中国长江上游流域非洪泛区积水水体的时空动态：从水文连通性的角度出发

《Applied Geography》：Spatiotemporal dynamics of non-floodplain ponded waterbodies in the upper Yangtze River Basin, China: A hydrological connectivity perspective

基于长江上游流域非泛滥平原池塘水体的水文连通性分类及驱动因素分析，研究发现浅层（NPWSFP）、中层（NPWMFP）和深层（NPWDFP）连通性水体重心分布与人类活动及气候变化密切相关，其中水库建设导致浅层NPWs扩张，而气候变暖通过植被调节促进深层NPWs增长。

　　非洪泛平原蓄水体（NPWs）是山地河流水文连续体中的关键节点，在洪水和干旱缓解、水质改善等方面发挥着重要作用。NPWs与下游水系统的水文连通性决定了其生态和水文功能。通过水文连通性的视角来理解NPWs的动态变化，可以为水资源的韧性管理提供有价值的参考。然而，这一方面在以往的研究中并未得到充分重视。本研究利用全球地表水数据集（GSW）识别了上游长江流域的NPWs，并基于其与最近河流的流路深度将其划分为三种水文连通性类别：浅层流路NPWs（NPW_SFP）、中层流路NPWs（NPW_MFP）和深层流路NPWs（NPW_DFP）。随后，对这些水体从1990年至2021年的空间分布和变化进行了分析。此外，还利用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）探讨了自然和人为因素在不同水文连通性类别中的驱动作用。研究发现，NPW_SFP和NPW_MFP主要分布在四川盆地，而NPW_DFP则主要集中在金沙江、木尔塘和乌江流域。从1990年至2021年，NPWs的总面积显著增加，其中NPW_SFP和NPW_DFP的增长尤为明显。NPW_SFP的面积增加主要归因于水库建设以满足日益增长的用水需求，而NPW_DFP的面积增加则源于气候变化带来的更大水量补给。气候变化通过影响植被间接影响NPWs的动态变化，而人为活动则通过改变植被和局部气候条件塑造NPWs的变化。这些发现为针对地表水体的保护与修复提供了参考。

在当前的水资源管理中，洪泛平原上的蓄水体因面积较大且靠近流动的河流而受到研究人员和管理者广泛关注。相比之下，位于非洪泛平原上的蓄水体通常在流域尺度的保护和管理策略中较少受到关注。这些非洪泛平原蓄水体（NPWs）通常被山地包围，并分散分布于整个景观中。尽管它们的面积相对较小，NPWs却因其显著的生物地球化学处理能力而受到重视。此外，NPWs的分散特性不仅为周边的水资源需求领域提供了便捷的水源，还对下游水质的累积改善有所贡献。然而，由于缺乏可持续的保护措施，许多NPWs面临着持续的河岸侵蚀、淤积、人为填埋等破坏行为。由于水文连通性有限，NPWs表现出较差的水补给和排放能力，使其更容易受到气候变化的影响。例如，在干旱条件下，它们倾向于干涸；而在强降雨事件中，它们容易发生侵蚀、淤积和富营养化现象。NPWs的退化突显了流域韧性与可持续水资源管理的关键挑战。因此，迫切需要政策制定者理解NPWs的演变驱动因素和趋势，以制定更有效的保护和管理策略。

NPWs的生态作用和保护挑战与其独特的水文连通性密切相关。水文连通性指的是流域组件之间通过水体媒介传递物质、能量和生物的过程。它由多个因素构成，包括水文交换流量的频率、强度、持续时间和影响程度。对这一概念的深刻理解对于区分NPWs和洪泛平原蓄水体（FPWs）至关重要。FPWs通过频繁的短距离双向连接与下游水体保持联系，这种联系既发生在地表，也发生在地下。相比之下，NPWs主要通过有限的地下水流动和间歇性的地表及地下流动与下游水体相连。这些流动通常是单向的，从NPWs流向下游水体。这种区别表明，NPWs可以通过输送水体中的物质影响下游水体，但反过来影响则通常较小。水文连通性的程度是评估这些影响的重要指标。因此，通过水文连通性的视角来分析NPWs的动态变化，有助于预测流域尺度上的水量和水质。

现有研究广泛采用遥感数据来提取大范围地表水的空间信息。遥感相较于传统调查具有广泛覆盖、成本效益高和高频次等优势。这些特性使研究人员能够识别区域内的水体分布和变化趋势。然而，由于缺乏标准化的数据来源、提取方法和准确性评估标准，仍然存在一些挑战。这一局限性削弱了不同研究之间地表水提取结果的可比性，妨碍了为政策制定提供一致的科学基础。云平台遥感技术的出现推动了全球标准化地表水数据集的开发。例如，全球地表水数据集（GSW）、ASTER全球水体数据集（AGWB）和全球地表水动态数据集（GSD）等。特别是Pekel等人（2016）提出的GSW数据集，因其使用了1984年至2021年间的Landsat影像，分辨率为30米，而备受青睐。该数据集全面覆盖了地表水的空间和时间分布、动态变化、转化、季节变化以及持久性。与其他数据集相比，GSW在精度、时间覆盖、时空整合和可访问性方面具有明显优势。

