《Geomorphology》：Morphologic adjustment and sediment balance of the Nile River in Egypt under cascade dam regulation
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尼罗河梯级坝对地貌和水力的影响研究。整合GIS差分分析与二维水动力模型，分析1982-2007年埃及尼罗河上游两河段25年地貌响应及水力参数变化，揭示上游河段淤积（+10.3±6.5Mm3）与下游侵蚀（-5.7±10.7Mm3）的差异化沉积格局，证实地貌调整对水面高度、输沙能力等水力特性的显著影响，提出河段特异性响应机制。
作者：Enas Hamed、Hossam Elsersawy、Esam Helal、Hamdy Elsayed
研究机构：尼罗河研究所（Nile Research Institute, NRI）、国家水资源研究中心（National Water Research Centre）、德尔塔水坝（Delta Barrages）、开罗，埃及
摘要
阶梯式水坝是对河流系统最显著的人为改造之一。尽管它们在调节水流、维持灌溉和保障航运方面发挥着关键作用，但其影响仍未能得到充分理解。埃及的尼罗河是世界上受到最严格调控的河流系统之一，为评估这些影响提供了独特的案例。本研究评估了尼罗河在25年期间因阶梯式水坝调控而发生的地貌变化，捕捉了河流对这些干预措施的累积响应。
本研究开发了一个综合框架，结合了基于GIS的数字高程模型（DEM）差异分析与二维水动力建模，以探讨受阶梯式水坝调控的尼罗河的河床形态。通过沉积物预算评估和分区分类量化了地貌变化，并在相同的流量条件下评估了相应的水力响应，包括水面高度、输水能力、剪切应力和水流功率。研究结果表明，研究区域的两个河段呈现出不同的地貌响应特征，表现为沉积和侵蚀的空间异质性以及河中岛屿的变化。河段1表现为净沉积（+10.3 ± 6.5立方米），而河段2则表现为净侵蚀（-5.7 ± 10.7立方米）。阶梯式水坝调控还影响了颗粒大小分布，导致下游颗粒变粗、上游颗粒变细。水动力模拟证实，这些地貌变化会产生可测量的水力后果，改变水位、输水能力、剪切应力和水流功率。这些发现为评估水坝调控下的地貌响应提供了预测框架，强调了每个河段的响应取决于其自身的地貌特征、沉积物输入和人类活动。
引言
水坝虽然带来了巨大的社会经济效益，如水力发电、灌溉和防洪，但也是对河流系统最广泛的人为干预措施之一（Smith, 2024; Hansamali et al., 2025; Ghosh and Chakraborty, 2022; Kumar et al., 2023）。在全球范围内，水坝从根本上改变了自然水流模式（Tan et al., 2024; Zeng et al., 2023; Kumar et al., 2023）、沉积物连续性（Van Binh et al., 2020; Pradhan et al., 2019; Mostafazadeh and Azizi, 2025; Tian et al., 2022）、生态功能和生物多样性（Albert et al., 2021; Kiraga, 2021; Soomro et al., 2023; Zhang et al., 2022; Ahmad, 2024; Sivasuriyan et al., 2022; Hoque et al., 2022），以及河道与泛滥平原的相互作用（Hatchard et al., 2023; Graham et al., 2022），从而重塑了河流地貌（Biswas and Pani, 2021; Kong et al., 2020; You et al., 2022; Wolf et al., 2022; Zhou et al., 2022; Hamidifar and Nones, 2023）。
