項目名稱： 黃河上游沙漠寬谷段風沙水沙過程與調控機理 首席科學家： 拓萬全 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 起止年限： 托部門： 中國科學院 二、預期目標 （一） 總體目標 探明黃河上游沙漠寬谷河道粗泥沙來源，揭示粗泥沙風 沙過程變異、塌岸淤床過程及洪 岸相互作用四項風沙水沙關鍵過程， 發展風水復合侵蝕與沙漠河流泥沙動力學理論， 構建 黃河上游沙漠寬谷流域 多源數據平臺及 風沙 河道流域分布式動力學模型，建立沙漠寬谷流域 調 挖”風沙水沙綜合調控體系，為防治黃河上游“新懸河”，構建水沙調控體系提供科學支撐。 凝聚一批年輕學科帶頭人和骨干、充實完善實驗基地和科技大平臺，推進我國沙漠學與河流學等相關學科的發展。 （二） 五年預期目標 1. 通過河道鉆孔取樣、測年分析與地球化學及礦物學指標測量，重建近千年尺度河道沉積的時空演變特征，定量分析不同沙源對淤積河道粗泥沙的貢獻率，準確界定淤積沙漠寬谷河道粗泥沙界線及重點源區。 2. 通過對沙漠區風水復合侵蝕及風沙水沙過程的觀測、實驗與模擬研究，建立風水復合地表侵蝕模型及沙漠河流泥沙動力學模型，準 確計算沙漠粗沙入黃量，科學認識沙漠對黃河的作用與影響。 3. 揭示沙漠寬谷河道與河流水沙過程互饋機制，結合黃河上游水沙變化與水庫調節關系的定量分析，科學認識大型水庫調節作用對沙漠寬谷河段水沙關系變異的影響。 4. 通過對沙漠河流 “懸移質 斷面 ”的實地觀測，結合實體模型實驗，建立沙漠河流推移質泥沙輸移理論模型，正確認識沙漠粗沙在沙漠河流中推移輸移規律。 5. 通過對沙漠寬谷河岸坍塌過程的觀測與模擬，建立河岸坍塌動力學模型，揭示高含沙洪水入黃后沙壩形成與演變過程。通過構建基于洪 岸相互作用的2 流 型，揭示沙漠寬谷河道不穩定性機理，確定沙漠寬谷河道相對平衡的水沙閾值，準確評估可控洪峰過程對沙漠寬谷河道的沖淤效應，為正確制定沙漠寬谷河道 “沖沙減淤 ”方案提供科學依據。 6. 建立沙漠寬谷 “風沙 河道 ”流域分布式模型，確定河道沖淤平衡的風沙水沙變量（粒徑、沙量與流量）閾值。 7. 提出沙漠寬谷流域 固 調 挖 ”風沙水沙綜合調控方案 ，為沙漠寬谷河道懸河及其洪凌災害防治提供科學決策依據。 8. 在核心刊物上發表研究論文 400 篇以上，其中在 錄的刊物上達到120 篇，出版 專著 5 部以上，發明專利 3 項。培養碩士 60 名，博士 50 名。 三、研究方案 （一）總體思路 本項目以風沙水沙產 淤的源匯過程為主線，研究風沙 河道三者動態耦合關系。針對風蝕與水蝕、風沙與水沙、河流與沙漠過程的復合特征，以水庫調節前后 60 年為特征時段，在點 面 點開展粗沙風 道水沙關系變異、塌岸淤床及洪 岸相互作用四大關鍵過程研究，結合近千年來河道沉積變化與來源分析，預測未來 20 年河道沖淤變化趨勢，為建立沙漠寬谷流域與河道一體化的 “固 調 風沙水沙綜 合調控體系提供理論支撐（圖 1）。 圖 1. 