埃塞俄比亚北部半干旱流域基于事件的水文过程与产沙量

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Event-based hydrological processes and sediment yield at semi-arid catchments of Northern Ethiopia

　　

研究区域：研究区为位于埃塞俄比亚北部高地一个以水库为基础的灌溉系统上游的两个相邻小流域，具有半干旱气候特征。土壤侵蚀造成社会经济和生态扰动，水库淤积是土壤侵蚀的负面非原位效应之一。研究焦点：研究人员分析了流量-悬移质含沙量（SSC-Q）滞后关系模式，并应用基于事件的水文模型OpenLISEM于成对小流域，以评估水土保持措施在减少产沙量和水库淤积方面的有效性。由于暴雨事件之间模型参数存在差异，降雨事件被独立校准。区域新水文见解：初始土壤含水量被确定为影响模拟洪峰流量和总流量的最敏感参数。OpenLISEM在大多数校准事件中均能令人满意地捕捉洪峰流量和流量过程线。在具有多个流量峰值的强降雨事件期间，观察到复杂的滞后关系模式。结果表明，在坡面上实施石坎并结合在沟道中建设拦砂坝，相对于校准的基线情景，可将两个流域出口的产沙量减少36%–74%。这些发现为不同水土保持措施在减少产沙量和水库淤积方面的潜力提供了有价值的见解，有助于埃塞俄比亚北部半干旱高地以水库为基础的灌溉计划的长期可持续性。

论文解读：埃塞俄比亚北部半干旱流域事件尺度水文过程与产沙量研究

土壤侵蚀是导致土地退化的关键过程之一，造成肥沃表土流失、土壤有机质和养分下降，进而削弱土壤持水能力并降低作物产量。同时，土壤侵蚀还引发水库淤积、水体富营养化、栖息地破坏等一系列非原位问题。埃塞俄比亚高地土壤侵蚀尤为严重，年均土壤流失量约15亿吨，平均侵蚀速率达38 t ha^?1 yr^?1，导致粮食年减产约150万吨。在北部Tigray地区，超过60%的水库因泥沙淤积而面临库容损失，约50%水库的经济寿命因侵蚀诱发的淤积问题缩短近一半。尽管已有大量研究采用年均尺度评估土壤流失和水土保持（SWC）措施效果，但关于事件尺度降雨-径流关系和悬移质含沙量-流量（SSC-Q）滞后规律的研究在该地区仍十分匮乏。短历时、高强度降雨事件产生的径流和产沙量尚未被充分理解。因此，研究人员以Tigray地区Korir水库的两个相邻小流域为对象，开展事件尺度水文过程与产沙量研究，旨在（a）分析SSC-Q滞后关系以识别泥沙来源与输移路径，（b）评估石坎和拦砂坝等“透水性”SWC措施在单次暴雨事件中对径流和产沙量的削减效果，为水库淤积防控提供科学依据。该研究发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

研究人员在2023和2024年雨季对Korir（12.9 km²）和Eyamat（3.4 km²）两个成对小流域进行了同步观测。流域出口布设水位记录仪和翻斗式雨量计，以5分钟间隔记录径流深和降雨，人工采集悬移质水样测定含沙量。通过36个采样点测定土壤质地、饱和导水率（K_sat）、初始土壤含水量（Theta_I）等参数，并依据Google Earth影像和野外调查绘制土地利用图。应用基于物理的分布式水文侵蚀模型OpenLISEM 7.4.5，采用12.5 m分辨率数字高程模型（DEM）生成地形参数，以Green-Ampt方程模拟入渗，Govers方程模拟输沙。采用单因子（OAT）敏感性分析方法识别敏感参数；利用Nash-Sutcliffe效率（NSE）和Kling-Gupta效率（KGE）评价径流模拟性能，以归一化均方误差（NMSE）评价产沙量。采用滞后指数（HI）和冲刷指数（FI）量化SSC-Q滞后环。设置四种情景：现状（SC1）、石坎+拦砂坝（SC2）、仅石坎（SC3）、仅拦砂坝（SC4），模拟不同SWC措施的效果。

