基于多季节现场观测的肯尼亚Taita Hills热带水塔高地—低地系统水文功能数据驱动概念模型

《Journal of Hydrology》：Building a data-driven conceptual model of the hydrological functioning of the Taita Hills tropical water tower system in Kenya

　　

现场观测塑造了一个复杂热带水塔（tropical water tower）的概念模型（conceptual model）。高地子集水区（highland subcatchments）占总流量（total discharge）的87%。基流（baseflow）约占河流流量（streamflow）的四分之三。高地集水区的实际补给（actual recharge）约为较低集水区的两倍。水质（water quality）显示快速的浅层和十年尺度（decadal-scale）的深层地下水流动系统（groundwater flow systems）。

研究背景与问题：山地为约1.1 billion人提供水源，并贡献高达60%的淡水资源；水塔（water tower）与相邻低地构成复杂的高地—低地系统。干气候区水塔最 critical，半干旱低地高度依赖湿润高地的径流和基流（baseflow）。非洲约占全球山地面积的11%。然而，热带和亚热带山地，尤其硬岩系统，水文行为认识不足，受数据稀缺、野外可达性限制。土地利用变化、气候变化和人口迁移正加大局地水资源压力，泉和溪流流量变得不稳定。Taita Hills约400 km²，过去五十年当地社区报告泉和溪流流量显著下降。既有研究多关注单个水文组分、时间覆盖有限、依赖零星测量，缺乏对过渡带过程和高地—低地连通性的整合分析。因而，研究人员开展本项基于现场数据的研究，目标是综合评估热带水塔系统的降雨分配、地下水补给、地表—地下过程耦合，以及季节性、植被类型、地质和地形的作用。

研究内容、结论与意义：研究人员以肯尼亚Taita Hills的Wundanyi集水区为主、Mwatate集水区为辅，在2022—2025年开展多季节现场调查。结果显示，高地上部子集水区仅占Wundanyi面积43%，却贡献87%总流量；当计入取水后为75%。基流约占总径流四分之三。高地实际补给约为低地的两倍。水质和同位素证据指示快速浅层地下水流动系统与十年尺度深层地下水流动系统并存。意义在于，Taita Hills表现为地下水主导的热带水塔系统，构造地质可能通过裂隙和线理影响地下水流路径与排泄，地下水缓冲对维持干旱期淡水供给关键；生态恢复和梯田可能增强补给并有助于维持基流。

关键技术方法（不超过250字）：2022年开始泉点制图；2023年7月至2025年10月开展现场调查，建立水文气象监测网，在8条溪流安装压力传感器，降雨数据来自 Taita Research Station/University of Helsinki 的7个监测点，并在 Ngangao 增设翻斗雨量计。用电磁流速仪测流并建立水位—流量关系，泉流量用浮标法和体积法。基流分离使用 SepHydro，包括图形法和递归数字滤波法，参数取 α=0.95、BFI_max=0.8；水量平衡用 Turc 经验法计算实际蒸散（actual evapotranspiration, ET_a），并用 TerraClimate 验证。地下水补给用氯离子质量平衡（chloride mass balance, CMB），基于6个地点51个雨水样和泉水样，并对60个泉做多元线性回归。水化学测电导率（electrical conductivity, EC）、pH、温度、HCO₃^?、Si，主要离子用 ICP-OES 和 IC，氚（tritium, TU）用液闪。样本来源为 Wundanyi/Mwatate 集水区雨水、泉水、溪水和井水，不涉及人群队列。

