西南中国喀斯特小流域中滞后环与泥沙来源的降雨模式分异响应：一种用于侵蚀性降雨模式分类的多方法集成框架

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Divergent responses of hysteresis loops and sediment sources to rainfall regimes in karst small watersheds of Southwest China: A multi-method integrated framework for classifying erosive rainfall patterns

　　

研究区域：中国西南典型喀斯特小流域。研究焦点：降雨模式调控径流-输沙动态，然而特定模式与水文-输沙情势及泥沙来源之间的联系机制仍不清楚。本研究利用多方法途径——包括Pearson相关、随机森林（Random Forest, RF）和部分最小二乘回归（Partial Least Squares Regression, PLSR）——基于79场侵蚀性降雨事件（2018–2022年）识别驱动径流-输沙量的主导降雨变量。侵蚀性降雨模式被分类以评估其对水文-输沙过程和泥沙来源贡献的后续响应。该区域的新水文学见解：结果表明，降雨量（P）、降雨历时（Dr）和降雨侵蚀力（R）是影响径流-输沙量的主要驱动因子。利用K-means聚类，降雨事件被划分为三种模式（A、B和C）。模式A（短历时、中等侵蚀力）发生最频繁（79.75%），并贡献了最高的累积径流-输沙量。相反，模式B虽然频率较低（7.59%），却产生了最大的单次事件径流-输沙量。滞后环分析揭示了不同降雨模式间的显著差异：模式A表现出顺时针环，模式B显示复杂环，模式C呈现逆时针环。值得注意的是，68%的事件表现出顺时针或复杂滞后环，间接推断地下河床和管道是主要的泥沙来源。本研究为中国西南喀斯特地区针对性的土壤侵蚀控制和流域管理提供了理论框架。

《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表的这篇论文针对中国西南喀斯特小流域，探讨了侵蚀性降雨模式对径流-输沙过程及泥沙来源的影响。研究背景指出，土壤侵蚀导致全球每年流失大量表土，而中国西南喀斯特地区生态脆弱，成土速率极慢，是土壤侵蚀最严重的区域之一。降雨是土壤侵蚀的主要驱动力，其特征和模式（如降雨量、历时、侵蚀力和强度）与径流-输沙量密切相关。然而，单一降雨参数和短期观测不足以完全揭示降雨影响径流-输沙量的机制。喀斯特系统具有相对完整的径流-输沙系统，能够更准确反映其特征及泥沙来源。现有研究多关注小区尺度而非小流域，且多数降雨模式分类依赖经验判断或单一统计方法，存在主观性和局限性。此外，泥沙来源识别虽常用复合指纹技术，但对样本代表性和数量要求严格。基于径流与泥沙浓度之间的滞后关系可有效揭示泥沙来源的动态特征，但不同降雨模式与滞后环类型之间的系统关联研究有限。因此，深入理解喀斯特小流域径流-输沙过程对降雨模式的响应，精确识别主要泥沙来源及其空间分布，对制定水土保持措施至关重要。为此，研究人员依托贵州省水土保持监测站2018至2022年79场侵蚀性降雨事件的降雨、径流和泥沙数据，选取典型喀斯特小流域——蚂蟥田小流域为研究对象，旨在分析降雨特征与径流-输沙量的耦合关系，基于主导变量分类降雨模式并阐明其径流-输沙响应特征，以及利用不同降雨模式下的径流-输沙滞后效应识别泥沙来源。该研究为西南喀斯特地区土壤侵蚀防控提供了理论依据和支持数据。

