流域系统径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应

摘要

尺度问题在地貌过程及水文模拟研究中具有重要意义,以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟小流域为例,基于毛沟-支沟-千沟尺度序列典型水文站的实测径流泥沙数据,分析流域系统基于事件的径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应.结果表明:1)基于侵蚀链毛沟-支沟-干沟不同空间尺度的平均输沙模数、平均含沙量、最大含沙量分别依次为3 912、3 285、3 522 t/km2,497、524、679 kg/m3,639、634、800 kg/m3,且在流域系统中均保持空间上的不变性;2)与单一力学指标相比,引入洪峰流量项的水流功率、单位面积径流能量及水流能量等复合能量指标能更好地描述侵蚀链不同尺度内及尺度间水沙关系;3)侵蚀链的输沙量主要取决于径流量,而洪峰流量能更好地解释侵蚀链内不同尺度径流输沙的差异,在侵蚀输沙的预测变量中引入表征径流变率的指标会提高中小型产沙事件泥沙预报的可靠性;单位洪峰流量(增加1 m3/s)引起的输沙增量是单位径流量(增加1 m3)增沙作用的875倍以上,欲消除侵蚀链内上下游径流输沙的空间尺度效应,则需将对应的洪峰流量比调控至5‰以下,或将对应的径流能量比调控至600以下;4)侵蚀链内上游含沙水流对下游的泥沙输移影响有限,随流域面积增大,含沙水流的空间尺度效应降低,输沙模数＞300 t/km2的大型侵蚀产沙事件尤为明显.分析结果突出了流域系统径流侵蚀的过程特性和洪水调控可能引起的巨大减沙潜力.因此,针对高含沙水流,侵蚀链内泥沙调控及其水土保持措施的效益评估和功能评价亦应基于过程.研究结果可为全面揭示径流调控系统的水土保持意义、推动水土保持措施效益的精细化评估提供理论依据和科学支撑.