在水坝建设的各种后果中，地貌变化是最深远和持久的影响之一（Wang et al., 2025; Wolf et al., 2022; Chong et al., 2021）。这些地貌变化会沿河流纵向传播，产生空间上不同的侵蚀和沉积模式，重新定义了河道几何形态和水力行为（S?owik et al., 2018; Yujun et al., 2022; Carolli et al., 2023; Wolf et al., 2022; Sanyal et al., 2021）。通过改变水流和沉积物的自然流动，水坝破坏了水动力与河流地貌之间的平衡（Chong et al., 2021）。这种不平衡导致上游河床通过沉积物堆积、回水效应和河床抬升而发生变化，下游则表现为河床变粗和侵蚀加剧、河床固结（Wolf et al., 2022; Sanyal et al., 2021）。这些地貌变化通常通过河道宽度、水深、河床坡度以及沉积物岛屿和沙洲的特征等河流属性的时间变化来描述（S?owik et al., 2018）。然而，这些地貌变化的严重程度和范围会随着距离水坝的距离而变化，受当地地质和水文条件的影响（Jain et al., 2008; Wu et al., 2023）。
与单座水坝相比，阶梯式水坝会对整个河流系统造成累积性和空间分布的地貌变化（Long et al., 2021; Mwitalemi, 2024）。普遍认为，水坝引起的扰动会逐渐减弱，直到达到新的动态平衡（Zhao et al., 2025; Skalak et al., 2013）。然而，在大型河流系统中，由于衰减距离较长，这一过程经常被其他水坝打断，导致地貌和水力影响的重叠区域（Santucci Jr et al., 2005; Wu et al., 2018; Li et al., 2023）。
多项研究在全球不同河流系统中探讨了这些效应（Nguyen et al., 2024; Nguyen et al., 2024; Wang, 2025; Shi and Qin, 2023; Pan et al., 2023）。例如，在雅龙江下游，阶梯式水坝的建设导致了大规模的地貌变化，包括上游河段的显著拓宽（67%）和下游河段的局部收窄（Wang et al., 2025）。在中游汾河（有15座阶梯式活动堰），模型分析显示流量、沉积物输运和河床变形发生了变化，某些河段的侵蚀量可能达到约20万立方米，而沉积量可能达到约10万立方米，具体取决于提升洪水风险或影响水坝功能的运行方案（Ni et al., 2024）。
除了河道形态外，阶梯式水坝还显著改变了沉积物预算和纵向沉积物分布模式（Wu et al., 2018; Nguyen et al., 2024）。在黑河盆地，阶梯式水库拦截了约79%的入流沉积物，导致下游严重侵蚀，河床颗粒变粗的程度高达500%（Wang et al., 2022b）。水坝调控还通过改变侵蚀-沉积动态和岛屿稳定性显著影响河流岛屿的形态（Huang et al., 2025; Yang et al., 2022a）。例如，Zhang et al.（2020）记录了汉江由于连续水坝的调控排放而导致的岛屿侵蚀和堆积交替现象，平均岛屿面积变化约为17%。尽管水坝的地貌影响已被广泛记录，但大多数以往的研究主要集中在局部横截面或短河段（Wang et al., 2025）。虽然这些研究提高了对局部河床变化的了解，但未能充分捕捉到多座水坝串联运行时的累积性和空间分布效应。特别是，水坝之间的河段地貌行为尚未得到充分量化。因此，阶梯式水坝系统内的纵向沉积物重新分布、河段尺度沉积物体积和空间地貌分区仍不清楚。此外，尚不确定阶梯式水坝调控下的地貌响应是否在各个河段中是均匀的，还是在局部因素（如人类活动和外部沉积物输入）的影响下有所不同。
总体而言，迫切需要加强对阶梯式水坝调控下地貌过程的理解，尤其是在受多座水坝密集控制的大型河流系统中。尼罗河为研究阶梯式水坝系统的水文和地貌影响提供了有力的案例。在埃及境内，该河流主要受到阿斯旺高坝（Aswan High Dam, AHD）和旧阿斯旺坝（Old Aswan Dam）的调控，以及一系列用于灌溉、饮水、航运等用途的七座主要水坝的调控（图1）。这些控制结构以串联和并联配置建造，使得地貌动力学和沉积响应反映了整个阶梯式系统的累积效应，而不仅仅是单个水坝的影响（Skalak et al., 2013）。埃及主要水坝和水库的基本特征见表S1（补充信息（SI）。
先前的研究记录了尼罗河沿岸单个水坝下游的局部侵蚀和沉积现象（Galay et al., 1990; Ahmed et al., 2014; Helal et al., 2020），还有一些研究报道了沉积物负荷的减少（Olson and Kome, 2024; Ahmad, 2024），以及AHD运行后岛屿形态的变化（Raslan and Salama, 2015）。然而，这些影响通常单独进行研究，未能充分理解连续水坝对沉积物体积、侵蚀-沉积模式、岛屿动态和长期河道调整的累积效应。这使得尼罗河成为评估阶梯式水坝调控如何产生特定河段地貌响应及其相关水力后果的理想案例。
