随着气候变化和人类活动的加剧,流域水沙情势发生变化,定量分析降水变化和人类活动的水沙效应是当前水科学研究的热点.本文基于赣江上游章水流域1961-2020年的水文、气象观测资料,采用累积量斜率变化率比较法、经验统计分析法定量分析了降水变化和人类活动对水沙变化的贡献率及人类活动的水沙效应对年降水量响应的临界值.结果表明:降水量和径流量均呈非显著下降趋势(P＞0.05),输沙量呈极显著下降趋势(P＜0.001);降水量和径流量的突变年份均为2003年,输沙量的突变年份为1998年;降水变化和人类活动对径流减少的贡献率分别为10.7％和89.3％,对输沙减少的贡献率分别为3.5％和96.5％;人类活动的减水、减沙效应对年降水量响应的临界值分别为1170 mm和858 mm.研究成果可为流域生态建设、水土资源优化管理提供科学依据.

为探究延河流域在开展水土保持工程前后极端降水条件下水沙特征变化情况,采用统计学方法对比分析了延河流域1977年和2013年7月两次极端降水条件下的水沙特征变化情况.结果表明:1977年7月极端暴雨具有降雨强度大和降雨量峰值大、降雨强度空间分布极不均匀的特征;2013年7月极端暴雨具有降雨总量和时段降雨量大、暴雨频率高、降雨强度空间分布较均匀的特征.2013年7月洪水洪峰流量、洪水总径流量、洪峰含沙量等特征值较1977年7月显著减小,输沙量随径流量的减小而显著减小.1977年7月洪水表现为陡涨陡落,洪水历时较短;2013年7月洪水表现为缓涨缓落,洪水历时明显延长.与1977年相比,2013年泥沙颗粒明显细化.该研究表明1990年代以来水土保持高水平的规模化治理改变了流域产、汇流的下垫面条件,是导致1977年和2013年7月极端降水条件下的水沙特征表现迥异的主要原因.该研究为应对极端降水引发的洪灾和防治水土流失提供可靠的科学理论依据.

认识区域水沙运移规律及其对气候和土地利用变化的响应能够为水土流失防治提供理论依据,是水土资源综合开发的重要前提.本研究以1963-2013年逐月实测气象、径流和泥沙资料为基础,结合20世纪80年代和2000年土地利用数据和归一化植被指数(NDVI)数据,采用Mann-Kendall趋势分析和突变检验方法,系统分析了西北干旱区典型小流域——小南川流域的气候和水沙长期变化特征,并识别了研究区土地利用及植被覆盖度变化特征.在对单要素变化充分解析的基础上,利用多元线性回归等方法,定量探讨了气候和土地利用变化对小南川流域水沙运移的影响机制,并明确了关键作用因子.结果表明:小南川流域气温向两极化发展,降水量逐渐增加,总体气候变化趋势朝向暖湿方向,极端气候事件发生频率增加,且在20世纪90年代发生突变后,其变化速度和程度均进一步加剧.自20世纪80年代以来,随着经济社会发展,流域内耕地和城镇扩张,林地增加,自然生态环境向良性发展.在土地利用和植被覆盖度变化的主导驱动作用下,流域径流量和输沙量分别以1.7× 106m3· (10 a)-1和1.5×108 kg·(10 a)-1的平均速率呈减少趋势.定量化研究结果揭示了植被覆盖度和月平均最高气温是影响该区径流变化的最关键因子,而植被覆盖度和日最大降水量是影响输沙变化的最关键因子.在当前气候变化背景下,生态修复是防止干旱区流域水土流失的最有效途径之一.

