“自然-人为”耦合驱动的流域水沙运移尺度效应及其尺度依存

A number of researchers from home and abroad have revealed the fact that runoff and sediment delivery in watersheds have significant characteristics on scale effect. Currently, scale effects on runoff and sediment delivery are studied mostly at continuous scales of watersheds. Moreover, factors of driving forces on runoff and sediment delivery are focused on factors related to land use change. This project intends to investigate scale effect variation on runoff and sediment delivery under ‘natural-artificial’ coupling drive in typical multi-scale watersheds, and to explore variation of processes, such as climate change, land use change, runoff and sediment delivery and their co-variation mechanism. In addition, on the basis of quantitative assessment on the effect of climate change and human activities on sediment delivery, a number of new watersheds in the Loess Plateau will be selected to study, with the aim of revealing characteristics of scale effect at discrete scales. Also, it will be distinguished that similarities and differences of scale effect and their scale-dependence domains between continuous and discrete scales. Furthermore, based on dependence of sediment delivery ratio on scale and its fractal characteristics, the scale-up/down approaches of sediment delivery are planning to discuss at certain scales. This study has important theoretical significance on systematic understanding of scale effect on erosion and sediment delivery in loess areas and also on scientific assessing the effect of ‘natural-artificial’ coupling drive and enriching scale-up/down approaches of sediment delivery and hydrological processes. Meanwhile, this study has important practical significance on guiding regional land management and planning as well as comprehensive control measures and allocation.

流域水沙运移具有明显的尺度效应特征，这已被国内外众多研究者揭示。目前，流域径流和输沙的尺度效应研究多为连续尺度上，且径流和输沙变化的驱动因素研究集中的土地利用变化方面。本项目拟以多级尺度典型流域为研究对象，开展“自然-人为”耦合作用下的流域水沙运移的尺度变异规律研究，探究气候变化、土地利用变化、径流和输沙过程变化等几个过程突变规律和协同变化机制；在定量评估气候变化和人类活动对侵蚀产沙作用份额的基础上，通过扩展研究区域，揭示黄土区流域在离散尺度上的尺度效应，辨析连续尺度与离散尺度的尺度效应异同和各自尺度依存的尺度域；基于流域泥沙输移尺度依存和分形特征，探讨一定尺度域内侵蚀产沙的尺度转换途径。该研究对于系统认识黄土区流域侵蚀产沙过程的尺度效应、科学评价自然-人为作用对其贡献率以及丰富水文过程尺度转换途径研究具有重要理论意义，同时对指导区域土地管理与规划以及综合治理措施配置有重要现实意义。

流域水沙运移具有明显的尺度效应，目前流域径流和输沙尺度效应研究多为连续尺度，且水沙变化驱动因素研究多集中于土地利用变化方面。本项目以多尺度流域为对象，以流域水沙来源（输入）—侵蚀产沙输移机制与尺度效应（驱动）—水保措施水沙效应评估（输出）—水保措施优化配置（调控）为主线，开展了“自然-人为”耦合驱动的流域水沙来源分析及其运移尺度效应研究，取得的成果如下： . （1）方法与技术方面，提出了连续尺度流域泥沙来源确定方法与技术，突破传统只能测算单坝控制流域泥沙来源的瓶颈；提出了场次侵蚀性降雨覆盖范围及其不确定性的研究方法，分析了黄土高原次降雨在时间、空间上分布的不确定性及暴雨集中分布区空间异质性；提出了基于径流侵蚀功率与地貌分形量化技术的多尺度流域暴雨侵蚀产沙模拟技术。. （2）过程与机理方面，首先，定性和定量评价了淤地坝工程减蚀效应；明确了“坡改梯”的水土保持功效在于通过改变坡度和坡长来降低水流侵蚀功率，提出土壤侵蚀临界坡度与各临界坡长对应的临界坡度；构建了不同黄土高原不同侵蚀类型区林草覆盖率~产沙指数，提出了不同类型区遏制产沙的覆盖率阈值。其次，辨析了流域水沙过程在连续和离散尺度上的尺度效应及其异同性。定量评估了自然-人为因素对流域侵蚀产沙作用的贡献，即对于中尺度流域人类活动对径流和输沙的贡献率分别约为75~85%和70~80%。另外，以无定河“7•26”极端暴雨事件为例，揭示了各地类与不同治理度流域对极端降雨事件的响应特征与水土保持成效。揭示了流域泥沙输移比的尺度依存特征，构建了泥沙输移比的及尺度推绎方法。. （3）推广应用方面，提出了坝控流域“随淤即用”技术下的水沙资源调控方法与多尺度流域不同土地覆被类型与沟壑工程空间对位配置模式。. （4）推动科技进步方面，构建了多尺度流域水沙变化基础数据库，形成的代表性成果获得2016年度省部级一等奖，获得国家发明专利3项，发表论文11篇（SCI/EI 7篇），推动了水土保持与河流泥沙交叉领域的学科发展。