学部张科利教授团队以“Scale issues in runoff and sediment delivery (SIRSD): A systematic review and bibliometric analysis”为题，在Earth-Science Reviews (2022年影响因子12.1) 发文，通过对全球近百年来相关研究的回顾和分析，系统揭示了径流和泥沙输移中的尺度问题 (SIRSD）。
该研究首次阐明了全球水沙运移中尺度问题 (SIRSD) 的根源，总结了水沙运移空间尺度效应的不同模式及其内在机制和驱动因素，并通过文献计量方法对SIRSD领域的发展历史、主题结构、地理分布、国际合作和相关方法论等方面进行了定量分析和深入讨论。
该研究认为，水沙运移中的尺度问题源自于径流和泥沙跨尺度输移过程的非线性特征与人类现有测量手段难以捕捉这种非线性特征之间的矛盾。径流深或径流系数 (r)、侵蚀模数 (SE)、输沙模数 (SSY) 和泥沙输移比 (SDR) 的空间尺度效应在不同机制的作用下表现出不同的模式。超渗产流机制可以解释径流 (r) 与汇水面积 (A) 之间的反比关系，而蓄满产流机制可以解释径流 (r) 随汇水面积 (A) 增加而增加的正相关关系。在坡面尺度上，以细沟侵蚀过程为主导的情况下土壤侵蚀模数 (SE) 随坡长 (L) 的增加而增加，而细沟间侵蚀过程为主导的情况下土壤侵蚀模数 (SE) 随坡长 (L)的增加呈减小趋势。在流域尺度上，以坡面侵蚀过程为主的地区输沙模数 (SSY) 通常随汇水面积 (A) 的扩大而减小；但在沟道/河岸侵蚀过程为主的地区输沙模数 (SSY) 随汇水面积 (A) 的增大呈增加趋势。但随着流域面积的扩大，因下游沉积过程增强，一般而言泥沙输移比 (SDR) 会随汇水面积 (A) 的增大而呈减小趋势；而当下游额外出现大量沙源或侵蚀过程增强时，则会出现泥沙输移比 (SDR) 随汇水面积 (A) 的增大而增加的反常现象。土地利用、植被、地形、气候、岩性和土壤特征的空间分布变异性，可以导致这些尺度效应关系呈现出非线性的复杂模式。因此，不建议基于其他地区开发的经验方程来通过空间尺度大小估算侵蚀或输沙。此外，考虑到全球气候和土地利用的持续变化，现有的尺度效应模式或方程可能已经发生改变并且需要更新。
总体来说，水沙运移中的尺度问题 (SIRSD) 是一个复杂的多学科问题，自 1928 年以来，来自 93 个国家的科学家对此展开了广泛研究。未来需要更多的国际合作研究来关注水土流失风险高且水土保持工作紧迫的欠发达国家，例如非洲和南美洲的一些正在大力扩大耕地面积的国家。现有侵蚀产沙预测模型应用中存在的尺度不匹配和尺度中断等问题严重影响了大尺度水蚀预测和评估的准确性和权威性。未来需要加强多尺度联合或嵌套设计研究，以推进跨尺度分析和尺度缩放建模。同时，还需要进一步优化实时城市洪水预报，并将降尺度气候模型与水文、侵蚀和输沙模型相结合，以应对全球气候变化的挑战。
本研究第一作者柯奇画为5848vip威尼斯电子游戏2019级博士生，张科利教授为通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目 (2021YFD1500701)、国家自然科学基金重点项目 (41730748) 和北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室自主研究项目 (2021-ZD-05) 的联合资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825224000564
图1 水沙运移尺度问题根源的理解框架
图2 水沙运移空间尺度效应模式及其背后潜在机制或驱动因素. A: 流域面积 (km2); L: 坡长 (m); r: 径流深 (mm) 或径流系数 (%); SE: 侵蚀模数 (t·km-2·yr-1); SSY: 输沙模数 (t·km-2·yr-1); SDR: 泥沙输移比;
图3 文献计量分析过程示意图
图4 全球SIRSD研究论文发表的趋势 (a) 及其结构变化 (b) 以及其在水文和侵蚀相关研究中的占比变化 (c)
图5 全球SIRSD研究中不同研究主题的演变趋势
图6 SIRSD研究领域的概念结构图 (a) 和70个高频关键词的词云 (b)
图7 全球SIRSD研究中不同时间尺度 (a) 和空间尺度 (b-c) 的分布
图8 全球SIRSD研究中水沙运移时空尺度问题分布 (多尺度研究中嵌套设计研究仅占全部SIRSD研究的2.3%）
图9 全球SIRSD研究的地理分布
图10 2010年前 (a) 和2010年后 (b) 国际合作网络以及每个大陆发表的SIRSD研究的数量及占比
图11不同研究方法在 SIRSD领域的应用
图12 不同水文、侵蚀、输沙相关预测模型在SIRSD领域中的应用