尺度问题在流域地貌过程及水土过程模拟中具有重要意义，坡面/流域系统含沙
水流对土壤侵蚀及泥沙输移与沉积的影响、不同尺度间水沙关系尚未明确，基于事件
的流域径流侵蚀输沙过程的尺度效应亟待深入研究。解析不同时空尺度的洪水径流过
程、输沙过程及其与相应侵蚀能量的内在联系，有助于进一步揭示径流调控的水土保
持作用机制和科学布设水土流失综合治理措施，对于提升土壤侵蚀风险评估和水土保
持环境效应评价具有重要的理论意义和现实意义。
本论文以黄土高原丘陵沟壑区典型小流域——岔巴沟为例，以该流域团山沟坡面
系统二号、三号、四号、七号、九号、十二号径流场及团山沟、蛇家沟、曹坪三个水
文站 1959—1969 年实测水文泥沙资料为基础，基于径流侵蚀功率理论和能量的观点，
综合运用水文分析、数理统计等方法系统分析了非治理近自然条件下坡面系统及流域
系统径流侵蚀输沙的空间尺度效应及不同类型洪水径流驱动下的泥沙输出与侵蚀能
量的流动变化过程，取得的主要结论如下：
1.基于洪水过程线，综合运用聚类分析、判别分析和方差分析的方法将流域不同
空间尺度的洪水径流事件划分为不同的类型，阐明了流域不同尺度不同类型洪水径流
过程的侵蚀产沙响应特征。由集流坡面至流域汇流系统，洪水径流过程类型的复杂性
随尺度的增加而降低，多变的水沙关系也愈趋于稳定，输沙量愈来愈受洪水径流量的
控制，主要泥沙变量（输沙模数、径流含沙量）的变异性及含沙水流的空间尺度效应
均呈降低趋势，对下游径流输沙的影响也逐渐变得有限；水沙关系改变引起的最大增
沙效应随尺度和径流总量的增加呈减小趋势：全坡面（790%），团山沟毛沟（78%），
蛇家沟支沟（22%），岔巴沟主沟（64%）；坡面系统主要泥沙变量随尺度增加均表
现出增大的趋势，径流侵蚀输沙过程的非线性规律在全坡面尺度开始明显；进入流域
系统后，泥沙输出过程的主要驱动因素趋于单一，径流侵蚀链内高含沙水流含沙量、
尺度内及尺度间水沙关系均表现出空间上的独立性（不变性）。
2.基于侵蚀输沙过程的径流动力及能量参数分析，建立了坡面系统及流域系统不同空间尺度基于事件的水沙关系和尺度间水沙关系，证明了不同尺度集水区水沙关系
的径流参数有效性因泥沙变量不同而异。坡面系统次洪水过程的水沙关系及尺度间水
沙关系中径流参量（径流量、洪峰流量、径流深、水流剪切力、水流功率、径流能量
因子、单位径流能量因子、水流能量因子）的有效性因不同的泥沙变量而不同，径流
总量可用以描述输沙量的变化，水流剪切力可用以描述输沙模数的变化，水流功率可
用以描述平均含沙量及最大含沙量的变化，描述水沙关系的方程主要有线性函数、幂
函数、对数函数三种函数形式。流域系统径流侵蚀链不同尺度内及尺度间含沙量的变
化与主要径流参量呈对数函数关系，输沙量及其变化与主要径流参量呈线性关系和幂
函数关系；水流剪切力对于描述流域系统的径流输沙过程的适用性降低，水流能量参
数则表现出较好的适用性。其中，改进的水流能量因子表现出一定的优势。为更好地
描述径流侵蚀输沙过程，针对中小型产沙事件泥沙估算的预测变量应当引入表征径流
量（深）和径流强度的参数。
3.基于坡面系统及流域系统洪水径流侵蚀输沙的尺度效应分析，阐明了不同尺度
集水区洪水流量叠加的侵蚀输沙效应及其调控机制。坡面系统不同尺度间（顺坡）输
沙量的差异主要取决于径流总量的变化。一般地，每增加 1 m 3 径流总量可使输沙量
增加近 0.77 t（顺坡），而洪峰流量每增加 1 m 3 /s 可使输沙量增加 402 t（顺坡）；欲
消除坡面系统不同空间尺度输沙量的尺度效应，则需将对应的单位径流能量比调减至
1.8 以下，或将相应的径流能量差减控至 56.5 m 6 /s 以下。流域系统径流侵蚀链中，洪
峰流量反映了侵蚀链内的径流变率，是造成不同空间尺度径流侵蚀输沙显著差异的重
要因素。洪峰流量叠加的增沙作用是相同条件下的径流量增沙作用的 875 倍以上（顺
流）；欲消除上下游之间输沙量的尺度效应，则需将对应的洪峰流量比调减至 5‰以
下，或将对应的径流能量比调减至 600 以下。
4.基于径流侵蚀功率理论和侵蚀能量的观点，构建了不同空间尺度不同类型洪水
径流过程的侵蚀能量参数，对洪水径流驱动的含沙量过程进行了数学描述。次洪水过
程的能量参数构建主要以径流深、瞬时流量、洪峰流量（最大流量）、平均流量、径
流变率等径流参量为基础，侵蚀能量参数的结构受洪水径流过程的影响并具有尺度依
赖性。由全坡面尺度到流域系统，随尺度的延伸，参数的复杂性降低。径流含沙量与
次洪水过程的能量参数主要呈幂函数关系或对数函数关系。基于流量（包括瞬时流量、
平均流量、最大流量和径流变率）和径流深的不同侵蚀功率指标（有效径流侵蚀功率、
平均径流侵蚀功率和径流侵蚀功率）能够反映径流量的累加效应及流量的瞬时作用强
度，在全坡面及毛沟尺度的水沙传递关系中表现出一定的适用性5.基于不同尺度水沙传递关系的演变分析，阐明了水沙关系对侵蚀输沙过程的制
约作用。塑造协调水沙关系是水沙综合调控的重点，消减侵蚀能量、切断能量流动的
连通性是实现水沙调控的关键。坡面系统的径流侵蚀防治应致力于控制侵蚀形态的演
变和高含沙水流的形成，抑制不同类型洪水“自我调节”过程的增沙效应，实现稳定
的水沙关系和低输出平衡；流域水沙调控应基于过程，通过调节洪水过程切断高含沙
水流的连通性、消减径流侵蚀力，破坏既有水沙关系的稳定性，消除恒定的泥沙输出
条件，建立新平衡。水土保持措施体系生态水文效益的综合评价亦应基于过程，洪水
径流过程调控引发的间接效应不应忽视，即由径流量减小引起的直接减沙（显式效益）
和由调节洪水径流过程导致水沙关系变化引起的间接减沙（隐式效益）应分别进行量
化分析。
关键词：次洪水过程；侵蚀产沙；尺度效应；径流侵蚀能量；水沙调控