第一章 绪论
　　第一节 流域系统与水文地貌学过程
　　流域系统理论自20世纪70年代由著名的美国地貌学家Schumm（1973，1977）创立以后，成为一种重要的理论工具，在世界上得到了广泛的应用，对国际河流地貌研究产生了很大的推动作用（Hurget et al.，2007），也使我国河流地貌研究发展到一个新阶段（叶青超等，1990；陆中臣等，1991；尹国康，1991；许炯心，1996）。自2000年以来，随着国际对全球变化和环境问题的关注，流水作用过程与流域系统的研究取得了长足的进展。
　　流域系统既是一个水循环系统，又是一个地貌系统，前者侧重于水的循环，后者侧重于以流水为纽带的泥沙侵蚀、搬运、堆积与地表形态塑造过程，二者具有紧密的联系，这种联系越来越受到重视。水文地貌学（hydrogeomorphology）的概念和术语在20世纪50年代提出，苏联的河流地貌研究者用这一概念研究了河型问题（沈玉昌和龚国元，1986）。1973年著名理论地貌学家Scheidegger（1973）对国际上的水文地貌研究进行了综述；其后有不少研究成果问世（Chatterji et al.，1978；Douglas，1985）。1992年在著名地貌学家邓恩（T.Dunne）的倡导和组织下，在日本横滨召开了水文地貌学国际讨论会，将这方面的研究推向一个新的阶段。1997年国际地圈-生物圈计划（IGBP）下属的过去的全球变化研究计划（PAGES）的核心项目“农业开发时期以来流域系统物质通量对气候变化和人类活动的响应”正式启动，其项目设计体现了水文、地貌、气候和人类活动诸要素相耦合的思想。与此同时，水文地貌学联系在河流生态恢复的研究中得到重视（Petts et al.，1992）。2006年，国际水文科学协会（IAHS）下属的国际大陆侵蚀委员会在英国邓迪（Dundee）召开了以“泥沙动力学与流水系统中的水文地貌学”为主题的国际研讨会，其中两个关键性概念即流水泥沙系统（fluvial sediment system）和水文地貌学十分引人注目，标志着水文地貌学的研究已成为国际河流系统和流水泥沙系统研究中的重要生长点（Rowan et al.，2006）。Sidle和Onda（2004）以“水文地貌学：正在涌现的学科”为题，对水文地貌学的若干科学问题进行了综述，强调了对水流、泥沙运移动态及动力机制时空格局的研究，并阐述了时空尺度、土地利用变化相互作用以及累积效应等概念。有物理基础的水文响应模拟计算方法得到进一步发展，为水文地貌学研究打下了更坚实的基础（Loague et al.，2006）。在水文地貌学的理论框架中，山区河流水沙耦合研究取得了新的成果（Hattanji and Onda，2004；Morche et al.，2008）。
　　第二节 水文地貌耦合系统
　　流域系统中水文要素和地貌要素的耦合，形成了水文地貌耦合系统。作者团队在2011～2013年完成的国家自然科学基金项目申请书中，明确地提出水文地貌耦合系统的概念。在一个水文地貌耦合系统中，存在着水文要素和地貌要素之间的响应、适应、反馈和调整，以实现二者之间的平衡为目标。水文地貌耦合系统可以分为不同的层面：①流域层面：地貌要素影响产流，径流侵蚀地表，导致地貌演化，又反过来影响产流过程；人类活动改变地表微地貌，如梯田、淤地坝的修建，也会改变产流过程。②河道层面。③河口三角洲陆海相互作用层面。以上3个层面，可以分别称为流域水文地貌耦合、河道水文地貌耦合与河口水文地貌耦合。人类活动与气候变化是影响水文地貌耦合关系及相关过程的主要因素。两个因素的变化均会导致水文地貌耦合系统的变化。这两个因素变化的速率是不同的，20世纪50年代以来，前者变化的速率及其影响已大大超过后者，成为决定水文地貌耦合系统变化的主导因素。