皮埃蒙特大过渡带自然-人工水系统连通性抗灾能力的定量评估方法：极端气候条件下的流域应用

《Environmental Modelling & Software》：Quantitative Assessment Method of Connectivity Resilience in Natural-Artificial Water Systems in the Piedmont Transition Zone: A Watershed Application for Extreme Climate

　　摘要：连接河流与湖泊有助于提升区域水资源安全，但人工调控可能改变生态系统的稳定性。本研究以山地与平原过渡带的风河流域为研究对象，构建了将自然河流与人工运河相连的有向拓扑网络，并提出了包含结构、连通性、功能及恢复力四个维度的SCFR框架。通过基于SWAT模型的多情景模拟，该框架可量化干旱压力与人类干预对水网络综合恢复力的影响。研究结果表明，人工系统虽扩大了水网络的物理范围，却降低了其循环性、节点连通率以及整体连通性，降幅分别为11.83%、3.04%和6.63%。在极端干旱条件下，生态安全水平与水系统连通率分别下降7.68%和1.68%，同时系统恢复时间也增加了0.622天。现有的水资源分配措施无法完全弥补人工干预带来的恢复力损失。本研究提出的SCFR框架为水系统分区规划、风险节点识别以及连通性调控提供了定量依据。

引言：全球范围内，水资源短缺、污染、生态系统退化以及频繁的旱灾和水灾已成为制约各国可持续发展的重大障碍，这些问题的产生既与全球气候变化有关，也源于人类活动的干扰（Jain等，2024）。水资源安全的形势愈发复杂且难以预测。河流与湖泊系统之间的关系是水文学、景观生态学以及水资源管理领域的重要研究主题（Chen等，2018；Luo等，2021a）。通过保持或重新配置水文联系与水交换，不仅可以提高水资源分配效率，增强自然灾害的预防与应对能力，还能修复水生生态系统，因此它已成为解决全球水资源问题最重要的战略途径之一。

“连通性”这一概念源自图论中对空间连续性的度量。自Merriam（1984）将其引入景观生态学后，跨学科的合作不断丰富着这一概念的内涵。Amoros等人（1987、1988）最初将河流系统的连通性视为其核心特征，强调了横向连通性在维持洪泛区生物多样性方面的关键作用，同时阐明了河流系统拓扑结构与各种功能流（水文流、物质流、能量流和生物流）之间的相互关系。Ward（1989）随后提出了涵盖纵向、横向、垂直和时间维度的系统性四维框架，为全球范围内河流与湖泊连通性研究奠定了基础。同年，Junk等人（1989）提出了“洪水脉冲理论”，认为水动力学是实现连通性的主要机制，相当于一种“能量开关”。进入21世纪后，研究重点转向人类活动的影响。Bunn和Arthington（2002）指出，水利工程带来的连通性变化与生物多样性的下降之间存在关联。在应对复杂的水资源安全问题时，Leibowitz等人（2018）主张将连通性研究的范式从“自然生态描述”转变为“系统整合管理”。他们提出的“源-汇-庇护所”模型有助于人们不仅仅关注物理上的连接，还能理解生态系统服务的功能，如净化水质和碳循环等。

用于评估水系统连通性的技术已从单一方法发展为多学科融合的技术。在最初的研究阶段（2000–2010年），研究主要聚焦于生物迁徙与景观斑块之间的拓扑关系，常用手段包括空间图分析、景观分析以及基本的水文模型（Bunn, A. G.等，2000；Pascual-Hortal和Saura，2006）。自2011年起，随着对多目标管理的需求增加，研究开始致力于将图论与水文学、生态学更深入地结合，人们开发出多维度指标体系来评估复杂系统的特征（Larsen等，2012；Leibowitz等，2018），并运用GIS和网络分析技术（Passalacqua，2017；Sendrowski和Passalacqua，2017），从而进一步完善了用于评估结构与功能连通性的研究框架。

然而，目前的评估范式存在一定的缺陷。大多数现有研究仅关注静态结构的完整性或其多年平均条件下的功能表现，倾向于采用“快照式”的评估方式（Bracken等，2013）。这种视角虽能反映正常条件下水系统的连通模式，但无法体现水系统在面临极端干旱等严重扰动时的动态响应机制。此外，这些研究中对恢复力维度的刻画不够充分，难以准确描述非稳态条件下复杂水网络的可持续性，进而限制了极端情况下调控策略的有效性。Amoros等人（1988）指出，洪泛区与主河道之间的横向相互作用是一种受自然洪水影响的季节性脉冲过程；但在地形坡度较大且人类活动频繁的山前过渡带，河流系统的地形结构与功能演化表现出显著的异质性。在自然环境中，陡峭的地形通常会导致快速而强烈的洪水事件；而当人工运河在山口处截断源头水流时，横向连通性就会从“自然洪水模式”转变为“人工调控模式”（Piasecka等，2025）。这种结构变化打破了传统的自然洪水模式。特别是在复杂的水资源利用调控作用下，人工网络会在下游形成更大的补水压力，从而导致河流系统的连通性与生态功能出现显著变化（Stone等，2017）。这表明，在山地与平原过渡带，水系统的连通性不仅受自然河流网络结构的影响，还受人工调控因素的制约。这种由工程驱动的功能重塑可能导致在极端气候事件中系统连通性的恢复力逐渐下降，进而转化为系统性风险。因此，有必要在极端气候干扰下，对山地与平原过渡带河流系统的连通性进行动态恢复力评估，以阐明人类干预对河流系统恢复力演变的驱动机制，从而保障流域的水资源安全与生态系统完整性。

