中亚Shu河流域水文气候变化与农业用水影响下河流径流空间转化：从上游水分控制到下游人类调控系统

《Frontiers in Environmental Science》：Spatial transformation of river runoff under hydroclimatic change and agricultural water use in the Shu River basin, Central Asia

　　

Introduction：理解干旱跨界流域径流对水文气候变率与人类用水响应的空间差异，对可持续水资源管理至关重要。该研究利用长期河流径流观测和关键水文气候指标，评估Shu河流域径流–水文气候关系沿程的空间差异。Methods：水文气候变化通过流域上游和下游的潜在蒸散（ET）、气候水分平衡和标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI）进行评估。长期趋势采用修正Mann–Kendall检验（Modified Mann–Kendall test，Yue and Wang修正）和Sen’s slope估计器评估，径流与水文气候变量之间的关系采用Spearman相关分析检验。Results：结果揭示流域径流变率控制机制存在显著空间差异。在上游，径流与长期水分可用性（SPEI-12；ρ = 0.73，p < 0.01）仍强相关，同时在Kordai站检测到显著干旱化趋势（Modified Mann–Kendall，Z = ?5.93，p = 3.07 × 10^?9）。气候水分亏缺向下游显著增加，从Kordai约520 mm yr^?1至Moiynkum的?1130 mm yr^?1。相反，下游径流与水文气候指标关系弱且统计不显著，表明强烈农业取水可能改变自然气候–径流关系。Discussion：结果表明，Shu河流域正经历从上游与水文气候条件密切相关的文文系统向下游人类改造型水量限制系统的转变。

论文解读：

中亚干旱与半干旱区河流水资源同时受到气候变化和强烈农业利用压力。升温、大气蒸发需求增加和干旱化导致流域水可用性下降，跨界流域还受到灌溉取水、渠系引水和水库调节等影响。Shu河是中亚重要跨界河流，上游位于相对湿润的山麓产流区，中下游进入干旱区并承受农业用水压力，下游在自然干旱和灌溉取水共同作用下常出现断流。既有研究已关注Kaliyeva et al. (2021)对未来水文情势的预估、Issanova et al. (2018)对哈萨克斯坦水经济区水资源可利用性的评估、Issaldayeva et al. (2023)对东南哈萨克斯坦水文气候变率与径流变化的分析，以及Bakbergenov et al. (2026)对近期水文变率和水压力指标的研究。然而，以往研究多分别考察气候影响、水文趋势或水资源利用，尚缺乏对Shu河流域从上游产流区到下游水量限制段，水文气候干旱化与农业取水如何共同改变径流控制的空间转化评估。该研究因此开展长期径流观测与水文气候指标综合分析，回答上下游径流长期变化、关键水文气候指标变化、上下游空间差异以及径流与蒸散、气候水分平衡和干旱指标关系等问题，并为跨界干旱流域适应性水资源管理提供依据。

研究人员基于长期河流径流观测和ERA5气候再分析资料，比较上游Tashutkul与下游Ulanbel水文站，并选取Kordai、Tole Bi、Moiynkum三个代表气象点，分析径流–水文气候关系沿程变化。研究结论显示，上游径流仍与水文气候条件，尤其与SPEI-12和气候水分平衡所反映的长期水分可用性密切相关；下游径流与水文气候指标关系弱且不显著，表明农业取水、渠道损失和水资源再分配显著改变了自然流态。流域存在明显干旱梯度，2011–2015年出现全流域严重干旱，上游Kordai站显著干旱化。该研究的意义在于揭示Shu河流域正从上游自然水文气候控制向下游人类改造水量限制系统转变，强调未来管理需同时考虑气候干旱化和农业用水。

关键技术方法概括：水文数据来自哈萨克斯坦水资源经济科学研究所（KazSRIWE）提供的长期河流流量观测，选用上游Tashutkul和下游Ulanbel水文站，年径流自1950年起；气候数据采用ECMWF ERA5再分析，选取Kordai、Tole Bi、Moiynkum三个代表站，气候分析期为1992–2026。用FAO Penman–Monteith法计算参考蒸散（reference evapotranspiration, ET₀；大气蒸发需求指标），以WB=P?ET₀计算气候水分平衡（climatic water balance, WB；降水与参考蒸散之差），基于log-logistic分布计算SPEI-3与SPEI-12；采用Yue and Wang修正的修正Mann–Kendall检验（Modified Mann–Kendall test；考虑序列自相关的趋势检验）和Sen’s slope估计器分析趋势，用Spearman秩相关分析径流与水气候指标关系。

研究结果：3.1 Temporal variability of river runoff in the Shu River basin。通过长期径流序列分析发现，上游Tashutkul在1950年代和1960年代年径流一般为1800–2200百万m³，1970年代下降受Tashutkul Reservoir建设影响，1980年代末以后年际变率增强，2000年代中期最高超过3500百万m³，随后下降至1400–1600百万m³。下游Ulanbel全年径流显著较低，初始约600–1600百万m³，1970年代和1980年代部分年份极低；2000年代中期上游超过3500百万m³时，下游约2200百万m³。农业取水某些年份超过1500–2000百万m³。结论是上下游水文情势差异显著，下游水量减少与流域内水资源再分配和农业取水有关。

