尺度问题普遍存在于土壤侵蚀整个过程,研究土壤侵蚀的尺度问题在水土流失过程模拟中具有重要意义。黄土高原丘陵沟壑区、侵蚀类型多且相互耦合,流域系统能耗过程的非线性特征非常突出,使得“坡面~沟道~流域”系统中不同地貌单元的含沙水流对土壤侵蚀、泥沙输移与沉积的影响机理尚未完全明确,不同空间尺度地貌单元水沙搭配关系的差异性尚不清晰,因此,不同空间尺度地貌单元水沙耦合关系机制亟待深入研究。本论文采用野外定位监测、室内模拟降雨试验、水文分析与地统计数理分析相结合的方法。野外观测以黄土丘陵区裴家峁沟典型小流域的梁峁坡、沟坡不同地形部位径流小区、全坡面径流场及桥沟、裴家峁沟水文站1986-2008年实测径流泥沙资料为基础,系统分析“坡面~沟道~流域”系统不同时空尺度下各地貌单元侵蚀输沙系特征,阐明不同时空尺度下各地貌单元水沙关系特征及其差异性;室内降雨模拟试验按照水平比尺1:60、垂直比尺1:50,并构筑具有二级沟网的桥沟流域概化模型,分析了不同地貌单元(坡面、支沟、流域)产流产沙及其水动力过程。从水动力学和地貌形态演化方面揭示不同空间尺度地貌单元产沙机制。对黄土丘陵水土保持措施,生态环境具有重要的科学意义和生产应用价值。取得的主要结论如下:(1)不同时间空间尺度下,不同地貌单元侵蚀输沙特征不同。全坡面不同微地貌单元多年平均土壤侵蚀模数表现为:梁峁坡上半坡<梁峁坡下半坡<梁峁坡<沟谷坡<坡沟系统,比例为1:1.2:1.7:2.4:2.9。在“坡面~沟道~流域”系统内,坡面尺度输沙模数大于流域尺度的各个流域,随流域尺度增大,输沙模数呈减小趋势。而次降雨输沙模数峰值可能发生在流域内的任一地貌单元,表明黄土丘陵沟壑区坡面、流域尺度均存在非平衡输沙现象。(2)不同空间尺度地貌单元,其侵蚀输沙动力条件不同。在坡面尺度,输沙率和径流剪切力呈线性关系,地表径流剪切力能较好地描述坡面尺度侵蚀产沙关系。在流域尺度,侵蚀产沙不仅取决于地表径流深,还要取决于洪峰流量,径流侵蚀功率能较好地描述流域尺度侵蚀产沙关系,输沙率和径流侵蚀功率呈幂函数关系。(3)“坡面~沟道~流域”系统内不同空间尺度地貌单元输沙能力差异显著,且随着地貌单元空间尺度的增加,次洪输沙能力减小。以单位水流功率含沙量表征不同地貌单元输沙能力,全坡面径流场、桥沟一支沟、桥沟和裴家峁沟单位水流功率含沙量比值为186:77:58:1。全坡面径流场的沟坡部位很容易发生滑坡、崩塌等重力侵蚀,因而物质分离速率很大,使得全坡面地貌单元单位水流功率含沙量最大。在流域尺度,沟道输沙能力与高含沙水流的发生有密切关系,高含沙水流起主导作用的河床一般均较窄深,高含沙水流在宽浅的断面将失去稳定,从而导致水流挟沙能力减小。统计表明桥沟一支沟、桥沟和裴家峁沟流域断面宽深比分别为8.15、15.86和38.09。(4)不同时空间尺度下,各地貌单元水沙关系特征不同。不同地貌单元多年平均降雨~径流、径流~泥沙关系变化趋势一致,多年平均输沙模数和径流深呈线性关系,不同空间尺度地貌单元水沙关系差异不显著。基于次洪水事件,不同空间尺度地貌单元输沙模数与径流量的水沙关系都呈线性关系,但随着空间尺度的增加,输沙模数和径流量水沙关系曲线的斜率急剧减小,说明由集流坡面至流域汇流系统,洪水径流过程的复杂性随尺度的增加而降低,流域系统泥沙输出过程的主要驱动因素趋于单一,多变的水沙关系也愈趋于稳定。在次洪过程时间尺度下,受洪水起涨消退的影响,不同空间尺度地貌单元流量~含沙量关系在起涨和消退阶段不同,相同流量下,消退阶段水流含沙量明显高于起涨阶段,且随着空间尺度的增加,差距越大。(5)室内模拟降雨试验表明,降雨强度为1.0mm/min时,仅坡面水流表现为层流,大于1.0mm/min后,各地貌单元水流流态均为紊流。随着降雨强度的增加,不同地貌单元不同地貌部位的径流流态均由缓流变为急流,由坡面尺度增加到流域尺度时,不同地貌单元的径流弗劳德数呈增加趋势。坡面尺度不同地貌部位的阻力系数总是大于流域尺度的阻力系数。(6)坡面尺度不同地貌部位径流剪切力大于流域沟道不同断面的径流剪切力。在坡面尺度,剪切力与降雨强度呈显著线性关系。在流域尺度,沟道不同断面平均径流剪切力与降雨强度呈幂函数关系。梁峁坡部位径流功率与降雨强度呈显著线性关系,沟坡部位和流域不同断面的径流功率与降雨强度呈显著幂函数关系。坡面尺度比流域尺度沟道变化剧烈,尤其以沟坡地貌部位变化最为剧烈。当从坡面尺度增加到流域尺度时,单位径流功率呈减小趋势。(7)把分形理论与熵值相结合,研究了不同地貌单元沟网分形结构、地貌信息熵以及流域地貌发育演化之间的关系。地貌分形维数能准确反映不同地貌单元沟网的平面形态,而熵值的变化可以反映不同地貌单元沟网的纵深发展。(8)随着径流剪切力的增加,来沙系数增加,来沙系数与径流剪切力之间呈密切的幂函数关系(P<0.01)。随着地貌分形维数和地貌信息熵的增加,不同地貌单元来沙系数总体呈增加趋势,指数函数能较好地拟合来沙系数和地貌分形维数之间的关系。