作者采用的关键技术方法包括：首先，从79场侵蚀性降雨事件中提取5个降雨变量（降雨量P、降雨历时Dr、平均降雨强度Ri、最大30分钟降雨强度I₃₀、降雨侵蚀力R）和5个径流变量（径流历时Dp、洪峰流量Q_max、径流深H、径流系数Rc、输沙量相关指标），数据来源于自记雨量计和水位计。其次，集成Pearson相关分析、随机森林（RF）模型和偏最小二乘回归（PLSR）模型定量评估降雨变量对径流深H和泥沙浓度C的影响，识别主导驱动因子。随后，基于主导变量使用K-means聚类算法将侵蚀性降雨事件分类，并通过肘部法则、单因素方差分析（ANOVA）、轮廓系数和Calinski-Harabasz指数确定最优聚类数k=3。最后，利用幂函数曲线拟合分析降雨、径流与泥沙浓度的相互关系，并基于径流深H与泥沙浓度C的滞后关系分析滞后环特征，间接推断泥沙来源。

研究结果如下：

3.1 侵蚀性降雨特征

通过分析2018–2022年79场侵蚀性降雨事件的降雨变量时间变化，发现侵蚀性降雨主要集中在5月至9月，占事件总数的89.9%，其中6月最高。期间降雨量P、降雨历时Dr、平均降雨强度Ri、最大30分钟降雨强度I₃₀和降雨侵蚀力R的累计值分别占总量的72.04%、79.10%、73.10%、80.44%和83.82%。仅3场事件发生在1月至4月。从5月开始降雨变量总体呈上升趋势，7月至9月达到峰值后急剧下降，11月和12月无侵蚀事件。Ri和Dr相对稳定，而I₃₀、P和R呈现显著季节波动。此外，Ri、I₃₀、P和R之间存在显著正相关。

3.2 小流域影响径流-输沙量的变量

统计描述显示，泥沙浓度C的变异系数最高（185%），表明水文-输沙过程具有高度随机性和复杂性。Pearson相关分析表明，C与I₃₀、R、Q_max和H极显著正相关（p<0.01），与P和Ri显著相关（p<0.05）。H与P、I₃₀、R、Dr、Q_max、Rc和C极显著相关（p<0.01）。RF模型量化相对重要性，对H而言P最重要（%IncMSE=10.14），其次是R和Dr；对C而言I₃₀最重要（7.48），紧随其后的是P、R、Ri和Dr。PLSR模型揭示P对R、Ri和I₃₀有直接负效应，Dr有正效应；对H仅R有极显著正路径系数，对C则R有显著正效应而Dr有显著负效应。综合三种方法，确定P、Dr和R为径流-输沙量的主导驱动因子，并用作后续降雨模式分类的输入变量。

3.3 侵蚀性降雨事件分类

基于主导变量P、Dr和R，采用K-means聚类将79场事件分为三类。肘部法则在k=3处出现明显拐点，ANOVA（p<0.001）证实各类间差异显著，轮廓系数0.62和CH指数80.15表明聚类结构稳健。模式A包含63场事件（79.75%），历时最短（30–1565 min），P最低（12.00–81.10 mm），R中等（10.00–1195.54 MJ·mm/(hm2·h)）。模式B含6场（7.59%），历时中等，P最高（93.80–196.60 mm），R最大（1548.29–3999.01 MJ·mm/(hm2·h)）。模式C含10场（12.66%），历时最长（1620–4970 min），P中等（34.20–142.60 mm），R最低（16.77–1520.71 MJ·mm/(hm2·h)）。

3.4 不同侵蚀性降雨模式的径流-输沙量

模式A虽频率最高，累积径流量和输沙量占比最大（分别为68.75%和77.12%），但单次事件产流产沙较低。模式B频率低，却贡献了21.08%的径流和19.87%的输沙，平均单次径流深33.31 mm和泥沙浓度2.47 g/L，分别是总体均值的2.78倍和2.60倍，表明极端高强度事件对流域侵蚀影响重大。幂函数拟合显示，P–H关系在模式A和C模拟较好，P–C同样；H–C关系在模式C拟合最佳，模式B次之，模式A最低。模式B数据点相对回归线分布稀疏，而A和C较集中，说明典型和长历时降雨事件的水文-输沙响应更稳定。

