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Identification of Hydrologic Landscapes in Brazilian river basins and their application as indicators of water yield and storage

本研究将水文景观分类法应用于巴西东南部的 PCJ 河流域，证明了通过地理信息系统（GIS）整合地形、土壤、含水层和气候数据，能够有效识别出能够同时实现产流与蓄水最大化的特定区域，从而为缺水地区的持续水资源管理提供指导。

原作者： Matheus Henrique Mortene, Ronalton Evandro Machado, Tarcio Rocha Lopes, Sergio Nascimento Duarte, Marco Antonio Jacomazzi

发布于 2026-07-06

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CC BY 4.0

原作者： Matheus Henrique Mortene, Ronalton Evandro Machado, Tarcio Rocha Lopes, Sergio Nascimento Duarte, Marco Antonio Jacomazzi

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，土地不仅仅是泥土和岩石，而是一个巨大的、复杂的“海绵”，它决定了多少雨水会变成河流，又有多少会渗入地下被储存起来以备后用。这正是研究人员在为巴西皮拉西卡巴（Piracicaba）、卡皮瓦里（Capivari）和容迪亚雅伊（Jundiaí）（简称 PCJ）河流域进行制图时所致力于研究的内容。

以下是他们所做工作和研究发现的简单拆解，使用了日常类比。

大问题：一个漏水的“忙碌城市”

PCJ 地区就像一座繁忙、富庶的城市，同时也是一个主要的农业区。这里有大量的人口和工厂需要用水，但水资源也正在枯竭。问题在于，那里的土地有点“漏水”或“难以渗透”。当下雨时，水分往往会过快地在地面流失（导致洪水），而不是深入渗透到地下水箱（含水层）中进行补充。

研究人员想要寻找这片景观中的“甜点位”（即最理想的区域）：

产水量（Water Yield）： 哪里能产生最多的河流径流？（有利于即时使用）。
储水量（Water Storage）： 哪里能像一个好的海绵一样，将水分深层吸收进地下？（有利于在旱季保存）。

方法：土地的“配方”

研究人员并没有将整个流域视为一个巨大的整体，而是利用计算机地图（GIS）将土地切割成微小的 30 米正方形（就像屏幕上的像素）。对于每一个像素，他们混合了四种成分，创造出一种独特的“水文景观”配方：

地形（形状）： 土地是像煎饼一样平坦，还是像缓丘一样起伏，亦或是像山脉一样陡峭？
土壤渗透性（地表海绵）： 表层土壤是疏松多孔的沙质（易渗透），还是坚硬粘重的黏土质（水分流失快）？
含水层渗透性（地下海绵）： 深层的岩石结构如何？水分是否容易在其中移动？
气候（降雨桶）： 该地区是非常潮湿多雨，还是属于中等降水量？

通过混合这四种成分，他们创建了 57 种不同类型的景观（他们称之为水文景观区域，简称 HLRs）。你可以把它想象成拥有 57 种不同纹理和形状的海绵。

研究发现：什么能构成一个好的海绵？

1. “径流”与“渗透”的平衡
研究人员根据过去 20 年的真实河流数据对他们的地图进行了测试。他们发现了有趣的规律：

产水量（河流流量）： 河流中流动的水量与土壤的关系最为密切。如果表层土壤具有很高的渗透性（沙质/疏松），更多的水就会进入河流。令人惊讶的是，土地的陡峭程度对水量的影响反而不如土壤类型那么大。
储水量（地下水箱）： 储存深层地下水的能力与平坦地形和渗透性强的地下岩石有关。如果土地平坦，水分就有时间下渗；如果地下岩石多孔，水分就能深入并储存其中。

2. 重大挑战
他们发现了一个棘手的情况：该流域约一半的面积拥有“坚硬”的土壤和“坚硬”的地下岩石。在这些区域，水分很难渗透进去。水会在地表快速奔流，导致侵蚀并减少地下水的储存。这就像把水倒在塑料布上——水只会从上面滑走。

3. 好消息：“双重收益”区
他们最令人兴奋的发现是，有些区域可以同时实现两者。

场景 1（理想状态）： 他们发现特定的区域，特别是在库鲁姆巴泰河（Corumbataí River）子流域（靠近巨大的瓜拉尼含水层，这是一个巨大的地下水储备库），既有足够的坡度来产生良好的河流流量，又拥有渗透性良好的土壤和岩石，从而实现极佳的地下储水。
关联性： 他们发现产生大量河流水的区域与储存大量水的区域之间存在强关联。事实证明，你并不总是在“洪水”和“干旱”之间做二选一；某些景观天生就擅长两者兼顾。

结论：一张拯救水的地图

论文得出结论，这种“水文景观”地图是一个强大的、低成本的工具。它就像是水资源管理者的“藏宝图”。

管理者不再需要靠猜测在哪里种植树木或开展保护工程，他们可以通过查看这张地图，准确看到哪些“海绵类型”（HLRs）最适合用于：

保护： 保护那些“双重收益”区域，使其能够持续产水并储水。
投资： 将资金投入到那些能产生最大影响力的保护项目中。

这项研究强调，尽管 PCJ 地区面临水资源短缺的问题，但仍存在一些可以被识别出的特定土地斑块，它们在处理水分方面具有天然优势。保护这些特定区域，是确保该地区水供应安全的钥匙。

