渭河流域气象-水文-水质耦合关系的时空特征解析及其对综合管理的启示

针对气候变化与水质污染的协同作用机制不明问题，研究人员采用SWAT模型模拟渭河流域水文过程，结合PCA和RDA分析，揭示了气象因子（P、T）、水文参数（WYLD、Q）与水质指标（NH3-N、TP、DO）的时空关联规律，发现秋季气候变率最大而氮磷污染无显著季节性差异，为半干旱区流域综合治理提供科学依据。

　　

在全球气候变化与人类活动双重压力下，流域水环境系统正面临前所未有的挑战。渭河作为黄河最大支流，其流域(WRB)地处黄土高原，兼具生态脆弱性与农业重要性，但长期受季风气候导致的降水时空不均、农业非点源污染(AGNPS)加剧等问题困扰。以往研究多聚焦单一气候-水文或气候-水质关系，而气象-水文-水质三者的协同机制，尤其是半干旱区复杂流域的响应规律仍不明确。这直接制约了水资源综合管理策略的制定，亟需系统性研究填补空白。

为破解这一难题，Yuhan Shen团队在《Journal of the Indian Chemical Society》发表研究，创新性地将水文模型与多元统计结合。研究首先基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)构建分布式水文模型，通过19个气象站和9个水文站数据校准，模拟出与水质监测断面匹配的子流域产水量(WYLD)；继而运用主成分分析(PCA)解析气象(P降水、AVT平均气温等)、水文(Q流量、WYLD)和水质(NH₃-N、TP、DO等)指标的时空分异特征；最后采用冗余分析(RDA)量化三者的关联强度。

关键技术方法

研究整合了多源数据：气象数据(2008-2021年19个站点)、水文数据(黄河水利委员会9个站点)、水质数据(中国环境监测总站9个断面)。通过SWAT-CUP软件进行参数敏感性分析和校准，选用SUFI-2算法优化26个关键参数(如CN2径流曲线数、SOL_CRK土壤裂隙系数等)，模型验证采用Nash-Sutcliffe效率系数(NSE>0.5)和决定系数(R2>0.6)。时空分析采用PCA降维和Tukey/K-W检验，相关性分析结合Pearson/Spearman系数。

主要研究结果

1. 1.

   水文模型性能

   SWAT模型在渭河下游华县站(HY)表现最佳(NSE=0.90)，证实其对高流量情景的适用性。模型揭示耕地占比高的子流域(如咸阳XY)模拟精度显著高于草地为主的区域(如吴山WS)，暗示土地利用类型影响水文过程模拟。

2. 2.

   时间分布特征

   PCA提取的5个主成分累计解释81.33%方差。PC1(38.93%)强关联气温/降水，显示秋季气候变率最大(温度跨度-1.755–21.527°C，降水0.2–342.2mm)；PC2(17.01%)表征非点源污染(TN、TP、NH₃-N)，其季节差异不显著(P=0.01)，但TP在9月出现超标峰值，与农作物施肥周期吻合。

3. 3.

   空间异质性

   NH₃-N在主流断面(XYQ、TGQ)浓度显著高于支流(P<0.01)，反映人为活动空间差异；而TP整体达II-III类水质，仅北河口(BHK)出现瞬时污染。值得注意的是，泾河流域(CQQ、JHQ)流量异常，可能与独特下垫面特征有关。

4. 4.

   要素关联机制

   RDA表明：降水对流量(Q)的影响强于产水量(WYLD)(R2>0.8)；升温直接降低溶解氧(DO)溶解度；流量增加会提升TP浓度但不影响氮素，印证了"磷随径流迁移-氮受生化转化调控"的差异化行为。

结论与意义

该研究首次系统揭示了渭河流域"气象-水文-水质"耦合作用的三大规律：一是气候变率秋季最敏感而污染负荷无季节差异；二是水文过程空间均质化与水质参数(NH₃-N、pH、电导率σ)异质性并存；三是升温/降水通过改变DO溶解度与磷迁移能力间接影响水生态。这些发现为黄土高原区流域管理提供了关键科学依据：在气候变化背景下，需实施"分区管控"-重点监控主流段氮污染、强化暴雨期磷拦截，同时将秋季作为气候适应性管理的关键窗口期。研究方法学创新(如SWAT-PCA-RDA耦合框架)亦可推广至类似半干旱农业流域，助力全球可持续发展目标(SDGs)的实现。