阿曼Aflaj灌溉系统对补给水坝的水文影响：长期分析

《Results in Engineering》：Hydrological Impacts of Recharge Dams on Aflaj Systems in Oman: A Long-Term Analysis

本研究评估了阿曼北谢里卡省两个流域中水库对传统Aflaj系统的影响，通过长期（24年）和事件分析（2024年极端降雨事件），发现水库使Aflaj年流量增加约65%，稳定水流并提升地下水水平，但泥沙沉积可能影响长期效率。

　　
本研究以阿曼北 Sharqiyah 省政府区的两个对比流域为对象，系统评估了水坝工程对传统地下灌溉系统（Aflaj）及地下水储备的长期与短期影响。研究历时24年（1994-2023），结合长期监测与极端事件分析，揭示了水坝在调节水流、增强系统稳定性方面的关键作用，同时也指出了其可持续运营的潜在挑战。

### 一、研究背景与问题提出
阿曼作为全球最缺水的国家之一，67%的人口面临水资源压力（世界银行数据）。其传统灌溉系统Aflaj由地下暗渠网络构成，可利用重力自流灌溉约26,500公顷农田，占全国可用水量的38%。然而，近十年气候变暖导致干旱频发（年均降水波动达120毫米），地下水位持续下降，传统Aflaj系统面临严重退化风险。本研究聚焦于水坝工程如何通过调节径流、增强地下水补给来稳定Aflaj系统。

### 二、研究设计与数据采集
研究采用双案例对比设计：Case 1为Al-Qabil流域（2011年建有两个蓄水坝），Case 2为Al-Mudhibi流域（无坝）。两区域在地质构造（蛇纹岩与石膏层互层）、土壤类型（砂质-石膏质混合土）、年均降雨量（100-120毫米）等关键参数上高度一致（表1）。数据来源包括：
- **长期监测**：24年降雨记录（FL245564BF等4个雨量站）、20年地下水动态（8口监测井）、40年Aflaj流量（3条系统）。
- **事件数据**：2024年4-6月极端气候事件（单日最高气温达46℃），同步采集坝体蓄水、放水阶段的水位变化与Aflaj流量数据。

### 三、长期水文效应分析
#### （一）地下水动态调控
1. **水位稳定性提升**：Case 1下游监测井水位变异系数（CV）从11%降至9%，年均降幅减少27%（从34%降至7%）。水坝通过调节径流，使地下水补给周期延长，形成稳定补给缓冲层。
2. ** recharge效率优化**：年均降雨量从89.3毫米增至101.88毫米，但Aflaj流量增长65%（1999-2010 vs 2011-2022），表明水坝有效转化了地表径流（由2.59%增至4.5%）为可控补给。
3. **空间异质性表现**：近坝Aflaj（如Al Batin）流量稳定性提升更显著（CV从56%降至52%），而远端系统（如Al Munjarid）受沉积物淤积影响，CV仅从86%微降至87%。

#### （二）Aflaj系统适应性增强
1. **抗旱能力提升**：2013-2014年干旱期（降雨量230毫米），Aflaj流量达0.083m3/s，较1997-1998年（650毫米降雨仅0.075m3/s）表现更优，验证了水坝的调节功能。
2. **暴雨应对机制**：2024年洪涝事件中，坝体通过分级蓄水（蓄水期14天、放水期9天、排空期23天），使Aflaj流量在72小时内从0.267m3/s峰值稳定至0.308m3/s，减少约16%的冲刷损失。
3. **系统响应延迟**：受坝体调节影响，Aflaj流量对降雨的响应延迟达7-15天，有效规避了雨季洪涝与旱季枯水期的直接冲突。

### 四、短期事件响应研究
2024年极端气候事件（持续45天）揭示：
1. **蓄水-放水协同效应**：在持续高温（平均38℃）与间歇性暴雨（单日最大降雨量80毫米）条件下，水坝通过三级调度（蓄水期4月14-27日、放水期4月28-5月26日、排空期5月27-6月25日），使Aflaj流量波动幅度降低42%。
2. **温度敏感性凸显**：5月11日与6月18日两次气温骤降（24小时内下降12℃）导致Aflaj流量瞬时下降18%-22%，表明系统对温度变率的敏感性需纳入管理模型。
3. **沉积物动态影响**：坝体年淤积量达0.5-0.8米，导致蓄水能力每年衰减3%-5%，但通过清淤工程（每5年维护一次）可将库容恢复率提升至85%。

### 五、关键机制与优化建议
#### （一）核心作用机制
1. **时空调控分离**：水坝将自然降水（时间维度）与人工调度（空间维度）解耦，使Aflaj流量与降雨事件的时间错位率达60%-80%。
2. **地下水回灌增强**：监测数据显示，坝区地下水补给量增加23%-35%，其中17%来自非常规径流（如融雪、侧向渗流）。
3. **系统韧性提升**：通过构建"坝-井-Aflaj"三级调节体系，区域年供水量稳定性指数（SAI）从0.32提升至0.41。

#### （二）可持续管理策略
1. **动态清淤机制**：建议实施周期性清淤（每3年一次），结合GIS监测的淤积热区（精度达500m×500m网格），可将坝容利用率维持在85%以上。
2. **智能调度系统**：开发基于机器学习的调度模型（如LSTM神经网络），输入参数包括：
- 气象数据（温度、湿度、蒸发量）
- 水文参数（降雨量、地下水水位、Aflaj流量）
- 工程参数（坝体淤积量、闸门开度）
3. **文化-工程协同**：在Aflaj流道改造中保留传统石砌结构（抗压强度≥120MPa），既能降低工程成本，又可维持生物膜形成的天然过滤层（孔隙率提升18%）。

### 六、研究创新与局限性
#### （一）理论突破
1. 首次建立"水坝-地下水-传统Aflaj"系统动力学模型，揭示3:7的蓄放水比例最有利于维持Aflaj流量稳定性。
2. 提出"双时间尺度"管理理论：长期（10年以上）侧重地质结构改良，短期（1-3年）关注调度参数优化。

#### （二）实践局限
1. 研究区域集中于花岗岩-石膏层构造区，未覆盖全阿曼的蛇纹岩分布区（渗透系数差异达2个数量级）。
2. 气候数据仅包含近30年记录，不足以预测未来50年的极端事件频率（需补充CMIP6气候情景数据）。

### 七、政策启示
1. **工程标准优化**：建议将水坝设计标准中的"百年一遇"防洪能力调整为"50年一遇"，以匹配Aflaj系统的千年尺度稳定性需求。
2. **社区参与机制**：在阿曼"国家水战略2030"框架下，试点"水坝+合作社"模式，将30%的蓄水量分配给传统灌溉合作社管理。
3. **监测网络升级**：建议每5公里布设一个分布式光纤传感器（精度达±1mm），实时监测Aflaj管网的微渗流（直径0.5-2m管径段渗漏率<0.1%）。

本研究为干旱区传统水管理系统现代化提供了关键证据，其"工程干预-自然系统"协同治理框架已在阿曼北部5个行政区推广，实施后Aflaj流量稳定性提升37%，地下水位年均回升0.18米。未来研究可结合无人机LiDAR（分辨率5cm）与渗流监测，构建毫米级精度的三维水力模型，为文化遗产保护与水资源可持续利用提供技术支撑。