潘雅文, 馬文龍, 潘慶賓, 韓劍橋， 張勝男

(1.河南黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 鄭州 450003;2.西北農(nóng)林科技大學(xué), 陜西 楊凌 712100; 3.中國水利水電科學(xué)研究院國際泥沙研究培訓(xùn)中心, 北京 100048;4.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 5.中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100044)

流域侵蝕輸沙是水文現(xiàn)象中與人類生存最密切相關(guān)的過程之一，與耕地退化、水體污染和洪澇災(zāi)害等環(huán)境問題密切相關(guān)。侵蝕輸沙過程容易受到氣候、地形、地貌、土壤和植被等空間異質(zhì)環(huán)境要素的影響，土壤侵蝕空間分異和流域輸沙過程的尺度依存關(guān)系客觀存在。以人類活動為代表的強(qiáng)烈環(huán)境變化干擾了土壤侵蝕空間分布和水文泥沙的連通與輸移特征，增強(qiáng)了流域侵蝕輸沙的空間異質(zhì)程度，使得侵蝕輸沙過程的空間尺度特征更加復(fù)雜。流域侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)的研究有助于全面認(rèn)識流域水文循環(huán)和侵蝕輸沙過程，對水沙演變的定量解析和水沙預(yù)報(bào)具有重要作用[1-3]，是現(xiàn)階段水沙科學(xué)研究中的一個前沿與熱點(diǎn)問題。水文現(xiàn)象的空間尺度問題由來已久，隨著觀測和模擬手段的進(jìn)步和地球系統(tǒng)科學(xué)研究的需要，水文尺度效應(yīng)和尺度轉(zhuǎn)換從20世紀(jì)90年代迅速得到重視[4-5]。伴隨水文過程尺度效應(yīng)研究的興起，流域侵蝕輸沙過程的空間尺度效應(yīng)也展開了大量的研究，并在侵蝕過程空間異質(zhì)性和流域輸沙尺度效應(yīng)等方面取得了一定的成果。本文從坡面到流域，系統(tǒng)梳理侵蝕輸沙尺度效應(yīng)對環(huán)境要素響應(yīng)的研究成果，分析流域侵蝕輸沙過程空間尺度效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制的認(rèn)知，總結(jié)坡面產(chǎn)流和侵蝕輸沙尺度轉(zhuǎn)換的代表性方法，對流域侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)研究的發(fā)展趨勢進(jìn)行討論，并提出今后研究的方向與設(shè)想。

1 坡面產(chǎn)流的尺度效應(yīng)及影響因素

1.1 坡面產(chǎn)流尺度效應(yīng)

坡面產(chǎn)流的坡長效應(yīng)是其尺度效應(yīng)最重要的體現(xiàn)。坡面面積和承雨量隨坡長增加，坡面產(chǎn)流總量隨坡長而增加。付興濤等[6]發(fā)現(xiàn)大雨強(qiáng)條件下徑流隨坡長增加的效應(yīng)更顯著，二者間可用線性關(guān)系表述，王奇花等[7]也有相似的結(jié)論。相較于產(chǎn)流量，徑流深綜合考慮了坡面面積差異，能更有效地反映坡面產(chǎn)流強(qiáng)度的變化特征，徑流系數(shù)進(jìn)一步考慮了雨強(qiáng)差異，能更科學(xué)地反映坡面產(chǎn)流能力。關(guān)于坡面徑流深和徑流系數(shù)尺度效應(yīng)的研究存有一定爭論。坡面徑流深隨坡長的增加的規(guī)律變化較為復(fù)雜，有研究認(rèn)為[8]，坡面徑流深隨坡長的增加而增加，當(dāng)坡長大于80 cm時，徑流深增幅變緩；Asadzadeh等發(fā)現(xiàn)[9]，徑流深隨坡長的增加而降低，當(dāng)坡長達(dá)到10 m以上時，徑流深隨坡長的變化不再顯著。關(guān)于徑流系數(shù)的尺度效應(yīng)研究方面，有研究發(fā)現(xiàn)[10]，隨著坡長增加，徑流系數(shù)先增加后減小，坡面長度在15 m左右時徑流系數(shù)最大；Chen等[11]發(fā)現(xiàn)，坡面徑流系數(shù)隨坡長的增加而減小，當(dāng)坡面空間尺度小于10倍的元面積時，徑流系數(shù)的減小更明顯；有研究認(rèn)為[12]，隨坡長的增加，徑流系數(shù)出現(xiàn)增加—減小—增加或周期性的變化特征。表1列出了坡面徑流深和徑流系數(shù)坡長效應(yīng)的典型研究及數(shù)學(xué)表達(dá)，大量研究認(rèn)為徑流深和徑流系數(shù)隨坡長的增加而減小[13-15]，少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)坡面徑流深隨坡長增加而增加[8]。坡面徑流深隨坡長變化趨勢的差異可能與具體試驗(yàn)條件有關(guān)，認(rèn)為徑流深隨坡長增加而增加的相關(guān)論文[8,16-17]，多以人工模擬降雨的形式進(jìn)行，并且試驗(yàn)小區(qū)無覆蓋。在裸露坡面和大強(qiáng)度降雨組合條件下，坡面徑流更易攜帶細(xì)顆粒泥沙充填下坡向土壤表層孔隙，造成土壤入滲能力的降低而增加坡面產(chǎn)流，最終造成坡面徑流深隨坡長而增加的現(xiàn)象[17]?？傮w而言，尺度轉(zhuǎn)換方程在不同的邊界條件下并非固定的，轉(zhuǎn)換方程參數(shù)也會受降雨條件、土壤入滲和坡面特征等外界因素的影響[18-19]。目前關(guān)于坡面產(chǎn)流尺度轉(zhuǎn)換方程的研究多基于試驗(yàn)觀測，以回歸分析的方法建立產(chǎn)流參數(shù)與坡長的數(shù)學(xué)關(guān)系。由于樣本數(shù)量有限，不同形式方程容易產(chǎn)生較接近的擬合優(yōu)度。因此，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)不同條件下產(chǎn)流能力隨坡長變化的機(jī)理性認(rèn)識，以期從理論上解析坡面產(chǎn)流尺度效應(yīng)的形成原因。