研究人类活动对水文地貌耦合系统的影响，是地貌学、水文学迫切需要解决的重要科学问题。在地球科学中，自20世纪80年代以来，各部分（各个子系统）耦合关系的研究得到了人们的广泛关注，成为研究的重点，大至如何发展多圈层相互作用模式、开发多种尺度的气候-水文-土壤-植被耦合系统模式、研究地貌-水文-生态过程相互耦合（傅伯杰等，2006），小至全球变化背景下干旱区山地-绿洲-荒漠系统的耦合关系（王让会等，2006），都受到人们的重视。从系统的层面上说，河流系统各带之间的耦合关系的研究是河流学科的一个核心问题，亟待突破。在自然条件影响下，各带、各个子系统、各种过程之间形成了特定的耦合关系（Harvey，2001）。人类活动介入并日益占优势之后，原有的耦合关系将会被改变，即经历一个“解耦合”（decoupling）的过程，并重新建立新的耦合关系。Fryirs等（1999）通过实例研究，讨论了澳大利亚新南威尔士一个流域在欧洲移民进入后，由人类活动引发的坡沟关系解耦合过程，以及由此导致的泥沙来源的变化（Fryirs and Brierley，1999）。Fryirs和Brierley（2007）对流水地貌系统中的解耦合和非连通性进行了系统研究，在流域尺度上讨论了从泥沙来源到泥沙沉积汇之间的非连通性的形成机制，包括缓冲带、障碍和席状堆积（buffers、barriers and blankets）等的影响。
　　第三节 人类活动对水文地貌过程的影响
　　河流养育了人类社会，人类又对河流施加了日益增大的影响，二者之间形成了特定的耦合关系。这种耦合关系是动态的、随着时间而变化的。随着人类文明特别是科学技术的迅速发展，人类施加于河流的作用力迅速增强，人类已经在很大程度上改变了河流的自然面貌。可以说，在今天的世界上，大至长河巨川，小至涓涓小溪，莫不打上了人类活动的深刻烙印。人-水关系是人-地关系中最重要的方面之一，一部人类文明史便是人类与河流之间的关系不断调整的历史。人类与河流的关系，已经成为陆地表层系统科学研究的核心内容，也是地貌学最重要的前沿领域之一。
　　地表流水作用过程受力学规律的支配，可以运用牛顿力学原理，通过分析地表物质在力的作用下发生运动和这一过程中能量的转化、耗散来进行描述。通常是列出一组偏微分方程，并求其解析解或数值解。人类活动对河流地貌过程的影响主要是通过改变作用力与抵抗力的对比关系以及系统中能量的分配和耗散方式来实现的。在大多数情况下，这种影响并没有改变微分方程组本身，而只是改变了其中的某些参数。从这一意义上说，人类活动对河流的影响可以在一定程度上用力学方法来描述。同时，河流系统又是一个复杂系统。自从人类出现在自然界并与河流发生日益密切的联系之后，人类在开发利用河流资源（水资源、河流沙砾资源、河流泛滥平原土地资源、航道资源、风景资源等）和治理河流灾害（洪水灾害、泥沙灾害、断流灾害等）的过程中，以各种方式影响河流，同时又受到河流的制约，形成了特定的耦合关系，这种耦合关系使河流系统变得更为复杂。运用系统耦合理论来认识人类-河流相互作用，可以从宏观上把握人类与河流之间的相互关系与相互作用，认识河流系统的复杂行为，揭示其中的规律，从而为流域管理的规划与科学决策提供可靠的依据。
　　流域系统中的人类活动可以概括为以下四方面：①人类对土地利用、土地覆被状况的改变。包括破坏植被与植被恢复、开垦与退耕、水土保持坡面措施（修筑梯田、种树种草）。②水利工程的修建与水资源和水能的开发利用。径流泥沙调节。③河道整治。河道形态变化。④跨流域调水等。水库工程和其他工程的修建，使河流成为一个受控制的系统，可称为受控河流系统，或河流控制系统。对这一系统的调控，可以运用自然控制论的方法和原理来解决。自然控制论的思想已提出多年（曾庆存，1996），基于这一思想可以建立河流控制系统的概念。
