在不同治理阶段下，典型黄土高原流域水沉积调控的效率及其机制

《CATENA》：Efficacy and mechanisms of hydrosedimentary regulation in a typical loess plateau watershed under different governance stages

黄土高原水土保持措施通过InHM模型分析显示，治理阶段从单一沟道控制（1970）转向坡沟协同（2024），侵蚀机制由搬运受限转向供应受限，空间上侵蚀热点从下游沉积区向上游源拦截区迁移，泥沙输出与水流动力关系由正相关转为负相关，验证了坡面源控制补偿沟道容量衰减的机制。

　　

邱湖南|李鹏|王文|唐洪磊|于胜德|余舒

中国西北干旱地区生态水力学国家重点实验室，西安工业大学，西安710048

摘要

中国黄土高原上土壤保持长期有效性和可持续性的机制尚未得到充分量化。本研究利用基于物理的分布式模型（InHM）以及重建的三个治理阶段（1960年、1970年和2024年）的数据，发现了流域侵蚀动态的明显转变。研究表明，沉积物输出的主要控制因素从1960/1970年的“运输控制”（受水力限制）状态转变为2024年的“供应限制”状态，在该状态下，山坡来源的沉积物可用性成为限制因素。从空间上看，这种转变表现为侵蚀热点从下游集中沉积区向上游分散拦截区的迁移。这一转变还通过沉积物输出与河流功率之间的关系逆转得到证实（1970年为正相关，2024年为负相关），这与从运输控制向供应限制的转变一致。因此，尽管剩余的拦沙坝系统储水能力下降了约66%，2024年的综合系统仍实现了显著的沉积物减少（在评估的典型风暴事件中超过98%）。我们的发现表明，加强山坡源控制可以在很大程度上弥补拦沙坝老化导致的汇流区容量减少的问题，为干旱地区的适应性流域管理提供了可借鉴的设计思路。

引言

中国黄土高原由于地形破碎、黄土土壤易碎以及短时强降雨事件的影响，遭受严重的土壤侵蚀（Ye等人，2019年；Zuo等人，2016年）。这些因素共同导致了极端的土壤和水资源损失，进而引发土地退化、生态系统脆弱性和农业生产力下降，威胁区域生态安全和可持续发展（Li等人，2017年；Montanarella，2015年）。同时，这些事件还向黄河输送大量沉积物，威胁下游河道的稳定性和防洪安全（Feng等人，2021年；Gao等人，2011年）。

受自然过程和人为活动的共同影响，黄土高原内的降雨引起的水沉积过程在不同时间阶段表现出不同的特征（Zhang等人，2024年）。因此，土壤和水资源保护策略也相应地进行了调整（Zhao等人，2013年；Prc，2013年）。早期的治理措施（20世纪70-80年代）主要集中在沟壑工程上，利用拦沙坝有效拦截沉积物（Chen等人，2023年；Tang等人，2020年；Yuan等人，2022a）。自20世纪90年代以来，土壤和水资源保护越来越重视山坡治理措施（如梯田建设和植被恢复），以减少源头径流（Arnáez等人，2015年；Xu等人，2025年；Ye等人，2019年）。这些干预措施与沟壑治理措施共同构成了一个“坡面-沟壑控制系统”，用于调节沉积物的输送。

以往对黄土高原土壤和水资源保护措施的效果评估主要集中在单个措施的缓解效果上（Li等人，2019年；Liu等人，2024年）。例如，拦沙坝在小到中等规模洪水事件中的沉积物拦截效率达到60%-90%（Fortugno等人，2017年；Guyassa等人，2017年）。研究表明，梯田可以减少山坡径流，延长径流集中时间，并将沉积物产量减少约30%-50%（Calsamiglia等人，2018年；Ran等人，2020年）。植被通过冠层拦截和根系稳定作用减轻侵蚀（Duan等人，2016年；Tian等人，2016年）。虽然这些研究为理解各个组成部分的功能提供了重要基础，但它们往往忽略了山坡和沟壑治理措施之间的动态演变过程和协同作用（Zhang等人，2019年）。最近的一些研究试图评估综合流域管理的整体效果。这些研究通常通过比较治理前后的沉积物产量来验证，结果证实综合策略显著减少了流入黄河的沉积物量（Fu等人，2017年；Gao等人，2016年）。然而，这些研究往往依赖于“黑箱”或“准静态”的输出评估方法，无法揭示时空异质性或内部侵蚀-沉积动态。此外，传统方法存在局限性：野外观测受到尺度的限制，且难以捕捉极端事件（Anache等人，2017年；Chen等人，2017年；Feng等人，2021年）；实验室模拟由于尺度效应难以再现流域尺度的复杂性（Wang等人，2021年）。