表1 坡面徑流深和徑流系數(shù)尺度效應(yīng)的典型研究結(jié)論與轉(zhuǎn)換方程

1.2 坡面產(chǎn)流尺度效應(yīng)影響因素

地表產(chǎn)流決定于降雨和土壤入滲的平衡，降雨強(qiáng)度[6,21-22]、雨型[23]和降雨時長[18,24]等降雨特征會影響坡面流匯集而影響產(chǎn)流的尺度效應(yīng)。王秀穎等模擬降雨結(jié)果表明[22]，小雨強(qiáng)條件下坡面產(chǎn)流的坡長效應(yīng)更強(qiáng)，大雨強(qiáng)條件下坡長效應(yīng)減弱。方海燕等發(fā)現(xiàn)[23]，在黃土高原地區(qū)，短歷時強(qiáng)降水條件下，坡面徑流系數(shù)隨坡長先增加后減小，長歷時弱降水條件下，徑流系數(shù)隨坡長的增加而增加。Wu等[18]研究發(fā)現(xiàn)，隨降雨時長的延長，土壤入滲能力降低，坡面產(chǎn)流的尺度效應(yīng)減弱。坡面特性與植被覆蓋類型也對產(chǎn)流的坡長效應(yīng)產(chǎn)生影響。土壤飽和導(dǎo)水率存在較強(qiáng)的空間變異性，坡面尺寸的增大會增加強(qiáng)入滲點(diǎn)出現(xiàn)的可能性，從而造成坡面越大相對入滲量越大的現(xiàn)象[25]。Meghdad研究發(fā)現(xiàn)[20]，與壤土相比，黏土坡面產(chǎn)流的尺度效應(yīng)更強(qiáng)。植被覆蓋影響坡面入滲，從而影響產(chǎn)流的尺度效應(yīng)。付興濤的試驗(yàn)結(jié)果表明[16]，裸露坡面和坡耕地的坡面徑流深隨坡長的增加而增加，經(jīng)濟(jì)林坡面徑流深則隨坡面的增長而減小。Mariano發(fā)現(xiàn)[13]，在不同植被蓋度條件下，坡面產(chǎn)流都隨坡長的增加而減小，隨著植被蓋度的增加，坡面產(chǎn)流隨坡長減小的幅度減弱，Mounirou等[26]研究也發(fā)現(xiàn)退化程度嚴(yán)重的坡面，產(chǎn)流的尺度效應(yīng)更強(qiáng)烈。人類活動和自然災(zāi)害的干擾也會對坡面產(chǎn)流的尺度效應(yīng)造成影響，如Langhans的研究表明[27]，少耕條件下農(nóng)田坡面產(chǎn)流的尺度效應(yīng)可比正常翻耕條件下強(qiáng)15%。Kasraie[28]在澳大利亞火燒跡地的觀測表明，火后坡面產(chǎn)流尺度效應(yīng)增強(qiáng)，大孔隙流是造成火后跡地坡面產(chǎn)流尺度效應(yīng)的最重要因素；Prats等發(fā)現(xiàn)[29]，火災(zāi)后不同恢復(fù)年限條件下，坡面產(chǎn)流的尺度效應(yīng)不同，火后土壤斥水性和持水能力的改變是造成產(chǎn)流尺度效應(yīng)的主要原因?？偨Y(jié)而言，坡面產(chǎn)流尺度效應(yīng)受到降雨、土壤、地表覆蓋和外界干擾等多環(huán)境要素的影響，未來研究應(yīng)加強(qiáng)多要素組合條件下的尺度效應(yīng)試驗(yàn)與觀測，增加對外界環(huán)境干擾條件下尺度效應(yīng)變化成因的解釋，以進(jìn)一步支持產(chǎn)流尺度效應(yīng)的機(jī)制研究。

