1960年至2020年间，黄土高原上一对流域中，洪水事件尺度下径流与沉积物之间的关系及其对水土保持措施的反应

《CATENA》：Response of runoff -sediment relationship at flood event scale to soil and water conservation measures from 1960 to 2020 in a paired watershed on the Loess Plateau

径流-泥沙关系演变及驱动机制研究：基于黄土高原典型配对流域1960-2020年观测数据，揭示工程措施（梯田、淤地坝）与植被恢复协同作用对洪涝事件中泥沙输运机制的影响。结果表明，工程措施使洪水频率减少56%，泥沙产量降低92%，形成简单逆时针滞后环；植被恢复进一步弱化径流-泥沙敏感性，滞后环复杂化程度提升，显示泥沙源从坡面迁移至沟道沉积再悬浮模式转变。研究为黄土高原水土保持优化提供理论支撑。

　　在研究流域水文过程与土壤侵蚀之间的关系时，特别是在黄土高原这一典型区域，我们需要深入理解这些关系在洪水事件尺度上的演变机制及其驱动因素。黄土高原是中国乃至全球最严重的水土流失地区之一，其地形破碎、土壤松散，使得洪水事件中水沙关系的变化尤为显著。本文通过分析两个配对流域——即管理流域（九洋沟流域）和未管理流域（裴家峁流域）在1960年至2020年间共129次洪水事件的观测数据，探讨了不同阶段的水土保持措施对水沙关系的影响。研究重点包括基准期（1960–1969）、工程效益期（1991–2000）以及工程与植被恢复协同效益期（2011–2020）这三个关键时期。

### 一、水沙关系的演变与水土保持措施的作用

在基准期，九洋沟流域和裴家峁流域的水沙关系表现出较强的线性特征，其相关系数（R2）均高于0.95，这表明在未受人为干预的情况下，洪水的水文特征与泥沙输出之间具有显著的相关性。然而，随着工程措施的实施，这种线性关系逐渐被削弱。在工程效益期，九洋沟流域的洪水频率减少了56%，泥沙输出减少了92%，而裴家峁流域的洪水频率和泥沙输出也显著下降，但其降幅较小，显示出管理措施对水沙关系的调节效果存在差异。这一时期，九洋沟流域由于实施了大量检查坝和梯田等工程措施，其洪水的泥沙浓度和总量显著降低，反映出工程措施在减少泥沙输入和抑制洪水过程中的关键作用。

进入工程与植被恢复协同效益期后，九洋沟流域的水沙关系进一步稳定，泥沙输出和洪水强度的波动幅度显著缩小。尽管植被恢复在这一阶段对泥沙输出的抑制作用逐渐显现，但九洋沟流域的泥沙输出仍然高于基准期，显示出工程措施的长期效果可能受到其结构老化和维护不足的影响。与此同时，裴家峁流域在植被恢复后泥沙输出和浓度均有所下降，但仍然高于九洋沟流域，这表明在缺乏系统工程措施的背景下，植被恢复对水沙关系的调控作用相对有限。此外，研究还发现，工程措施和植被恢复在不同阶段对洪水过程的响应机制有所变化，特别是在极端降雨事件中，工程措施能够有效拦截泥沙，减少其输送路径，从而显著降低泥沙输出。而植被恢复则通过提高地表渗透能力、增加土壤结构稳定性、增强地表粗糙度等手段，降低泥沙对洪水的敏感性。

### 二、水沙关系的动态变化与植被恢复的影响

研究进一步揭示了植被恢复对水沙关系的深远影响。在基准期，洪水事件中泥沙输出对水文过程的响应较为直接，泥沙浓度的变化与洪水强度和持续时间密切相关。然而，随着植被恢复的推进，泥沙浓度对洪水的敏感性显著下降，尤其是在工程与植被恢复协同效益期，这种变化更加明显。植被恢复不仅减少了地表径流的产生，还通过增加地表覆盖和土壤结构稳定性，降低了泥沙的可输性。此外，植被恢复还改变了泥沙的来源，使得泥沙主要来源于沟谷沉积物的再悬浮，而不是坡面直接侵蚀。

