濑溪河流域存在严重的水力侵蚀,同时伴随着水土流失分布点多线长面广的特点.而现有模型几乎只考虑了流域尺度上的坡面和河流侵蚀过程,或者是坡面和流域尺度的基本结合,导致对土壤侵蚀全过程的物理模拟产生高度不确定.为此提出不同尺度模型相互耦合的水土流失监测体系,从三级顺序"坡-沟-河"结构,全面反演流域水沙的时空动态迁移过程.基于多模型耦合体系的流域应用表明:①单一模型在濑溪河流域都表现出良好的适用性和准确性.RUSLE模型预测结果与实际侵蚀规律高度吻合,SWAT模型参数率定的纳什效率系数(NSE)和决定性系数(R2)均达到0.6以上,模拟预测结果鲁棒性较好.②不同侵蚀模型的特征反演相互关联程度都达到极显著相关水平.WEPP和SWAT模型间R2为0.96,RUSLE和WEPP模型间R2为0.77,RUSLE和SWAT模型间R2为0.58,分析表明坡面、细沟和河道尺度下的侵蚀物理过程是紧密耦合的.③多模型耦合的水土流失全过程风险评价较单一模型更为全面.通过对土壤侵蚀物理过程的空间耦合,实现流域土壤侵蚀、细沟冲刷和河道沉积等相关侵蚀过程的整体性评价,利于从不同尺度全面反演流域水沙输移的时空动态迁移过程和预测侵蚀风险发生规律.

针对黄河水沙调控过程对黄河流域元素循环的影响问题,选择2012年黄河水沙调控过程中河水硫酸盐作为研究对象,借助硫酸盐硫和氧同位素来识别河水硫酸盐以及排沙过程泥沙水中硫酸盐来源.结果表明,三门峡水文站河水硫酸盐硫和氧同位素值范围分别为7.9‰～12.5‰(均值为10.1‰)和4.8‰～8.4‰(均值为7.1‰),小浪底水文站河水硫酸盐硫和氧同位素值范围分别为8.5‰～9.1‰(均值为8.6‰)和5.6‰ ～ 7.4‰(均值为6.6‰),花园口水文站河水硫酸盐硫和氧同位素值范围分别为8.7‰～ 12.0‰(均值为10.0‰)和6.5％‰ ～ 8.5‰(均值为7.7‰);黄河水沙调控期间泥沙水硫酸盐硫和氧同位素值随着泥沙含量增加而逐渐降低,显示水库底部沉积物中硫化物和有机硫氧化产生硫酸盐进入河水,这种趋势在三门峡以及小浪底水库水沙调控期间表现明显,但花园口水文站则不明显,可能与伊洛河和沁河支流汇入有关;黄河水沙调控期间河水溶解性硫酸盐重要来源包括石膏溶解、硫化物和有机硫氧化以及生活污水等;黄河水沙调控过程影响河流硫循环过程,导致沉积物中硫化物氧化产生硫酸盐,进而增加下游硫酸盐的输出通量,三门峡水库泥沙排泄引起硫酸盐增加的比例约占24.2％,小浪底水库泥沙排泄引起硫酸盐增加的比例约占8.8％.研究结果为黄河流域人工水沙调控工程对河流元素循环的影响研究提供科学依据.

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.

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.

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.

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.

三峡水库的运行,改变了其坝下游的水沙情势,使坝下游沙洲生境呈现出明显的水淹强度梯度变化.阐明这一梯度变化下沙洲植被组成、分布和性状结构特征,是理解植被与沙洲稳定关系的基础,更是阐明三峡工程对长江中下游地区生态环境影响的核心内容之一.选取上荆江河段第一个江心洲—太平口心滩作为研究样地,通过植被组成和分布特征的调查,对不同水淹强度下群落物种组成、多样性和功能特征进行了深入分析.结果 表明:太平口心滩植被组成以草本植物为主,稀布小型灌木川三蕊柳.调查共记录物种21科33属39种,以禾本科和菊科植物为主要优势种.轻微(20-40 d)和极强水淹强度(100+d)条件下的生境物种组成同其他水淹强度生境具有显著性差异,轻微水淹强度下牛鞭草和节节草为主要优势种,极强水淹强度下虉草为主要优势种.不同水淹强度下物种多样性指数差异显著,功能多样性指数和生物多样性指数趋势基本一致.随着水淹时间的延长,植被更倾向于表现出花果期位于出露期、植株高度更加低矮、须根系、进行营养繁殖的功能性状.江心洲植被的群落结构和功能性状特征都在水淹梯度下呈现出明显的梯度变化特征.这些研究结果表明水淹强度的梯度变化是沙洲植物群落变化的重要驱动因子,为进一步研究沙洲植物群落动态变化以及沙洲植被协同演替机制,明晰大坝影响下的生态环境变化提供重要依据.

黄土高原水土流失治理和退耕还林(草)等生态环境建设,对不同植被类型区和治理度下的水沙过程均产生了深刻的影响.以北洛河流域为例,基于1952-2019年实测水文数据,采用水文统计法,对比分析了上、中、下游等不同地貌和植被类型区生态恢复对水沙数量、径流调节、影响因素贡献等的影响及其差异.结果显示:(1)上、中、下游年均径流深分别为30、23、21 mm,产沙量为0.6、0.05、-0.02亿t.中游年均产流量占流域总水量的51％,上游年均产沙量占流域总沙量的90％以上.(2)上、中、下游径流深极显著减少,减少率分别为-0.28、-0.16、-0.43 mm/a;上游产沙量以0.02亿t/a速度极显著降低,中、下游产沙量不显著减少.(3)上、中、下游的削洪、补枯程度逐年代增加,与20世纪60年代比,21世纪10年代洪水期流量(Q5)分别减少了 63％、45％、60％,上游枯水期流量(Q95)增加了 68％,中游20世纪80年代枯水期开始产流.(4)与20世纪60年代比,上、中、下游21世纪10年代人类活动对产流量减少的贡献率分别为94.7％、26.7％、60.7％,而对产沙量减少的贡献率均大于85％.结果表明,植被盖度低但生态恢复程度大的上游,主要受人类活动因素影响,产流产沙量极显著减少,径流调节程度较高,产沙量越集中于暴雨过程;植被覆盖程度高但生态恢复程度小的中游,主要受气候因素主导,产流量明显减少,产沙量微弱降低,径流调节程度弱.水沙数量变化大小及径流调节功能程度,不仅受植被恢复程度的影响,还决定于区域植被盖度的大小.研究可为理解黄土高原的生态水文过程提供理论支撑.