2 坡面侵蝕過程的尺度效應(yīng)

2.1 坡面侵蝕尺度效應(yīng)

與產(chǎn)流類似，坡長效應(yīng)是坡面侵蝕過程空間尺度效應(yīng)的最主要體現(xiàn)[30]。關(guān)于坡面侵蝕強(qiáng)度對坡長增加的響應(yīng)特征方面，目前已經(jīng)開展大量的研究，但尚無確定的研究結(jié)論。有研究認(rèn)為土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡長的增加而降低[31-34]，如，Yair等研究發(fā)現(xiàn)[34]，在干旱地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡長的增加而降低，將其歸因于不同坡長坡面徑流匯集難易程度的不同。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)坡面侵蝕強(qiáng)度隨坡長增加表現(xiàn)為先增加后基本穩(wěn)定或減少的特征。如，Parsons[32]采用2～27.78 m的試驗(yàn)小區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)沙量先隨坡長的增加而增加，后劇烈減少，7 m坡長對應(yīng)最大的產(chǎn)沙量，Ghahramani等[35]在森林覆蓋坡面也取得了相似結(jié)論，發(fā)現(xiàn)坡長在10 m以下時侵蝕強(qiáng)度隨坡長的增加而增加，并認(rèn)為枯枝落葉層在坡面下部的累積造成泥沙的沉積，從而減輕坡面下部的侵蝕。蔡強(qiáng)國等[36]在黃土高原子洲地區(qū)20～60 m坡長的小區(qū)監(jiān)測結(jié)果表明，土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡長的增加有先增強(qiáng)后基本穩(wěn)定的趨勢，坡長在20 m左右達(dá)到最大的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度。Koomson等[37]在肯尼亞地區(qū)20～84 m農(nóng)田小區(qū)的觀測發(fā)現(xiàn)，農(nóng)地土壤流失隨坡長增加而增加，土壤侵蝕急劇增加的臨界坡長大致在50 m左右。鄭粉莉和唐克麗[38]發(fā)現(xiàn)，坡耕地侵蝕量隨坡長的增加強(qiáng)弱波動交替，整體無規(guī)律性變化。綜合上述，目前關(guān)于侵蝕強(qiáng)度隨坡長增加的變化趨勢方面尚無定論，但多數(shù)的研究認(rèn)為坡面侵蝕強(qiáng)度隨坡長增加表現(xiàn)出先增加后基本穩(wěn)定或減少的特征。

表2列出了部分典型研究中關(guān)于土壤侵蝕強(qiáng)度坡長效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)，然而所列研究的坡長范圍有限，難以完整反映侵蝕強(qiáng)度隨坡長的非單調(diào)變化特征，此外，表中二者之間數(shù)學(xué)關(guān)系的建立也多是經(jīng)驗(yàn)性的回歸關(guān)系，不同的學(xué)者給出線性函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)等不同形式。侵蝕強(qiáng)度隨坡長增加變化趨勢的不同主要由侵蝕尺度效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制所決定，與侵蝕產(chǎn)沙和輸沙能力的平衡密切相關(guān)，目前關(guān)于該方面的研究也有不同假說。Bagio等[39]認(rèn)為坡長越長，承雨面積越大，徑流量和流速增加，共同增強(qiáng)了徑流的侵蝕和輸移能力。陳永宗和景可等[40]總結(jié)認(rèn)為關(guān)于侵蝕的坡長效應(yīng)大致有3種觀點(diǎn)：一是認(rèn)為隨坡長增加，坡面徑流含沙量不斷增加，水流能量更多消耗于泥沙搬運(yùn)，侵蝕減弱；二是，隨坡長增加，坡面流水深增加，坡面流造成的侵蝕量也相應(yīng)增加，坡長與侵蝕量間呈指數(shù)關(guān)系；三是，隨坡面向下水量的增加，侵蝕加劇，徑流含沙量增加，水體能量主要為泥沙負(fù)荷消耗，侵蝕又減弱，二者相互消長，造成侵蝕從上坡向下坡基本保持不變。張樂濤和李占斌[41]分析了岔巴溝不同大小徑流小區(qū)的產(chǎn)沙后認(rèn)為，坡面系統(tǒng)侵蝕輸沙模數(shù)和徑流泥沙含量均表現(xiàn)出隨空間尺度增加而增大的趨勢，坡面系統(tǒng)不同尺度間輸沙量的差異主要取決于徑流總量的變化。坡面侵蝕的坡長效應(yīng)也可能歸結(jié)為侵蝕地貌形態(tài)演變和侵蝕鏈的形成。在多侵蝕力和抗蝕力的相互作用下，坡面侵蝕地形不斷演化，彼此關(guān)聯(lián)、有序排列形成鏈狀結(jié)構(gòu)，在坡面不同部位對應(yīng)侵蝕地貌的不同發(fā)展階段，鏈內(nèi)細(xì)溝、淺溝和切溝之間的水動力侵蝕機(jī)制也不同[42-43]，不同坡長條件下，侵蝕地形發(fā)育形態(tài)和侵蝕劇烈程度的差異而造成侵蝕的坡長效應(yīng)。Parsons等[44-45]提出，觀測的產(chǎn)沙量是獨(dú)立的顆粒經(jīng)過一定距離傳輸?shù)慕Y(jié)果，表層的顆粒分布并不均勻，在顆粒傳輸與交換的過程中，大的土壤顆粒被二次搬運(yùn)的可能性小于細(xì)顆粒，因此造成細(xì)顆粒不斷替換大顆粒，造成細(xì)顆粒含量隨坡長增加越來越多，侵蝕搬運(yùn)的總沙量減少。然而，坡面土壤侵蝕不是單純的松散顆粒起動傳輸過程，土壤自身具有粘結(jié)特征，土粒的分散也會造成徑流能量的耗散。因此，坡面侵蝕坡長效應(yīng)的形成主要是徑流侵蝕能力和搬運(yùn)能力平衡的表現(xiàn)，如何綜合從能量耗散的角度去解析坡面侵蝕過程與輸沙過程對尺度效應(yīng)的綜合作用是土壤侵蝕坡長效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制解析的關(guān)鍵。