　　第四节 水文地貌过程研究进展综述
　　我国科学家对河流系统中的水文过程和地貌过程分别进行了大量研究，发表了一系列专著和论文，涉及流域产流汇流过程与分布式水文模型、土壤侵蚀过程及土壤侵蚀模型、人类活动影响下的黄河水沙变化、黄河下游的河道萎缩与河床调整等。夏军等（2004）建立了基于非线性水文系统的分布式时变增益水文模型，该模型获得了较广泛的应用。郭生练等（2003）、李兰等（2002）也在分布式水文模型方面取得了很好的进展。我国在侵蚀机理研究方面取得了大量成果（牟金泽和孟庆枚，1982；陈永宗等，1988；唐克丽，1990；唐克丽，1993；蔡强国等，1998；郑粉莉和高学田，2000），对侵蚀模型也进行了系统的研究（姚文艺和汤立群，2001；刘宝元等，2001）。刘宝元等（2001）借鉴美国通用土壤流失方程（USLE）的成功经验，根据实测资料建立了坡面土壤流失预报方程，江忠善等（1996）利用黄土高原丘陵沟壑区径流小区的观测资料，建立了次降雨小流域地块侵蚀预报模型，蔡强国等（1996）将小流域侵蚀产沙分为坡面、沟坡和沟道三个基本单元，分别建立了各单元的次暴雨土壤侵蚀产沙预报模型。汤立群等（1990）和谢树楠等（1990）根据流域径流形成和侵蚀产沙机理，利用水文学和泥沙运动力学的基本理论，构建了小流域产沙动力学模型。贾媛媛等（2005）建立了黄土高原小流域分布式水蚀预报模型。王光谦等（2005）基于已建立的黄河数字流域平台，将流域泥沙问题与河道输沙问题结合起来，取得了新的进展。王兆印等（2003）提出了植被侵蚀动力学的计算方法，定量估算了植被变化对侵蚀的影响。倪晋仁和钱征寒（2002）研究了人类活动对黄河水沙过程的影响，提出了功能性断流的概念。胡春宏（2005）研究了黄河水沙变异过程及下游河道的复杂响应。李义天（2004）运用泥沙数学模型，系统地研究了长江河道的输沙过程与河床演变过程。张红武和张清（1992）着眼于悬沙的存在对水流特性的反作用，建立了适用于黄河高含沙特性的水流挟沙能力公式。姚文艺和汤立群（2001）等通过模型试验，研究了微型小流域的地貌演化过程。以上工作丰富了流域水文过程、侵蚀产沙和河道输沙过程研究的理论内涵，明显提高了我国在这一领域的研究水平。然而，对于河流系统层面上的水文过程、地貌过程的相互作用以及这种相互作用在人类活动影响下的变化，系统的研究成果还较少。
　　纵观国内外的研究，尚存在以下不足：①对河流系统各个子系统内部的结构、功能和响应机理研究较多，对各个子系统之间的耦合关系研究较少，对这种耦合关系进行模型表达的工作更少；②对河流系统的水文学和地貌学特性分别进行的研究较多，但通过水文-地貌耦合的理论框架研究河流系统的工作较少；③对河流系统的自然演变过程研究较多，对人类活动强烈影响下的河流系统演变规律研究较少；④对坡沟耦合、流域河道耦合进行了一些研究，还有待于深化。
　　本书以作者团队和国内外研究者所取得的成果为基础，致力于这些问题的阐述，以期使读者对黄河流域地貌系统各部分的耦合关系、形成机理与演变特性有更加全面、系统、清晰和深入的认识。本书涉及整个黄河流域，包括位于青藏高原东北部的上游流域、位于黄土高原的中游流域（图1-1）以及位于华北平原的下游河道和河口三角洲（图1-2）。
　　图1-1 黄河流域示意图（引自熊怡等，1989）
　　图1-2 黄河下游河道示意图
　　第五节 黄河流域地貌系统中的耦合类型