许多研究采用统计方法，如相关分析、地理探测器模型和结构方程模型，来探讨地表水体与各种影响因素之间的关系。自然环境变化显著影响水体的形成、分布和演变。气候因素，尤其是降水，直接影响水体的变化，而温度和蒸散发则影响水循环动态。此外，地形因素改变局部条件，影响水流动和分布梯度。土壤特性影响水的渗透和微生物群落的生存，进一步影响地表水的分布。植被覆盖调节区域水文过程，影响相邻水体。人为活动也显著改变了地表水。如水坝建设、引水工程和水电项目等人为工程改变了自然水体的格局。城市扩张、农业活动和其他土地利用的侵占进一步增加了地表水的脆弱性。了解地表水体的生态作用促使了湿地保护和修复政策的实施，这些政策现在在塑造水体演变中扮演着重要角色。然而，需要认识到影响水体分布的因素往往相互作用，其影响程度因地区、时间范围和水体类型而异。

近年来，对NPWs水文连通性的准确测绘和评估受到了越来越多的关注。然而，仍有许多研究从水文连通性的角度探讨NPWs的分布和动态变化，以及其自然和人为驱动因素。一些定量评估方法已被开发用于水文连通性研究。例如，图论将水体及其连通路径概念化为节点和边，构建流网络并采用算法推导连通模式。遥感方法主要通过观察连接路径的干湿变化来区分连通度。指数方法则通过各种指数定量评估连通强度。尽管这些方法在研究地表水连通性方面具有价值，但它们在准确表示NPW连通性方面仍面临挑战。现场监测方法，如传感器和示踪剂（如化学物质或同位素），为理解NPWs中的复杂地下水连通性提供了有力证据，但可能需要较大的资源投入。耦合地表和地下流动模型可以评估地下水连通性，但它们需要大量的观测数据进行参数校准，这使得在大范围区域的应用具有挑战性。此外，在更广泛的空间尺度上，NPW水文连通性的离散分类往往比连续描述更为实用。Leibowitz等人（2023）提出了一种基于水体与河流网络之间流路特征的水体水文连通性分类方法。这种方法主要基于物理原理，具有标准化流程，且在大范围应用中评价较高。尽管仍需进一步完善，它为在更广泛的空间尺度上对NPW水文连通性进行分类提供了坚实的方法学基础。

长江流域是中国乃至全球水资源最丰富的地区之一。它不仅支持了流域内数百万居民的用水需求，还通过南水北调等项目惠及流域外的广大地区。作为重要的水资源，上游长江流域（UYRB）在决定整个流域水资源命运方面发挥着关键作用。然而，UYRB面临着气候变化引发的极端干旱和洪水挑战。此外，UYRB的水力发电开发，特别是梯级水库的建设，增加了水资源的可用性。但同时也引发了河流系统中的富营养化和淤积等问题。人为活动，如高强度的取水和污染物排放，进一步复杂化了水资源管理。与长江中下游不同，UYRB主要由山地地形构成，这加速了水流，限制了洪泛平原，并将许多蓄水体与河流断开，形成了广泛分布的NPWs。这些NPWs在确保UYRB可持续清洁水源供应和促进梯级水库的安全高效运行中发挥着重要作用。由于人类活动和自然因素的共同作用，UYRB中的NPWs空间分布发生了显著变化。这些变化因连通性的程度而异，从而对下游的水量和水质产生多样化的影响。

本研究选择UYRB作为研究区域，利用GSW数据集识别NPWs。这些NPWs根据土壤属性数据集被划分为不同的水文连通性类别。本研究的主要目标包括：（1）揭示1990年至2021年间NPWs的空间分布和变化情况；（2）量化自然因素和人为活动在不同水文连通性类别中对NPWs变化的直接影响和间接影响。本研究的结果将为改进地表水的保护、修复和可持续水资源管理提供指导。

在研究区域方面，长江发源于唐古拉山脉，是中国最长的河流。上游长江流域（UYRB）从其源头延伸至湖北省宜昌市的主干流，地理位置大致在北纬24°27′40″至35°45′10″，东经90°32′4″至110°45′10″，流域面积约为100万平方公里。该区域的地形差异显著，西部高海拔逐渐向东降低。该地区的气候在西部高原相对寒冷，而在东部则更为温暖湿润。由于地形和气候的差异，该地区的水文条件呈现出复杂性。这种复杂性使得NPWs的分布和变化呈现出多样性，需要更细致的分析来揭示其背后的原因。此外，该地区的土地利用类型也影响了NPWs的形成和演变，例如农业扩张、城市化和森林砍伐等。这些因素共同作用，导致NPWs的分布和变化呈现出不同的模式。因此，对NPWs的深入研究不仅有助于理解其水文连通性，还能为流域管理提供科学依据。