3.1 模型输入数据与野外测量：通过野外测定和文献获得的模型输入参数显示，粉砂壤土和粉砂粘壤土的K_sat值高于其他质地土壤，但仍在可接受范围内。各参数值取2023–2024年雨季观测平均值，空间异质性通过36个采样点加以表征。

3.2 OpenLISEM灵敏度分析：采用OAT法对模型参数进行敏感性分析，结果表明洪峰流量（Q_p）对初始土壤含水量（Theta_I）及坡面/沟道曼宁糙率敏感；总流量对Theta_I敏感，Eyamat流域总流量还对坡面曼宁糙率显著敏感；产沙量对Theta_I和坡面曼宁糙率最敏感，对中值粒径（D₅₀）和沟道曼宁糙率中等敏感，而对随机粗糙度（RR）和吸力水头（PSI）不敏感。

3.3 OpenLISEM模型校准：研究人员对Korir流域14个事件和Eyamat流域11个事件分别独立校准，通过调整Theta_I、坡面曼宁糙率、沟道曼宁糙率和K_sat，多数事件的NSE>0.5且KGE表现可接受。三个事件（K230829、K240819、E240823）的NSE较低，主要因模型难以准确模拟多峰洪水过程线。总体上，OpenLISEM能较好地模拟洪峰流量、峰现时间、总流量和总产沙量。

3.4 产沙量与泥沙-流量滞后：模型模拟的总产沙量与实测值拟合良好，Korir和Eyamat流域的NMSE分别为0.12和0.16。滞后环分析显示，观测到顺时针、逆时针、8字形和复杂四种类型，其中8字形滞后环占主导（16个事件中的7个）。顺时针事件中悬移质含沙量（SSC）峰值早于流量峰值，表明泥沙源靠近流域出口；逆时针事件则相反，指示远处或上游泥沙源且受输移限制。多峰强降雨事件（如K240819）呈现复杂滞后环，8字形滞后环常与多个泥沙源有关。相关分析表明，事件降雨总量、径流量、洪峰流量与产沙量呈正相关，而三日前期土壤含水量（API3）与径流和产沙量相关性较弱。

3.5 水土保持措施对泥沙控制的作用：基于校准后的模型模拟，与SC1相比，SC2（石坎+拦砂坝）在Korir和Eyamat流域分别可实现48%–74%和36%–56%的产沙量削减；SC3（仅石坎）削减38%–68%（Korir）和27%–43%（Eyamat）；SC4（仅拦砂坝）在较弱降雨事件中有效，但强降雨下效果有限。所有情景下径流削减均小于3%，表明透水性SWC措施能在不大幅减少入库水量的同时有效拦截泥沙。

讨论部分指出，初始土壤含水量是最敏感的水文参数，这与先前研究一致；模型对多峰事件的模拟局限可能源于降雨空间代表性不足。SSC-Q滞后环的多样性反映了泥沙来源和输移过程的复杂性，出口附近活跃沟壑对滞后环形态影响显著。SWC措施中，石坎在坡度更陡的Korir流域效果更佳，拦砂坝在弱降雨事件中有效但强降雨下效率降低。研究同时强调，模拟结果来自校准情景而非田间实测验证，因此所提出的管理干预措施应视为具有潜在效益的指示性方案，而非已证实的结果。

研究结论如下：基于事件的水文和土壤侵蚀模型OpenLISEM被应用于埃塞俄比亚北部半干旱高地一个小水库的成对小流域，以评估石坎和拦砂坝对径流和产沙量削减的影响；事件尺度悬移质含沙量-流量（SSC-Q）滞后关系被用于识别不同降雨-径流事件中的泥沙来源；与校准基线情景相比，透水性水土保持（SWC）措施如石坎和拦砂坝可显著减少产沙量，最高达74%；但OpenLISEM在再现多峰流量事件的洪峰量级和准确拟合观测过程线方面存在局限；模型结果应解释为透水性SWC措施潜在效益的指示，而非田间已验证的结果；具有多个流量峰值的强降雨事件呈现复杂滞后模式，而弱降雨事件表现为顺时针和逆时针滞后；复杂和8字形滞后事件比顺时针和逆时针事件贡献了更多悬移质产沙量。因此，未来流域和水库管理干预应重点关注复杂和8字形径流事件相关的土壤侵蚀。