　　和本书的体系结构自2010年以来，作者团队对Schumm流域地貌系统概念进一步细化和完善，在此基础上对黄河流域水文地貌耦合系统进行了系统的研究，其涉及整个黄河流域，包括位于青藏高原和内蒙古高原的上游流域、位于黄土高原的中游流域、位于华北平原的下游河道和河口三角洲。作者团队把与黄河流域地貌系统有密切关系的水文-地貌耦合分为以下9种：①植被-侵蚀-河道耦合关系；②干支流耦合关系；③水沙耦合关系；④气候-水文-泥沙产输耦合关系；⑤流水-风力作用耦合关系；⑥流域-河道耦合关系；⑦流域-河道-海洋耦合关系；⑧人类社会经济与水文地貌系统的耦合关系；⑨大气环流系统与流域水文地貌系统的耦合关系。本书涉及其中的7种耦合关系，分别按

目录
前言
第一章绪论1
第一节流域系统与水文地貌学过程1
第二节水文地貌耦合系统2
第三节人类活动对水文地貌过程的影响2
第四节水文地貌过程研究进展综述3
第五节黄河流域地貌系统中的耦合类型和本书的体系结构5
第二章植被-侵蚀-河道耦合关系及其变化6
第一节植被-侵蚀关系的转型6
第二节基于降水-植被-侵蚀耦合关系重建历史上的侵蚀产沙18
第三节黄河流域植被变化的重建及其对下游河道决溢频率的影响27
第三章水土保持对河流水文地貌耦合的影响37
第一节径流可再生性的变化37
第二节绿水系数的变化46
第三节减水效应与减沙效应的耦合关系55
第四节流域水土保持措施对下游河道淤积的影响65
第四章黄河流域的4个泥沙沉积汇75
第一节上游泥沙沉积汇76
第二节黄河中游沉积汇85
第三节下游泥沙沉积汇99
第四节河口泥沙沉积汇106
第五节4个沉积汇沉积量变化的比较111
第五章干支流耦合关系119
第一节十大孔兑来沙对黄河上游河道淤积的影响119
第二节支流高含沙水流对干流河道演变的影响128
第三节水库下游支流来沙对水库下游河道冲淤的影响134
第六章水沙耦合关系143
第一节水沙耦合关系与水流能耗143
第二节基于水沙关系的冲淤临界研究147
第三节多泥沙河流的侵蚀、输移、沉积过程对水沙关系的复杂响应152
第四节基于水沙关系的河型判别156
第五节水沙关系与河床演变和河口发育160
第六节基于Lane平衡对传统水沙关系的推广165
第七节Lane平衡参数对河床调整的控制作用170
第七章流域能耗特性及其意义186
第一节黄河干支流的能耗率与泥沙输移的关系186
第二节黄河流域能耗率与产沙输沙尺度效应的关系193
第三节黄河干支流能耗率沿河长的复杂变化及其意义200
第八章气候-水文-泥沙产输耦合关系204
第一节黄河河口镇至龙门区间的产沙量对气候变化的响应204
第二节黄河源区径流的产生对气温变化的复杂响应217
第三节黄河源区的河流泥沙对气候变暖的复杂响应现象234
第四节基于洞穴石笋氧同位素记录重建黄河源区径流量和输沙量的变化245
第五节基于旱涝指数对河龙区间产沙量的重建257
第九章流水-风力作用耦合关系274
第一节风力作用的历史变化274
第二节水力作用的历史变化280
第三节多沙粗沙区粗泥沙产沙量的历史变化284
第十章上中下游平滩流量292
第一节上游宁蒙河段平滩流量293
第二节中游支流渭河平滩流量306
第三节下游平滩流量323
第十一章流域-河道耦合关系337
第一节黄河上游水沙变异指标及其与流域因素的关系337
第二节黄河上游和下游河道输沙功能变化对流域因素的响应354
第三节黄河上游悬沙粒径的变化及其成因364
第四节黄河上游清水来源区来水的稀释效应对下游河道淤积的影响375
第五节黄河下游二级悬河发育演变385
第十二章人类社会经济与水文地貌系统的耦合关系407
第一节农村社会经济结构的改变对植被的影响407
第二节农村社会经济结构的改变对流域产沙的影响423
第三节人类社会经济活动对黄河入海泥沙通量和三角洲造陆的影响439
第四节过去1800年黄河流域降水和径流变化对朝代更替和国都迁移的影响451
参考文献467