赞比亚南部卢西图河下游河道中，由于河流沉积作用导致的水资源短缺现象的本质及其影响

《Frontiers in Freshwater Science》：The nature and implications of water scarcity caused by fluvial sedimentation in the Lower Lusitu River Channel, southern Zambia

河床沉积物对半干旱地区水资源与社会经济影响的综合研究。通过混合方法量化卢西图河下游2.86千万立方米沉积量，揭示68%河床被填塞导致表面水流锐减，但地下孔隙水支撑56处社区水井，形成独特双相水文系统。经济评估显示潜在市场价值1.12亿美元（PSR=0.652），但加剧了水资源获取的社会不平等。研究提出社区水设施合法化、可持续沙开采和地下水资源管理三位一体治理框架。

　　在半干旱地区，河流沉积已成为水资源短缺的重要驱动因素，然而大多数研究忽视了河床沉积物的积累问题。本研究聚焦于赞比亚南部卢西图河（Lusitu River）下游河段，探讨了河床沉积的规模、经济影响以及社区对河流沉积的适应策略。通过混合方法，结合地貌学现场采样和定性焦点小组讨论，研究团队对15公里长的河段进行了系统分析。沉积物厚度在68个点位上被测量，并通过ArcMap 10.4中的逆加权距离插值插件进行空间分析，进一步利用多项式回归模型进行量化。此外，研究引入了一种新颖的社区参与适宜性评分方法，结合市场数据估算沉积物的经济价值。定性数据则通过主题分析进行解读。研究结果表明，河床中沉积了约286万立方米（464万吨）的沙子，占原始河床深度的68.34%，极大地限制了地表水流。尽管卢西图河在7月至12月期间看似干涸，但通过社区建造的56个井、池和沙库，地表下的间隙水仍能全年供应基本的家庭和农业用水需求。社会经济地位较高的家庭使用水泵和塑料容器加固的井，而贫困家庭则依赖劳动密集型的手动取水方式。尽管间隙水为水资源紧张期提供了替代水源，但研究也指出，约2万名居民和3万多头牲畜面临健康风险、人与牲畜冲突以及水资源获取不平等的问题。尽管存在这些挑战，沉积物的市场价值估计为1120万美元，基于0.652的适宜性评分，表明沉积物管理可能成为支持水资源韧性和生计的潜在经济机会。本研究提供了实证证据，表明沉积物既是水资源获取的障碍，也是潜在的经济资产。它挑战了卢西图河被视为季节性干涸河流的传统认知，展示了地表下持续的水文活动。研究结果强调了政策改革的必要性，以合法化社区建造的水基础设施，并规范可持续的沙子开采。将社区韧性策略与沉积物管理相结合，可能提高类似河流系统的水资源安全和生计水平。

### 研究背景与重要性

全球范围内，河流沉积是河床形态变化的主要驱动因素，直接影响水资源的可用性和稀缺性。尽管近年来在模型和预测技术方面取得了显著进展，但这些研究往往忽视了沉积物的社会和生态影响。例如，Sharma等人（2025）开发了一种结合遥感和机器学习的框架，用于模拟河流沉积物脉冲，利用卫星图像和物理驱动的预测因子重建浊度。然而，这种技术导向的研究忽略了沉积物对人类和生态系统的深远影响。同样，Tipper等人（2025）研究了大陆沉积物的地球化学特征，重点探讨了地壳演化和地貌学，但其研究过度关注地质过程，未能将结果与人类活动的影响联系起来。尽管如此，人类活动如城市化、工业化和农业扩张已被证实显著加速了全球河流系统的沉积速率（Hasan等人，2024）。这些研究强调了在半干旱地区，沉积物对水资源的影响往往被低估。

在非洲，特别是赞比亚，河流沉积的研究主要集中在水库淤积和流域范围内的侵蚀，如Simweene和Muchanga（2021）、Muchanga和Mafwabo（2025）以及Hamatuli和Muchanga（2021）的研究。这些研究揭示了流域内土地利用、森林砍伐和降雨模式如何驱动沉积物的输送和沉积，但对河床内的沉积过程，如河床抬高、沙洲形成和河道填充，关注较少。卢安瓜河和赞比西河是典型例子，尽管它们以高沉积物输送能力著称，但研究主要集中在悬浮沉积物负载和河岸侵蚀，而非直接测量河床的深度变化或沉积物在河道内的存储情况。因此，河床沉积物的积累速率和空间分布仍然缺乏系统记录。类似地，Chisola和Kuraz（2016）对Chongwe河的研究关注了沉积物负载对河流的影响，但其分析仅限于悬浮沉积物浓度和流域侵蚀，未涉及沉积物在河道内的具体积累情况或其动态变化。