技术摘要：巴西河流流域水文景观的识别及其作为产流与储水指标的应用

问题陈述
巴西东南部皮拉西卡巴、卡皮瓦里和容迪亚伊（PCJ）河流流域是一个社会经济活跃的关键区域，尽管降雨量充沛，但正面临严重的缺水问题。该地区具有由于城市扩张和农业活动导致的强烈人为压力，以及原始大西洋森林植被的退化。虽然该地区拥有丰富的泉水，但人均可用水量下降威胁到了其经济潜力。现有的水文分类模型通常依赖于长期水文序列，或者缺乏同时识别有利于产流（生产）和储水区域的分辨率。在应用水文景观（HL）分类方法于巴西河流流域以实现识别产水与储水双重目的方面，文献中存在特定的空白。

研究方法
本研究将最初由 Winter (2001) 提出并由 Wolock 等人 (2004) 完善的水文景观（HL）框架应用于 PCJ 流域。与以往将单一 HL 区域（HLR）值分配给整个子流域的大规模应用不同，本研究采用了 Brown 等人 (2014) 提出的高分辨率、逐像素分类法（30 m × 30 m）。

该方法通过地理信息系统（GIS）将四个水文评价单元整合到一个信息计划（IP）中：

地形（Relief）： 源自 30 米 SRTM 数字高程模型，根据坡度重新分类为平坦、过渡和山地类别。
土壤渗透性（Soil Permeability）： 通过使用 Oliveira (1999) 的数据评估饱和水力传导度 ( $K$ )，并重新分类为低、中、高。
含水层渗透性（Aquifer Permeability）： 通过 SAP 数据库中的比流量 ( $Q_e$ ) 数据进行特征化，并重新分类为低、中、高。
气候（Climate）： 使用 Feddema 湿度指数 ( $I_f$ ) 进行综合，该指数根据 20 年平均降水量和潜在蒸发量（采用 Thornthwaite & Mather 方法）计算得出，并重新分类为湿润、潮湿和极湿。

这些单元被叠加以生成 57 个独特的水文景观区域（HLRs）。为了验证分类结果，研究利用了 27 个观测站的 20 年（2001–2020）径流数据。计算了两个关键指标：

产水比 ( $R/P$ )： 年产水量与降水量的比值。
Fuh 参数 ( $m$ )： 源自 Fuh 方程的无量纲参数，反映了流域特征，如坡度、入渗和储水能力。

主要结果

分类： 研究识别出 PCJ 流域内 57 个独特的 HLRs。一个重要的发现是，约 48.8% 的流域面积结合了低含水层渗透性和低土壤渗透性，形成了不利于储水和含水层补给的条件。
产水驱动因素： 验证显示，产水量 ( $R/P$ ) 与土壤饱和水力传导度相关性最强 ( $R^2 = 0.102$ )，其次是坡度 ( $R^2 = 0.015$ ) 和 Feddema 湿度指数 ( $R^2 = 0.006$ )。高产水现象出现在具有透水土壤和湿润气候的山区。
储水驱动因素： 表征储水能力的 $m$ 参数与饱和水力传导度呈正相关 ( $R^2 = 0.192$ )，与坡度呈负相关 ( $R^2 = 0.128$ )。高储水潜力与平坦或过渡性地形以及高含水层渗透性相关。
双重能力： 研究发现 $m$ 因子与 $R/P$ 比值之间存在显著的正相关关系 ( $R^2 = 0.46$ )。这表明特定的流域可以同时支持高产水和高储水能力。
有利情景： 为每个目标定义了两种情景：
- 产水： 有利区域集中在湿润/极湿气候的山区。情景 1 要求高土壤渗透性，而情景 2 则包括低土壤渗透性区域。
- 储水： 有利区域位于具有高含水层和土壤渗透性的平坦/过渡性地形及湿润/极湿气候下。
空间分布： 兼具高产水和高储水能力的区域主要位于下游的库伦巴泰河（Corumbataí）子流域，并与瓜拉尼含水层（Guarani Aquifer）重叠。值得注意的是，这些有利区域位于皮拉西卡巴和坎皮纳斯等主要城市中心的上游。

意义与主张
本文声称，HL 分类法是一种具有成本效益且可迁移的工具，用于识别缺水地区优先开展保护和资源分配的区域。通过从微观流域平均值转向像素级分类，本研究能够精确描绘出那些原本无法被检测到的水文条件。

作者强调，识别出具有高 $R/P$ 值和高 $m$ 值的区域，证明了河流流域可以同时支持产水和储水。这种双重能力为针对性的干预措施提供了支持，例如在库伦巴泰子流域和瓜拉尼含水层补给区进行造林和基础设施投资。研究结论指出，虽然特定的参数相互作用在 PCJ 流域是独特的，但该方法提供了一个稳健的框架，用于理解理化因素如何相互作用从而影响水文行为，进而辅助在缺水条件下的可持续管理。作者提醒，这些具体发现不应在未经局部分析的情况下推广到其他流域。

大问题：一个漏水的“忙碌城市”

方法：土地的“配方”

研究发现：什么能构成一个好的海绵？

结论：一张拯救水的地图

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