卡塔马约-奇拉跨界盆地的沉积物来源：在厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）影响下对波埃乔斯水库蓄水能力的影响

《Frontiers in Earth Science》：Sediment origins in the Catamayo-Chira Transboundary Basin: impacts on Poechos Reservoir capacity under ENSO influence

泥沙动态调控与跨流域协同管理：以秘鲁-厄瓜多尔Poechos水库流域为例。通过InVEST模型量化2001-2017年流域年均泥沙输移量6.91×10^6吨，揭示ENSO事件导致西部子流域（Alamor、La Solana）贡献激增57倍，而东部陡坡农业区（Catamayo、Macará、Quiroz）持续主导泥沙输入（贡献84.3%）。研究证实植被恢复与流域尺度监测是提升水资源安全的关键，特别在半干旱安第斯系统中需强化跨国有序管理。

　　### 研究背景与意义

在南美洲安第斯山脉地区，土壤是支撑生态系统和人类活动的重要自然资源。随着气候变化、土地利用变化以及人为活动的增加，土壤侵蚀和沉积物输送问题日益严重，对水资源的可持续性构成重大威胁。特别是对于跨边界流域，由于地理环境的复杂性和管理的分散性，这些挑战变得更加突出。Poechos水库作为该地区的重要水源，其容量的持续减少引发了广泛关注。自1976年投入运行以来，水库的初始蓄水能力为885 hm3，但到2018年，其蓄水能力已下降至365 hm3，表明沉积物的积累已经严重影响了水库的功能。

该研究旨在量化Poechos水库沉积物来源的总质量和年度来源，并探讨这些沉积物对水库容量的影响。通过使用集成生态系统服务评估工具（InVEST 3.13.0）中的沉积物输送率（SDR）模型，结合遥感数据、降水数据以及水库的水文测量数据，研究人员能够更准确地识别出哪些子流域是主要的沉积物来源，并进一步分析极端气候事件（如厄尔尼诺-南方涛动，ENSO）对沉积物输送的影响。这一研究对于理解跨边界流域的沉积物动态以及制定有效的水资源管理策略具有重要意义。

### 沉积物来源与气候影响

研究发现，Poechos水库的沉积物主要来源于Catamayo、Macará和Quiroz三个子流域，这三个子流域占据了总沉积物输入的84.3%。这些子流域位于流域的东部，地形陡峭，农业活动广泛，植被覆盖较少，这些因素都导致了较高的土壤侵蚀率和沉积物输送量。相比之下，位于西部的Alamor和La Solana子流域虽然在正常年份的贡献相对较小，但在ENSO事件发生时，它们的沉积物输入却显著增加，特别是在2017年的厄尔尼诺事件中，La Solana的沉积物输送量达到其正常年份的57倍，而Alamor则增加了10倍。这一现象表明，沉积物的来源不仅受长期的地理和土地利用因素影响，还受到短期气候波动的显著作用。

这种空间分布的变化强调了跨边界流域管理中气候因素的重要性。ENSO事件通常伴随着异常的降水模式，尤其是在沿海地区，导致强烈的降雨和洪水，从而加剧了土壤侵蚀和沉积物输送。因此，为了应对这些极端气候事件带来的影响，需要建立更全面的监测和预警系统，以识别潜在的高沉积物输入区域，并采取相应的管理措施。这不仅有助于延长水库的使用寿命，还能保障下游地区的水资源安全。

### 沉积物输送率模型的应用

沉积物输送率（SDR）模型是评估流域内沉积物动态的重要工具。该模型基于水文连通性概念，能够量化坡地与下游水体（如河流或水库）之间的沉积物输送过程。通过将土壤流失率（A）与SDR值相乘，研究人员可以估算出每个网格单元的沉积物输送量（SSup），从而获得整个流域的总沉积物输入。在本研究中，使用MODIS植被覆盖数据、PISCOp降水数据以及PEChP提供的年度水库水文数据，结合SDR模型，研究人员能够较为准确地评估Poechos水库的沉积物来源。

SDR模型的计算过程包括以下几个关键因素：降雨侵蚀性（R）、土壤可蚀性（K）、坡度和坡长（LS）、土地利用和土地覆盖（C）以及土壤保护措施（P）。这些因素共同决定了某一区域的沉积物输送能力。例如，降雨侵蚀性越高，土壤侵蚀的可能性越大；土壤可蚀性越强，越容易被侵蚀；坡度和坡长因素决定了水流的侵蚀能力；而植被覆盖和土壤保护措施则可以有效减少侵蚀和沉积物输送。通过综合考虑这些因素，研究人员能够更全面地理解沉积物的来源和输送路径。

