针对行业、国家及社会广泛关注的部分重要河流水沙锐减，水土保持措施特别是梯田措施对河流水沙影响机理不清这一科学问题，本研究在进一步完善“流域自响应理论”的基础上，以研究梯田在极端降雨条件下的破坏过程为切入点，以流域梯田的实体模拟和数学模拟为研究手段，通过构建降雨、径流、侵蚀、输移的1:10正态梯田比尺模型，研究了典型梯田在极端暴雨条件下的侵蚀过程；在此基础上，基于嵌入新开发梯田模块的第488版SWAT模型，研究了大规模梯田修建对缺水、多沙河流水沙变化的影响。取得的主要结论如下：（1）进一步丰富和完善了“流域自响应理论”，给出了流域系统相互作用框架图，研究了特殊降雨对流域水沙影响。针对2013年延河出现的极端暴雨，研究了该暴雨特征，结果表明该暴雨最大10分钟、30分钟、60分钟雨强分别为0.7mm/min、0.62mm/min、0.4mm/min，雨强不大。但最大日、最大3日、最大5日、最大6日、最大7日、最大月、最大3月、全年的降雨量分别为87.8mm、141.1mm、223.6mm、269.7mm、272.6mm、568mm，761.3mm，959.1mm，特别是最大月降雨量超过超过万年一遇降雨标准。结果导致在延河流域出现了大规模的侵蚀灾害，但河流水沙较小，延安、甘谷驿站最大日径流量为5年一遇洪水标准。延河流域出现了降雨强度低、历时长、侵蚀灾害剧烈，但河流水沙较小的水沙变化新特征。新情况表明流域下垫面变化特别是梯田措施对流域水沙的影响值得研究。（2）鉴于实际梯田在极端暴雨条件下的破坏过程难以定量分析，基于开发的小流域实体模拟理论和技术，通过构建梯田比尺模型及验证，对典型梯田极端暴雨条件下的侵蚀过程进行研究。结果表明：梯田的破坏过程可以通过室内比尺模型的当量侵蚀过程来模拟；基于构建1:10正态梯田比尺模型，在保证地形相似的条件下2013年极端降雨侵蚀过程可以用降雨量为636mm、雨强为1.25mm/min、降雨历时为508min的当量降雨过程来表示。试验结果表明：高效农业梯田在遭遇暴雨侵蚀过程中所处的位置不同其侵蚀程度不同，试验条件下底部梯田侵蚀比上部梯田侵蚀严重。典型试验梯田2013年最高土壤侵蚀强度达5.4万t/km2，8阶梯田平均达到2.4万t/km2。初步研究了极端降雨情况下梯田侵蚀规律，并给出了梯田侵蚀方程。建议黄土丘陵沟壑区高效农业水平梯田修建时，上下不同位置的梯田需采取不同的设计标准，以提高梯田措施的水土保持效益。（3）为了进一步研究梯田措施对河流水沙过程的影响，特别是针对缺水多沙河流水沙锐减、生态基流短缺、水沙变异过程研究薄弱，在梯田实体模拟基础上，选用联合开发的能进行大尺度梯田对水沙影响模拟的第488版SWAT模型，对高治理度的缺水多沙河流—延河的水沙变异机理及治理措施的优化配置进行研究。在更新SWAT模型土壤、气象数据库基础上，选择1957-1962年作为模型率定期，给出了模型主要径流、泥沙参数值。利用治理度较低，资料相对完整的1963-1969年实测资料对延河延安站、甘谷驿站径流、泥沙资料进行了验证，以模型规定的纳什系数（NS）、相对偏差（PBIAS）等作为评价指标。验证结果表明，在日尺度上，径流泥沙计算结果与实测结果比较，趋势一致，但不满足精度要求；在月尺度上，径流和泥沙的系数分别在0.55~0.88和-16.2%~22.8%之间，在趋势和精度上均能满足模型精度要求。表明在缺水多沙人类活动高度影响的延河流域，可以采用新嵌入梯田模块的SWAT模型对梯田措施流域水沙进行月尺度的模拟，推进了在流域尺度上模拟治理措施对泥沙冲淤影响的研究。（4）梯田对流域水沙的影响。采用构建的数学模型研究了梯田措施对河流水沙影响，结果表明：延河流域的梯田措施具有“蓄洪补枯”作用，即梯田措施能够减少汛期径流、增加基流，保障河道生态基流；提出年内梯田总减水量与梯田对河道径流补给量之比作为梯田蓄洪补枯比的概念。定量给出了延河流域的蓄洪补枯比约为5.58，表明延河流域梯田每蓄约5.58方水将有1方水以基流的形式补给河道，黄土高原丘陵沟壑区多数沟道有常流水即是证明。相对于基准期（1956—1969年），2005年、2011年梯田规模分别减少甘谷驿站径流397.3万m3、578万m3；补给河道径流量分别为95.7万m3、129.5万m3；流域梯田蓄洪补枯比分别为5.2、5.5。2005年、2011年梯田规模甘谷驿分别减少泥沙271万t、374.2万t，单位面积梯田减沙量分别为1.08万t/(km2.a)、1.28万t/(km2.a)。（5）对延河马家沟流域的梯田位置的合理布局进行了研究。结果表明：相同面积梯田的布置在空间上服从“上比下好”的规律。即从减沙效益上，梯田布置在流域纵向分布上，上游比下游好；在同一断面，布置在上部比下部的减沙效果好。马家沟流域梯田布局优化结果表明，在充分考虑流域担负的供水任务及减沙效益、经济效益、生态效益、社会效益的基础上，流域适宜发展梯田高效农业，位置适宜布置在流域的下游上部。计算结果还表明，单位面积梯田减沙量差别达到2520t/km2，合理的流域梯田布局能够提高梯田减沙效益20%左右，研究结果可为流域水土流失综合治理提供技术支撑。