項目的總體研究思路 （二）技術路線及可行性 根據以上總體思路，采用 點（樣地） 道） 流域） 漠寬谷流域） 相結合的方法，在 過去 1庫調節前后近 60 年和未來 20 年的時間尺度上開展河道鉆孔取樣分析 、 野外樣地實地 觀測實驗、多源資料融合、模型發展和綜合集成相結合的研究方案。具體技術途徑如下： 1. 河道千年尺度沉積序列的重建與粗泥沙來源的定量辨識 以現代河道橫向、縱向淺層鉆孔為依托，獲取近千年來高分辨率的河道沉積紀錄， 通過對 研究區現代黃河淤積物沉積相和物質組成特征、主要物源區物質組成與粗組分的標型特征分析，建立黃河粗泥沙來源的物理、巖礦、化學等系列辨流域與河道一體化“固 調 挖”風沙水沙綜合調控體系 多過程觀測模擬 粗沙 風洪產輸 水 沙 關 系 變異 塌岸淤床 過 程 寬 谷洪峰 過 程 1來 水庫調節前后 60 年 未 來 20年 點 線 面 區域 河道沖淤 變化與趨勢預測 產 輸 淤 河道沖淤變化 風沙 過程 水沙 過程 主 線 內容方法 目 標 河道沉積 變化與來 源 分 析 識標志；建立端元量化模型，判別黃河粗泥沙的主要來源，定量估算不同源區的貢獻。 2. 流域 在沙漠寬谷流域開展風水復合侵蝕與風沙水沙輸移多過程的協同和強化觀測實驗，開展覆沙坡面風水復合侵蝕過程、沙丘 丘 道侵蝕過程、沙漠河岸坍塌過程、推移質輸移過程及洪峰過程等點（圖 2，樣點觀測模擬）、線（ 圖 3，河道觀測模擬）、面（典型小流域網格觀測與模擬）空間尺度上的研究。 圖 2. 樣點層次：多過程觀測與模擬 圖 3. 樣線層次：河道水沙變化、塌岸淤床與洪峰過程觀測與模擬 數值仿真 /實體模擬 /理論分析 推移質輸移模型 河岸坍塌動力模型 風水復合侵蝕模型 沙丘 黃模型 懸移質輸移模型 洪峰 徑流過程 模型 覆沙坡面風水復合侵蝕 沙丘 溝谷高 含沙洪 水 過 程 庫布齊 (十大孔兌 ) 沙漠河段風沙入黃 典型河岸坍塌淤床過程 典型河道洪水過程 黃河干流 沙漠 復合系統 侵蝕釘 . 觀測系統 實體模擬 數值仿真 洪 岸相互作用河 流 動 力 學 模式 水庫調節前后 水沙關系變化 水庫調節前后 塌岸淤床變化 依托干流 200 個斷面監測 徑流 模塊 輸沙模塊 蝕岸模塊 流計算流體動力學模型 水文站點數據 水庫運行數據 水土保持數據 灌區引水數據 依托干流 6 個水文觀測站 統計分析 梯度分析 對觀測數據進行綜合集成，建立黃河上游沙漠寬谷多過程的綜合數據庫，為開展風水復合侵蝕與風沙水沙輸移過程模型的建立提供基礎。基于多過程觀測數據，進行多源數據歸一同化、開展風水復合侵蝕與風沙水沙輸移過程的耦合研究，建立風水復合侵蝕模型、粗沙風洪傳輸動力模型、沙丘與風沙入黃動力模型、河岸坍塌動力模型、推移質 輸移模型、洪峰過程 力學模型。 （ 三 ）與國內外同類研究相比的創新點與特色 1. 河道不同來源粗沙混合沉積的多指標端元辨識定量方法 建立判識描述沙漠、黃土及基巖顆粒的物理 礦物學 建粗沙混合沉積 端元分析模型，定量分離和識別 粗沙混合沉積中不同源的貢獻，是探明河道粗泥沙來源的新方法。 2. 