克服这些局限性需要先进的水文建模方法。然而，广泛使用的半分布式模型（如SWAT）依赖于水文响应单元（HRUs）。虽然高效，但HRUs将景观特征简化为整体，切断了模拟破碎黄土高原上级联侵蚀所需的坡面-沟壑拓扑连接性。为了解决这个问题，本研究采用了综合水文模型（InHM）。InHM采用完全分布式的基于物理的框架，通过2D扩散波方程和3D Richards方程耦合地表和地下流动（VanderKwaak，1999年）。这种独特的架构能够明确表示复杂的微地形特征（如单个拦沙坝和梯田边缘），而无需空间简化。通过保持径流生成和沉积物输送的连续性，InHM能够高分辨率地重建时空动态并精确识别沉积物路径（Zhang等人，2024年）。因此，我们应用InHM来评估黄土高原上综合坡面-沟壑治理措施的效果，填补了传统方法在机制理解和空间表示方面的空白。

与主要基于经验性“黑箱”归因或快照观测的研究不同，我们提供了基于物理的、空间明确的治理演变重建（1960-2024年）结果。我们的目标是：（1）量化在不同治理方案下侵蚀热点和运输限制指标在空间和时间上的变化；（2）确定综合系统在极端气候条件下表现下降的条件；（3）阐明山坡源控制和沟壑尺度汇流区保留之间的补偿机制。通过区分坡面和沟壑治理措施的贡献，我们提供了一个可能适用于其他易侵蚀干旱流域（如美国Palouse地区；埃塞俄比亚高地）的机制框架，同时考虑到地貌和土地利用的差异。

研究区域和数据来源概述

研究区域选为中国陕西省榆林市绥德县的王毛沟流域。该流域位于东经110°20′26″–110°22′46″，北纬37°34′13″–37°36′03″，是吴定河流域九洋沟中游的左岸支流（图1）。流域面积为5.97平方公里，主要沟壑长度为3.70公里，海拔范围在940至1188米之间。关键的地形参数包括平均沟壑床坡度为2.70%，沟壑密度为

治理措施的空间时间演变

自20世纪70年代以来，大规模的土壤和水资源保护措施显著改变了黄土高原的土地利用方式。主要驱动因素包括拦沙坝的扩建和1999年后的“ Grain for Green”计划（图3）。1960-1970年间以坡地为主的地形到2024年大幅减少，草地、稀疏林地和梯田面积增加。土地利用统计数据显示（表3），1960年该流域以高度易侵蚀的坡地为主

侵蚀和沉积物输送的动态特征

治理措施的变化改变了流域的水动力机制（图7）。1960年，沟壑水流速度快、剪切应力大、河流功率高，导致严重的侵蚀。这些结果与极端事件期间沟壑通道的巨大侵蚀能力观测结果一致（Ye等人，2019年；Zhang等人，2014年）。引入沟壑治理措施（1970年方案）显著降低了这些动态参数的峰值，证实了拦沙坝在峰值流量控制中的关键作用

结论

我们使用重建的数字高程模型（DEM）和基于物理的分布式模型，模拟了三个治理阶段（1960年（基线）、1970年（沟壑主导）和2024年（综合坡面-沟壑治理）下代表性黄土高原流域的水文沉积响应，模型受到6小时设计洪水（5-200年一遇）的驱动。在所有重现期中，土壤和水资源保护措施减少了峰值流量和沉积物产量，推迟了洪水峰值，并使流量-沉积物曲线趋于平缓。这种调节效果在低至中等重现期最为明显

CRediT作者贡献声明

邱湖南：撰写初稿、进行正式分析、数据管理。李鹏：项目管理、资金获取、数据管理、概念构思。王文：撰写、审稿与编辑、方法论。唐洪磊：撰写、审稿与编辑、软件应用、方法论、数据管理。于胜德：撰写、审稿与编辑、监督。余舒：撰写、审稿与编辑、资源协调。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U2443228）的支持。

本研究还得到了陕西省科技创新引领计划（项目编号：2024QY-SZX-27）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。