水沙变化是影响泰国社会经济发展的重要因素.基于湄公河支流蒙河流域下游乌汶水文站1980-2014年径流量和输沙量监测数据,运用线性回归、Mann-Kendall及小波变化等方法分析了水沙序列的演变规律,探讨了流域水沙变化的驱动力.结果 表明:研究期间,蒙河流域年径流量呈微弱增加趋势,输沙量呈减少趋势;2000年以前,输沙量与径流量保持同步变化,但2000年以来输沙量显著减少;汛期径流量和输沙量均呈下降趋势.水沙突变点的发生年份不完全一致,径流量的突变点分别发生在1999、2006和2011年,而输沙量的突变点为1986、1999和2011年.径流量变化的主周期依次为14、8和4年,输沙量的主周期依次为32、12、9及4年,除输沙量32年变化周期外,水沙变化周期基本一致,均与南方涛动、地极移动、太阳黑子活动等因素有关.月径流量与输沙量具有显著的相关关系.海-气作用和人类活动是流域水沙变化的重要影响因素.厄尔尼诺和拉尼娜与流域降雨关系密切,并直接影响流域水沙变化.2000年以来,流域内建设用地面积增加,林地面积减少,流域产流能力提高,而水库大坝的建设导致流域汛期径流量和输沙量减少,抵消了林地减少对输沙量增加的影响.

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题.黄土高原是我国水土流失最严重的地区.20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖.下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变.围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制.未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议.

调水调沙工程的实施为黄河三角洲带来大量淡水恢复退化湿地的同时,也改变了湿地的水沙状况并带来大量的外源物质.本研究采用3因素4水平的正交试验,以黄河口滨岸潮滩湿地典型的先锋物种碱蓬为研究对象,探讨了其对淹水深度、泥沙埋深及外源氮输入的适应机制.结果 表明:泥沙埋深对碱蓬叶片蛋白含量及超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响较大;氮输入对过氧化物酶(POD)活性的影响较大,而3种处理对过氧化氢酶(CAT)活性的影响无显著差异.淹水深度对叶、茎及总干重具有显著影响,且随淹水深度的增加呈现减小趋势,最大值(25.70、40.86、69.73 g)均出现在2 cm淹水处理;而氮输入及泥沙埋深对碱蓬干重的影响不显著.极差分析表明,淹水深度对碱蓬叶、茎、根及总干重的影响最为显著,其次为氮输入和泥沙埋深,2 cm淹水深度+12 cm埋深深度+9 g·m-2氮输入量最有利于碱蓬的生长.可见,淹水深度的变化对碱蓬的生长起到决定性的作用,在调水调沙等工程的实施过程中应注重淹水深度的把控.

随着生产建设活动的日益频繁,其产生的工程堆积体逐渐成为人为水土流失的主要来源.本研究选取风沙土和红土堆积体,通过室内模拟降雨试验,研究了不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min-1)和砾石含量(0、10％、20％、30％)条件下,两种土质工程堆积体坡面侵蚀过程中水沙关系和侵蚀水动力特征的变化.结果 表明:风沙土堆积体产沙率随时间呈波动式增大趋势;红土堆积体在1.0 mm·min-1雨强时先增大后逐渐稳定,其他雨强则迅速下降后呈波动变化的趋势,且雨强越大、砾石含量越小,波动越剧烈.风沙土堆积体在0和10％砾石含量时存在坡面细沟侵蚀,细沟侵蚀阶段的产沙率是片蚀阶段的6.74～57.40倍;红土堆积体坡面侵蚀过程可划分为松散颗粒侵蚀阶段和土石侵蚀阶段,松散颗粒侵蚀阶段产沙率是土石侵蚀阶段的1.05 ～ 3.49倍.两类堆积体产沙率均随雨强增大而增大,1.0和1.5 mm·min-1雨强时产沙率随砾石含量增大而波动变化,雨强＞1.5 mm·min-1时则随砾石含量增大而减小,相同条件下,风沙土堆积体产沙率是红土的1.45～ 4.14倍.风沙土堆积体侵蚀过程中水沙关系由水大沙少向水大沙多转变,而红土堆积体则呈相反变化:水大沙多时期,风沙土堆积体产沙增速是红土堆积体的1.94～37.60倍;水大沙少时期,红土堆积体产沙减速是风沙土的1.40～21.30倍.总体上,径流功率在描述两类堆积体侵蚀动力过程方面优于径流剪切力,临界径流功率均随砾石含量增大而增大,其中,风沙土堆积体在细沟侵蚀阶段的临界径流功率(0.02～0.04 W·m-2)是片蚀阶段的2倍,且两阶段临界径流功率均低于红土堆积体.本研究结果可为工程堆积体侵蚀预测模型的建立提供科学参考.