3.5 滞后环表征

从79场事件中筛选出41个有效H–C滞后环。模式A产生30个环，以顺时针（14个）和复杂（9个）为主；模式B产生6个环，均为复杂（3个）、8字形（2个）和逆时针（1个），无顺时针；模式C产生5个环，主要为逆时针（3个）和复杂（2个）。总计68%的事件为顺时针或复杂环。顺时针环表明泥沙主要来自近源冲刷，如下游农地和地下河床管道，这些区域土壤疏松易蚀，在降雨初期迅速产沙。逆时针环显示泥沙浓度峰值滞后于径流深峰值，指示远源山坡泥沙的延迟输送。8字形环反映多泥沙源异步贡献，复杂环则与喀斯特地下管道中储存的历史泥沙再悬浮有关，表明泥沙来源时空异质性强。

讨论部分总结：研究人员将本文结果与先前研究对比，指出多方法集成减少了单一模型偏差，增强了变量识别的稳健性。喀斯特小流域尺度下水文连通性高，且独特的地质结构（裂隙、洞穴、管道）改变了径流和泥沙路径，削弱了瞬时雨强的影响。降雨首先填充地下空隙，达到一定阈值后才产生地表径流，这解释了P、Dr和R的主导作用。不同降雨模式的水文-输沙机制差异明显：模式A因高频但单次产流少，大部分雨水被地下存储截留；模式C长历时使地下饱和，但低R限制坡面侵蚀，输沙受供应限制；模式B高强度和高R引发地表结皮，降低入渗，加速地表径流，成为侵蚀防控的关键目标。拟合曲线显示P–H相关性高于P–C，印证了喀斯特地下管道作为水流优先路径和泥沙陷阱的双重角色。滞后环分析进一步支持泥沙主要来自地下河床和管道，与区域研究一致。顺时针和复杂环占主导，尤其在模式A下，表明近源沉积物易被快速激活；复杂环在高强度模式下增多，反映地下储存泥沙的阶段再活化；逆时针环在模式C下出现，对应远源物质延迟输送。总体而言，喀斯特小流域泥沙动态受“地表-地下”水文二分法控制，表面破碎化和高入渗能力削弱了坡面物质输送，而地下排水网络促进了河床物质的激活。

结论部分翻译如下：

本研究开发了一个集成框架，用于识别喀斯特典型小流域径流-输沙量的主导变量并分类侵蚀性降雨模式。通过综合水文-输沙响应特征和泥沙来源，得出以下结论：

（1）Pearson相关、RF模型和PLSR模型的多方法集成有效识别出降雨量（P）、历时（Dr）和侵蚀力（R）作为径流和输沙量的主要驱动因子。这些变量通过喀斯特土壤-浅层岩溶系统中的“充水-溢流”机制调控水文过程。P和Dr控制地下存储阈值的跨越，而R决定地表和地下物质的分离与输移能力。

（2）侵蚀性降雨事件被分为三种不同模式。模式A（短历时、弱降雨）以显著的地下缓冲为特征，大部分降雨被分配到储水裂隙中，从而抑制了即时产流。模式C（长历时、中等降雨）通过长期饱和和增强的水文连通性促进径流，但输沙量仍受供应限制。相反，模式B（强降雨）由于高能量和快速的地表-地下响应，代表了主要的侵蚀威胁。从流域管理角度看，模式B应作为水土保持的优先对象，需要实施快速响应排水干预和加强植被缓冲区以减轻极端侵蚀事件。

（3）滞后分析揭示该喀斯特区域的泥沙来源呈现出深刻的时空分异。主要由模式A触发的顺时针和复杂环表明，地下河床和管道是主要且可快速动员的泥沙来源。主要由模式C相关的逆时针环反映了持续饱和条件下远源山坡物质的延迟贡献。“8字形”环展示了近源和远源之间的动态切换。这些发现建议水土保持策略应区分表面坡面保护与地下排水通道的稳定。有效管理必须考虑“地表-地下”水文二分法，以防止喀斯特关键区的表面侵蚀和地下土壤泄漏。