基于文獻(xiàn)計(jì)量的中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)研究進(jìn)展

柯奇畫，張科利

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875

水土資源流失是當(dāng)今世界所面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題之一，而這個(gè)問題在中國(guó)則尤為嚴(yán)重。水土流失是土壤侵蝕、泥沙輸移、徑流損失與養(yǎng)分流失的統(tǒng)一體。水土流失過程隨時(shí)間和空間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，具有時(shí)空尺度依賴性。從相關(guān)過程來(lái)看，降雨-徑流-土壤侵蝕-泥沙輸移的全過程都存在尺度效應(yīng)（Li et al.，2009）。因此，水土流失尺度效應(yīng)主要是指徑流模數(shù)、產(chǎn)輸沙模數(shù)或產(chǎn)輸比（即泥沙輸移比）隨時(shí)間尺度和空間尺度變化的規(guī)律。水土流失尺度效應(yīng)問題的存在，大大增加了水土流失評(píng)價(jià)和治理、水文預(yù)報(bào)和水利工程防洪設(shè)計(jì)的難度。由于產(chǎn)流產(chǎn)沙輸沙過程及其影響因素的空間異質(zhì)性及時(shí)空多尺度變異性，在某一尺度上觀測(cè)到的水沙特征或規(guī)律在另一尺度上的表現(xiàn)可能是不同的（劉紀(jì)根等，2005）?，F(xiàn)有研究通常從單一尺度上對(duì)不同地區(qū)和不同條件下的水土流失規(guī)律進(jìn)行深入的研究，但綜合考慮坡面、小流域、流域等多個(gè)不同尺度的對(duì)比研究卻十分缺乏。而不同尺度間聯(lián)系和過渡規(guī)律研究的不足，導(dǎo)致水土流失數(shù)據(jù)在不同尺度之間難以實(shí)現(xiàn)有效轉(zhuǎn)換。如何將小尺度結(jié)果或規(guī)律轉(zhuǎn)換到大尺度上，或通過大尺度觀測(cè)到的河流水沙數(shù)據(jù)推算無(wú)資料的小尺度坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，依然面臨諸多挑戰(zhàn)。此外，區(qū)域差異性的客觀存在，也會(huì)導(dǎo)致一個(gè)地區(qū)的結(jié)果在應(yīng)用到其他地區(qū)時(shí)可能出現(xiàn)較大誤差。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于水土流失尺度效應(yīng)的研究綜述主要是針對(duì)侵蝕輸沙問題展開的。眾多學(xué)者就侵蝕輸沙及其影響因子的尺度效應(yīng)規(guī)律（蔡強(qiáng)國(guó)等，2004；方海燕等，2008；張曉明等，2014）、尺度轉(zhuǎn)換（劉紀(jì)根等，2004）與尺度推繹（趙文武等，2002）、尺度效應(yīng)定量評(píng)價(jià)方法和模型（倪九派，2005；李林育等，2009）、不同尺度的侵蝕輸沙模型（李輝等，2006）及其空間尺度轉(zhuǎn)換（劉前進(jìn)等，2004；袁再健，2012）等方面做出了較為全面的綜合論述。然而，這些傳統(tǒng)的綜述沒有將徑流的尺度效應(yīng)問題納入討論范圍，也不能同時(shí)反映主題研究各方面的總體進(jìn)展和分區(qū)概況。有鑒于此，本文運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量法，對(duì)中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分類分區(qū)的統(tǒng)計(jì)分析和總結(jié)，以期為準(zhǔn)確把握中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后中國(guó)水土保持和水文水資源領(lǐng)域的研究和工作方向提供參考和借鑒。