主要研究结果：4.1 降雨分析：通过回归得出迎风坡降雨—海拔梯度为+89 mm/100 m，背风坡为+35 mm/100 m；月降雨呈双峰型；雨水 Cl^? 为0.1—7.8 mg/L，低地约1.4 mg/L，高地约0.9 mg/L，雨季稀释明显。4.2 暴雨流与基流：连续水位监测和基流分离显示，Wundanyi平均流量约274 L/s（174 mm/y）；总流量（total streamflow, Q_t）占降雨16.5%，高地子流域为29.2%；高地 Q_t 约为低地的7倍；加入取水（abstractions, Q_d）后，总流量占23.0%，高地占34.9%。暴雨流（stormflow, Q_r）占总降雨4.3%、占 Q_t 26.4%；基流指数（baseflow index, BFI）约74%，图形法为74—80%；基流约占总降雨12%。4.3 泉流量与溪流流量：干湿季对比发现，高地泉流量接近1:1，过渡带泉湿季继续衰退，中位比为0.19；溪流湿季中位比为2.33；溪流流量远大于全部泉总流量，干季约5倍、湿季约10倍，指示断层和裂隙带显著地下贡献。4.4 比流量：2025年2月干旱基流条件下，Wundanyi西南 Ruma/Iyale 比流量最高，为0.29—0.38 L/d/m²，中位0.33；泉密度1.6 springs/km²，为平均0.8的两倍；线理主要呈南北向，泉多沿构造分布。4.5 降雨分配与流域水量平衡：年降雨924—1200 mm；ET_a在高地约68%，在低地81—83%；自然地下水补给（groundwater recharge, Q_prec）从低地约150 mm/y（16%）到上部高地约300—320 mm/y（24.7—26.6%），Wundanyi尺度约200 mm/y（19.0%）。Upper Wundanyi面积43%，贡献87%总流量，计入取水为75%。Iyale基流占降雨33%、径流系数10%。Ruma 和 Ngangao 侧向地下流出分别为82和49 mm/y，Iyale侧向流入205 mm/y。Wundanyi基流与取水合计197 mm/y，接近自然补给201 mm/y。2023—2025年 ET_a 占75—84%，Q_t 占17.2—14.9%，储量变化为2.0%、0.4%、?8.3%；TerraClimate结果一致。4.6 地下水补给：CMB显示干季补给比为10.9±4.7%，湿季为11.3±4.8%，无显著季节差异。高地实际补给155±66 mm/y，过渡带124±52 mm/y。种植林12.8±4.4%，农林10.5±4.1%，山地林6.7±2.0%。回归模型 R²=0.21、p=0.12；植被 partial R²=0.16、p=0.02，是唯一统计显著因子。CMB补给低于降雨分配法。4.7 水化学分析：低地 HCO₃^? 和 EC 最高；溪流 EC 随海拔降低以23 μS/cm/100 m增加，R²=0.76；中位 EC 和 HCO₃^? 从高地100 μS/cm、0.64 mmol/L增至低地278 μS/cm、2.52 mmol/L；深井最高。CaHCO₃ 型主导，NaHCO₃ 主要出现在1660 m以上。硅酸盐风化主导；HCO₃^?/Si 在高地为2.00±0.85，过渡带4.38±2.70，低地5.61±0.85。低地深井 EC 超过2000 μS/cm，高地深井低于500 μS/cm。F^? 为<0.1—0.66 mg/L，低于1.5 mg/L。4.8 氚模式与相对驻留时间：雨水氚平均1.6±0.5 TU，高地/过渡带较高，低地平均1.15 TU；过渡带溪流1.9±0.1 TU，低地溪流0.9±0.2 TU；泉平均1.0±0.4 TU，Mbumbunyi为0.5 TU、Mwangoto为0.7 TU，高地泉1.3±0.2 TU。高海拔泉显示现代降雨特征，可能为多年度驻留；过渡带和低地泉可能为十年尺度。氚与 HCO₃^? 呈反相关，表明从高海拔年轻、弱矿化地下水向低地更老、更矿化地下水过渡。

讨论部分总结：5.1 降雨分配与补给控制：降水梯度显著，雨水 Cl^? 从低地向内陆高地降低，符合海洋气溶胶逐步沉降、稀释和雾截获影响；CMB补给低于降雨分配，可能因干沉降或雾输入未完全捕获，Ngangao森林差异最大；植被与补给变异关系较强，但总体模型不显著。5.2 流量动态与地下连通：泉对季节性响应弱，指示较大地下水储量；溪流流量大于全部泉流量，说明浅层地下暴雨流和基流重要；衰退常数0.94—0.96，属基流主导系统；线理可能促进子流域间地下水流，高比流量和高泉密度支持裂隙网络作用。5.3 流路径与驻留时间：HCO₃^? 季节稳定，系统地下水主导；湿季出口稀释；硅酸盐风化主导水化学；低地地下水更老、更矿化；氚显示新老水混合；高海拔为短浅流路径，低地为长深流路径；低地井高矿化指示区域淡水流有限。5.4 概念模型：高地捕获降雨和雾，地下水储存和调节流量；高地—低地水文连通；存在本地年轻水系统，主要经风化和浅裂隙流动，以及次区域中年水系统，经裂隙片麻岩流动，时间尺度可达十年。5.5 不确定性与未来工作：雨水 Cl^?/干沉降、基流分离、水位—流量外推、取水估计、驻留时间和构造水力作用均有不确定性；未来需连续监测地下水位和泉流量、峰值测流、示踪和构造水力测试、地球物理、穿透雨氯测量及长期同位素监测。

研究结论翻译：Taita Hills高地的水文价值显著，这些区域通过过渡带为当地和低地提供大量水。然而，本研究表明，水塔系统的水文功能不能仅由地形或地表水文观测评估；潜在构造控制、地下水流动系统和土地覆盖，尤其植被类型，也应考虑。研究结果还强调地下水作为高地—低地系统关键缓冲的作用，有助于在水文气候变率增加，包括长期干旱期间调节淡水可获得性。例如，生态恢复和梯田可增强地下水补给，并且鉴于断层和裂隙可能的重要作用，或可因此帮助维持基流，并可能使其恢复到接近过去几十年观测到的水平。尽管本研究中主导过程的相对重要性在裂隙热带山地系统中可能变化，这里识别的机制为理解其他硬岩高地—低地系统功能提供了有用基础。随着山地地区在人口、农业和政治过程中日益重要，正确理解高地—低地系统功能对土地和水管理及适应规划至关重要。尤其应开展增强这些脆弱系统持水能力和水可获得性的行动，因为当地社区已经历泉和溪流流量下降等直接影响。