《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Contrasting roles of human water use in soil and hydrological drought propagation in the mid-upper Huaihe River Basin
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研究区域：中国淮河中上游流域（MU-HRB）是一个气候变率强、人类用水密集的区域。研究焦点：本研究探讨灌溉和水库调度如何影响从气象干旱（MD）到土壤干旱（SD）和水文干旱（HD）的干旱传播（DP）。研究中应用了最新开发的耦合地表-地下过程模型第三版（CSSPv
研究区域：中国淮河中上游流域（MU-HRB）是一个气候变率强、人类用水密集的区域。研究焦点：本研究探讨灌溉和水库调度如何影响从气象干旱（MD）到土壤干旱（SD）和水文干旱（HD）的干旱传播（DP）。研究中应用了最新开发的耦合地表-地下过程模型第三版（CSSPv3），该模型明确考虑了灌溉水源约束，用以量化人类用水对DP的影响。CSSPv3模型在MU-HRB的径流和土壤水分模拟方面优于全球水文模型。区域新水文见解：人类用水通过改变传播路径和阈值来影响DP。灌溉抑制了SD，使其频率降低58.8%，传播时间延长101.7%，同时加剧了HD，使其频率增加48.6%并加速了从MD向HD的传播。水库调度部分抵消了径流消耗，但并未逆转向HD增强传播的趋势。因此，传播路径从朝向SD转向朝向HD。人类用水削弱了低严重度MD事件向SD的传播，同时降低了向HD传播的阈值，表明河流系统敏感性增加。这些效应在人类用水强度大的子流域最为显著，尤其在淮滨-蚌埠地区，其驱动机制包括土壤水分补充、蒸散发增强和径流消耗。
论文解读：人类用水对淮河中上游流域土壤干旱与水文干旱传播的对比作用
一、研究背景与科学问题
干旱是全球最具破坏性的自然灾害之一，对生态系统稳定性、农业生产力和水资源可持续性构成长期压力。在气候变暖和人类干预加剧的背景下，水文系统日益呈现非平稳特征，干旱的频率、持续时间和空间范围均呈显著上升趋势。传统上，干旱被分为气象干旱（MD）、农业（或土壤）干旱（SD）、水文干旱（HD）和社会经济干旱，它们通过连接大气、陆面和河流系统的过程相互关联。
通常，持续的降水亏缺首先导致MD，增强的大气蒸发需求逐渐降低土壤水分（SM），引发直接影响农业生产的SD，随后径流减少和汇流受限导致径流下降，进一步发展为HD并对社会经济系统产生广泛影响。这种跨不同水文分量的级联演变被称为干旱传播（DP），它决定了流域的干旱韧性和恢复能力，并为干旱预测和适应提供基础。
然而，以往研究主要关注DP的特征，包括传播概率、持续时间和速率，而人类用水对DP的定量影响仍认识不足。此外，MD信号向SD或HD传播的可能性通常随干旱严重度增加而增加，理解人类用水如何改变这种严重度-响应关系对于识别DP阈值至关重要，但很少有研究考察人类影响。人类用水不仅可能改变MD发展为SD和HD的路径，还可能改变传播发生的阈值。特别是在高强度水管理下，SD和HD的耦合响应以及SD连接MD和HD的中介作用很少被量化。因此，人类用水如何影响DP路径、严重度-响应关系、阈值行为及其空间异质性仍然知之甚少。
此外，许多研究依赖统计分析，在定量分离不同人类用水的影响以及阐明控制DP的物理机制方面能力有限。基于过程的分布式水文模型因此提供了研究人类影响下DP的有效框架。本研究采用耦合地表-地下过程模型第三版（CSSPv3），该模型相比大多数传统水文模型包含更完善的地表-地下过程参数化方案，改进了SM和径流动态的模拟，并包含校准至实际用水量的精细灌溉模块，特别适合评估灌溉和水库调度如何影响DP。