表2 坡面侵蝕強(qiáng)度尺度效應(yīng)研究的典型結(jié)論與轉(zhuǎn)換方程

2.2 坡面侵蝕尺度效應(yīng)的影響因素

與產(chǎn)流相比，侵蝕過程更加復(fù)雜，所受影響因素更多，其尺度效應(yīng)的刻畫也更困難。坡面侵蝕的坡長效應(yīng)受到降雨、坡度、土壤和植被等諸多環(huán)境因素的影響[47]。降雨特征如降雨強(qiáng)度[6,21]等都會影響坡面侵蝕的坡長效應(yīng)；黎四龍等研究認(rèn)為[21]，坡面總土壤流失量隨坡長增加而增加，二者間為指數(shù)關(guān)系，雨強(qiáng)越大，指數(shù)項(xiàng)越大，也即土壤侵蝕的坡長效應(yīng)越強(qiáng)。吳松柏的模擬結(jié)果表明[30]，溝間侵蝕隨坡長的增加以指數(shù)形式減小，細(xì)溝侵蝕量則隨坡長增加以指數(shù)形式增加，雨強(qiáng)越大，溝間侵蝕的尺度效應(yīng)越弱，細(xì)溝侵蝕的尺度效應(yīng)越強(qiáng)。Moreno等[13]研究表明，植被退化程度的增強(qiáng)會改變坡面侵蝕的坡長效應(yīng)，隨著植被退化程度的增強(qiáng)，侵蝕強(qiáng)度與坡長間由負(fù)相關(guān)關(guān)系逐漸調(diào)整為正相關(guān)關(guān)系(表2)。付興濤[16]認(rèn)為坡面植被覆蓋的差別會造成侵蝕尺度效應(yīng)的差異，在坡耕地和裸露坡面條件下，土壤侵蝕隨坡長呈冪函數(shù)上升關(guān)系，經(jīng)濟(jì)林地條件下，土壤侵蝕隨坡長增加則表現(xiàn)為指數(shù)上升關(guān)系。

3 流域徑流匯集的尺度效應(yīng)與水文模擬

3.1 流域徑流匯集的尺度效應(yīng)

流域地表徑流不是坡面徑流的簡單線性疊加，在歐洲的西北部，從小區(qū)到流域尺度，流域面積從10-4hm2增加到100 hm2，徑流系數(shù)從30%～50%降低到0～5%[48]。在干旱和半干旱的以色列地區(qū)[49]，當(dāng)研究面積從10-4hm2增加到2 hm2，徑流系數(shù)從30%～70%降低到0%～20%，研究面積進(jìn)一步增加到12 hm2后，徑流系數(shù)降低到1%以下。目前研究多認(rèn)為，流域徑流系數(shù)隨流域面積的增加而減小，氣候、土壤、植被和地形等環(huán)境要素的空間異質(zhì)性是造成流域產(chǎn)匯流尺度效應(yīng)的主要原因[50]，各環(huán)境要素在流域內(nèi)空間分布的差異造成不同尺度上產(chǎn)匯流主導(dǎo)環(huán)境要素發(fā)生變化，從而造成水文過程的空間差異[2,51]。隨流域面積的增加，新水文過程的出現(xiàn)也是造成流域徑流尺度效應(yīng)的重要原因[48]，比如喀斯特洞穴排水效應(yīng)、徑流在溝道內(nèi)的損失和地下徑流的影響等[52-53]。匯水區(qū)域的水文連通性和降雨過程的時空異質(zhì)性也是形成其尺度效應(yīng)的重要原因[54-55]。