本研究通过开发一个综合的水文-地貌框架，结合多时相水深测量和二维水动力建模，来评估阶梯式水坝调控下的水文-地貌响应，填补了现有知识空白。主要目的是评估阶梯式水坝调控下连续河段的地貌响应在空间和时间上的变异性，并确定地貌调整是否是均匀的或依赖于河段。具体而言，本研究将：（1）评估连续河段的沉积和侵蚀空间模式，并量化沉积物预算的变化；（2）描述阶梯式水坝调控下尼罗河系统中的独特地貌序列及其相关的纵向沉积物分布；（3）评估地貌调整对水力特征（如水面高度和河道输水效率）的影响。该框架将应用于埃及尼罗河OAD和Naga Hammadi水坝之间的河段案例研究。
研究区域描述
尼罗河在埃及境内流经约950公里，从OAD流向开罗，在到达地中海之前分为达米埃塔（Damietta）和罗塞塔（Rosetta）两条支流（图1）。尼罗河的河道坡度相对较小（4.8至8.4厘米/公里），导致流速较低，河床物质输送能力有限。与大多数逐渐变平的冲积河流不同，尼罗河从阿西乌特（Assiut）到德尔塔水坝的坡度逐渐增加，使其...
方法论
本研究开发了一个综合的水文-地貌框架，用于量化阶梯式水坝调控河流的地貌变化及相关水力响应（图2）。该框架应用于埃及尼罗河OAD和Naga Hammadi水坝之间的案例研究。美国垦务局（U.S. Bureau of Reclamation）开发的沉积物和河流水力学-二维（Sedimentation and River Hydraulics–Two-Dimensional, SRH）模型（Lai, 2010）被应用于一个结构化的、非耦合的框架中，该框架由两个互补的部分组成...
沉积物体积分析
网格敏感性分析表明，增加网格尺寸会略微降低计算出的侵蚀和沉积体积，因为数值平滑处理会减弱局部河床变化的影响。然而，选定的15米网格尺寸仅导致微小变化（<2.5%）（表S2），因此可以在不显著损失准确性的情况下提供可靠的体积估计（Madier, 2023; Pisarciuc et al., 2023）。
报告了两个河段的沉积物体积变化（侵蚀、沉积和净变化）...
讨论
从更广泛的地貌学角度来看，河段1和河段2展示了阶梯式水坝调控下截然不同的地貌响应。河段2更清楚地体现了水坝下游常见的沉积物匮乏和河道侵蚀现象（Liro, 2019）。相比之下，河段1则表现出沉积超过侵蚀的意外趋势...
结论
本研究量化了尼罗河OAD下游两个河段在25年（1982–2007年）内的地貌变化。采用了一个综合框架，结合了基于GIS的数字高程模型差异分析、沉积物预算评估、地貌分区和二维水动力建模，来评估这些地貌变化的水力响应。
地貌分析显示两个河段之间的沉积物预算存在显著差异...
作者贡献声明
Enas Hamed：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、数据分析、概念化。Hossam Elsersawy：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Esam Helal：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。Hamdy Elsayed：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。
未引用的参考文献
Baena-Escudero et al., 2021
Imam et al., 2024
Li et al., 2017
Lu et al., 2024
NRI, 2007
Peng et al., 2022
Rajakumari et al., 2021
Sakho et al., 2017
Simons, n.d
Xue et al., 2025
Zhang et al., 2021
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢尼罗河研究所（Nile Research Institute, NWRC）和国家水资源研究中心（National Water Research Centre）提供的水文测量数据、软件许可和设施，以及他们对完成这项工作的持续支持。