1 資料來(lái)源與分析方法

所用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)（包括期刊論文和學(xué)位論文）來(lái)源于國(guó)內(nèi)外六大權(quán)威期刊論文數(shù)據(jù)庫(kù)：知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普、Web of Science、Scopus和ProQuest。通過高級(jí)檢索式，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中與徑流水文、土壤侵蝕和泥沙輸移的時(shí)空尺度問題有關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索。由于“泥沙輸移比（Sediment Delivery Ratio，SDR）”是連接坡面侵蝕和河道輸沙的紐帶，是反映泥沙輸移尺度效應(yīng)問題的典型指標(biāo)，因此將題目、摘要或關(guān)鍵詞中出現(xiàn)“泥沙輸移比”的文獻(xiàn)也納入檢索范圍內(nèi)。其中，以知網(wǎng)為例的檢索式為：TI=((“水土流失”+“徑流”+“產(chǎn)流”+“水文”+“洪水 ”+“泥 沙 ”+“水 沙 ”+“產(chǎn) 沙 ”+“輸 沙 ”+“侵蝕”)*(“時(shí)間尺度”+“空間尺度”+“時(shí)空尺度”+“不同 尺 度”+“尺度 影 響”+“尺度 效應(yīng) ”+“尺 度 問題”+“多尺度”+“尺度轉(zhuǎn)換”)) or TKA=(“輸移比”)。以Web of Science為例，針對(duì)外文文獻(xiàn)的檢索式為：TI=(((runoff OR hydrolog* OR flood OR “overland flow” OR “base flow” OR “stream flow” OR “river flow” OR sediment OR erosion OR “soil loss”) AND(*scale OR *scaling) NEAR/1 (*temporal OR time*OR spatial* OR spatio* OR different OR multi* OR cross OR effect OR affect OR impact OR influence OR dependent OR transf * OR convers* OR analys* OR issue)) OR TS=(“sediment delivery ratio” OR“sediment delivery rate”)。檢索時(shí)間為 2021 年 4 月30日，所有文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間在1979—2021年4月范圍內(nèi)。文獻(xiàn)所涉及的研究領(lǐng)域有地理學(xué)、農(nóng)學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、物理學(xué)、水利工程、水資源學(xué)。

將從以上各數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索到的文獻(xiàn)題錄信息下載并導(dǎo)入Excel中，去除重復(fù)和無(wú)關(guān)條目，最終得到776條有效數(shù)據(jù)。每一條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)包含了題目、關(guān)鍵詞、摘要、作者、機(jī)構(gòu)、發(fā)表年份等信息。基于以上題錄信息，通過詞頻分析法（Word frequency analysis）對(duì)目標(biāo)字詞出現(xiàn)的頻率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，以此反映出該關(guān)鍵詞在領(lǐng)域內(nèi)的研究熱度和整體的研究概況。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究概況

2.1.1 文獻(xiàn)構(gòu)成

如圖1所示，從文獻(xiàn)語(yǔ)言來(lái)看，中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)相關(guān)研究的776篇文獻(xiàn)中，中文文獻(xiàn)占大部分，約占70%，而英文文獻(xiàn)占少數(shù)。從尺度類型來(lái)看，以空間尺度效應(yīng)的研究居多，其次是時(shí)間尺度效應(yīng)，而同時(shí)涉及時(shí)間尺度和空間尺度的研究較少。徑流是土壤侵蝕的重要營(yíng)力和泥沙輸移的主要載體，因此徑流與泥沙通常共同構(gòu)成水土流失監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果也說明了這一點(diǎn)，同時(shí)涉及到徑流和泥沙的研究約占38%，僅以徑流為研究對(duì)象的約占 29%，僅以泥沙為研究對(duì)象的約占33%；綜合來(lái)看，研究對(duì)象以泥沙略多，占比近51%，涉及徑流的研究約占49%。涉及泥沙的研究中，近80%的研究關(guān)注的是空間尺度效應(yīng)，而只有約20%的研究關(guān)注其時(shí)間尺度效應(yīng)。而在涉及徑流的研究中，關(guān)注空間尺度效應(yīng)的研究占51%，其中約80%與徑流輸沙空間尺度效應(yīng)或泥沙輸移比有關(guān)，而真正關(guān)注徑流的空間尺度效應(yīng)研究?jī)H占約20%；關(guān)注徑流時(shí)間尺度效應(yīng)的研究中，僅約 30%的涉及泥沙，純粹關(guān)注徑流的研究占近70%。由此可見，侵蝕輸沙尺度效應(yīng)以研究空間尺度效應(yīng)為主，徑流水文尺度效應(yīng)以研究時(shí)間尺度效應(yīng)為主。

