文献分享 | NS：季节性河流流经北美自然和管理流域的人为因素

题目：The human factor in seasonal streamflows across natural and managed watersheds of North America

杂志：Nature Sustainability

虽然气候变化和人类活动(例如城市化、水坝)改变了流量，但它们的贡献存在相当大的不确定性。大多数研究都集中在年度流量上，而本研究比较了北美315个天然流域和1957个管理流域60年来的季节性总流量趋势。研究发现，在44%的管理流域，季节性流量趋势放大，而48%的流域显示流量衰减。多元模型显示，虽然降雨、坡度和森林覆盖是自然流域季节性趋势的关键驱动因素，但运河、不透水地区和大坝的储存作用主导了管理流域的响应。人类需要开发应对策略，以削减人为造成的季节流量变化的负面影响。

1、北美流量季节性变化趋势

东北（美国）、东南平原（美国）和北方平原（加拿大）等地区的春季流量呈下降趋势，秋季、冬季和夏季呈上升趋势。秋季、冬季和夏季分别有30%、25%和22%的流域流量显著增加（P<0.05）。秋季、冬季和夏季分别有7%和11%和10%的流域的流量显著减少。春季分别有12%流域的流量显著减少。春季的响应明显不同，几乎相同比例的流域呈现显著的增减趋势，而大多数流域（78%）没有统计学意义（P>0.5）。相比之下，秋季、冬季和夏季流量以增加趋势为主。这些季节性趋势的差异对我们的水资源管理具有重要意义，在年际的趋势分析中被忽略了。

图1 

2、自然流域和管理流域的季节性趋势比较

通过比较受管理流域及其自然邻近流域之间的流量趋势，发现18-24%的受管理流域具有显著的变化趋势，而其自然邻近流域的趋势不显著。这突出表明人类水资源管理在这些趋势中所起的作用。自然和管理流域的流量同时下降的情况在春季最丰富，同时增加在秋季和冬季最丰富。这显然是一个大范围的气候趋势，其中春季流量既有增加的趋势，也有减少的趋势，而冬季和秋季流量以增加为主（图2）。人为活动对径流的影响是高度局域化的，对流域非常敏感。在西部平原发现了高度放大的负流量趋势的热点地区，这些区域的管理流域的流量下降速度显著高于自然相邻流域（图3）。流量下降趋势的放大可以归因于干旱地区为补偿气候趋势而增加的人类用水。从生态系统管理的角度来看，这可能导致环境流量的损失，并影响河流生态系统的生物多样性（图4）。这些发现表明在同一区域内，人类的改造可以放大、抑制或轻微影响流量变化。这种变化幅度的空间异质性使我们更难理解理解人为因素对流量的影响。

图2 

图3

图4

3、控制自然流域和管理流域的流量变化

  RF模型主要影响因素表明，自然流域和管理流域对季节性流量趋势的主导控制存在显著差异（图5）。尽管存在差异，但季节仍然是自然流域和管理流域最重要的变量。对于自然流域，冬季对流量增加的影响最大，其次是秋季和夏季，而春季流量略有减少。相比之下，在管理流域中，春季对流量减少的作用大得多，其次是夏季，而冬季和秋季对流量增加的作用小得多。在自然流域，季节性趋势最重要的因素是气候驱动因素和流域属性，如季节性降水总量、地形坡度和森林覆盖；在管理流域，季节性趋势的最重要驱动因素是大坝储量、运河密度和不透水面积的变化。

图5 

人类正在极大地改变全球水循环，洪水和干旱威胁着水环境与水安全。本研究从季节变化的角度分析了自然流域和管理流域之间的差异，这使得之前年际变化分析中未显露的问题逐渐浮现。虽然气候和地形等自然因素能够解释自然流域的季节性流量变化，但是不透水覆盖、运河密度和大坝库容等人为因素的变化对于管理流域的影响却难以量化和分析，这进一步加大了流域管理的难度。本研究让流域季节变化、人类活动影响和流域管理模式等问题凸显出来，是值得进一步挖掘的。

文章信息

Singh, N.K., Basu, N.B. The human factor in seasonal streamflows across natural and managed watersheds of North America. Nat Sustain 5, 397–405 (2022). 

DOI： https://doi.org/10.1038/s41893-022-00848-1

分享人介绍

刘国王辰，2020级博士生

研究方向：流域非点源污染与水环境修复

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