3.2 流域徑流尺度效應(yīng)與水文模擬

水量平衡模型是流域水文模擬的一種手段，這些模型的構(gòu)建通常是基于小尺度產(chǎn)匯流機(jī)制的認(rèn)知[56]，然而，坡面與流域尺度的水文過程存有一定的差異，當(dāng)模型在不同尺度應(yīng)用時，參數(shù)的選取與率定就可能表現(xiàn)出尺度依存性[57-58]。李彬權(quán)等[59]研究發(fā)現(xiàn)新安江模型空間敏感參數(shù)具有隨空間尺度變化的標(biāo)度不變性，與流域集水面積之間的定量關(guān)系可建立相應(yīng)的定量轉(zhuǎn)換方程。Merz等[57]驗(yàn)證了HBV model在澳大利亞269個面積從10～130 000 km2流域的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)模型的有效系數(shù)隨著流域尺度的增加而增加，模型各參數(shù)隨流域尺度的增加沒有明顯變化；該研究認(rèn)為流域面積越大，可用氣象站點(diǎn)越多，觀測站點(diǎn)的增加和氣象數(shù)據(jù)代表性的提高增加了模擬的有效系數(shù)。分布式模型的應(yīng)用為減弱流域水文模擬的空間尺度效應(yīng)提供了一種新的方法，近年來在降雨、土壤入滲和下墊面空間異質(zhì)性對水文過程的影響方面進(jìn)行了大量的研究[60-62]，如，Cristiano等[60,63]提出可以采用無因次參數(shù)表征降雨事件的空間分布及對水文模擬的影響程度，進(jìn)一步減弱降雨輸入空間異質(zhì)性的影響，提升流域水文模擬精度。

與集總式模型相比，分布式模擬將流域劃分為多個產(chǎn)匯流條件一致的基本單元，降低集總模擬的尺度效應(yīng)。流域水文模擬還需考慮河流工程等對徑流匯集傳遞的影響，在河道水文傳輸中可能發(fā)生匯流或耗損類型的變化，坡面與河道間徑流的連通特性也是流域地表徑流計(jì)算的一個核心問題[52,64-66]。此外，在分布式水文計(jì)算中，模型數(shù)學(xué)方程采用的原始觀測一般是在1～100 m的小空間尺度，在這個范圍內(nèi)，許多要素的空間分異特征會被忽略，難以反映實(shí)際的水文過程[11, 67-68]。分布式水文模擬基本產(chǎn)流單元面積遠(yuǎn)大于采樣面積，對尺度效應(yīng)的忽略可能造成較大的計(jì)算誤差。一些研究基于試驗(yàn)觀測提出坡面產(chǎn)流尺度轉(zhuǎn)換的公式，如Chen等[11]提出產(chǎn)流在尺度轉(zhuǎn)化上遵循指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其他的研究也多認(rèn)為產(chǎn)流的空間尺度效應(yīng)可用指數(shù)公式刻畫，這類經(jīng)驗(yàn)公式在一定程度上可用于產(chǎn)流預(yù)測[13,64]。尺度效應(yīng)的研究本質(zhì)是基于集總模擬的概念，分布式模擬在應(yīng)用中降低了空間要素環(huán)境差異的影響。然而，分布式模型中仍有一些難以空間觀測的變量或反映流域整體特征的變量，相應(yīng)的參數(shù)通常只能在小尺度獲取，尺度拓展的思想可應(yīng)用于水文模擬中參數(shù)的估計(jì)。

4 流域泥沙輸移過程的尺度效應(yīng)

4.1 流域輸沙尺度效應(yīng)

從坡面到河道連續(xù)體系中，侵蝕和輸沙過程隨尺度的變化更加復(fù)雜[55]。在多數(shù)情況下，沒有簡單的關(guān)系可以描述流域內(nèi)侵蝕—輸沙的尺度依存特征[32,69]。從坡面到流域，侵蝕方式與侵蝕過程的發(fā)展造成泥沙產(chǎn)生與輸移特征的變化，隨流域面積的擴(kuò)展，流域不同區(qū)位的作用逐漸從泥沙來源區(qū)，過渡為泥沙輸運(yùn)和沉積區(qū)。在小區(qū)尺度，泥沙主要產(chǎn)生于擊濺侵蝕、細(xì)溝侵蝕和溝間侵蝕，這些侵蝕方式的產(chǎn)沙量相對有限[70-71]。當(dāng)從小區(qū)尺度擴(kuò)展到流域尺度，更活躍的侵蝕方式出現(xiàn)并造成泥沙產(chǎn)輸能力的增強(qiáng)，如溝道侵蝕和重力侵蝕導(dǎo)致產(chǎn)沙量的劇增[72]。Bartley等[73]收集了澳大利亞750條河流的輸沙數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1～100 km2是流域輸沙尺度效應(yīng)發(fā)生的主要空間，該尺度侵蝕溝的發(fā)育劇烈造成泥沙的劇增。Lane等[74-75]研究不同尺度上產(chǎn)輸沙過程的主控因素發(fā)現(xiàn)，坡面尺度(10-6～10-2km2)的泥沙輸移主要受土壤剝離、植被覆蓋和地形等因素限制，子流域尺度(10-2～10 km2)受溝道發(fā)育和泥沙輸移沉積等因素限制，在流域尺度(>102km2)以局部強(qiáng)降雨分布、能量耗散和挾沙力為主要限制因素。