2.1.2 尺度分布

從時(shí)間尺度來(lái)看（圖 2a），中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)問題的研究集中在年尺度和次降雨尺度，其中徑流相關(guān)以年尺度為主，而泥沙相關(guān)以次降雨尺度居多；然后依次是季尺度、月尺度和日尺度。年尺度中，以年際尺度（1—9 a）為主，年代際尺度（10—19 a）和數(shù)年代際尺度（20—99 a）很少。這些結(jié)果反映了水土流失研究的時(shí)間尺度分布特征，也印證了“土壤侵蝕研究的時(shí)間尺度不宜超過100年”（張光輝，2020）的說法。

圖2 不同時(shí)間尺度（a）和不同空間尺度（b—c）的分布Figure 2 Distributions of different temporal scales (a) and spatial scales (b-c)

從面狀空間尺度來(lái)看（圖 2b），相關(guān)研究集中在流域尺度，其次是坡面尺度，而區(qū)域尺度的研究較少。除了文摘中未具體說明匯水面積的普通流域外，流域尺度相關(guān)研究以小流域（10—100 km2，通常＜50 km2）為主，而涉及中流域（100—1000 km2）、大流域（＞1000 km2）和微流域（0.1—10 km2）的研究較少。坡面尺度和區(qū)域尺度的研究也多是在普通徑流小區(qū)（一般＜0.01 km2，多為100 m2）或普通區(qū)域尺度上進(jìn)行的，涉及微型小區(qū)（1—2 m2）和大區(qū)域尺度的研究極少。從線狀空間尺度來(lái)看（圖2c），大部分研究與河流有關(guān)，而涉及溝道的研究較少。河流系統(tǒng)研究中，以干支流河道為主，并存在大量與庫(kù)壩相關(guān)的研究，另外還有一小部分研究關(guān)注了湖泊。溝道系統(tǒng)研究中，根據(jù)侵蝕溝的發(fā)育程度，坡面尺度上主要關(guān)注細(xì)溝，其次是沖溝和切溝，淺溝尚未提及；而流域尺度上則以支溝的研究居多，其次是干溝和毛溝。由此可見，目前中國(guó)水土流失研究的時(shí)間尺度和空間尺度的分布上是不均勻和不連續(xù)的，具有明顯的偏向性和一定程度的離散性。

2.2 發(fā)展歷程

2.2.1 總體研究的發(fā)展歷程

水土流失尺度效應(yīng)問題的相關(guān)研究在中國(guó)開始于 1979年（龔時(shí)旸等，1979），之后的研究以2000年和2006年為界可分為3個(gè)階段（圖3）。上世紀(jì) 70年代末，改革開放的實(shí)施和深入發(fā)展為土壤侵蝕和水土保持科學(xué)研究提供了更為廣闊的發(fā)展空間，對(duì)水土流失尺度效應(yīng)的研究也開始出現(xiàn)。在早期階段（1979—2000年），研究發(fā)展緩慢，年均發(fā)表文獻(xiàn)不到3篇，1983—1986年間還出現(xiàn)了短暫的空白期；早期的泥沙研究大多致力于探討黃河和長(zhǎng)江兩大流域泥沙輸移的空間尺度效應(yīng)以及泥沙輸移比問題（Mou et al.，1981；余劍如，1987），而徑流方面也有學(xué)者探討了不同流域尺度產(chǎn)流模式和洪水過程的差異（劉春蓁，1989；陳國(guó)祥等，1996）。到了上世紀(jì)90年代末，在國(guó)家退耕還林還草政策的引導(dǎo)下，水土流失尺度效應(yīng)研究也進(jìn)入新的發(fā)展階段。在21世紀(jì)以后，研究進(jìn)入快速發(fā)展階段（2001—2006年），年均文獻(xiàn)產(chǎn)出達(dá)15篇；此階段空間尺度效應(yīng)研究得以進(jìn)一步發(fā)展，而關(guān)于時(shí)間尺度效應(yīng)的研究，尤其是關(guān)于河川徑流輸沙過程的多時(shí)間尺度周期性變化規(guī)律的研究（鮑衛(wèi)鋒等，2006）也開始迅速發(fā)展起來(lái)。隨著中國(guó)共產(chǎn)黨第十七大報(bào)告首次明確提出“建設(shè)生態(tài)文明”的新目標(biāo)，水土流失尺度效應(yīng)問題的相關(guān)研究進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段（2007年至今），年均文獻(xiàn)產(chǎn)出更是高達(dá)44篇；此階段，時(shí)間尺度成為水土流失尺度效應(yīng)研究中不可忽視的主要內(nèi)容之一，尤其是關(guān)于河川徑流輸沙過程多時(shí)間尺度特征的研究（丁文榮等，2007）開始大量出現(xiàn)，而純粹關(guān)注徑流的空間尺度效應(yīng)研究（賀亮亮等，2017）也迅速發(fā)展起來(lái)。