在NPWs的分布和变化方面，研究发现NPW_SFP是UYRB中NPWs的主要类别，占总面积的40%以上。NPW_DFP和NPW_MFP分别占约30%和25%。NPW_SFP广泛分布在四川盆地，特别是在嘉陵江南部、木尔塘江东南部和主干流中部流域。NPW_SFP的主要分布区域还包括金沙江东南部。NPW_DFP则主要分布在金沙江、木尔塘江和乌江流域。这些区域的地形特征和气候条件决定了NPW_DFP的分布和变化趋势。从1990年至2021年，NPWs的总面积显著增加，其中NPW_SFP和NPW_DFP的增长尤为明显。NPW_SFP的面积增加主要归因于水库建设以满足日益增长的用水需求，而NPW_DFP的面积增加则源于气候变化带来的更大水量补给。气候变化通过影响植被间接影响NPWs的动态变化，而人为活动则通过改变植被和局部气候条件塑造NPWs的变化。这些变化对下游的水量和水质产生了多样化的影响，需要进一步的研究来探讨其具体机制。

NPWs的识别和连通性分类的合理性方面，研究指出NPWs和FPWs在空间分布上是相互排斥的，共同代表了流域内的全部蓄水体。洪泛平原的强水文连通性形成了FPWs沿河流走廊的聚集分布，而NPWs则出现在连通性有限的区域，呈现出更孤立和碎片化的空间模式。因此，准确识别NPWs需要明确且科学的界定方法，以区分其与FPWs的差异。此外，NPWs的连通性分类方法应基于其与河流网络之间的流路特征，这有助于更准确地评估其对下游水体的影响。由于NPWs的分布和变化受到多种因素的影响，包括自然和人为因素，因此需要综合考虑这些因素，以全面理解NPWs的演变过程。此外，NPWs的水文连通性分类应基于其与河流网络之间的流路特征，这有助于更准确地评估其对下游水体的影响。由于NPWs的分布和变化受到多种因素的影响，包括自然和人为因素，因此需要综合考虑这些因素，以全面理解NPWs的演变过程。

研究结论表明，本研究识别了UYRB中的NPWs，并将其水文连通性划分为三种不同的类别：NPW_SFP、NPW_MFP和NPW_DFP。NPWs的面积随时间逐渐增加，尤其是在2010年至2021年期间。人为活动是NPW_SFP和NPW_MFP变化的主要驱动因素，而气候变化则显著影响了NPW_DFP的变化。NPW_SFP面积增加的直接原因是水库建设以满足日益增长的用水需求，而NPW_DFP面积增加则源于气候变化带来的更大水量补给。气候变化通过影响植被间接影响NPWs的动态变化，而人为活动则通过改变植被和局部气候条件塑造NPWs的变化。这些变化对下游的水量和水质产生了多样化的影响，需要进一步的研究来探讨其具体机制。此外，NPWs的分布和变化受到多种因素的影响，包括自然和人为因素，因此需要综合考虑这些因素，以全面理解NPWs的演变过程。NPWs的水文连通性分类方法应基于其与河流网络之间的流路特征，这有助于更准确地评估其对下游水体的影响。由于NPWs的分布和变化受到多种因素的影响，包括自然和人为因素，因此需要综合考虑这些因素，以全面理解NPWs的演变过程。

NPWs的识别和连通性分类的合理性方面，研究指出NPWs和FPWs在空间分布上是相互排斥的，共同代表了流域内的全部蓄水体。洪泛平原的强水文连通性形成了FPWs沿河流走廊的聚集分布，而NPWs则出现在连通性有限的区域，呈现出更孤立和碎片化的空间模式。因此，准确识别NPWs需要明确且科学的界定方法，以区分其与FPWs的差异。此外，NPWs的连通性分类方法应基于其与河流网络之间的流路特征，这有助于更准确地评估其对下游水体的影响。由于NPWs的分布和变化受到多种因素的影响，包括自然和人为因素，因此需要综合考虑这些因素，以全面理解NPWs的演变过程。NPWs的水文连通性分类方法应基于其与河流网络之间的流路特征，这有助于更准确地评估其对下游水体的影响。由于NPWs的分布和变化受到多种因素的影响，包括自然和人为因素，因此需要综合考虑这些因素，以全面理解NPWs的演变过程。