本研究旨在填补这一知识空白，通过实地测量和社区访谈，提供了卢西图河下游沉积物积累的实证数据，并探讨了其对水资源可用性和社区生计的影响。研究结果不仅揭示了沉积物对水资源的直接制约，还强调了其潜在的经济价值，为半干旱地区河流系统的可持续管理提供了新的视角。

### 研究区域描述

卢西图河流域总面积约为1831平方公里，地理位置介于南纬16°05′00″至16°25′00″和东经28°10′00″至28°50′00″之间。该地区属于典型的半干旱气候，高温和低降雨量是其主要特征，根据K?ppen-Geiger气候分类，该区域被归类为BSh型气候。土壤类型主要包括Luvisols、Cambisols和Leptosols，其中Luvisols和Cambisols主要分布在流域的中下游，而Leptosols则占据上游区域。这些土壤类型与流域内的地质构造密切相关，如Karoo超群和相邻的断崖区。上游地区的Leptosols由于土壤形成过程微弱，易受侵蚀影响，而中下游的Luvisols和Cambisols则因风化和沉积作用而具有较高的黏土含量。流域内的主要岩石类型包括砂岩、泥岩和红砂岩，这些岩石在地表形成了一系列的沉积物层，进一步影响了河流的水文行为。

卢西图河是一条非永久性河流，作为赞比西河的重要支流，流经Kariba大坝和Chirundu镇之间。河流从Chikankata高原发源，海拔约1154米，逐渐流经陡峭的Zambezi断崖区，海拔下降至约800米，再流经缓坡区，最终在Lusitu桥附近汇入赞比西河。该区域的地形变化显著，上游高海拔地区与下游低海拔地区形成了明显的高差。这种地形特征对河流的沉积物输送和存储具有重要影响，尤其是在干季期间，地表水位下降，沉积物在河床中的堆积更加明显。

### 研究方法

本研究采用混合方法，结合地貌学现场测量与社会环境评估，以全面了解卢西图河下游沉积物的积累情况及其对社区的影响。研究范围覆盖从Lusitu桥到赞比西河交汇点的15公里河段。这一区域被划分为若干代表性河段，以便进行采样和社区互动。研究团队在每个横断面（共22个）的左侧河岸、主河道和右侧河岸进行采样，共获得66个采样点，其中最后一个横断面仅采集两个点，总计68个点位。采样工作在干季进行，以确保安全和清晰的河床形态观测。现场采集的沉积物厚度数据通过手动驱动的GraSeD杆进行测量，尤其适用于干河床中的松散沙层。在遇到基底阻力时，使用测距杆和卷尺测量到限制层（如砾石或黏土）。每个沉积坑被挖掘至暴露完整的垂直剖面，以确保数据的准确性。

研究还通过焦点小组讨论（FGDs）收集社区对河流沉积物的感知和应对策略。选取了6名性别均衡的参与者，他们基于对当地沉积物特性和水资源管理的经验，参与了关于沉积物使用方式、河流形态变化和水资源短缺影响的讨论。这些定性数据与定量数据相结合，提供了对沉积物影响的多维度理解。此外，研究团队还通过实地绘图、照片和地理定位（GPS）标记了社区建造的水点，如手掘井、水池和沙库，进一步验证了定量分析结果。

### 研究结果

研究结果表明，卢西图河下游河床沉积物的总量约为286万立方米，相当于464万吨，占原始河床深度的68.34%。这一沉积量对河流的水文功能产生了显著影响，尤其是在干季期间，地表水流几乎消失，而沉积物则作为“海绵”保留了间隙水，为社区提供了重要的水资源。通过空间插值和多项式回归分析，研究团队绘制了高分辨率的沉积物厚度分布图，并计算了沉积物的总体积。这些结果揭示了沉积物对水资源获取的直接制约，同时也表明，即使在地表看似干涸的时期，社区仍能通过浅井和沙库获取足够的水以满足基本生活和农业需求。

研究还发现，沉积物的积累对社区的水资源获取产生了深远的社会经济影响。高收入家庭能够利用水泵和塑料容器加固的井，实现全年稳定的供水，而低收入家庭则依赖手动取水，这不仅增加了取水时间，还加剧了性别和年龄相关的不平等。女性和儿童在水资源获取中承担了更多劳动，进一步放大了其脆弱性。此外，浅井的共享使用增加了水源污染的风险，尤其是在缺乏适当防护措施的情况下，人类和牲畜共用井可能导致病原体传播和化学污染问题。这些现象在其他受沉积物影响的流域中也有所报道，表明卢西图河的情况具有普遍性。

