径流是水力侵蚀的重要动力因子,其变化对流域的侵蚀产沙具有显著影响,径流不仅是泥沙输移的媒介,也是能量传递和转化的载体。由于坡面系统与沟道系统具有一定比降,径流在产汇流过程中具有较大的能量[1-2],径流深和洪峰流量等参数能够反映流域径流的某些水文特性,但不能较好的反映下垫面条件与径流过程共同作用,而径流侵蚀功率则兼备这两个优点,能够更加准确的反映出水力侵蚀的动力过程[3-4]。黄土高原地区多年来实施了大量的水土保持措施,使得黄河流域的水沙情势发生了较大变化,水土保持措施通过改变流域的下垫面条件,进而改变侵蚀产沙能力,最终通过输沙量的变化而体现[5-7],因此,研究径流的侵蚀功率变化特征对于表征水沙响应关系具有重要的理论意义。Yang等[8]审查了常规泥沙输送方程推导中所用的基本假设,提出径流功率理论。为了进一步确定总含沙量,杨志达[9]从能量的角度系统的研究了泥沙输送原理,并提出了全沙输送的函数。崔文滨等[10]应用泥沙输送原理对冲刷试验中不同流量和坡度下的坡面侵蚀产沙特征进行了分析和比较,发现径流功率理论能够较好地应用于坡面单宽径流的侵蚀产沙过程。以上研究表明,径流侵蚀能量理论能够较好的表征土壤侵蚀的物理过程,随后,一些研究人员采用径流能量理论对小流域的侵蚀产沙过程进行了模拟,均得到了较好的结果。李占斌等[11-12]提出了径流侵蚀功率理论,建立了次暴雨尺度的幂函数型产沙模型,鲁克新等[13-15]将其应用于黄土高原小流域次暴雨侵蚀产沙过程,发现该模型能够较好的反应流域次暴雨的侵蚀产沙情况。孙倩等[16]将次暴雨尺度的幂函数型产沙模型应用于黄土丘陵区6个典型小流域,根据水沙突变情况对该模型的幂指数参数进行了调整和优化。程圣东[17] 基于植被格局对坡沟—流域侵蚀产沙过程的影响机理,首次提出了计算年功率、月功率的理论和计算方法并应用于大理河流域,得到了较好的模拟结果。龚珺夫等[18]使用SWAT水文模型研究了延河流域年尺度的径流侵蚀功率空间变化特征,发现了“支流大,干流小”的特点。Wang[19]等将径流侵蚀功率等计算方法应用于黄土高原桥沟小流域,并提出了预测黄土丘陵沟壑区泥沙输移比的动态指标。然而,径流侵蚀能量的传递过程、尺度效应及其与输沙之间的响应关系目前仍是流域侵蚀产沙研究的薄弱环节,特别是不同时间尺度上的侵蚀能量理论和相关模型的应用研究成果较少,制约了流域侵蚀产沙量的合理估算及预报[20-21],因此,基于事件的流域径流侵蚀输沙模型亟待深入研究。
本文分析年、月和次暴雨3种不同时间尺度下的径流、输沙和径流侵蚀功率的变化趋势,基于水蚀动力过程的径流侵蚀能量理论,针对不同时间尺度建立对应的径流侵蚀功率输沙模型和径流输沙模型,对比分析两种模型在表征流域径流侵蚀输沙上的优劣和差异。研究不同时间尺度的径流过程、输沙过程及其与侵蚀能量间内在联系,有助于进一步揭示径流调控的水土保持作用机制,对于提高黄土高原水土流失预报精度和科学布设水土流失综合治理措施具有重要的理论意义和实践价值。