值得注意的是，植被恢复的实施对水沙关系的影响并非一蹴而就，而是需要一定时间才能显现。在工程效益期，虽然九洋沟流域的泥沙输出显著减少，但其变化仍受到工程措施的主导。然而，随着植被恢复的推进，九洋沟流域的泥沙输出开始出现一定程度的反弹，这可能与部分工程设施老化、维护不足以及植被恢复对泥沙的抑制效果逐渐减弱有关。这种变化表明，水土保持措施的长期有效性不仅取决于单个措施的规模和强度，还与不同措施之间的协同作用密切相关。

### 三、水沙关系的滞后性与极端降雨事件的响应

在极端降雨事件中，水沙关系表现出明显的滞后性，这与洪水过程的动态特性密切相关。研究通过分析水沙滞后曲线（hysteresis curves）发现，九洋沟流域在工程效益期和工程与植被恢复协同效益期的滞后曲线呈现出复杂的形态，如“八”字形或非线性特征。这种变化反映了泥沙来源的转变，即从坡面侵蚀主导转变为沟谷沉积物再悬浮主导。在极端降雨事件中，由于地表径流的快速形成和沟谷的侵蚀加剧，泥沙输出的峰值往往滞后于洪水峰值，这种滞后性在滞后曲线中表现为“八”字形或复杂型。而在未管理的裴家峁流域，由于缺乏有效的水土保持措施，泥沙输出与洪水的响应更加直接，滞后曲线多为单向逆时针型，表明泥沙输出对洪水的响应具有较强的即时性。

### 四、水沙关系的调控机制与未来研究方向

从整体来看，水土保持措施对水沙关系的调控效果主要体现在以下几个方面：首先，工程措施显著降低了洪水频率和泥沙输出，提高了流域的稳定性；其次，植被恢复降低了泥沙浓度对洪水的敏感性，使得泥沙输出更趋于稳定；最后，工程与植被恢复的协同作用改变了泥沙输送路径，使得泥沙主要来源于沟谷沉积物的再悬浮，而不是坡面直接侵蚀。这种变化不仅影响了水沙关系的形态，也对流域生态系统的稳定性产生了深远影响。

然而，水土保持措施的长期效果仍需进一步关注。一方面，工程措施的维护和更新是保持其有效性的重要前提；另一方面，植被恢复的可持续性也取决于其实施范围和强度。此外，不同措施之间的协同效应和空间耦合关系也是未来研究的重要方向。例如，检查坝和梯田的联合使用是否能够更有效地减少泥沙输出，植被恢复是否能够弥补工程措施老化带来的影响，这些都需要进一步探讨。

### 五、研究的意义与实际应用价值

本研究不仅揭示了水土保持措施对水沙关系的调控机制，还为黄土高原的流域管理和生态修复提供了重要的科学依据。通过对比管理与未管理流域的水沙关系变化，可以更清晰地理解不同措施对水沙输出的调控效果，从而为优化水土保持措施和生态恢复策略提供参考。此外，研究还强调了在极端降雨事件中，水沙关系的滞后性对流域响应机制的影响，这对于预测未来气候变化下的水沙动态具有重要意义。

从实际应用的角度来看，本研究的结果可以为流域管理提供指导。例如，在洪水频发的区域，优先实施工程措施可以有效减少洪水频率和泥沙输出，提高流域的稳定性。而在植被恢复的实施中，应考虑不同地形条件下的适应性，确保植被恢复措施能够持续有效地抑制泥沙输出。此外，对于已经实施的工程措施，应加强维护和更新，以延长其使用寿命，提高其在极端降雨事件中的应对能力。

### 六、总结与展望

综上所述，水土保持措施对水沙关系的调控效果显著，但其效果受到时间、空间和措施类型的影响。工程措施在短期内能够有效减少洪水频率和泥沙输出，而植被恢复则通过改变地表特性，降低泥沙对洪水的敏感性。然而，随着时间推移，部分工程措施可能因老化或维护不足而失去其原有的调控能力，因此，必须加强工程设施的维护和更新。同时，植被恢复的长期效果也需要进一步评估，以确保其能够持续发挥对水沙关系的调控作用。

未来的研究应更加注重多尺度、多变量的综合分析，结合高分辨率监测数据和模型模拟，深入探讨不同水土保持措施在极端降雨事件下的相互作用和协同效应。此外，还应关注气候变化对水沙关系的潜在影响，评估未来极端降雨事件频率增加的背景下，水土保持措施是否仍能有效维持流域的生态稳定。通过这些研究，可以为黄土高原乃至其他类似流域的水土保持和生态修复提供更加科学的依据，从而实现可持续的水资源管理和生态环境保护。