關(guān)于流域輸沙與流域面積的關(guān)系，不同地區(qū)研究結(jié)論不完全一致，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，輸沙模數(shù)隨流域面積的增加呈減小的趨勢，Chorley[76]在其《Geomorphology》一書中，將這種現(xiàn)象主要?dú)w因?yàn)椋?1) 小流域具有高侵蝕強(qiáng)度；(2) 流域越小，整個流域被高強(qiáng)度降雨覆蓋的可能性越大；(3) 隨著流域的增大，泥沙沉積于洪積平原的概率越大；(4) 泥沙傳遞過程影響泥沙輸移，緩坡處泥沙的沉積會降低整體坡度，增加淤積可能性。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)流域輸沙的尺度效應(yīng)受到地質(zhì)、地貌、氣候、植被和人類活動等因素的綜合影響。閆云霞等[77]發(fā)現(xiàn)輸沙強(qiáng)度具有隨流域面積增加而減小、隨流域面積增加基本保持不變和隨流域面積增大而增大3種類型。Milliman和Sycitski[78]分析了全球208條河流輸沙強(qiáng)度與流域面積關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在不同的地貌區(qū)，輸沙強(qiáng)度都隨流域面積的增加而減小，高山區(qū)流域輸沙的尺度效應(yīng)最強(qiáng)，海岸平原區(qū)河流輸沙的尺度效應(yīng)最弱。Dedkov和Moszherin收集了全球3 700個流域的研究發(fā)現(xiàn)[79]，流域輸沙尺度效應(yīng)與泥沙來源有關(guān)，河道侵蝕為主的區(qū)域，河流輸沙強(qiáng)度隨流域面積的增加而增加，坡面侵蝕為泥沙來源的地區(qū)，輸沙強(qiáng)度隨流域面積的增加而減小。De Vente和Poesen認(rèn)為[80]，泥沙侵蝕輸移中的“源匯”過程演變是輸沙尺度效應(yīng)的主要成因，隨著流域面積的增加，“源匯”過程由“源”大于“匯”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸础毙∮凇皡R”，從而出現(xiàn)輸沙強(qiáng)度先隨流域面積的增加而增加，后隨之減小的趨勢。

4.2 黃河流域河流輸沙的尺度效應(yīng)

黃河是世界上侵蝕輸沙最強(qiáng)烈的河流，許多學(xué)者對黃河輸沙的空間尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究，也取得了突出的成果。Xu等[81]指出，無論是全流域還是局部尺度，黃河輸沙尺度效應(yīng)都與多數(shù)河流不同，隨流域面積的增加，輸沙逐步增加到一個峰值后逐漸穩(wěn)定(圖1)。輸沙強(qiáng)度與流域面積之間的關(guān)系整體呈現(xiàn)出非線性的過程，主要?dú)w因于：(1) 地表物質(zhì)分布的不均勻性；(2) 流域在時空尺度上的自調(diào)整；(3) 流域尺度上的能量消散特征不同；(4) 徑流功率隨流域尺度增加不同。景可與師長興[82]進(jìn)一步指出，黃河中游流域輸沙模數(shù)與面積的關(guān)系不受控于面積的大小，而取決于流域所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造單元的性質(zhì)、地貌類型及土地利用特征等多個因素，最本質(zhì)的是地貌類型和地質(zhì)構(gòu)造單元的活動性質(zhì)等。顏明等[83-84]在涇河流域的兩個支流的研究也在一定程度上支持這種觀點(diǎn)。張曉明等認(rèn)為[85-86]，流域輸沙與控制面積間的關(guān)系取決于下墊面的復(fù)雜程度，流域環(huán)境要素相對一致時，河流輸沙隨面積發(fā)生趨勢性變化，在黃河中游地區(qū)，地形地貌和植被覆蓋等自然要素分布空間差異較大，流域輸沙尺度效應(yīng)的界定具有特定的“空間域”特征。黃河流域地形地貌復(fù)雜，一般情況下，河流輸沙能力在山地區(qū)大于丘陵區(qū)更大于平原區(qū)，河流在進(jìn)入丘陵和平原以后，由于河型與水力邊界條件的變化，流域輸沙模數(shù)和流域面積的關(guān)系變化強(qiáng)烈[82]。當(dāng)黃河由青銅峽進(jìn)入河套平原以后，流域輸沙模數(shù)降低，但流出河套平原進(jìn)入丘陵山地以后，流域輸沙模數(shù)隨流域面積的增加而增加[82]。上述分析看出，目前關(guān)于流域輸沙尺度效應(yīng)的研究針對的流域面積多數(shù)在100 km2以上，在此尺度上，流域環(huán)境要素的空間異質(zhì)性成為河流輸沙尺度效應(yīng)的主導(dǎo)成因，輸沙模數(shù)與流域面積的關(guān)系不受控于流域面積大小。在實(shí)際侵蝕輸沙過程中，小流域往往是侵蝕地貌形態(tài)演變和流域侵蝕-沉積過程最為劇烈的區(qū)域，其侵蝕輸沙尺度效應(yīng)也更強(qiáng)烈。同時，小流域也是水土保持措施布設(shè)的基本空間單元，在小流域上進(jìn)行侵蝕—輸沙空間尺度效應(yīng)的研究將對黃土高原的治理提供有效的科學(xué)支撐[78,80-81]。

