基于“水—能源—食物—生态”纽带因果关系和贝叶斯网络的锡尔河流域用水分析

跨界流域水资源利用系统因受气候变化、人口增长、政治博弈、生态反馈等许多因素的互馈影响,包含复杂的“水—能源—食物—生态”纽带因果关系,形成具有高度不确定性的复杂非线性系统。传统水资源规划方法中缺少对这种复杂纽带关系的约束,而目前研究这类纽带关系多基于耦合多个模型、集成建模的方法,数据需求大、对复杂因果关系的不确定性模拟能力不足。而贝叶斯网络能以概率分布代替参数确定值来模拟系统中因果关系的不确定性、同时减少数据需求。本文利用贝叶斯概率网络,选取锡尔河流域为研究对象,量化这一因不合理用水而导致咸海生态危机的跨界内陆河流域“水—能源—食物—生态”纽带中的因果关系。结果表明贝叶斯网络能有效地模拟纽带中因果关系的强弱与不确定性,分析1970—2015年间不同时期影响咸海入湖水量的主要因素。为用水预测与流域水资源利用管理提供了系统性认知的基础,并展现出在较低模型复杂度和成本下建模的潜力。苏联时期,咸海入湖水量对农业开发增长的灌溉用水、上游水库建设的蓄水过程和径流量等较敏感;苏联解体后,咸海入湖水量对下游国家不合理使用的灌溉用水及上游水库蓄水量等节点高度敏感。短期内,需提高洗盐与灌溉用水效率,改良种植结构、增加粮食作物占比,并预防干旱危害;长期而言,通过普及先进滴灌技术,能大幅节约农业用水,在50%和80%的滴灌普及率下,新增咸海入湖水量将达到6.4 km ³和9.6 km ³以上,有望逐步缓解咸海生态危机。     

1962—2019年锡尔河-咸海三角洲湿地时空变化及驱动因素

咸海周边环境变化对中亚干旱区生态稳定有重要影响,研究锡尔河-咸海三角洲湿地演变对认识流域生态环境变化、实施生态修复等具有重要意义。基于多源遥感数据采用面向对象分层提取法方法,分析1962—2019年锡尔河下游三角洲湿地的时空变化特征,并结合咸海变化、耕地变化、河流水量和水利工程建设等探讨近60a湿地变化的驱动因素。研究表明:①近60 a在咸海持续萎缩的情况下,锡尔河下游三角洲湿地呈现先减小后增加的变化趋势,其中1962—1980年、1981—1991年和1992—2019年3个阶段的变化率分别为-38.29 km2/a、193.35 km2/a和14.36 km2/a;②湿地变化有明显的空间差异,锡尔河南、北2个入湖口区的湿地自1980年以来向咸海湖区扩张明显,耕地混合区的湿地自1991年以来向河道两侧扩张;③ 1962年后在入三角洲径流量总体减少的趋势下,灌渠建设和生态用水配置是三角洲湿地面积增加的主要原因,间接导致咸海入湖水量减少,咸海快速萎缩。锡尔河三角洲湿地恢复与咸海干涸形成了明显的生态反差,不利于咸海周边生态的整体恢复。