圖3 各類文獻(xiàn)數(shù)量隨時(shí)間變化的過程Figure 3 Trend of published papers through time

2.2.2 各主題研究發(fā)展歷程

從研究主題來(lái)看（圖4），以土壤侵蝕和泥沙輸移為主，其次以徑流和水文過程為主題；同時(shí)存在一些關(guān)注暴雨洪水的研究，也有少量非點(diǎn)源污染、崩塌/滑坡/泥石流等形式的主題研究。從各研究主題的起始時(shí)間來(lái)看，以土壤侵蝕和泥沙輸移為主題的研究出現(xiàn)最早（龔時(shí)旸等，1979），其次是涉及暴雨洪水的研究（Mou et al.，1981），然后是涉及崩塌/滑坡/泥石流的研究（余劍如，1987）；而涉及非點(diǎn)源污染（張榮峰，1991）以及徑流水文過程（曹如軒，1992）的研究出現(xiàn)相對(duì)較晚。根據(jù)各主題研究相關(guān)文獻(xiàn)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)以土壤侵蝕、泥沙輸移、徑流和水文過程為主題的研究在發(fā)展歷程上與總體研究（圖3）是一致的，即均從2000年以后開始進(jìn)入快速發(fā)展階段，并于 2006年以后開始持續(xù)大量出現(xiàn)。對(duì)暴雨洪水的研究從 2000年開始進(jìn)入持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展階段，在 2020年有明顯的增加趨勢(shì)；這預(yù)示著在全球氣候極端化的背景下，未來(lái)對(duì)于極端降雨事件水沙運(yùn)移尺度效應(yīng)的相關(guān)研究可能越來(lái)越多。關(guān)注非點(diǎn)源污染和崩塌/滑坡/泥石流的研究于 2010年以后開始進(jìn)入持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展階段，目前依然處于初步發(fā)展階段。此外，近10年以來(lái)，一些學(xué)者也開始研究水土流失尺度效應(yīng)的區(qū)域分異（閆云霞等，2011）、水土保持作用空間尺度效應(yīng)（綦俊諭等，2011）和海綿城市建設(shè)對(duì)暴雨水文調(diào)節(jié)尺度效應(yīng)（Li et al.，2020），而關(guān)于融雪徑流（王平等，2014）、冰川徑流（崔玉環(huán)等，2013）和水文連通性（劉時(shí)城，2017）的尺度效應(yīng)研究也開始出現(xiàn)。

圖4 研究主題隨時(shí)間變化的過程Figure 4 Trend of research topics through time

2.3 研究機(jī)構(gòu)

到目前為止，全國(guó)共有240家研究機(jī)構(gòu)參與了水土流失尺度效應(yīng)的相關(guān)研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，前30強(qiáng)單位發(fā)表的文獻(xiàn)總量占65%，其中高校所占比例超過35%。排名前 5個(gè)單位發(fā)表的文獻(xiàn)約占總文獻(xiàn)的1/4，依次是：中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、水利部黃河水利委員會(huì)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所和北京師范大學(xué)。由圖5可知，不同研究機(jī)構(gòu)的主要研究對(duì)象和尺度類型有一定差異。例如，前5強(qiáng)單位以研究空間尺度效應(yīng)為主，且關(guān)注泥沙的較多；而河海大學(xué)、天津大學(xué)和中山大學(xué)則以研究徑流的時(shí)間尺度變化規(guī)律為主。

圖5 研究機(jī)構(gòu)中前30強(qiáng)單位的文獻(xiàn)發(fā)表情況Figure 5 Publications of top 30 research institutions