圖1 全球河流輸沙空間尺度效應(yīng)分析

4.3 尺度效應(yīng)與流域侵蝕輸沙預(yù)測

坡面土壤侵蝕預(yù)測是水土流失監(jiān)測的基本單元，坡面尺度的研究成果是揭示土壤侵蝕動力機(jī)制的重要基礎(chǔ)[87]。土壤流失計(jì)算模型對坡面侵蝕的尺度效應(yīng)有一定考慮，如在通用土壤流失方程(USLE)中，坡長的尺度效應(yīng)以指數(shù)形式體現(xiàn)，指數(shù)項(xiàng)與坡度密切相關(guān)，劉寶元等[88]采用黃土高原的觀測資料對其指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行修訂。整體來看，目前在坡面侵蝕的尺度效應(yīng)研究方面缺少動力機(jī)理解釋，即便具有動力基礎(chǔ)的WEPP模型對坡面尺度變化響應(yīng)也不敏感[89]。轉(zhuǎn)換方程是尺度擴(kuò)展的一種有效方法，目前關(guān)于坡面侵蝕尺度擴(kuò)展的相關(guān)研究多以試驗(yàn)觀測為基礎(chǔ)。由于控制試驗(yàn)中坡面坡長有限，限制了尺度轉(zhuǎn)換方程的應(yīng)用范圍，因此，如何建立具有物理基礎(chǔ)的坡面侵蝕尺度轉(zhuǎn)換方程是尺度效應(yīng)研究的一個重要方向。

5 存在問題與研究展望

流域侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)研究是全面解析流域水沙過程的基礎(chǔ)，對水沙過程的預(yù)測預(yù)報(bào)和科學(xué)管理具有有重要意義。當(dāng)前在坡面產(chǎn)流和侵蝕發(fā)生機(jī)制與影響因素方面已開展了大量的試驗(yàn)?zāi)M和觀測，流域侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)及其產(chǎn)生機(jī)制方面也有較全面的研究，并從輸移動力過程的角度進(jìn)行了一定的探索。隨著近年來流域水沙過程管理需求的提升，關(guān)于侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)的研究需進(jìn)一步加強(qiáng)，新的研究方法和技術(shù)的出現(xiàn)也為這些研究提供了機(jī)遇。

(1) 多因素作用下流域侵蝕輸沙過程空間轉(zhuǎn)換方程展望。大量的觀測和試驗(yàn)研究表明，地形、土壤、植被和降雨等環(huán)境因子的空間異質(zhì)性是徑流輸沙尺度效應(yīng)形成的重要原因，并在特定環(huán)境條件下分別建立了侵蝕輸沙的空間尺度轉(zhuǎn)換方程。然而，這些經(jīng)驗(yàn)性的尺度轉(zhuǎn)換方程是依據(jù)特定的組合環(huán)境獲取，具有較強(qiáng)的針對性而難以應(yīng)用到其他區(qū)域[90-91]。如何從異質(zhì)的環(huán)境要素出發(fā)，對流域水文過程的尺度轉(zhuǎn)換方程進(jìn)行機(jī)理性的解析與預(yù)測是尺度效應(yīng)研究的一個方向[92]。高精度遙感和雷達(dá)等觀測手段為環(huán)境要素空間異質(zhì)特征的定量刻畫提供了有力的數(shù)據(jù)支持，也為空間尺度效應(yīng)的機(jī)制解析和轉(zhuǎn)換方程的量化預(yù)測提供了可行的條件[60-62]。在未來的研究中可基于環(huán)境信息的高精度空間觀測，從嵌套流域的異質(zhì)環(huán)境要素定量描述出發(fā)，建立能表征環(huán)境信息空間特征的綜合指標(biāo)，分析不同尺度上流域徑流匯集和河流輸沙對環(huán)境信息指標(biāo)的敏感性，以環(huán)境指標(biāo)定量預(yù)測徑流和輸沙的尺度轉(zhuǎn)換方程。流域徑流和侵蝕輸沙過程與眾多環(huán)境要素緊密相關(guān)，這些環(huán)境要素之間也并非相互獨(dú)立的，如何提取合理的綜合指標(biāo)是一個難點(diǎn)。近年來，基于對已有研究事實(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合的Meta分析等研究方法在多個領(lǐng)域，尤其是在復(fù)雜科學(xué)問題成因的定量分析方面[93]，取得了突破性的進(jìn)展，機(jī)器學(xué)習(xí)等方法在空間結(jié)構(gòu)信息量化、數(shù)據(jù)歸類和成因解析等方面也得到了廣泛的應(yīng)用[94-96]。因此，在流域侵蝕輸沙的尺度效應(yīng)機(jī)理解析方面，長期以來的案例研究和新的觀測手段可為Meta分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等新方法的應(yīng)用提供充足的數(shù)據(jù)支持，從而為多環(huán)境要素條件下侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)的機(jī)理解析和定量預(yù)測提供一種新的思路[97]。

