1绪论
1.1研究背景与意义
三峡工程作为全世界*大的水利枢纽工程，其兴建给库区经济发展带来了千载难逢的机遇，但同时库区的水资源、水生态和水环境也面临着严峻的压力。受气候变化和人类活动的综合影响，三峡库区的产水特性及其伴生过程在不同时间尺度上表现出新的演变特征。尤其是2003年6月三峡水库蓄水以来，三峡库区及周边地区发生的暴雨洪涝、干旱等极端天气事件，很难从水文循环演变机制的角度给出一个科学合理的解释；同时，库区水体受到污染负荷的压力日益凸显，作为水循环过程的主要伴生过程之一，污染负荷的产生和输移机制也发生了很大变化。从长时间尺度上看，库区产水量和径流过程及其特性主要受自然因素影响，包括气候变化对降水、蒸发及径流结构的直接影响。从短时间看，人类活动对库区下垫面的影响显著，导致库区水文特性和污染负荷输移机制发生了明显变化。受自然-人工作用、周期以及各种随机因素的叠加综合影响，三峡库区水循环演变规律与驱动机制十分复杂。此外，三峡库区入库流量还受上游巨型水库群及低频气候因子的遥相关影响。在上述变化环境下，降水、蒸发和径流的均值和极值可能发生变化，导致基于水文系列“三性”（可靠性、一致性和代表性）检验的传统频率分析结果可信度降低，进而引起工程现状防洪能力发生系统性变化。
国际水文科学协会（IAHS）于2013启动了水文十年科学计划（2013～2022年），强调变化环境下自然与社会交叉的社会水文学研究，探索人-水系统协同演化的规律。美国国家研究理事会2012年出版的战略报告《水文科学的机遇和挑战》中特别强调了大坝对天然河流过程的影响及适应性应对策略。国际地圈-生物圈计划（IGBP）、全球环境变化的人文因素计划（IHDP）、欧盟哥白尼气候变化服务中心（C3S）及美国科学基金会（NSF）地球科学咨询委员的研究也涉及相关内容。
因此，本研究围绕变化环境下三峡库区水循环演变规律与驱动机制这一主线，分析三峡库区水循环要素时空分布特征及变化趋势，在此基础上，有针对性地开发三峡库区分布式陆面水文模型，并耦合区域气候模式，形成“大气-陆面-水文”全耦合模型，预测三峡库区未来水循环的变化趋势。这既是认知和保护三峡库区水安全的迫切需要，又是实现库区水资源可持续利用的科学基础，对三峡库区防洪与供水安全和生态环境保护具有重要意义，也对促进陆面水文模型的发展有着重要意义。
1.2国内外研究进展
1.2.1库区流域水循环演变规律研究进展
随着三峡水库的建设蓄水运行，降水、蒸发、径流、泥沙等水循环要素的时空特征发生了相应的变化。自2003年三峡水库蓄水以来，水位从66m上升到175m，经历了3个蓄水阶段，水库蓄水前后，水循环要素发生了变化，其变化规律对库区水资源调控及水安全保障具有十分重要的现实意义；国内外对大坝建设及库区蓄水后水循环时空演变规律进行了大量的研究工作。
在库区蓄水前后降水时空演变研究方面，美国加利福尼亚州北部的沙斯塔坝于1945年完工，运行了近70年，Toride等（2018）采用WRF模式的模拟结果，结合动力降尺度，在3km×3km空间分辨率尺度上，进行了降水总量和极端降水量长时间序列的趋势分析，结果表明，1851～2010年降水总量及极端降水量呈现显著增加趋势，20世纪90年代中期以后，两者均没有明显的变化趋势。在空间上，其认为区域尺度上的变化趋势不一定适用于流域尺度，20世纪70年代以来，洪涝及极端干旱事件发生的频率呈显著增加趋势。Degu等（2011）利用30年的再分析资料，对北美92座大坝库岸附近与降水形成有关的大气变量的空间梯度进行了识别，研究表明，大型水坝对地中海和半干旱气候的局部气候影响*大，而对潮湿气候的影响*小。在水库岸线边缘和离大坝较远的地方，也观测到了对流有效位能、比湿和地表蒸发的明显空间梯度。由于观测到的对流有效位能与极端降水百分位数之间的相关性越来越强，在地中海的蓄水盆地和美国的干旱气候中，风暴可能会加剧。