### 子流域的沉积物贡献分析

研究结果显示，Catamayo、Macará和Quiroz三个子流域在2001年至2017年间对Poechos水库的沉积物贡献最大，分别贡献了1.50 × 10?、2.34 × 10?和1.98 × 10?吨每年。这些子流域的沉积物输送量较高，主要与其陡峭的地形、高降雨侵蚀性以及以雨养农业为主的土地利用方式有关。相比之下，Alamor和La Solana子流域的沉积物贡献较低，但在ENSO事件期间，它们的贡献显著增加。这种变化可能与这些区域的土壤类型、植被覆盖以及土地利用方式有关，尤其是在雨季期间，土壤保护措施的不足导致了更多的沉积物输送。

此外，研究还发现，沉积物输送量在不同年份之间存在显著的波动。例如，在2008年和2017年，由于ENSO事件的影响，沉积物输送量出现了明显的峰值。其中，2017年的沉积物输送量达到34.92 × 10?吨，是该研究期间的最高值，且比正常年份的中位数高出五倍。这表明，极端气候事件对沉积物输送的影响远大于长期趋势。因此，为了有效管理Poechos水库的沉积物问题，需要加强对这些极端事件的监测和预警，并制定相应的应对措施。

### 沉积物输送与水库容量的关系

沉积物的积累直接影响水库的容量和使用寿命。根据研究，Poechos水库在2018年的沉积物积累量为520 hm3，占其初始容量的58.8%。这意味着水库的有效蓄水能力已经大幅下降，严重影响了其供水、灌溉和水电生产等功能。为了评估沉积物对水库容量的影响，研究人员采用了简单的回归分析，将沉积物积累量（SA）与沉积物输送量（SSup）进行对比。结果显示，SSup对SA具有显著的解释力，尤其是在排除2008年异常数据后，相关系数达到0.9403，表明SSup是预测SA的重要指标。

这一发现对于制定水库管理策略具有重要意义。由于沉积物的积累主要来源于流域内的自然过程和人为活动，因此需要采取综合措施，包括改善土地利用方式、加强植被恢复以及实施机械清淤等。此外，研究还指出，沉积物输送量与土壤侵蚀率之间存在密切关系，因此，提高土壤保护措施的实施效果，可以有效减少沉积物的输送和积累。

### 管理建议与未来展望

为了应对Poechos水库的沉积物问题，研究建议采取多方面的管理措施。首先，应加强流域内的植被恢复工作，特别是在东部的Catamayo、Macará和Quiroz子流域，这些区域是主要的沉积物来源。通过增加植被覆盖率，可以有效减少土壤侵蚀，降低沉积物的输送量。其次，需要建立更完善的监测系统，以便及时掌握沉积物的输送动态，并在发生极端气候事件时迅速采取应对措施。此外，还应加强跨边界合作，促进两国在水资源管理方面的协调与合作。

在未来，随着气候变化的加剧，ENSO事件的频率和强度可能会增加，这将对Poechos水库的沉积物输送带来更大的挑战。因此，需要进一步研究这些极端事件的频率和影响，以便制定更具前瞻性的管理策略。同时，应加强对水库周边土地利用和农业活动的监管，减少人为活动对土壤和水资源的破坏。此外，还需要探索更有效的土壤保护技术，如零耕作、建设堤坝和水坝等，以减少土壤流失。

### 社区参与与可持续发展

研究还强调了社区参与在流域管理中的重要性。通过建立水基金（Water Funds），可以将下游的水资源使用者与上游的农业社区联系起来，共同参与土壤保护和水资源管理。例如，在厄瓜多尔，Fondo Regional del Agua（区域水基金）已经在该流域内开展工作，旨在促进可持续的土地利用和水资源管理。在秘鲁，北方安第斯水基金（Fondo de Agua Andes del Norte）和皮乌拉区域水基金（Fondo Regional del Agua FORASAN）也在该流域内发挥作用，支持土壤保护和水文调节的措施。

这些水基金不仅有助于提高水资源的可持续性，还能促进当地社区的经济发展。通过实施可持续的土地利用方式，如推广生态农业、发展可持续林业和水资源保护项目，可以减少土壤侵蚀，提高水体的水质，同时保障农业和居民的用水需求。此外，水基金还可以通过经济激励措施，鼓励农民采用更环保的耕作方式，减少对土壤的破坏。

### 总结

Poechos水库的沉积物问题不仅影响其容量和使用寿命，还对下游地区的水资源安全和生态系统健康构成威胁。通过使用SDR模型和遥感数据，研究人员能够更准确地识别沉积物的主要来源，并评估极端气候事件对沉积物输送的影响。这一研究为制定有效的水库管理策略提供了科学依据，同时也为跨边界流域的可持续发展提供了参考。未来，需要加强国际合作，推动植被恢复和土壤保护措施，并建立更完善的监测和预警系统，以应对气候变化带来的挑战。只有通过综合管理和社区参与，才能确保Poechos水库的长期运行和水资源的可持续利用。