2.4 研究區(qū)分布

2.4.1 流域分布

根據(jù)研究區(qū)所在流域位置，對(duì)不同流域的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（圖6）。結(jié)果顯示，超七成的研究集中在黃河和長(zhǎng)江兩大流域；其后依次是東南沿海水系（包括港澳臺(tái)）、珠江、松花江；而內(nèi)蒙古內(nèi)流區(qū)、遼河、海河、淮河、西南水系、西北內(nèi)流區(qū)較少；藏北高原內(nèi)流區(qū)的研究目前也僅有一篇（Li et al.，2017），該研究探討了青藏高原泥沙輸移的時(shí)空尺度特征。從文獻(xiàn)構(gòu)成來(lái)看，黃河、長(zhǎng)江和遼河側(cè)重于侵蝕輸沙空間尺度效應(yīng)的研究；而內(nèi)蒙古內(nèi)流區(qū)、西北內(nèi)流區(qū)、西南水系和淮河則主要關(guān)注徑流水文時(shí)間尺度效應(yīng)問題。

圖6 不同流域的分布Figure 6 Distribution in different river basins

2.4.2 水土保持區(qū)分布

根據(jù)中國(guó)水土保持一級(jí)區(qū)劃（王治國(guó)等，2015），對(duì)不同水土保持分區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。如圖7所示，在西北黃土高原區(qū)開展的研究最多，占比超過1/3；其后依次是西南紫色土區(qū)、南方紅壤區(qū)和北方土石山區(qū)，平均占比約15%；而在東北黑土區(qū)、西南巖溶區(qū)、青藏高原區(qū)和北方風(fēng)沙區(qū)的相關(guān)研究較少，平均占比不到5%。從文獻(xiàn)構(gòu)成來(lái)看，在黃土高原區(qū)、西南紫色土區(qū)、南方紅壤區(qū)和北方土石山區(qū)這些主要研究區(qū)，以探討空間尺度效應(yīng)為主；在研究較為缺乏的西南巖溶區(qū)和青藏高原區(qū)，以徑流輸沙時(shí)間尺度效應(yīng)的研究為主；而在研究最為薄弱的北方風(fēng)沙區(qū)，則主要探討徑流水文的時(shí)間尺度效應(yīng)。

圖7 不同水土保持分區(qū)的分布Figure 7 Distribution in the eight soil and water conservation regions

2.4.3 地形區(qū)分布

根據(jù)5種基礎(chǔ)大地貌的地形類型，對(duì)不同地形區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分類和統(tǒng)計(jì)。如圖8所示，高原是研究開展的主要地形區(qū)，占比近40%；其中以黃土高原為主，而內(nèi)蒙古高原、云貴高原和青藏高原的研究較少。其次是地形起伏較大的山地和丘陵區(qū)，合計(jì)占比35%。由于是主要農(nóng)業(yè)區(qū)，在地勢(shì)平坦的平原區(qū)（如華北平原和東北平原）開展的研究也不少。在地形平緩的盆地區(qū)開展的研究最少，且以四川盆地為主，其次是塔里木盆地，而新疆的準(zhǔn)噶爾盆地和青海的柴達(dá)木盆地幾乎是研究空白區(qū)。

圖8 不同地形區(qū)的分布Figure 8 Distribution in different terrain regions

2.4.4 氣候區(qū)分布

根據(jù)中國(guó)氣候區(qū)劃（王靜愛等，2010），對(duì)不同氣候區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)。如圖9所示，從氣候類型來(lái)看，以季風(fēng)性氣候區(qū)略多，占比近53%；不過由于黃土高原的廣泛研究，大陸性氣候區(qū)的相關(guān)研究也不少，占比約47%。從干濕分帶來(lái)看，現(xiàn)有研究主要集中在年降雨較多的濕潤(rùn)（＞800 mm）和半濕潤(rùn)（400—800 mm）地區(qū)，其次是年降雨較少的半干旱（200—400 mm）地區(qū)，而年降水稀少的干旱（＜200 mm）地區(qū)的研究最少。從溫度帶來(lái)看，主要集中在氣溫適宜的暖溫帶和亞熱帶，其次是冬季平均氣溫低于0 ℃的中溫帶，然后是氣候類型復(fù)雜的青藏高原垂直氣候帶；而由于分布面積少，在中國(guó)寒溫帶和熱帶開展的相關(guān)研究極少。從文獻(xiàn)構(gòu)成來(lái)看，降雨稀少的干旱地區(qū)和氣候寒冷的寒溫帶地區(qū)更加關(guān)注徑流水文的狀況。