風蝕與水蝕、風沙與水沙動力過程的耦合機制研究 首次在覆沙坡面、沙丘 丘 沙與水沙動力過程的耦合研究，在土壤侵蝕與泥沙動力學研究方面獨具特色。 3. 沙漠溝谷高含沙洪水過程的特例研究 開展沙漠溝谷超強度、短歷時、高粗沙含量的洪流演進過程及其入黃后沙壩的形成、發展與消亡的演變過程，同類研究在國內外尚未見報道。 4. 沙漠寬谷河道沖淤平衡的風沙水沙調控雙閾值的確定 開展流域風沙、水沙過程與河流泥沙過程的協同、一體化研究，構建特色的沙漠寬谷風沙 河道分布式模型，提出維持沙漠寬谷河道沖淤相對平衡的風沙水沙調控雙閾值。 （四）課題設置 課題 1：黃河上游沙漠寬谷段粗沙來源與沉積時空特征 研究目標： (1) 總體目標： 通過現代沉 積、鉆孔巖芯、歷史文獻等記錄的研究，揭示沙漠寬谷段黃河近1000 年來淤積演化的基本規律和河道變遷過程；通過建立黃河粗泥沙來源辨識的系列標志和端元混合模型等，定量半定量估算不同粗泥沙源區對黃河粗泥沙淤積的貢獻，特別是沙漠的貢獻；通過氣候模型 1000年長積分模擬和與人類活動的對比等，分析黃河淤積變化和河道變遷的原因。 (2) 5年目標： 前 2年目標： 對研究區現代黃河淤積物特征、主要物源區物質組成與粗組分的標型特征進行分析，建立黃河粗泥沙來源示蹤的物理、巖礦、化學等系列標志；鉆探黃河沙漠寬谷段沉積地層巖芯，獲取黃 河河道變遷的高分辨率沉積記錄。查閱、整理歷史文獻和判讀遙感資料，獲取黃河河道變遷的歷史文獻記錄。 后 3年目標： 對高分辨率鉆孔巖芯進行年代學和沉積相研究，結合歷史文獻和遙感影像資料的研究，揭示黃河近 1000 年來淤積演化的基本規律和河道變遷過程。建立端元混合模型，測定黃河近 1000年沉積粗泥沙的物理、巖礦、地球化學等物源判別指標參數，定量估算不同粗泥沙源區對黃河粗泥沙淤積的貢獻。利用氣候模型模擬近 1000年來黃河淤積變化與河道變遷的氣候背景條件，結合歷史氣候與人類活動資料，揭示黃河粗沙淤積變化與河道演變的成 因機理。 研究內容： 通過對研究區現代黃河淤積物的沉積相和物質組成特征、主要物源區物質組成與粗組分的標型特征研究分析，建立黃河粗泥沙來源的物理、巖礦、化學等系列辨識標志。利用高分辨率沉積地層、歷史文獻和遙感影像資料，揭示黃河近 1000 年來淤積變化的時空規律，重建河道變遷歷史。建立端元混合模型，判別黃河粗泥沙的主要來源，定量半定量估算不同源區的貢獻。利用氣候模型分析氣候環境變化和人類活動對黃河淤積變化與河道變遷的影響機制，闡明近 1000 年來黃河粗泥沙來源變化的規律及其原因。 (1) 現代黃河淤積特征 與主要物源區物質組成研究 沿黃河鉆探獲取現代沉積物，辨析黃河淤積不同沉積相 (河床相、河漫灘相、泛洪相、牛軛湖相等 )的物質組成特征，包括粒度、磁學參數、顆粒表面形態結構、巖礦和地球化學等特征，為研究古河道演化和建立物源判別標志提供基礎；研究主要源區（隴西黃土高原、騰格里沙漠、河東沙地、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠和十大孔兌流域）的物質組成與粗組分的標型特征（包括粒度、磁學參數、顆粒表面形態結構、巖礦物和地球化學等特征），通過與黃河沉積物特別是粗泥沙的對比建立不同泥沙來源的判別標志；研究河堤束縛河道前后的沉積差異， 依據不同河段現代河流沉積物粗沙組分的物理、巖礦、地球化學參數，分析其物源變化。 (2) 近 1000年來黃河河道變遷研究 通過多個垂直于黃河并橫穿盆地斷面的高密度巖芯鉆探，獲取黃河河道變遷的高分辨率沉積記錄；依據鉆孔巖芯沉積相特征和絕對年代測定，分辨河床相、河漫灘相、牛軛湖相等沉積的空間分布和年代，提取近 1000年不同河段河道變遷的沉積記錄。查閱、整理歷史文獻并結合遙感影像資料，提取不同河段河道變遷的歷史文獻記錄。綜合沉積和歷史文獻記錄，研究近 1000年研究區黃河河道變遷過程和基本規律，結合歷史氣候與人類活 動資料，分析其原因。 (3) 近 1000 年來黃河沉積速率的變化研究 開展鉆孔巖芯的 4C、光釋光（ 括單顆粒 210算各斷面各鉆孔巖芯不同時段的沉積速率和斷面沉積通量。對比各鉆孔巖芯的沉積速率變化和不同斷面沉積通量變化，研究近 1000年來黃河沙漠寬谷段沉積速率變化的時空規律及其原因。 (4) 黃河粗泥沙來源辨識與貢獻率估算 利用粗泥沙來源的系列判別標志，辨識不同時期黃河河道沉積中粗泥沙的來源；建立端元混合模型，定量半定量估算黃河不同河段、不同 時期粗泥沙主要來源的貢獻率，揭示近 1000年來黃河粗泥沙來源變化的規律。通過全球和區域氣候模式的嵌套模擬結果和與人類活動資料的對比，研究黃河沙漠寬谷段沉積粗沙來源變化的原因。 經費比例： 承擔單位： 蘭州大學、中國科學院南京地理與湖泊研究所 課題負責人： 潘保田 學術骨干： 吳敬祿、強明瑞、聶軍勝、朱育新 課題 2： 粗沙風 研究目標： (1) 總體目標： 構建流域覆沙坡面風水復合侵蝕模型、沙丘 河流系統沙丘與風 沙流入黃的動力學模型，闡明風水復合侵蝕與沙漠河流泥沙動力學機制，定量分析沙漠粗沙入黃量。 (2) 5年目標： 前 2年目標 ：建立覆沙坡面、沙丘 丘 段、溝道斷面、及 2個水文泥沙觀測點的布設，開展全面的觀測與實驗研究，結合人工降雨與野外風洞風水兩相復合侵蝕觀測與模擬，構建不同坡度覆沙坡面風水復合侵蝕模型與沙丘 時開展沙漠高含沙洪水過程理論推導與數值模擬方面的工作。 后 3年目標 ：繼續開展樣地、樣段及觀測站、網的觀測研究，構建和完善流域覆沙坡面風水 復合侵蝕模型、沙丘 河流系統沙丘前移與風沙流入河的動力學模型。在上述模型的基礎上，通過對數據集成、參數率定、尺度轉換，應用 洪傳輸模型，定量分析沙漠粗沙入黃量。 研究內容： 依據粗沙風 選擇代表性小流域毛不拉孔兌、東柳溝與代表性風沙入黃段烏蘭布和沙漠。在多過程的定位觀測、實驗模擬與理論分析的基礎上，重點研究穿越庫布齊沙漠毛不拉孔兌和東柳溝覆沙坡面系統的風水復合侵蝕過程、沙丘 風洪傳輸過程，以及烏蘭布和沙漠沙丘 明風水復合侵蝕與泥沙輸移的動力機制，構建覆沙坡面風水復合侵蝕模型、沙丘 丘 此基礎上，通過對數據整編與模型集成，應用 量分析沙漠粗沙入黃量及其變化趨勢。 (1) 覆沙坡面系統風水復合侵蝕過程 在毛不拉孔兌和東柳溝梁地選擇典型覆沙坡面樣地（ 500500 應用插釬法、風沙流觀測儀、風水兩相侵蝕 觀測系統進行覆沙坡面風水復合侵蝕過程的同步觀測，通過對比分析，研究覆沙坡面侵蝕與泥沙物質遷移轉換的動態過程，并以泥沙產輸平衡量為基礎，構建不同坡度覆沙坡面風水復合侵蝕模型。 (2) 沙丘 建立毛不拉孔兌溝谷 1測溝道侵蝕；布設中游與上游泥沙水文觀測點，研究上、中、下游產匯流特征，揭示洪水過程中泥沙輸移的沿程變化；應用插釬法、 電風沙流監測儀對典型斷面風沙流與沙丘前移入溝進行同步觀測。在此基礎上，揭示風沙、洪水過程時空交錯條件下泥沙輸移轉換規律；結合高含 沙水流運動方程與泥石流方程，構建沙丘 洪傳輸的動力模型。 (3) 沙丘 建立烏蘭布和沙漠河段沙丘前移與風沙流入黃的監測樣段（ 100 m）與監測網點，應用插釬法、 電風沙流監測儀、自動氣象站進行風沙流與沙丘前移入黃的同步觀測。結合風沙兩相流體力學理論，構建沙丘 (4) 沙漠粗沙入黃定量評估 在上述模型的基礎上，通過對數據集成、參數率定、尺度轉換，應用 洪傳輸的動力模型，定量分析沙漠粗沙入黃量。 經費比例： 18% 承擔單位： 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所、西安理工大學 課題負責人： 拓萬全 學術骨干： 李占斌、張偉民、姚正毅、李 鵬 課題 3：沙漠寬谷河道水沙關系變化及驅動機理 研究目標： (1) 總體目標： 通過野外實測資料分析、實體模型試驗、數學模型模擬和理論分析，研究黃河上游沙漠寬谷河流水沙關系變化時空分布特征；水沙關系變化對各影響因子的復雜響應機制；定量提出各驅動因子在水沙關系變化過程中的貢獻率；揭示沙 漠寬谷河流水沙關系變異對多因子的綜合響應機理。 (2) 5年目標： 前 2年目標 ：構建黃河上游水沙變化及其影響因子的綜合信息庫；構建沙漠寬谷河道實體模型和土壤侵蝕實體模型，建立基于 展驗證工作；研究黃河上游河流的水沙條件變化過程、水沙關系變化時空特征；評價降水等氣候因子變化對河流水沙變化的貢獻率；定量評價水土保持措施對流域產流產沙的作用；定量分析多態河床過程對水沙關系的反調控作用；定量分析引水工程在河流水沙變化過程的作用規律。 后 3年目標 ：揭示各水沙關系的成因，以及關鍵影響因子的 特征變化；研究水沙關系變化對降水等氣候因子驅動的響應機理；研究下墊面對產流機制的影響及其臨界值；研究黃河上游水土保持措施對流域產水產沙的影響機理，揭示河流水沙關系對氣候和下墊面的響應機制；評價當前黃河上游水庫調度方式對河道水沙過程的影響作用；揭示水沙過程變化對河床過程的響應機制；構建水沙關系與多因子作用指標體系之間關系，揭示多因子耦合作用下水沙變異的響應機理。 研究內容： 利用非線性分析方法，確定水沙關系變化的時程變點，重點研究黃河上游沙漠寬谷河流水沙關系的時空變化特征；建立基于氣候 人類活動 演變復雜關系的水沙變化模擬模型，評估各要素等對水沙變化的貢獻率，提出各因子對水沙變化過程作用的量化結果；建立水沙關系與多因子作用指標體系之間的關系，揭示多因子耦合作用下的水沙變異的響應機理。 (1) 沙漠寬谷河流水沙關系變化的時空特征 依據黃河上游水沙定位測驗資料，利用非線性分析方法，認識水沙關系變化的時序分異性；研究黃河上游河流水沙關系在不同時段的特征，揭示水沙耦合關系調整的時序特點與分異規律；揭示不同河段間水沙關系變化的關聯性，闡明不同河段水沙關系變異的空間分布特征，為研究水沙關系變異與河道沖淤演變的關系提 供基礎。 (2) 上游水利工程對水沙過程變異的影響 針對黃河上游水沙關系劇烈變異，分析大型水庫對工程下游河流水沙過程的調控作用；研究灌區大規模引水引沙對干流水沙關系沿程變化的影響，建立灌區河段干流水沙輸移與灌區引水循環的雙過程耦合數學模型；定量分析大型水利工程對沙漠寬谷河段干流水沙關系變化的貢獻率。 (3) 沙漠寬谷河流水沙關系對河床演變的響應機制 根據沙漠寬谷河流野外水文測驗數據分析，結合沙漠寬谷河流動床實體模型試驗和元胞自動機原理等途徑和手段，研究不同河床演變過程對水流能量分配的作用，揭示河段水沙輸入 輸出 過程動力機制；研究多過程條件下河床演變對床沙級配的影響，揭示床沙、懸沙交換動力機制；建立水沙激發傳遞過程的能量級聯模式，定量揭示水沙關系與河床過程參數之間的耦合關系。 (4) 河道水沙關系變異對多因子的綜合響應機理 應用水文泥沙定位測驗數據、遙感影像資料，運用水文統計分析法，定量分析降水、下墊面、水利工程和河床演變等因素對水沙關系變異的影響；建立多因子對水沙變化影響的指標體系，分析水沙關系對多因子的復雜響應關系，揭示多因子耦合作用下水沙變異的響應機理。 經費比例： 16% 承擔單位： 黃河水利委員會黃河水利科學 研究院、河海大學 課題負責人： 姚文藝 學術骨干： 張曉華、唐洪武、侯素珍、冉大川 課題 4：塌岸淤床過程與河道沖淤演變規律 研究目標： (1) 總體目標： 分析黃河上游典型塌岸特征，揭示水沙動力作用下塌岸形成機理，分析塌岸入黃泥沙貢獻率，研究塌岸與河床沖淤的交互作用過程、機理及模式，闡明黃河上游河床調整與支流典型水沙過程的響應關系，研究沙壩演變過程及機理，識別關鍵驅動因子，揭示河床調整對水沙過程的復雜響應關系，提出水庫調節運用對河道沖淤演變的驅動機制，為黃河上游防洪防凌提 供技術支撐。 (2) 5年目標 : 前 2年目標 ：黃河上游典型塌岸特征及其形成機理；塌岸對河床沖淤演變的影響規律；黃河上游干支流洪水量級與頻次的變化對比關系，不同交匯條件下沙壩演變特點；河道水沙協調性與配置關系，干流河道泥沙輸移時空的變化特征；干流及重要支流過程對河床沖淤變化的影響，典型河段河道沉積、排洪過凌、漫灘指標等演化過程與規律。 后 3年目標 ：塌岸風險評估方法、塌岸危險度分區及入黃泥沙貢獻率；塌岸土體液化流動過程、河道水沙運動及河床沖淤之間交互作用過程與機理，建立動力學模型；長序列徑流泥沙對河床形態作用模式 ，河床沖淤及主槽調整的關鍵驅動因子及與水沙過程的復雜響應機制；水庫調節前后水流泥沙因子變化對河床演化的敏感度分析，水庫調節對河床調整、河槽行洪排凌能力的影響。 