3.2 Spatiotemporal variability of reference evapotranspiration (ET₀) and changes in climatic water balance (WB)。通过三站水文气候指标计算发现，所有站平均年气候水分平衡均为负，表明持续水分亏缺。Kordai平均约?520 mm yr^?1，Tole Bi约?920 mm yr^?1，Moiynkum约?1130 mm yr^?1。年降水中位数从Kordai约500–520 mm yr^?1降至Tole Bi约370–390 mm yr^?1和Moiynkum约280–300 mm yr^?1。ET₀中位数从Kordai约1050–1070 mm yr^?1升至Tole Bi约1300 mm yr^?1和Moiynkum约1410–1430 mm yr^?1。夏季是主要亏缺期，冬季是唯一正平衡期。结论是从山麓到荒漠，水分亏缺由降水减少和大气蒸发需求增强共同造成。

3.3 Drought characteristics based on SPEI-3 and SPEI-12。通过季节和长期SPEI分析发现，SPEI-3显示强烈季节和年际波动，明显短期干旱出现在1990年代中期、2007–2009年和2011–2015年，Moiynkum极端年份接近?3.0。SPEI-12显示1990年代中期至2000年代初期存在湿润阶段，Kordai超过+2.0；2000年代后半期后转负，2011–2015年所有站持续负异常，Tole Bi达?2.4至?2.5。趋势检验表明，Kordai站SPEI-12显著下降（Modified Mann–Kendall，Z = ?5.93，p < 0.001），Sen’s slope为?0.0032 SPEI/month，约?0.038 SPEI/year；Tole Bi显著下降（Z = ?2.53，p = 0.011），Sen’s slope为?0.0017 SPEI/month，约?0.020 SPEI/year；Moiynkum趋势不显著（Z = ?1.19，p = 0.233），Sen’s slope为?0.0008 SPEI/month。结论是干旱化空间异质，上游显著干旱化，中游严重干旱，下游长期趋势弱但短期干旱频繁。

3.4 Correlations between river runoff and hydroclimatic indicators。通过Spearman秩相关分析发现，上游Tashutkul–Kordai关系中，径流与SPEI-12相关系数ρ = 0.73（p < 0.01），与SPEI-3为ρ = 0.60（p < 0.05），与WB为ρ = 0.61（p < 0.05），与ET₀为ρ = ?0.44但不显著。下游Ulanbel–Moiynkum关系中，径流与WB为ρ = 0.01，与SPEI-3为ρ = 0.05，与SPEI-12为ρ = 0.39，均不显著。结论是上游径流受长期水分可用性控制，下游气候信号被农业取水、河道损失和水资源再分配显著削弱。

讨论部分总结：该研究认为Shu河流域径流控制存在明显纵向空间转化，上游仍以水文气候条件为主，下游转向人类调控和水量限制。结果与Rakhimova et al. (2020)在Buqtyrma河流域发现的上游气候主导、下游人类活动增强一致，也与Didovets et al. (2021)、Shahgedanova et al. (2020)关于中亚跨界流域和天山北部河流对气候变化脆弱性的认识一致。下游无显著相关与Wang et al. (2025)在黄河、Gu et al. (2024)在Manas河流域等发现的人类调控削弱气候–径流关系相似。SPEI分析表明2011–2015年严重干旱由区域尺度气候强迫驱动。Kordai显著干旱化可能反映山区产流区相对水文气候变化的敏感性。管理上需同时应对气候干旱化和农业取水，保护山区产流过程，提高灌溉效率，减少输水损失，优化水库调度，并加强哈萨克斯坦与吉尔吉斯斯坦跨界合作。研究局限在于采用统计关系而非正式归因，未定量区分气候与人类贡献；未来需结合Budyko框架、弹性分析、同位素和过程水文模型。该研究与Bakbergenov et al. (2026)互补。

研究结论（翻译）：该研究证明，在干旱化增强和强烈用水条件下，Shu河流域水文情势存在显著空间转化。上游河流径流仍与水文气候条件，尤其SPEI-12和气候水分平衡代表的长期水分可用性密切相关。流域识别出明显空间梯度，从Kordai到Moiynkum，蒸散增加、降水减少、气候水分平衡愈发为负。干旱分析揭示全流域严重干旱，尤其2011–2015年，表明水文气候压力增加。与上游相比，下游径流与水文气候指标关系弱，表明自然流态显著改变。结果表明，下游水资源可用性与水文气候干旱化及强烈农业取水均有关；但这些驱动因素的相对定量贡献超出该研究范围，需采用正式归因方法进一步研究。总体而言，Shu河流域呈现从上游与水文气候条件强相关的径流系统，向下游受农业用水影响的水量限制系统转变。该结果对Shu河流域和中亚其他跨界河流可持续水资源管理具有重要意义。仅针对气候变化的适应措施，在灌溉需求增加和低效用水持续降低下游可用水时，难以确保长期水安全。上游强水文气候控制表明，保护山区产流过程应作为管理优先事项；持续监测气候变量、积雪、冰川动态和干旱条件，对改进季节水可用性预报和适应性水库调度至关重要。下游则需提高灌溉效率、现代化输水基础设施、减少输水损失并优化农业水分配。由于Shu河为哈萨克斯坦和吉尔吉斯斯坦共享跨界流域，有效适应还需加强双边合作、协调监测、数据共享和综合水管理政策。该研究提供了长期水文气候视角，与Bakbergenov et al. (2026)近期水压力研究互补。其方法框架可应用于其他山地补给、干旱且农业用水强烈的河流流域。未来研究应整合过程水文模型、遥感产品、冰川和融雪观测，以及灌溉取水和水库运行信息，以定量归因径流变化并提高未来预测可靠性。