水质对河流洪水的时空响应：来自全球数据集的洞察

《Environmental Research》：Spatiotemporal Responses of Water Quality to Riverine Floods: Insights from a Global Dataset

　　

陈金秀|周旭东

宁波大学土木与环境工程与地理科学学院，中国宁波，315211

摘要

洪水会改变水质，但其长期的时间动态和恢复轨迹在全球范围内仍知之甚少。为了解决这个问题，我们整合了最新的全球河流水质记录和2000年至2015年间845次洪水事件的遥感数据，以研究不同洪水阶段的水质变化。通过严格的三步站点筛选方法，最终选出了395个站点进行分析。结果显示，在洪水期间，总悬浮固体（TSS）增加了24.3%。溶解氧（DO）在北美的变化比在南亚更为明显，这归因于北美更密集的监测网络，该网络记录了更多溶解氧变化显著的站点。通过阶段划分，可以深入分析水质的恶化和恢复过程。例如，pH值在洪水期间略有下降，但在一个月内基本恢复到基线水平，之后略有上升（ΔpH>0.2）。相比之下，包括总氮（TN）和总磷（TP）在内的营养物质在洪水期间的变化很小，但在洪水后一个月内显示出持续或适度的增加。尽管这些发现仍受到数据覆盖范围和方法学分辨率的限制，但长期监测对于捕捉环境和生态系统中经常被传统评估忽视的延迟洪水风险至关重要。

引言

近年来，全球洪水灾害的发生频率和强度不断增加（Hirabayashi等人，2013年；Milly等人，2002年；Wasko等人，2021年），通过多种途径将各种污染物（如无机物质、有机物质、微生物）带入水体（Chau等人，2021年；Nguyen等人，2017年）。这对人类社会和生态系统构成了威胁。典型的例子包括洪水导致水体中悬浮沉积物（He等人，2014年；Le Gall等人，2017年；Pont等人，2017年）和有机污染物的浓度增加（Yang等人，2023年；X. Zhang等人，2020年），促进污染物扩散（Shira等人，2023年），从而导致地表水和地下水污染（Z. Wang等人，2024年；Vineetha等人，2020年）。例如，密西西比河的极端洪水事件极大地加剧了下游的氮污染（Pellerin等人，2014年），以及洞里萨湖的季节性洪水输送沉积物，严重破坏了水体的光照条件（C. Li等人，2021年；Liu等人，2024年；Sokly等人，2018年；Yang等人，2021年），这些案例清楚地表明了洪水事件作为污染物载体和放大器的双重作用及其生态影响。

全球河流水质对洪水事件响应的空间异质性主要由区域气候特征、流域地形和地貌以及人类活动强度驱动（van Vliet等人，2023年）。例如，在以农业为主的流域中，营养物污染（N、P）占主导地位。这是因为风暴事件将肥料从农田冲刷出来，而排水渠道加速了污染物的传输（Ockenden等人，2017年；Zhao等人，2019年）。森林或覆盖自然植被的流域可以拦截降水，但当腐殖质层被侵蚀时，会释放有机碳（OC）（Kuhnert等人，2024年；Peraza-Castro等人，2016年）。此外，城市或工业区的洪水常常会释放重金属（如Pb、Zn）、微塑料和油类化学物质。雨水根据地区不同，将这些污染物带入附近的河流排水系统（Treilles等人，2022年；Zgheib等人，2012年）。许多研究已经考察了洪水对不同地点水质的影响。但对区域差异的深入研究仍然不足。通常，许多地区缺乏长期的水质监测数据，这限制了对洪水长期影响的全面理解。这种数据缺口进一步复杂化了洪水影响的评估，特别是在洪水风险较高的发展中国家和欠发达地区（Kirschke等人，2020年；联合国教科文组织，2012年）。

