小流域泥沙输移过程对地表水文连通性的响应

Sediment transport carried by runoff is a pivotal process linking soil erosion and sediment yield in small watershed. The connections of runoff, i.e. surface hydrological connectivity, can determine the path and efficience of sediment transport. Although the underlying surface condition of watershed keeps constant, surface hydrological connectivity could be changed in different rainfall characteristics, and then the sediment transport change accordingly. Therefore, understanding surface hydrological connectivity and its influences on sediment transport, is of great importance to explore sediment yield processes. In this study, we will select a typical small watershed of Yimeng Mountainous Area as research object. Field investigations, soil sampling, runoff and sediment observations during rainfall, will be conducted. GIS and stable isotopes of hydrogen and oxygen will be used to quantitatively analyze the surface hydrological connectivity under different rainfall regimes. By the aide of composite fingerprinting techniques, the relative contribution of each erosion unit to sediment yield will be determined. Through interpreting the change of runoff and sediment among erosion units, the response of sediment transport to surface hydrological connectivity could be revealed. The finding of this project would be beneficial to understanding the role of sediment transport in sediment yield processes, and would be of great help for watershed management and soil erosion control.

泥沙输移是流域侵蚀产沙过程中不可或缺的环节。径流是泥沙输移的载体，其在流域内的连通特征，即地表水文连通性，决定着径流携带泥沙向外输出的路径及难易程度。即使流域下垫面条件不变，地表水文连通性也会随降雨条件的不同而变化，从而影响泥沙输移过程。因此，明确流域地表水文连通性，阐明其对泥沙输移过程的影响，是认识流域侵蚀产沙过程需要解决的重要科学问题。本研究选择沂蒙山区具有代表性的小流域，进行流域下垫面条件调查、土壤样品采集，并在天然降雨过程中对侵蚀单元径流、沟道沿程的径流与泥沙进行采集与观测；利用GIS和氢氧同位素示踪技术，定量刻画不同降雨条件下流域地表水文连通性；借助复合指纹识别技术，解析侵蚀单元对泥沙贡献的时空变化特征；探讨侵蚀单元间水沙汇集传递关系，揭示泥沙输移过程对地表水文连通性的响应机制。研究结果有助于深入理解泥沙输移在小流域侵蚀产沙过程中的作用，可为流域综合治理提供重要科学依据。

流域地表水文连通性决定着径流携带泥沙及养分向外输出的路径及难易程度。即使流域下垫面条件不变，地表水文连通性也会随降雨条件的不同而变化，从而影响泥沙输移过程。本项目选择沂蒙山区孟良崮和会宝岭小流域作为研究对象，在流域内主要土地利用类型及沟道沿程采集土壤与水沙样品。借助激光雷达扫描技术，获取高精度DEM数据，提取流域结构连通性指数IC；利用氢氧同位素示踪与复合指纹识别技术，明确了泥沙来源与径流来源，结合降雨产流与产沙特征，定量表征水文功能连通性；基于典型天然降雨事件分析，揭示水文连通性对泥沙输移与养分流失过程的影响机制。主要结论如下：（1）明确了流域结构连通性与功能连通性及其影响因素。不同精度DEM获取的IC指数空间分布规律较一致，DEM的精度越低，IC的空间异质性越小；花生和杨树林径流中δD和δ18O随降雨历时呈下降趋势，玉米和桃园则呈先下降后上升趋势，不同土地利用径流来源于降水的比例均超过了50%，其中杨树林降水的比例最高，为88.45%；利用前期土壤含水量、降雨量与径流深拟合残差可定量表征次降雨地表水文功能连通性。（2）识别出次降雨条件下小流域泥沙来源及贡献。基于2019年雨季观测到的11场天然降雨事件特征，选取3场具有代表性的降雨事件，对林地、草地、耕地共3种主要土地利用的41种地球化学元素进行测定，经过无参数显著性检验、逐步判别等分析获得了包含Mg和Be两种指纹因子的最优复合指纹。利用Walling多元混合模型，得到3场降雨的泥沙样品全部来源于耕地。（3）阐明了水文连通性对侵蚀泥沙输移与养分流失的影响机制。前期土壤含水量越高，不仅导致土壤可蚀性增大易于分离，且可增大流域水文连通性，致使源于耕地较粗的泥沙及较远处的泥沙被输出；且适宜的泥沙颗粒级配与径流量，可形成高含沙水流，增大流域泥沙输移能力，并可导致更大面积的土壤养分溶于径流并输出至流域出口，进而增大养分流失。