本研究以中国秦岭山前平原的过渡地带——风河流域作为典型案例展开研究。它主要探讨两个科学问题：一是人工水系统扩张对自然水系统拓扑特征的影响，二是极端干旱条件下结构变化对系统自我修复能力的影响。为此，本研究构建了包含自然河流与人工运河的复合水网络的有向拓扑表征模型，同时将干旱恢复时间纳入传统的水系统连通性评估体系中。这一整合将恢复力维度引入评估框架，使得空间属性、水文功能表现以及动态恢复力特征之间能够更紧密地结合。据此，本研究提出了一种用于评估复杂山前环境中的水系统综合连通性（结构-连通性-功能-恢复力，SCFR）的四维评估范式。该框架旨在弥补传统静态快照式评估的不足，能够深入分析人类调控行为与极端条件下自然水系统连通性之间的相互作用机制。研究主要包括四个核心模块：多维度系统构建、复合网络拓扑量化、极端干旱应力评估以及系统恢复力影响评估。该系统可用来衡量系统在自然过程与人类干预作用下的连通性恢复力的时空演变特征。研究结果将为秦岭山前水系统的分区规划以及关键风险节点的识别提供科学依据，同时也能为全球类似水网络在极端气候条件下的管理与早期预警提供实用且可复制的定量工具，从而有效提升区域水资源安全水平及海绵城市规划的质量。

研究区域：该河流呈南北走向，流经西安市长安区、鄠邑区及西咸新区，最终在凤东新城玉王村注入渭河。河流全长约78公里（Zhang等，2014；Zhang等，2021c）。风河流域位于北纬33°50′至34°20′、东经108°35′至109°09′之间，总面积为1386平方公里（见图1），是该地区水文框架的重要组成部分。

流域内自然河流网络的提取与抽象：本研究利用数字高程模型进行了水文分析，采用D8方法计算流量方向梯度，再根据径流积累情况确定可能的河流路径。通过计算径流积累阈值相对于河流网络特征的二阶导数，本研究客观地确定了最优的河流网络提取阈值，从而减少了在评估网络密度和形态时的主观偏差（M?kinen等，2019）。

不同干旱情景及开发方案下河流流量的关键特征分析：本部分选取了若干关键断面作为分析对象，以便直观比较在不同干旱重现期（P=75%，P=95%）以及三种不同开发方案下的河流流量变化情况（见图1）。所选断面包括秦杜镇断面（a）、郝河与撅河的交汇处断面（b）、郝河的中下游断面（c），以及太平峪河与风河的交汇处断面（d）。选择这些断面的依据是……

人工干预下水系统连通性结构的尺度扩展与功能维度降低：研究结果表明，尽管人工运河的修建显著提升了水系统覆盖的密度，但各类拓扑连通性指标（WSL、NCR、WRC）却通常有所下降。这说明在山前平原地区发展复杂水网络时可能存在一种矛盾现象：以树状分支结构为特征的人工网络注重点对点的资源分配，试图通过这种方式提高资源分配效率……

结论：本研究基于自然河流与人工运河共同构成的复合水网络的有向拓扑特征，结合SWAT水文模型得出的结构、连通性、功能及恢复力等方面的数据，构建了一个用于评估水系统连通性恢复力的四维评价体系。通过该体系可计算出综合连通性恢复力指数，并通过跨情景比较实现定量分析……

CRediT作者贡献说明：张鸿波——写作与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思；张宇——原始稿撰写、可视化、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思；张雪迪——验证、监督、资源协调、资金获取；马欢——数据收集、正式分析；高明辉——数据收集、数据整理；王志辉——可视化、软件应用、方法设计、数据收集；吕娇娇——资源协调、数据收集。

未引用参考文献：Amoros, 1988。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

软件与数据可用性：软件名称为土壤与水评估工具（SWAT），由美国农业部农业研究服务局开发，本研究中使用该软件模拟了研究流域内的径流过程。SWAT为现有模型，可从https://swat.tamu.edu/获取。本研究使用了地形、土地利用、土壤、气象、水文以及工程相关数据，其中公开数据来源于以下平台：SRTM数字高程模型（分辨率90米），数据来源为国家青藏高原地区。

资金支持：本研究得到了国家自然科学基金（52379003）、陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-YBMS-786）以及陕西省教育厅地方发展科技支撑计划（24JE004）的资助。

利益冲突声明：作者再次声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：作者感谢研究团队全体成员的辛勤工作，同时也感谢编辑及匿名审稿人對本文提出的宝贵意见与建议。

作者名单：张宇|张鸿波|任崇峰|吕娇娇|王志辉|高明辉|马欢|张雪迪
单位：中国西安长安大学水与环境学院，邮编710054