水沙关系不协调是黄河治理的症结所在，关系黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的实施。近年来，在气候变化和人类活动的综合影响下，黄河径流输沙总量及水沙关系发生剧烈变化，受到国家和社会的普遍关注。黄河中游地区水土流失剧烈，是干流泥沙的主要源区，也是黄河输沙减少的决定性贡献区间。中游地区流域水沙关系变化特征及演变机制研究是黄河水沙预测的重要基础，也是流域生态修复措施合理规划与布设的理论支撑。本研究在明晰黄河中游地区水沙输移和径流-输沙关系时空演变特征的基础上，系统辨析径流-输沙关系演变的成因；以延河流域为典型，采用“水保法”和“水文法”相结合的方式，建立基于统计模型的流域水沙模拟方法，量化解析不同因素对河流水沙输移演变的贡献；针对关键水土保持工程措施淤地坝拦沙效益不明确的现状，开发流域淤地坝系动态拦沙模块，并与水文过程模型结合建立坝系拦沙模拟框架（SWAT-DCDam），阐明典型流域的坝系拦沙动态，分析坝系拦沙对流域输沙减少的贡献。取得主要结论如下： （1）黄河中游地区流域来水来沙具有显著的时空分异，不同地貌类型区河流的水沙演变特征存有差异。中游地区是干流水沙减少的最重要贡献区间，贡献径流减少量的59.1%和输沙减少量的92.2%。中游地区产流产沙具有较强的时空分异，石质山区产流能力最强，侵蚀产沙最低；黄土区产流能力最弱但侵蚀产沙最强烈。生态建设实施后各地貌类型区的产流产沙能力都显著降低，石质山区和黄土区径流减少最为强烈，分别降低50.5%和51.9%，黄土区和风沙区的输沙减少最为剧烈，分别降低84.3%和92.8%。黄河中游地区流域径流输沙年内分配具有明显的季节性，径流主要集中在7-9月，径流量之和占全年总径流量的54%，相应月份的输沙之和占全年总输沙量的91%。径流输沙减少的年内分配不均，汛期水沙输移减幅略低于其他月份，年内径流和输沙的集中度增加。 （2）黄河中游地区流域水沙关系发生显著变异，主要由区域生态环境修复所引发。采用幂函数拟合黄河中游30个水文站点的流域水沙关系，发现不同地貌区的水沙关系具有显著差异；生态建设实施后水沙关系参数发生显著变化，主要表现为系数项的减小和指数项的增加。基于全球多个流域相关数据分析，提出系数-指数曲线方法，可用来辨别水沙关系变异是由气象水文条件变化或下垫面变化所引发，论证了黄河中游流域水沙关系变异是由区域性的生态建设所主导。新的水沙关系表明，生态建设工程实施后，黄河中游地区总体输沙减少，但流域径流输沙更加不均衡，小流量过程下泥沙输移量变少，大流量过程泥沙输移占比更大，极端洪水仍可能造成较大的输沙量。 （3）建立基于水文统计模型的流域水沙演变成因解析方法，量化分离气候变化和三类主要水土保持措施（植被变化、淤地坝建设和梯田修建）对流域径流与输沙减少的贡献。以延河流域为典型，将水土保持措施数据同化进布迪克（Budyko）水文分析框架，建立以布迪克假设和水沙关系为基础的流域水沙输移模拟方法，实现基于水文统计模型的流域水沙演变成因解析，量化分离气候变化和主要水土保持措施对流域径流与输沙减少的贡献。结果表明，在延河流域，气候变化的水沙效应有限，水土保持措施是1976~2015年间流域径流和输沙减少的主导因素。水保措施对流域径流和输沙的影响程度随时间变化而增强，其减水占天然径流的比例从P1980时段的12.4%增加到P2010时段的34.6%，减沙占比从28.8%增加到76.8%。不同类型水土保持措施的减水减沙贡献随时间变化发生趋势性演变，近40年来（1976~2015），植被措施从小幅增水增沙转变为大幅减水减沙，淤地坝措施的减水减沙贡献持续降低，梯田措施的减水贡献稳步增加而其减沙贡献在2005年左右达到峰值后略有降低。总体而言，水土保持措施的减水和减沙贡献强度由淤地坝措施主导的“淤地坝>梯田>植被”的格局逐渐调整以植被措施主导的“植被>梯田>淤地坝”的格局。 （4）建立流域淤地坝系拦沙动态模拟方法，明确坝系拦沙对输沙减少的贡献及其动态演变。开发了淤地坝系泥拦沙动态模拟模块（DCDam），结合SWAT流域水沙模型，构建SWAT-DCDam模拟框架。该框架在生成坝系连接动态结构的基础上，以SWAT模拟水沙过程驱动DCDam模块，实现对淤地坝拦沙状态的动态追踪。在以延河流域为例对该框架校验的基础上，模拟坝系泥沙拦截的动态过程，分析了近40年来（1976~2015）坝系拦沙对输沙减少的贡献。结果表明，坝系直接拦沙对减沙的贡献持续降低。延河流域的坝系拦沙在1976~1985、1986~1995、1996~2005和2006~2015时段分别占天然输沙量的10.5%、12.1%、7.1%和7.2%，拦沙占比呈降低趋势；坝系拦沙分别占各时段人类活动总减沙量的36.3%、59.9%、19.5%和9.4%，对流域减沙的贡献大幅降低。坝系拦沙能力的主导限制因素随坝系可用库容和侵蚀产沙条件的变动而发生演变。淤地坝拦沙的主导限制因素在各时段有所差异，淤地坝建设初期，即1957~1975年间，拦沙量主要受可用库容的限制；1976~1995年间，淤地坝拦沙效率较高，未明显受限；1996~2005年间，淤地坝拦沙效应受到可用库容和流域侵蚀产沙的共同限制，2006~2015年间，淤地坝拦沙主导限制因素为流域侵蚀产沙强度。淤地坝拦沙主导限制因素变化与淤地坝修建历史和流域生态修复实施有关，在植被恢复措施增强的背景下，近年来坝控流域上游土壤侵蚀产沙减弱，流域侵蚀产沙强度逐渐成为淤地坝淤积效率降低的主导限制因素。 |