从时间角度来看，洪水事件对水质的影响分为三个阶段：洪水前、洪水期间和洪水后。在水文图上升阶段，降雨径流冲走了流域中积累的污染物，导致水质最初急剧下降（Li等人，2017年；Maniquiz-Redillas等人，2022年；Zhang等人，2015年）。在洪水期间，径流的急剧增加将非点源污染物（如沉积物、营养物质、农药）带入水体。较高的流速有助于稀释和冲走一些污染物。但这一阶段的主要特征是大量新的污染物进入水体（Li等人，2025年；Oeurng等人，2010年；Zhou等人，2022年）。洪水退去后，水文条件稳定下来，水质开始逐渐恢复。值得注意的是，这种恢复既不是线性的也不是均匀的，而是受到流域内在特征、持续的人为压力和动态水文反馈共同作用的结果。最终结果可能是恢复到基线状态，或者在某些条件下，开始出现二次恶化，这使得这一过程本质上复杂且不确定（de Carvalho等人，2022年；He等人，2020年；Izadi等人，2025年）。大多数现有研究集中在洪水的直接影响上，而较少有研究考察不同洪水阶段的水质变化（Zhang等人，2024年）。结合这一时间维度可以加深对洪水对水质动态影响的理解。

因此，关于河流水质对洪水响应的空间异质性和时间动态，仍存在关键的知识空白（Julian等人，2024年；Kirschke等人，2020年；Kumar等人，2024年；Y. Li等人，2021年；Panagopoulos等人，2015年；Qiu等人，2021年）。我们通过整合全球观测数据来填补这些空白，从而能够系统地研究水质对洪水的响应，突出不同地区和阶段之间的差异，这些差异在局部或短期研究中并不明显。

章节摘录

洪水事件数据库

全球洪水数据库（GFD）（Tellman等人，2021年）使用MODIS卫星数据绘制了2000年至2018年间913次主要洪水事件的最大观测水面范围，分辨率为250米。GFD还与Datamouth洪水观测站（DFO）进行了验证，并记录了洪水的时间跨度（开始和结束日期）。我们从2000年至2015年间全球不同地区选择了845次洪水事件，以匹配水质监测数据。这些洪水事件覆盖了

水质响应的空间异质性

从空间分布来看，不同指标的数据点密度各不相同：TSS、DO、BOD、COD、pH和TP。这些指标的数据点覆盖范围较广，特别是在美洲、欧洲和南亚（图2）。相比之下，TN和BOD5的数据点相对较少，某些地区（如非洲和澳大利亚）的数据非常稀缺。

在全球范围内，洪水对河流水质的影响表现出显著的空间

讨论

应当注意的是，尽管所有八个指标在描述洪水与水质的相互作用方面都具有重要意义，但由于数据可用性的差异，各指标的证据强度有所不同。因此，以下讨论主要集中在数据支持相对可靠的指标上——特别是TSS、DO、TN和TP——而对其他指标（如BOD、COD）的解释仍然较为初步，仅在相关情况下提及。

我们的结果

结论

我们关注全球范围内的水质对洪水的响应，使用了具有全球覆盖范围的水质数据和超过800次具有详细空间和时间信息的洪水事件。将洪水事件分为四个阶段有助于揭示整个事件过程中的不同影响过程，包括基线和洪水后的时期。各种水质指标，包括物理、化学和生化指标，也显示出不同的响应

CRediT作者贡献声明

周旭东：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。陈金秀：撰写——初稿、可视化、调查、正式分析、数据管理

未引用的参考文献

Li等人，2021年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2020年。

数据可用性

原始水质数据来源于全球水质档案库（GRQA，https://doi.org/10.5194/essd-13-5483-2021）和GEMstat数据库（欧洲环境署，https://gemstat.org）。洪水淹没地图来自Tellman等人（2021年）发布的数据集（DOI: 10.1038/s41586-021-03695-w）。全球站点元数据直接从GEMstat下载。用于三步空间筛选和时间阶段的自定义Python代码也是由此开发的

资金

我们感谢国家科学基金会（资助编号：42501015、W2521014）、宁波大学科研启动基金（ZX2024000251）和111中心的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。