《Hydrology》：Sediment Yield Assessment and Erosion Risk Analysis Using the SWAT Model in the Amman–Zarqa Basin, Jordan
Motasem R. AlHalaigah,
Michel Rahbeh,
Nisrein H. Alnizami,
Mutaz M. Zoubi,
Heba F. Al-Jawaldeh,
Shahed H. Alsoud,
Yazan A. Alta’any,
Qusay Y. Abu-Afifeh,
Ali Brezat and
Ahmad J. Alzubaidi
+ 3 authors
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为解决约旦半干旱区水库淤积对水资源可持续利用的威胁，研究人员利用SWAT模型耦合MUSLE方程，对Amman–Zarqa流域的产沙量和侵蚀风险进行了长期评估。研究得出流域年均产沙量为2.79 t ha?1yr?1，与King Talal水库实测数据高度吻合，成功识别了侵蚀热点区域，并为支持SDG 6和SDG 15目标的可持续流域管理和土壤保持措施提供了科学依据。
在约旦这个全球水资源最紧张的国家之一，水库是支撑灌溉、供水和经济发展的生命线。然而，一个看不见的“杀手”正悄然侵蚀着这些宝贵的基础设施——泥沙。在Amman–Zarqa流域，上游的土壤侵蚀产生大量泥沙，随着河流汇入下游的King Talal水库，日积月累，不断蚕食水库的有效库容，威胁着供水安全和水利工程的寿命。这是一个在半干旱地区普遍存在的难题：强烈的降雨、稀疏的植被、人类活动的影响，共同加剧了土壤流失。如何精准地摸清流域的“泥沙家底”，找出侵蚀最严重的“重灾区”，预测未来的泥沙来量，从而为精准、高效的流域治理和水库保护提供“作战地图”，是摆在研究人员和水资源管理者面前的关键科学问题。为此，Motasem R. AlHalaigah等研究团队在《Hydrology》期刊上发表了一项研究，他们运用先进的水文模型，为我们揭示了Amman–Zarqa流域泥沙产生与输送的秘密。
为开展这项研究，作者主要运用了地理信息系统（GIS）和Soil and Water Assessment Tool (SWAT， 土壤和水评估工具) 水文模型。首先，基于获取的数字高程模型(DEM)、土地利用/土地覆被(LULC)图、土壤图和气象数据，在GIS平台上对Amman–Zarqa流域进行了水文划分，定义了31个子流域和586个水文响应单元(HRU)。其次，将SWAT模型与Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE， 修正通用土壤流失方程) 进行耦合，用于模拟流域内的水文过程和泥沙产生。模型驱动所需的长期日尺度气象数据来自流域内17个气象站的观测记录。模型的校准与验证依赖于Jerash Bridge水文站的径流观测数据以及由约旦河谷管理局提供的King Talal水库沉积物调查数据，其中校准期为1993-2002年，验证期为2003-2012年。此外，研究还利用SWAT-CUP软件对模型参数进行了敏感性分析和不确定性评估，以确保模拟结果的可靠性。
研究方法
本研究采用SWAT模型与MUSLE耦合的框架，旨在量化Amman–Zarqa流域的产沙量并分析其空间分布。研究区被划分为31个子流域和586个HRU，以精细刻画下垫面异质性。模型输入数据包括地形、土壤、土地利用和长期气象观测数据。MUSLE方程被整合到SWAT中以模拟事件尺度的泥沙产量，其计算考虑了地表径流、峰值流量、土壤可蚀性、地形、植被覆盖和管理措施等多个因子。通过对比模拟的泥沙负荷与King Talal水库的实测淤积数据，对模型进行了校准和验证，确保了模型在模拟流域泥沙动力学方面的可靠性。
研究结果
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模型性能评估：SWAT模型在模拟径流和泥沙方面表现出良好的性能。在校准期和验证期，月径流模拟的纳什效率系数(NSE)和决定系数(R2)均达到可接受标准，表明模型能够较好地捕捉流域的水文过程。泥沙模拟结果与水库的测深调查结果高度一致，估算的年均产沙量为2.79 t ha?1yr?1，相当于约0.59 MCM yr?1的泥沙流入水库，与约旦河谷管理局报告的2.59 t ha?1yr?1实测值非常接近。
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产沙时空格局：长期模拟结果显示，流域产沙具有明显的时空变异性。高产沙区主要集中在坡度较陡、土壤易蚀性强、植被覆盖度低的子流域。研究识别出了若干个侵蚀风险“热点”区域，这些区域是未来土壤保持措施需要优先关注的靶区。时间序列分析表明，年际产沙量与径流量密切相关，特大暴雨事件（如1992-1993年）会导致泥沙产量急剧上升。
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泥沙与径流关系：通过对King Talal水库长期观测数据的分析，发现泥沙淤积量与入库水量之间存在幂律关系。尽管整体上泥沙产量随时间有下降趋势，可能得益于流域管理措施的改善，但极端水文事件仍是驱动大量泥沙入库的主要因素。
研究结论与讨论
本研究表明，SWAT-MUSLE耦合模型是评估半干旱地区流域尺度产沙和侵蚀风险的有效工具。研究成功量化了Amman–Zarqa流域向King Talal水库输送的泥沙量，并绘制了侵蚀风险的空间分布图。主要结论包括：1) 流域年均产沙量约为2.79 t ha?1yr?1，对水库库容构成持续威胁；2) 产沙在空间上分布不均，存在明确的侵蚀热点子流域；3) 模型模拟结果与独立观测数据吻合良好，证明了该方法在数据稀缺地区的适用性。
这项研究的意义重大。首先，它为准确定量水库泥沙来源和预测未来淤积趋势提供了科学方法，有助于优化水库的清淤调度和寿命管理。其次，识别出的侵蚀热点区域可以为决策者实施有针对性的、成本效益高的土壤和水资源保护措施（如梯田、植被恢复等）提供直接的空间指引，从而从源头减少泥沙产生。最后，该研究成果直接关联联合国可持续发展目标(SDG) 6（清洁饮水和卫生设施）和SDG 15（陆地生命），通过支持可持续的流域管理实践，为保障地区水安全、防治土地退化贡献了科学依据。该研究框架也可为约旦其他类似流域乃至全球半干旱地区的水库泥沙问题评估与管理提供参考。