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善.基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度(0、50％、100％)和分布方式(坡上分布、坡下分布、均匀分布)的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化.结果表明:使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优.不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段:初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态.产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异.相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差.总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量(从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm)和侵蚀量(从118.97 g/m2到237.57-597.90 g/m2再到1400.29 g/m2),土壤水分得到更好的保蓄.从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗.坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水.权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度(本研究为110 g/m2)且集中分布在出口附近的植被格局.

植被对坡面产流产沙过程的影响随植被类型及其垂直结构组分的变化而变化,然而这些因素如何影响坡面水沙过程却缺乏定量分析.利用野外径流小区和人工模拟降雨试验,研究了黄土丘陵区3种典型灌草(沙棘、柠条、苜蓿)及其不同垂直结构组分(叶、茎、枯落物、根系)对坡面产流和产沙过程的影响.结果 表明:3种灌草均具有较好的减流减沙效益,且减沙作用强于减流作用,与裸地相比,灌草植被减少径流量32.49％--44.86％,减少侵蚀量72.99％--80.63％,降低坡面流速29.17％--45.83％.苜蓿的减流效益最佳,为44.86％,柠条的减沙效益最佳,为80.63％.3种植被的减流效益在不同产流时期差异明显,从产流初期到中期和后期逐渐减少,减沙效益在不同产流时期则没有明显变化.植被垂直结构不同组分对于减流减沙效益的相对贡献与其形态特征以及其空间分布方式有着密切的关系.地上部分对于减流效益和减速效益有较大的相对贡献率,平均为75.42％和68.38％,而不同植被茎、叶和枯落物的相对贡献具有一定的差异.根系则发挥较大的减沙作用,平均相对贡献为78.44％.植被垂直结构组分越完整,减流减沙效益越显著.研究对黄土丘陵区水土保持、植被恢复和建设提供重要的科学依据和理论指导.

受自然及人为活动的影响,黄河三角洲水沙条件存在较大变化,由此带来的外源营养物质增加对潮滩湿地植被生长及元素吸收利用具有重要的影响.为此采用3因素4水平的正交试验,以黄河口滨岸潮滩湿地先锋物种碱蓬(Suaeda salsa)为研究对象,利用巧N示踪技术,研究了水沙条件及氮输入对碱蓬和土壤15N吸收特征的影响.结果 表明:淹水深度、泥沙沉积及氮输入对土壤全氮含量的影响不显著,但外源氮输入对土壤15N固持量(Ndff)和比例(Ndff％)的影响达到显著水平,且最大值(10.44 mg/kg和3.83％)均出现在W4S2N3(30 cm淹水+3 cm泥沙沉积+6 g/m2氮输入)处理;碱蓬叶和茎中全氮含量、15N吸收量(Ndff)及比例(Ndff％)在深淹水和泥沙沉积处理时较大,而根中全氮含量、Ndff及Ndff％在高氮输入较大.且根Ndff和Ndff％最大值(1.10 mg/kg和18.21％)在W1S4N4(2 cm淹水+12 cm泥沙沉积+9 g/m2氮输入)处理时取得,此时碱蓬的生长情况最好,表明适当的淹水和泥沙埋深以及高氮输入(9 g/m2)有利于根系对外源氮的吸收,从而促进植株的生长.由此可见,在黄河三角洲水沙变化大的背景下,淹水、泥沙沉积和外源氮输入的适当把控,可促进碱蓬对外源氮的吸收利用而有助于其生长,从而对维护黄河三角洲潮滩湿地的健康具有重要作用.