圖9 不同氣候區(qū)的分布Figure 9 Distribution in different climate regions

2.5 研究手段

2.5.1 研究方法分布

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過野外調(diào)查和觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、模型估算和模擬試驗(yàn)的手段，進(jìn)行了大量關(guān)于產(chǎn)流產(chǎn)沙、水沙過程、水沙關(guān)系、泥沙輸移等尺度效應(yīng)問題的研究。如圖10所示，關(guān)于空間尺度效應(yīng)的研究，多基于實(shí)測(cè)與調(diào)查、3S技術(shù)或示蹤技術(shù)進(jìn)行直接計(jì)算，其次是利用統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行估算，利用人工降雨和水槽沖刷模擬試驗(yàn)開展研究的很少。而涉及時(shí)間尺度的研究，以統(tǒng)計(jì)分析為主要手段，其次是通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)查資料進(jìn)行直接計(jì)算或模型估算，模擬試驗(yàn)研究極少出現(xiàn)。示蹤技術(shù)中，137Cs、210Pb(ex)、7Be等放射性同位素（李勉，2002；張風(fēng)寶等，2011）和粒度分析（Dong et al.，2013）是分析徑流輸沙空間尺度效應(yīng)的主要手段，而氫氧同位素（趙鵬，2014）則常用于監(jiān)測(cè)徑流過程和確定水分來(lái)源。復(fù)雜度分析中，景觀格局指數(shù)（楊曉楠，2019）和分形理論（趙輝等，2011）多用于空間尺度效應(yīng)研究，而熵理論（Zhang et al.，2019）、混沌理論（Li et al.，2014）和模糊集理論（Wang et al.，2019）則多用于時(shí)間尺度效應(yīng)研究?？傮w而言，中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)相關(guān)研究所采用的研究方法多種多樣，不同研究方法所適用的時(shí)空尺度和研究對(duì)象存在差異。而通過不同研究方法得到的尺度效應(yīng)特征和規(guī)律，可能存在不同研究結(jié)果之間的可比性問題。

圖10 不同研究方法的應(yīng)用Figure 10 Application of different research methods

2.5.2 數(shù)學(xué)模型應(yīng)用

水文-侵蝕-輸沙模型不僅是短期暴雨洪水預(yù)報(bào)、中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)和水利工程設(shè)計(jì)的重要工具，還是定量評(píng)價(jià)水土流失的有效工具，對(duì)水土保持規(guī)劃、河流防洪工程設(shè)計(jì)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義（符素華等，2002；黃新會(huì)等，2004）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)相關(guān)研究涉及的數(shù)學(xué)模型共有28個(gè)，其中水文模型有10個(gè)，土壤侵蝕和泥沙輸移模型有18個(gè)（圖11）。從模型結(jié)構(gòu)類型來(lái)看，空間尺度效應(yīng)相關(guān)研究多用描述總體平均狀態(tài)的集總式模型，而考慮過程時(shí)空變化的分布式模型相對(duì)較少；時(shí)間尺度效應(yīng)相關(guān)研究則沒有明顯的側(cè)重，集總式模型和分布式模型的使用情況基本相近。從模型模擬的方式來(lái)看，空間尺度效應(yīng)相關(guān)研究以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹饕侄?，如USLE（Wischmeier et al.，1978）、RUSLE（Renard et al.，1997）、CSLE（Liu et al.，2002）、SEDD（Ferro et al.，2000）等模型；而時(shí)間尺度效應(yīng)相關(guān)研究則以物理模型為主要手段，如 SWAT（Srinivasan et al.，1994）、WATEM/SEDEM（Van Oost et al.，2000；Van Rompaey et al.，2001）、WEPP（Laflen et al.，1991）、InVEST（Nelson et al.，2009）等模型；而介于兩者之間的概念模型出現(xiàn)較少且多用于徑流時(shí)間尺度效應(yīng)研究，如新安江模型、陜北模型（趙人俊，1984）和HSPF模型（Donigian et al.，1984）。由此可見，不同模型的適用范圍會(huì)有所差別。研究者在選擇模型時(shí)，需要根據(jù)研究?jī)?nèi)容、可獲數(shù)據(jù)情況和研究區(qū)情況，謹(jǐn)慎選取合適的水文和侵蝕輸沙預(yù)報(bào)模型。

