通过复合指纹技术揭示的暴雨流量过程中的时空调变源贡献

《Journal of Hydro-environment Research》：Variable spatio-temporal source contributions during storm hydrographs revealed by composite fingerprinting

本研究通过地化学指纹法分析伊朗卡西利亚流域三种降雨事件中不同土地利用的悬浮泥沙贡献比例，发现中游站（MS1）以荒漠化土地为主（51%），下游站（MS2）荒漠化土地贡献更高（70%），并揭示其时空变化规律，为流域管理提供依据。

　　本研究聚焦于伊朗马赞达兰省东部的卡西利安流域，探讨了不同土地利用类型在降雨事件中对泥沙来源的时空变化影响。该流域总面积为67.22平方公里，涵盖了多种土地利用类型，如草地、天然森林、人工种植森林和农业用地等。研究旨在识别这些土地利用类型对泥沙来源的相对贡献，并通过分析降雨期间泥沙的运移过程，为流域管理提供科学依据。

### 一、研究背景与意义

随着全球气候变化和人类活动的加剧，土壤侵蚀问题日益严重，尤其是在伊朗和世界其他地区。土壤侵蚀不仅导致土壤肥力下降和农作物产量减少，还会引起河流中泥沙沉积，改变河床形态，进而影响河流生态系统。此外，泥沙携带的重金属和污染物会对水质造成严重影响，威胁水生生物的生存环境。因此，识别泥沙来源并评估其在洪水期间的时空变化，对于制定有效的水土保持和流域管理策略具有重要意义。

研究指出，当前关于降雨事件期间泥沙来源时空变化的研究相对较少，尽管已有不少文献探讨了泥沙来源的识别方法，如使用化学指纹技术。该技术通过分析泥沙样品中的化学元素浓度，结合潜在来源土壤的特征，来确定不同来源的贡献比例。这种技术不仅能够有效区分不同的泥沙来源，还能减少不确定性，提高分析的准确性。然而，如何选择合适的化学元素作为“指纹”标记，以及如何在不同土地利用类型之间进行区分，仍是研究中的关键问题。

### 二、研究方法与技术路线

研究采用了一种多变量复合模型，结合化学指纹技术对泥沙来源进行分析。首先，研究人员在流域内不同土地利用类型中采集了多个来源的土壤样本，包括草地、天然森林、人工种植森林、农业用地和河床沉积物。这些样本的采集基于土地利用图，确保所选地点能够代表容易被侵蚀并进入河流的材料。

其次，针对洪水期间的泥沙样品，研究人员在两个监测点（MS1和MS2）进行了系统性采样。MS1位于流域中部，MS2位于流域出口。在三次降雨事件中，每小时采集一次悬浮泥沙样品，共计46个样品。为了确保足够的样品量用于化学分析，每份样品的采集量约为200升水，以提取至少5-10克悬浮泥沙。

随后，对土壤和泥沙样品进行了化学分析，检测了59种元素的浓度。通过统计测试和FingerPro软件包，研究人员筛选出了最优的化学元素作为“指纹”标记。这些元素的选择基于其在泥沙运移过程中的稳定性，即它们在不同来源之间的变化较小，能够有效反映来源特征。

为了评估模型的准确性，研究人员还创建了11组虚拟泥沙混合样品，并通过平均均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）等指标来检验模型预测结果与实际来源比例之间的差异。结果显示，模型的预测误差在可接受范围内，表明所选化学元素能够有效反映泥沙来源的特征。

### 三、研究结果与分析

研究发现，在MS1监测点，草地、天然森林、人工种植森林和河床沉积物对泥沙的贡献比例分别为46%、24%、19%和11%。而在MS2监测点，农业用地的贡献比例达到72%，成为最主要的泥沙来源。这一结果表明，农业用地在流域出口处对泥沙的贡献显著高于其他土地利用类型。

进一步分析显示，不同降雨事件中泥沙来源的贡献比例存在变化。在MS1监测点，草地在洪峰期贡献最大，而在涨落期，草地和天然森林的贡献则相对较高。而在MS2监测点，草地在所有洪峰阶段都占据主导地位，表明其在流域出口处对泥沙运移的持续影响。

研究还指出，不同土地利用类型的贡献差异可能与地形、土壤特性以及人类活动有关。例如，草地的平均坡度较高（49%），而农业用地的平均坡度较低（17%），这可能导致草地更容易发生侵蚀，从而增加其对泥沙的贡献。此外，农业用地的土壤肥力较低，容易被侵蚀，而草地由于植被覆盖较弱，也更容易成为泥沙来源。

### 四、研究结论与建议

研究得出结论，草地是卡西利安流域泥沙的主要来源，因此，制定有效的管理措施至关重要。这包括防止土地利用变化、加强草地植被覆盖以及改善坡度管理等。此外，河床沉积物和人工种植森林在泥沙贡献中也占据一定比例，表明它们在泥沙运移过程中同样不可忽视。

研究还强调，土地利用类型的变化对泥沙运移和沉积有重要影响。例如，草地由于其较高的坡度和较低的植被覆盖，容易在降雨期间产生大量泥沙。而农业用地由于其土壤肥力较低，虽然贡献比例较小，但其对泥沙的影响也不容忽视。

为了减少泥沙对水体的污染，研究建议采取一系列水土保持措施，如植被恢复、梯田建设以及合理规划土地利用。这些措施不仅有助于减少泥沙的产生，还能提高水资源的可持续利用能力。此外，研究还指出，由于降雨强度和地形条件的变化，泥沙来源的贡献比例可能会发生显著波动，因此需要持续监测和评估。

### 五、研究的局限性与未来方向

尽管研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。首先，研究区域的复杂地形使得采样工作受到一定限制，导致部分土地利用类型的样本数量较少。其次，使用王水（aqua regia）进行化学元素提取时，可能会产生伪浓度，而非总浓度，这可能影响分析结果的准确性。此外，研究中选择的化学元素更多基于前人研究的成功经验，而非基于具体的物理化学原理，这可能影响其在不同环境中的适用性。

研究还发现，部分土地利用类型的化学指纹存在重叠，尤其是在人工种植森林与天然森林之间。这表明，这些来源在化学特征上较为相似，可能增加来源识别的难度。因此，未来的研究可以进一步探索其他类型的指纹标记，如生物特性或物理特性，以提高区分能力。

此外，研究未考虑降雨分布不均对洪峰形态的影响，尤其是在该流域中，降雨的梯度变化可能对泥沙运移产生重要影响。因此，未来的研究应结合更详细的降雨数据，以更全面地理解泥沙来源的时空变化。

总体而言，本研究为卡西利安流域的泥沙来源识别和管理提供了重要依据，同时也指出了未来研究的方向和改进空间。通过进一步优化指纹标记的选择和采样方法，可以更准确地评估不同土地利用类型对泥沙的贡献，从而为水土保持和流域管理提供科学支持。