从经济角度来看，研究团队通过市场数据估算出沉积物的经济价值约为1120万美元。这一价值基于对沉积物适宜性的评估，即通过社区参与的适宜性评分（PSR）方法，综合考虑了沙粒细度、清洁度和粒径分布等因素。研究还指出，尽管沉积物的经济潜力巨大，但其开采和利用需要谨慎进行，以避免对生态系统造成不可逆的损害。此外，研究强调了政策改革的必要性，建议将社区建造的水基础设施纳入正式管理框架，并制定可持续的沙子开采指南，以促进水资源的公平分配和生态系统的保护。

### 研究讨论

卢西图河在成熟阶段表现出典型的低能量河流特征，其流速较低，河床坡度平缓，有利于沉积物的积累。从Lusitu桥（海拔约405米）到河口（海拔约376米），河床坡度约为1.9米/公里，这一特征显著促进了沉积物在河道内的滞留。研究团队指出，卢西图河的沉积物积累量与Magoye流域的35个小坝的淤积量相当，表明该地区的沉积问题具有普遍性。此外，卢西图河的沉积物积累与全球其他类似系统（如亚马逊河流域和马扎韦河流域）的沉积现象相呼应，进一步强调了沉积物对河流功能和水资源管理的深远影响。

研究还揭示了卢西图河的双重水文模式：在雨季，由于水体浑浊，水不适合人类饮用，但仍可用于牲畜；而在干季，尽管地表水消失，但沉积物中的间隙水仍然可供社区使用。这一发现与肯尼亚半干旱河流系统的水文特征相一致，说明沉积物的孔隙度和毛细作用在维持水文连续性方面发挥了关键作用。相比之下，黏土主导的系统通常缺乏渗透能力，容易完全干涸，而卢西图河的沉积物则提供了独特的水文韧性。

从社会经济角度来看，沉积物的积累加剧了社区内部的不平等。富裕家庭能够投资于高效的取水设施，如水泵和混凝土加固的井，而贫困家庭则依赖传统的手掘井，这不仅增加了取水成本，还限制了其生计能力。这种差异在其他受沉积物影响的流域中也有所体现，例如埃塞俄比亚的Blue Nile流域，社会经济差距直接影响了社区对沉积物的适应能力。此外，研究指出，沉积物的积累可能对下游的赞比西河生态系统产生负面影响，部分沉积物可能流入该河流，进而影响其水文和生态功能。

本研究提出了一种社区参与的适宜性评分（PSR）方法，用于评估沉积物的市场价值。这一方法不同于以往仅关注悬浮沉积物的研究，而是强调了河床沉积物的经济潜力。通过这一框架，研究团队为其他类似河流系统提供了可复制的沉积物管理策略，尤其是在半干旱地区。此外，研究还呼吁政策制定者将社区主导的适应措施纳入法律框架，以促进资源的公平利用和生态系统的可持续管理。这种做法不仅有助于缓解社区的水资源压力，还能减少监管机构与社区之间的冲突，推动更加包容的水资源治理模式。

### 结论与建议

本研究填补了河流沉积对水资源影响的实证研究空白，揭示了沉积物在半干旱河流系统中的关键作用。通过量化沉积物的体积、评估其社会经济影响以及探讨社区的适应策略，研究提供了关于沉积物如何重塑河流功能的实证证据。卢西图河的案例表明，尽管地表看似干涸，但沉积物中的间隙水仍能维持社区的基本用水需求，尤其是在水资源紧张的7月至12月期间。这一发现挑战了传统对季节性干涸河流的认知，表明沉积物在维持水文连续性方面具有重要作用。

尽管沉积物带来了水资源短缺和社会不平等的问题，但它也蕴含着巨大的经济潜力。研究团队估算的沉积物市场价值为1120万美元，表明其在支持社区生计方面可能发挥重要作用。然而，这一潜力必须通过可持续的管理方式加以利用，以避免对生态系统造成破坏。研究建议，政策制定者应推动社区参与的沉积物管理框架，包括对社区建造的水基础设施进行合法化，并制定环境友好的开采指南。此外，应将地表下水文活动纳入流域整体水资源规划，以确保水资源的公平分配和生态系统的完整性。

最后，研究强调了现代技术在提高社区从河床间隙水中提取水资源质量方面的重要性。通过引入先进的水文监测技术和沉积物管理策略，可以进一步优化水资源的利用，减少健康风险，并促进社区的长期可持续发展。卢西图河的研究不仅为赞比亚提供了重要的政策建议，也为全球其他半干旱河流系统提供了可借鉴的经验，特别是在水资源管理、社区适应和经济价值挖掘方面。