圖11 不同數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用Figure 11 Application of different mathematical models

3 結(jié)論

基于國(guó)內(nèi)外六大權(quán)威論文數(shù)據(jù)庫(kù)，利用文獻(xiàn)計(jì)量方法，從研究概況、發(fā)展歷程、研究機(jī)構(gòu)、研究區(qū)分布和研究手段等五大方面，對(duì)中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)研究進(jìn)展進(jìn)行了全面系統(tǒng)的介紹和總結(jié)。1979年以來(lái)，眾多學(xué)者針對(duì)水文、徑流和侵蝕輸沙等過程的時(shí)空尺度效應(yīng)問題在中國(guó)各地開展了廣泛的相關(guān)研究。研究區(qū)分布廣泛，研究方法和手段多種多樣，但不同研究區(qū)、不同研究方法、不同尺度下得到的結(jié)果之間的可比性和推廣性問題尚需探討。從要素類型來(lái)看，目前中國(guó)的水土流失尺度效應(yīng)研究以探討侵蝕輸沙的空間尺度效應(yīng)為主，其次是徑流水文的時(shí)間尺度效應(yīng)研究；而關(guān)于侵蝕輸沙的時(shí)間尺度效應(yīng)和徑流水文的空間尺度效應(yīng)研究則較為薄弱，其研究深度和水平有待進(jìn)一步提高。現(xiàn)有研究在尺度分布上具有一定的偏向性和離散性。時(shí)間尺度主要分布在次降雨尺度和年際尺度，空間尺度則主要集中在小流域尺度和坡面尺度。而且，目前絕大多數(shù)研究只是單方面關(guān)注坡面尺度或流域尺度，而綜合考慮坡面-小流域-流域/區(qū)域不同空間尺度徑流泥沙級(jí)聯(lián)傳遞過程的研究極少。基于小尺度建立的水文-侵蝕-輸沙模型無(wú)法在大尺度上得到有效應(yīng)用，對(duì)多尺度水土流失定量評(píng)價(jià)和不同空間尺度水沙數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換造成了很大困難。此外，針對(duì)喀斯特地區(qū)地下水土流失時(shí)空尺度問題的研究還十分薄弱。其中，關(guān)于地下流失途徑及其空間尺度問題依然存在諸多爭(zhēng)議，而關(guān)于地下流失時(shí)間尺度問題的研究更是處于空白狀態(tài)。泥沙從地表到地下的地下流失過程究竟是年際、年代際、數(shù)年代際的加速侵蝕過程，還是數(shù)百年、千年甚至萬(wàn)年尺度的自然位移過程，目前還不得而知?？傮w而言，盡管水土流失尺度效應(yīng)問題的研究已歷經(jīng)了 40余年的歷史，但目前仍處于探索和發(fā)展階段，未來(lái)還需要進(jìn)一步拓展和深入研究。

在今后的研究工作中，利用分形理論、熵理論、小波分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和分布式模型等多種新技術(shù)攻克尺度轉(zhuǎn)換難題，將成為未來(lái)中國(guó)水土流失尺度效應(yīng)問題研究的主要方向之一。而與觀測(cè)尺度和氣候模型時(shí)空尺度相匹配的變尺度水文-侵蝕-輸沙模型，將是未來(lái)模型開發(fā)的趨勢(shì)之一。而且，準(zhǔn)確把握不同地理分區(qū)在不同空間尺度下的主導(dǎo)水沙過程，有利于模型在不同地區(qū)的多尺度預(yù)測(cè)精度的提高，對(duì)于進(jìn)一步提升模型的普適性具有重要意義。此外，亟待明確西南喀斯特地區(qū)土壤地下流失的時(shí)間尺度，這對(duì)于地下流失研究的必要性具有重要的指示意義。而加強(qiáng)水文泥沙連通性尺度效應(yīng)研究和跨學(xué)科綜合研究，可為進(jìn)一步解決水土流失尺度效應(yīng)問題提供新的思路。在全球氣候極端化的背景下，極端暴雨條件下洪水輸沙過程的時(shí)空尺度問題將成為未來(lái)的研究重點(diǎn)之一，而與現(xiàn)代技術(shù)如GIS和遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、多尺度洪水預(yù)報(bào)技術(shù)等的緊密結(jié)合將成為新的研究趨勢(shì)。