3.1 Model performance and Fyw estimate variability**：同位素季节拟合总体表现良好，KGE为0.50–0.90。16个子流域的Fyw平均为0.38±0.04，范围为0.16–0.66，显示显著空间差异。加权Fyw*与未加权Fyw高度一致（r=0.99，p<0.001），说明流量加权并未改变总体格局。
**3.2 Landscape analysis**：流域地形、土地覆盖与地质特征差异明显；森林覆盖总体较高，湖泊与湿地在部分流域中占比较大，城市化与农业覆盖总体较低，但个别流域存在显著差异。
**3.3 Hydrometric analysis**：8个有径流资料的流域中，BFI为0.38–0.71，CVQ为0.79–1.85，反映不同流域间基流与流量波动差异明显。
**3.4 Relationships between Fyw and catchment physiographic characteristics**：Fyw与流域面积、平均坡度、平均高程、最长汇流路径、湖泊面积和BFI显著负相关，与中位TWI、湿地面积、fen、marsh、fen+marsh、QFI和CVQ显著正相关；与第四纪地质无显著关系。
**3.5 Key drivers of Fyw and their contribution in the SNF basin**：HP分析显示，5个变量共解释Fyw变异的70.1%。其中中位TWI贡献最大（25.3%），其次为fen+marsh面积（19.9%）；湖泊面积、混交林和高径流潜势土壤贡献较弱，且多与其他变量共变。

**讨论与结论**
研究表明，SNF前寒武纪地盾流域中，年轻水比例在16%–66%之间变化，说明中尺度流域对近期降水的响应具有高度空间异质性；而在>2000 km²的大流域中，流量响应呈现更一致的自相似特征。与传统相关分析相比，HP更能识别解释Fyw的独立控制因子。TWI和fen+marsh面积是最重要的两个独立预测因子，表明地形汇流潜势及湿地输水功能是该区径流形成的核心控制；湖泊、混交林和高径流潜势土壤的作用较弱，主要因其与主导变量共线。DR与Fyw的强相关进一步说明，DR可作为该区域年轻水比例的简便替代指标。研究指出，中尺度与源头小流域在前寒武纪地盾区的径流控制机制并不完全相同，未来需进一步关注不同空间尺度下水文过程与景观要素耦合关系，以支撑区域水资源的可持续管理。