【摘 要】
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黄土高原多沙粗沙区作为世界上水土流失最严重的区域之一,具有特殊复杂的气候、土壤、植被、水文和地质地貌等环境要素特征,区域内剧烈的土壤侵蚀主要由汛期几次集中的暴雨径流过程产生,是黄河泥沙的主要贡献源区;同时流域内的径流输沙情势受气候变化与人为活动影响剧烈,其分布格局呈现高度时空异质性。因此,探究多沙粗沙区的河流水沙情势及其场次洪水过程泥沙来源的时空变化特征能够揭示流域土壤侵蚀对环境变化的响应机制,对
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“黄河孔兑流域次降雨事件泥沙源汇动态变化及驱动机制”（42077076）； 国家自然科学基金面上项目“植被恢复与坝库工程对皇甫川流域水土过程的调控与模拟”（41671279）； 国家重点研发计划“黄河流域水沙多时空演变及其分异规律”（2016YFC0402401）；
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黄土高原多沙粗沙区作为世界上水土流失最严重的区域之一,具有特殊复杂的气候、土壤、植被、水文和地质地貌等环境要素特征,区域内剧烈的土壤侵蚀主要由汛期几次集中的暴雨径流过程产生,是黄河泥沙的主要贡献源区;同时流域内的径流输沙情势受气候变化与人为活动影响剧烈,其分布格局呈现高度时空异质性。因此,探究多沙粗沙区的河流水沙情势及其场次洪水过程泥沙来源的时空变化特征能够揭示流域土壤侵蚀对环境变化的响应机制,对流域水沙调控、水土保持治理措施优化及其效益评价等具有重要意义。本研究以多沙粗沙区典型流域-皇甫川为研究对象,基于流域把口站长时间序列水文数据资料,定量分析流域年际尺度的水沙情势变化及次洪尺度的产流产沙变化规律;对流域出口六场过境洪水过程进行泥沙采样与监测,将其潜在侵蚀源地划分为耕地、砂岩和草地三种类型进行采样,基于复合指纹识别技术,通过数理统计学方法筛选构建最佳指纹因子组合,结合多元混合模型定量分析不同潜在侵蚀物源对洪水泥沙贡献的动态变化特征,探究流域场次洪水过程侵蚀产沙来源的时空演变规律及其对环境变化的响应机制。主要结论如下:（1）皇甫川流域1955-2018年时段内的年际径流输沙量呈极显著减少趋势（p<0.01）,其水沙序列突变点均为1979和1996年,据此可将其变化划分为三个时段;流域所有洪水事件中,输沙模数小于5000 t/km2的中小量级洪水出现频率最高（88%）;基于不同水沙统计指标对洪水进行聚类分析,可将场次过程划分为四种类型,其中水沙指标均值最低的B类洪水发生频率最高;流域三期次洪水沙指标均呈良好的线性关系,变化期的单位径流输沙量较基准期发生显著下降;逆时针滞回曲线在所有洪水中发生频率最高（36.33%）,顺时针滞回频率最低（6.12%）。（2）2016和2018年的六场采样洪水事件中,各场次涨洪时间均显著小于退洪时间,其水沙过程呈现陡涨缓落的变化特征;2016/8/17-8/20的场次过程具有最大的次洪径流深与输沙模数,其降雨径流过程最为猛烈,因而该次洪水为所有采样场次中侵蚀产沙强度最大的过程事件;多数场次洪水过程的流量较含沙量先到达峰值,形成涨水段的低含沙水流和退水段的高含沙水流。（3）粘粉砂三组分在物源与洪水样品中均呈现砂粒>粉粒>粘粒的分布特征,表明流域地表组成物质以粗颗粒为主;砂岩磁化率指标值显著低于其余物源,具有较弱的磁性强度;在所有化学元素中,Al元素在样品中含量最高,其中砂岩（7.13%）与洪水样（7.73%）中的元素含量均值显著高于其余物源;Ba和Sr元素的含量均值则显著高于其余微量元素,在流域地表土壤中明显富集。基于统计学分析,选定Sb、χfd、Fe、Na、Sr、Pr共6个理化指标构建最佳指纹识别因子组合,其物源整体判别率达到86.8%,满足贡献率模型计算要求。（4）耕地、砂岩和草地三种物源对场次洪水过程的泥沙相对贡献率均值呈现砂岩（59.89%）>耕地（24.44%）>草地（15.67%）的分布特征,该结果拟合优度（GOF）均值达到0.85,具有较高的识别精度;各物源在洪水过程中的单位时间产沙量大致呈现同增同减的变化特征,与流量、含沙量变化存在响应关系;洪水过程中各物源的累积产沙量变化具有显著的阶段性特征;耕地、砂岩和草地三种物源对所有洪水事件的总侵蚀产沙量分别达84.78×104t、127.48×104t和40.45×104t,其总产沙贡献比同样呈现砂岩（50.44%）>耕地（33.55%）>草地（16.01%）的分布特征,表明砂岩是流域出口场次洪水过程的主要泥沙来源。因此,加强砂岩区的水土流失治理是实现黄河中游多沙粗沙区流域综合整治、水沙调控及生态恢复的关键。
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