研究內容： 通過野外調查、實測資料分析、理論研究、概化實驗及數值模擬等研究方法，分析黃河上游典型河段塌岸 入河淤床過程，揭示其動力學機制；研究十大孔兌高含沙洪水入黃過程、沙壩形成 消亡過程，構建動力學模型；闡明河床調整對水沙過程的復雜響應關系，識別河床沖淤及主槽調整的關鍵驅動因子，進行水沙因子變化對河床演化的敏感度分析，提出水庫調 節前后河道沖淤演變過程及驅動機制，為黃河上游水庫調控與河道治理提供技術支撐。 (1) 塌岸形成機理及入黃泥沙量預測模型 通過野外調查、測試及實測資料分析，研究黃河上游干、支流典型塌岸的形態特征、理化力學特性、塌岸影響因子及侵蝕抗蝕特點，揭示水動力作用下塌岸形成機理；通過遙感影像解譯及 黃河上游塌岸類型和規模進行識別，分析塌岸時空變化與分布特征，提出塌岸風險評估方法，確定塌岸危險度分區；通過理論研究和統計分析，建立塌岸入黃泥沙量預測模型，探索黃河上游塌岸對黃河泥沙來量的貢獻率。 (2) 塌岸與河床沖淤的交 互作用過程及機理 采用現場調查、觀測和實測資料分析方法，研究沙漠寬谷河道塌岸與河床沖淤演變的動態關系；通過概化實驗和理論分析，研究順直型、彎曲型河道塌岸影響因子和水沙關鍵因子的不同組合條件下塌岸土體液化流動過程、河道水沙運動及河床沖淤之間相互作用機理；通過塌岸入黃泥沙模型與河道沖淤模型的耦合，構建塌岸與河床沖淤交互作用的模式，闡明塌岸與河床沖淤的交互作用機理及演變規律。 (3) 支流高含沙洪水入黃過程與沙壩演變機理 以內蒙 “十大孔兌 ”河段支流高含沙洪水過程及其與干流交匯處的沙壩為對象，通過概化模型試驗和理論分 析，在分析干支流洪水，特別是支流高含沙洪水的量級、頻次的變化，以及干支流洪水比對關系變化的基礎上，結合干支流來沙時空分布、來沙級配和粘性的分析數據，研究干支流交匯處水沙變化對河床沖淤的影響；研究干支流不同水沙遭遇及交匯條件（流量、含沙量、交匯角等）下，沙壩形成、發展、消亡的演變過程，揭示其動力學機理。 (4) 河床調整對水沙過程的復雜響應關系 選擇黃河上游具有代表性的沖積河段，通過系統的實測資料分析和模擬計算，建立長序列徑流泥沙與河床形態因子相互作用模式，并通過計算分析，識別河床沖淤及主槽調整的關鍵驅動因子；研 究河床沖淤及主槽斷面調整的時空分布特點和變化規律，揭示長時間序列河床沖淤及主槽調整與水沙過程的復雜響應機制。 (5) 水庫調節前后河道沖淤演變過程及驅動機制 圍繞黃河上游龍、劉水庫調節運行，系統分析黃河上游天然及水庫調節條件下，徑流泥沙過程對河床演變過程及沖淤變化的影響規律，重要支流水沙過程對干流河道沖淤的影響規律；選擇典型沖積性河段，從河道沉積、排洪過凌、漫灘指標等方面分析河道的演化過程、演變特點，通過模擬計算分析水庫運行前后徑流、泥沙、河床及調節過程等因子變化對河床演化的敏感度；分析水庫不同調節能力對輸沙及河 槽塑造的作用，研究河道邊界對水沙的適應性及反饋效應、河槽行洪排凌指標與水動力條件關系，提出水庫運用對河床調整的驅動機制。 