位于黄河流域的小浪底水利枢纽于1999年开始蓄水，是我国黄河流域的控制性骨干工程，为分析蓄水前后库区降水量的变化情况，胡玉梅等（2009）利用周边14个气象站点，分析了水库蓄水前后10年降水量的变化。结果表明，库区50km范围内，年降水量及暴雨日数明显增多。谢萍等（2019）采用交叉小波技术分析了三峡库区蓄水与泄水过程对降水量的影响，其结论显示：三峡水库蓄泄水对降水产生了影响，**个蓄水期表现*为明显，周期性相对减弱，高频模式增强；第三期蓄水后，主周期未变，而多个长周期特征变化明显。高琦等（2018）计算了近40年（1980～2016年）三峡库区的面雨量，结果显示，库区面雨量年际差异变化大，呈现缓慢的下降趋势；月面雨量峰值在宜昌-万州及万州-重庆两个区域具有一定差异，表现为万州-重庆面雨量峰值出现在6月，而宜昌-万州则出现在7月；从日面雨量极值分布来看，面雨量极值一般出现在6～7月，万州-宜昌69.9mm以下的各级强降水均是7月出现*多，70mm以上的强降水则都是6月出现*多，这与万州-重庆恰好相反。三峡库区蓄水前后局地降水的特征发生了改变。李博和唐世浩（2014）利用TRMM3B42卫星降水产品，研究了三峡库区蓄水前后局地降水量变化，库区西北部年累积降水量增加，东南部年累积降水量减少，三峡蓄水带来的降水量变化空间尺度只局限在近库区，对整个库区降水量变化的影响可忽略不计。
水库蓄水后，水面面积变大，水面作为一个潜在蒸发面，精确地估算其蒸发量的变化，对水库管理、水库气候效应的研究尤为重要，针对水库蓄水前后库区流域蒸发量变化趋势这个典型问题，国内外相关学者开展了相关研究。Helfer等（2012）对澳大利亚水库的蒸发量进行估算，发现年蒸发量占总储水量的40%，同时结合全球九套气候模式资料预测了位于澳大利亚昆士兰东南部的水库蒸发速率，结果表明，未来情景下该区域水库的蒸发速率将增加。Wurbs等（2014）结合自然条件下及当前水资源管理条件下的水文过程，估算了美国得克萨斯州3415座水库多年平均蒸发量，其年平均蒸发量为75.3亿m3，蒸发量随着水库表面积和蒸发速率的水文条件而变化，在枯水年、平水年、丰水年期间，其总蒸发量分别为7.07亿m3、7.47亿m3、7.95亿m3，极端干旱条件对蒸发的影响比较严重。Zhao和Gao（2019）运用遥感融合和模型的方法，提取了1984～2015年美国721座水库的面积，水库面积提取采用基于融合全球地表水数据集的Landsat数据，蒸发速率采用考虑湖泊蓄热期的彭曼公式，估算了水库水面的蒸发损失，结合实际观测数据，这种方法相比传统Penman方程在模拟月蒸发量精度方面有明显的改进，模拟结果显示多年平均蒸发量为3.373×1010m3，其蒸发速率以0.0076mm/d的速率增加，而水库面积呈现轻微的减少趋势，总蒸发量在时间上无明显变化趋势，空间异质性较强。目前水面蒸发的估算大多基于蒸发皿蒸发系数的方法，这种方法需要较少的观测数据，易进行计算，但是具有较大的不确定性，Lowe等（2009）利用蒙特卡罗模拟将贝叶斯统计与主观判断结合起来，估算蒸发皿蒸发系数的不确定性，该方法应用于澳大利亚韦里比（Werribee）河流域的三个水库。结果表明，在95%置信区间内，水库蒸发量被高估了40%，解决不确定性问题的主要方法是在蒸发皿附近安装气象站或者在水面上安装蒸发皿。Tanny等（2011）利用涡度相关系统观测了水库水位波动水面蒸发的变动情况，并结合足迹模型校正了观测数据的局限性，在104天的观测中，Penman-Brutsaert模型计算的水面蒸发与测量结果吻合很好。张祎等（2018）对三峡水库7个气象站近20年水面蒸发量的变化趋势进行了分析，在时间尺度上，月水面蒸发量变化规律一致，年水面蒸发量有显著的下降趋势；在空间尺度上，月水面蒸发量由上游至下游呈现多个峰值和谷值的变化，年水面蒸发量是库区上游站点偏小，沿程从上游沙坪坝到下游巫山逐渐增大，然后从巫山到下游巴东逐渐变小。