本研究选择淮河中上游流域（MU-HRB）作为研究区，该流域位于中国南北气候过渡带，灌溉密集且水库运行众多。子流域气候条件相似但人类用水强度差异显著，使得在识别人类对DP的影响时可进行流域内比较以减少气候混杂效应。研究目标包括：（1）分析人类用水如何影响从MD到SD和HD的传播特征；（2）识别人类用水影响下MD发展为SD和HD的阈值；（3）揭示人类用水通过SM和径流过程影响DP的机制。
该论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。
二、关键技术与方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）运用耦合地表-地下过程模型第三版（CSSPv3）进行水文模拟，该模型包含考虑灌溉水源约束的灌溉模块和水库调度模块；（2）使用3个月标准化降水指数（SPI-3）、3个月标准化土壤水分指数（SSMI-3）和3个月标准化径流指数（SSI-3）分别表征MD、SD和HD；（3）建立自然化情景（无灌溉和无水库调度）作为参考基准，通过对比有无人类用水的情景来量化人类用水影响；（4）定义干旱传播事件识别标准，采用传播时间（PT）和传播比（PR）两个指标量化DP特征；（5）利用CN05.1降水数据、ERA5再分析气象数据、MIRCA2000作物分布数据集、全球水库和大坝数据库（GRanD）等多源数据进行模型驱动和验证，模型验证使用淮河水利委员会提供的实测月径流数据和灌溉耗水统计资料，以及中国土壤水分数据集（SMCI）。
三、研究结果
3.1 人类用水改变了干旱传播路径
研究发现，在自然化条件下，MD主要向SD传播，而在人类用水情景下，传播路径发生转变，从主要朝向SD转向主要朝向HD。具体而言，灌溉通过补充SM抑制了SD的发展，使SD频率降低58.8%，传播时间延长101.7%；但同时灌溉取水和水库调度消耗了径流，加剧了HD，使HD频率增加48.6%并加速了从MD向HD的传播。水库调度虽然部分补偿了径流消耗，但未能逆转向HD增强传播的整体趋势。
3.2 人类用水改变了干旱传播的严重度-响应关系和阈值
研究表明，人类用水削弱了低严重度MD事件向SD的传播，即较小的降水亏缺在灌溉补充SM后不足以引发SD。与此同时，人类用水降低了MD向HD传播的阈值，意味着即使较轻度的MD也可能触发HD，表明河流系统对人类干扰的敏感性增加。这些效应在人类用水强度最大的子流域最为突出，尤其是在淮滨-蚌埠地区。
3.3 人类用水影响干旱传播的物理机制
研究人员通过CSSPv3模型的物理过程分析揭示了三个主要驱动机制：一是灌溉直接补充SM，缓解了土壤水分亏缺，从而延缓或阻断MD向SD的传播；二是灌溉增加了蒸散发（ET），加剧了水分的净消耗，减少了可用于产流的水量；三是灌溉取水和水库调度改变了径流时空分布，导致径流消耗，加速了MD向HD的传播。这三个过程共同作用，使得人类用水产生了抑制SD却加剧HD的对比效应。
四、讨论与结论
讨论部分总结
讨论指出，本研究的发现与已有研究一致，即人类用水对不同类型的干旱具有差异化影响。灌溉对SD的缓解效应在灌溉密集区尤为明显，但这种缓解是以牺牲河道外生态需水和下游可用水量为代价的。值得注意的是，人类用水导致的DP路径转变意味着传统基于自然过程的干旱预警和应对策略可能需要调整，因为在高强度人类用水流域，MD发生后应更加警惕HD的快速到来，而非仅仅关注农业干旱。研究还指出，CSSPv3模型相比全球水文模型（GHMs）在MU-HRB表现出更好的模拟性能，这得益于其对灌溉水源约束和水库调度的显式表征。研究也承认存在一定局限性，如未考虑地下水超采、灌溉效率变化以及未来气候变化情景下的适应性管理策略等。
研究结论
人类用水通过改变传播路径和阈值来影响DP。灌溉抑制了SD，使其频率降低58.8%，传播时间延长101.7%，同时加剧了HD，使其频率增加48.6%并加速了从MD向HD的传播。水库调度部分抵消了径流消耗，但并未逆转向HD增强传播的趋势。因此，传播路径从朝向SD转向朝向HD。人类用水削弱了低严重度MD事件向SD的传播，同时降低了向HD传播的阈值，表明河流系统敏感性增加。这些效应在人类用水强度大的子流域最为显著，尤其在淮滨-蚌埠地区，其驱动机制包括土壤水分补充、蒸散发增强和径流消耗。