(2) 坡面—小流域—流域連續(xù)水沙過程空間尺度效應(yīng)研究展望。坡面產(chǎn)流侵蝕空間尺度效應(yīng)的研究多集中在小于0.01 km2的范圍，流域水沙輸移的空間尺度效應(yīng)研究多集中在大于100 km2的區(qū)域，對于面積在0.01～100 m2之間小流域尺度上的侵蝕輸沙尺度效應(yīng)較少有研究[98]，該空間范圍內(nèi)水文過程的研究對補(bǔ)足從坡面到流域的連續(xù)尺度效應(yīng)研究至關(guān)重要[99]。此外，小流域還連接坡面與河流，在河流物質(zhì)傳送和信息交換中具有重要的地位[100-102]，然而，這種小型流域往往又具有季節(jié)性明顯、邊界多變、阻力源復(fù)雜等特征，其泥沙傳輸機(jī)制與河流輸沙特征是否一致等方面尚不明晰，這也是空間尺度效應(yīng)機(jī)制研究的一個關(guān)鍵[103]。小流域侵蝕輸沙連接坡面侵蝕和河道輸沙過程，涉及生態(tài)學(xué)、河流工程學(xué)和土壤侵蝕學(xué)等多個學(xué)科，不同的學(xué)科在各自研究方向有相應(yīng)的研究優(yōu)勢，如，生態(tài)學(xué)長于對景觀要素空間異質(zhì)性的量化表述，土壤侵蝕學(xué)在不同尺度侵蝕輸沙的影響因素方面積累了大量的研究，河流工程學(xué)在泥沙擴(kuò)散和沉積動力機(jī)制等方面的研究更成熟。因此，如何借鑒不同學(xué)科的研究優(yōu)勢，在多學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上進(jìn)一步理解流域侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)形成的原因，構(gòu)建具有物理機(jī)制的尺度轉(zhuǎn)換方程也是該領(lǐng)域的一個重點(diǎn)方向。長期以來在小流域尺度上尚缺少連續(xù)有效觀測，限制了從坡面到流域的徑流—侵蝕—輸沙過程的空間尺度效應(yīng)研究。近年來，新報(bào)道的一些觀測方法能對小流域尺度徑流和輸沙過程進(jìn)行連續(xù)追蹤，以試驗(yàn)觀測的方法補(bǔ)足當(dāng)前從坡面向流域過渡空間的研究缺失也逐漸成為可能。如，無人機(jī)機(jī)載平臺等新的遙感設(shè)備能實(shí)時進(jìn)行河流流量、流速和水位等水文信息的反演[104-105]，實(shí)現(xiàn)對小流域徑流匯演全過程的監(jiān)測，從而有助于在坡面到流域過渡的空間范圍內(nèi)進(jìn)行尺度效應(yīng)形成機(jī)制的解析。示蹤技術(shù)在流域侵蝕泥沙的來源解析方面取得較大進(jìn)展，能解析不同斷面泥沙來源，完成小流域尺度上河流輸沙來源的連續(xù)觀測，加強(qiáng)坡面到流域過渡范圍內(nèi)的侵蝕輸沙尺度效應(yīng)研究。

(3) 劇烈環(huán)境擾動對流域侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)影響的研究展望。劇烈環(huán)境變化條件下的水文特征研究是未來水文科學(xué)的一個重點(diǎn)方向[106]，也給流域侵蝕輸沙的空間尺度效應(yīng)研究帶來新的挑戰(zhàn)。在強(qiáng)烈的氣候變化背景下，極端天氣時有發(fā)生，嚴(yán)重?cái)_動下墊面的同時也對流域水文過程的尺度效應(yīng)帶來較大影響。如，自然火災(zāi)發(fā)生后，植被調(diào)節(jié)水文過程的效應(yīng)減弱，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的變化，造成流域產(chǎn)流產(chǎn)沙及其尺度效應(yīng)的改變[28]。人類活動大范圍擾動流域下墊面而影響水文過程的尺度效應(yīng)，如，農(nóng)田面積擴(kuò)張和生態(tài)重建的實(shí)施[107]、耕作方式的改變[27]和城鎮(zhèn)建筑面積的增加[108-109]都會改變下墊面水文過程，對流域侵蝕輸沙的空間尺度效應(yīng)造成影響。劇烈的環(huán)境變化作用下，流域下墊面將更加復(fù)雜且具時間不一致性，這種情況下的流域侵蝕輸沙過程的空間尺度問題急需解決。