Ma等（2018）采用MODIS蒸发数据及TRMM降水数据分析了三峡库区蒸发的时空变化规律，2002～2012年重庆的年平均蒸发量及潜在蒸发量呈现明显的减少趋势，2013～2016年呈现增加趋势，与气候要素的变化一致，但是对湖北南部地区的长序列分析表明其没有明显的变化趋势。另外，靠近长江的区域有较高的蒸发量，而远离长江的区域蒸发量较低。就整个库区流域而言，自西南至东北，蒸散发量与潜在蒸发量呈增加趋势，其趋势与该区域的降水、太阳辐射、相对湿度、风速一致，但是蒸散发量对降水、太阳辐射、相对湿度、风速较为敏感，潜在蒸发量对空气温度较为敏感。Lv等（2016）利用库区41个气象站点1960～2013年的气象资料，计算了库区参考蒸发速率，参考蒸发速率在1982年发生了突变，主要与库区气候变暖有关，水库蓄水对站点及大坝附近区域参考蒸发速率有一定影响，但总体而言参考蒸发速率主要受气候变化的影响，受水库蓄水影响较小。
大坝建成蓄水后，河流的水文节律及径流量发生了变化。密西西比河流域在1950～1980年，修建了大量的水库，Remo等（2018）为了研究其变化规律，将研究时段分为水库大量修建前、修建中和修建后，采用水文变异指标法（IHA）、流量过程线法定量分析了水库大量修建前后流量的变化情况。同时，他们运用中断时间序列分析法评估了年*大径流量、年平均径流量、年*小径流量的变化趋势及给定年份日径流量的标准差。结果表明，年*小径流量和低流量水文变异参数有明显的变化。三峡水库蓄水以后，气候变率和水库运行对长江径流产生了影响，为了研究两者对径流的影响程度，Chai等（2019）采用实测径流和Mike11-HD模型估算三峡水库运行和气候变率对极端干旱年份长江径流量变化的贡献，结果显示，气候变率是季节性径流变化的主导因素。同时，在156m和175m蓄水位时，气候变率也是影响径流变化的主要因子。建库前后，干旱期，水文干旱和气象干旱的关系发生了变化；三峡水库蓄水后，长江中下游的水文情势发生了变化，Wu等（2018）运用Mann-Kendall及生态水文变动范围法（RVA）等手段，对宜昌水文站、汉口水文站、大通水文站进行分析，其结果表明，其水文改变属于中度改变且接近高度改变。
1.2.2水循环及其伴生过程驱动机制研究进展
1.2.2.1水循环-氮磷营养盐流失过程实验研究进展
库区蓄水后下垫面条件发生改变，区域内的农业种植结构也发生了改变，施肥品种与方式发生了变化，对应的产流特性、土壤侵蚀特性和氮磷营养盐流失规律等也发生了变化。国内外相关学者开展了大量的实验研究，分析了水循环-氮磷营养盐流失规律的关系。Appels等（2016）在地处温带气候区的荷兰低平原渗透性砂质农业小流域进行了为期一年半的野外降水-径流观测实验，其目的是通过该实验揭示这种特殊下垫面的产流机制。地中海区域大量的葡萄园由于长期连续的耕作管理，其土壤质地发生变化，表现为低渗透率和强侵蚀性，土壤中的营养物质极易随径流进入下游水体造成水体富营养化，为了研究不同耕作方式下径流与营养物质之间的关系，在2012～2013年的冬季，选择了四块葡萄园、两种植被类型（一种是自然植被，另一种是撒二穗短柄草种子的植被类型），2014～2015年开展了72组次的降水-径流-氮流失实验测定，结果显示在自然植被条件下同样降水条件，其产流量是第二种植被类型下的1/3，同时氮流失量是第二种植被类型下的1/6。
国内的工作集中在我国西北和西南地区土壤特性特殊的区域，尤其在三峡库区流域开展了大量实验。Ma等（2016）在三峡库区流域选择了3种土壤类型、3种坡度（5°、15°和25°）、5种植被覆盖的实验区域，在自然降水条件下，观测了2012年5～10月，氮磷营养物质随降水-径流的产量，研究结果表明，在坡度为15°的农田区域，氮磷营养盐随径流进入水体的量*大。长江上游分布着大量的粗骨土，氮在这
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