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.

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.

刺槐是广泛分布于黄土高原的典型水土保持植物.以黄土丘陵区甘肃天水吕二沟小流域为研究区,分析了刺槐径向生长过程及其对气候因子的响应,并开展了利用刺槐年轮估算小流域年径流量、年输沙量的适用性评估.研究表明:(1)吕二沟刺槐人工林的径向生长随林龄呈明显的下降趋势,在幼龄林阶段(1-10 a)刺槐处于快速径向生长期((4.17±0.74)mm/a),之后逐渐下降,中龄林、成熟林、过熟林阶段(11-40 a)平均生长速率为(2.31±0.41)mm/a,较前期下降了 44.60％.刺槐胸高断面积增量(BAI)在1-10 a平均以(5.46±2.13)cm2/a的速度生长,在11-40 a仍保持上升趋势但年际间生长波动较大,生长速率平均为(10.80±1.95)cm2/a,流域刺槐生长并未发生明显衰退.(2)刺槐的径向生长与温度多呈负相关,与降水、相对湿度及帕默尔干旱指数(PDSI)多呈正相关.其中刺槐径向生长与上年8月、9月(P＜0.05)及当年7月均温、最高温呈显著负相关(P＜0.01),与当年5月最低温呈显著正相关(P＜0.05);与当年6月、7月降水量和上年8月、当年7月相对湿度呈显著正相关(P＜0.05),与当年3月相对湿度显著负相关(P＜0.05);与上年6月、上年10月—当年1月及当年3月—8月PDSI显著正相关(P＜0.05),干旱胁迫明显抑制流域刺槐生长.(3)1978-2017年吕二沟流域年径流量、年输沙量呈减少趋势,年际间波动较大,存在明显丰枯阶段.流域径流输沙受降水量影响显著,且径流输沙显著正相关(P＜0.001).(4)利用刺槐年轮估算吕二沟流域年径流量、输沙量效果良好(P＜0.02),方法可行.比较而言,相对自然条件下即人类干扰较少时径流输沙估算优于人类活动影响时期.利用树轮宽度反演水文过程可为缺乏水文观测资料区域提供参考.

了解土壤侵蚀和泥沙连通性的空间分布特征对制定流域综合管理措施具有重要作用.本研究以辽西低山棕壤丘陵区二道岭小流域为对象,基于InVEST泥沙输移比模型,引入连通性指数和土壤流失模型作为泥沙连通性和土壤侵蚀强度空间分布特征的衡量指标,通过探究不同泥沙连通性等级和土壤侵蚀强度下坡度、坡向和土地利用特征,分析地形、土地利用类型、泥沙连通性和土壤侵蚀之间的关系.结果表明:二道岭小流域泥沙连通性平均值为-3.79,平均土壤侵蚀量为614 t·km2·a-1;高连通性主要出现在坡耕地中,较低的连通性主要分布在林草地中;93.3％流域面积的土壤侵蚀强度在中度以下,极强烈以上侵蚀面积仅占流域面积的1.1％.泥沙连通性等级越高,＜5°坡度的面积所占比例越高,其余坡度的面积占比相对稳定;耕地面积占比增加,林草地面积占比减少;阴坡面积占比降低,阳坡面积占比增加.随着土壤侵蚀强度的递增,＜8°坡度的面积占比增加,其余坡度的面积占比相对稳定;林草地面积占比减少,其他土地利用面积占比增加;阳坡面积占比总体增加,阴坡面积占比总体降低.土地利用是影响该流域土壤侵蚀与泥沙连通性响应关系的关键因素.

滦河流域是京津冀地区重要的生态屏障和水源涵养区,但流域内仍存在水土流失、河流水质不达标等问题.基于实测资料及loadest模型等工具率定InVEST模型参数,定量评估了滦河流域各生态区2005、2010和2015年土壤保持和水质净化服务及其时空变化特征,采用相关分析和基于网格的Moran'I指数分析了两项服务的作用机理和权衡与协同关系的时空分异,并探讨了气候和土地利用变化对二者的影响.结果表明:2005年、2010年、2015年滦河流域年均土壤保持强度为136.45t/hm2,时间上呈现出先强增后微减的特点,空间格局表现为由西北向东南增加;流域总氮(TN)、总磷(TP)年均输出量分别为1526.73t/a和82.89t/a,输出量逐年增加且集中在流域中下游,流域整体水质净化能力有所减弱.流域内水体中TN、TP浓度与泥沙入河量具有显著相关性,土壤保持和水质净化服务关系整体上由协同向权衡转变,空间上的差异性表现为林地、草地集中区域(生态区A)多以协同关系为主,而农牧带交错地区(生态区B)多以权衡关系为主.建议未来滦河流域开展生态建设和管理工作时应统筹考虑土壤保持和水质净化服务,因地制宜协调二者关系,通过增强流域水土保持功能带动水质净化服务的提升,并优化土地利用布局,促进流域的生态环境高质量发展.

鸭池河水文站上游流域是乌江流域最大的产沙区,其产沙和向下游的输沙情况对流域输沙有重要影响,1959年以来流域上的产水、产沙以及输沙特性都发生了较大变化.本文以降雨、径流以及输沙的长历史资料为基础,分析了鸭池河流域水沙变化特性,并对这些变化的成因进行归纳.结果表明:流域降雨没有发生显著变化,但径流具有显著下降趋势;流域输沙量总体与径流量保持大水高沙的一致性,但1994年后的鸭池河水文站和2004年后的洪家渡水文站输沙发生巨变,前者输沙量减少约98.8％,而后者输沙量几乎接近于零.分析表明,流域径流的变化主要是由人类活动改变产汇流关系引起,尤其是2002年的径流突变与洪家渡水电站的运用密切相关;流域产沙变化则主要由人类活动改变下垫面引起,而输沙则集中体现在水库大坝对泥沙输运的阻断.1994-2014年淤积在上游各级水库中的泥沙量约为261.4百万t,而2004-2014年淤积在洪家渡水库内的泥沙量约为33.8百万t.

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.

农业非点源污染已成为全球重要的环境问题,模型是当前非点源污染研究的核心内容.为全面了解农业非点源污染SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型研究概况,并获得学科发展趋势、研究力量与研究热点,利用引文分析工具进行数据挖掘与科学知识图谱呈现.自1994年第1篇SWAT模型研究论文发表以来,论文数量呈逐年上升趋势:美国处于绝对领先的地位;中国发文量407篇,排名第2位,其中中国科学院与北京师范大学研究表现突出.研究热点主要集中在SWAT模型特点、模型演化、运算法则以及在农业非点源污染方面的应用.SWAT模型应用于国外各大流域以及我国众多流域研究.SWAT模型在农业非点源污染、泥沙产量、农药输移等方面研究得到了大量应用.未来我国应积极开展SWAT模型基础研究,并开发出适用于我国各地河流水域特点的组件,为流域管理与污染控制提供有效决策支撑与科学依据.