經費比例 ： 承擔單位 ： 清華大學、北京師范大學 課題負責人 ： 吳保生 學術骨干 ： 舒安平、張科利、張原鋒、申冠卿 課題 5：河道洪峰過程洪 岸相互作用機理 研究目標： (1) 總體目標 : 查明洪峰作用下沙漠寬谷不同河型河段的沖淤和河床斷面形態的調整特征，闡明河道沖淤與斷面形態調整對洪峰的響應機制，探明典型河段輸沙、沖淤和河勢演變特點，揭示河道沖淤與河床調整對洪 峰過程響應機理。建立典型河段洪 岸相互作用的徑流 式、泥沙輸移 式及河岸侵蝕 式，構建洪 岸相互作用的 2峰 力學模型。提出滿足防洪、防凌需要的過流能力條件下的河道相對穩定水沙閾值。分析河勢變化對洪峰過程的響應關系，揭示沙漠寬谷河道穩定性流量閾值。評估利用人造洪峰沖刷寧蒙河段泥沙的效應，為研究區河道治理提供決策依據。 (2) 5年目標 : 前 2 年目標 ：初步建立不同河型與不同河段河道沖淤與洪峰過程特征值之間的關系。完成洪 岸相互作用主要過程的徑流 式、泥沙輸移 式及河 岸侵蝕 式構建。完成寧蒙河段河灣特征值統計和河勢演變的時空變化分析。完成洪峰過程不同粒級泥沙輸移與主要影響因子關系分析。 后 3 年目標 ：完成洪峰過程特征值與河道床 道形態演變、河床泥沙組成之間復雜作用與反饋機理分析；建成典型河段洪 岸相互作用的 2力學模型；得出維持寧蒙河道一定排洪輸沙能力與河勢相對穩定的洪峰水沙閾值；確定利用人造洪峰沖刷寧蒙河段泥沙的效應。 研究內容： 基于多源數據、實地觀測和室內關鍵過程試驗，展開黃河上游沙漠寬谷河段洪峰過程中的河床與河岸沖淤響應、河床形態 演變以及洪 岸相互作用的機制的研究，揭示洪峰水沙與河道形態之間復雜的作用與響應關系，建立沙漠寬谷河段洪 岸相互作用的徑流 式、泥沙輸移 式及河岸侵蝕 式 ,構建沙漠寬谷洪峰過程 2 型，確定控制寧蒙河段河道穩定性的水沙臨界閾值，估算不同水沙組合洪峰條件下沙漠寬谷河道沿程分組粒徑泥沙沖淤量，定量評估可控洪峰沙漠寬谷河道沖淤效應。為通過水沙調控提高寧蒙河段行洪排沙能力，維持河道穩定提供決策依據。 (1) 不同類型河道洪峰過程的沖淤特征與機理 分析不同洪峰過程中不同河段河道的沖淤 變化特征及其形成原因；分析灘 究河道沖淤變化作用下的河道形態演變與河床泥沙級配組成的調整過程；探討洪峰水沙特征值與河道床 道形態演變、床沙組成調整的關系，揭示洪峰水沙 河道形態變化之間的復雜作用與反饋機理。 (2) 沙漠寬谷河道洪峰過程洪 岸相互作用的 力學模型 進行物理模型試驗，分析不同水流方向與河岸線夾角條件下洪峰能量的橫斷面分布特征，研究洪水過程橫向環流對河底和河岸的作用分量及其相互影響，探討河槽沖淤對洪水的響應關系及反饋作 用，建立典型斷面形態河槽洪 岸相互作用的徑流 式、泥沙輸移 式及河岸侵蝕 式；在此基礎上，構建洪 岸相互作用的 2峰 力學模型；基于實測資料，分析典型河段不同量級不同挾沙洪水在床、岸與灘的能量分配以及泥沙沖淤過程。 (3) 沙漠寬谷河道穩定性水沙閾值 研究分河段水沙變化對河道沖淤和河道過流能力的影響，解析不同河段不同特征時期河勢演變參數及其時空特征和時程變點、河勢參數與洪流參數之間的復雜響應關系；確定洪水期各河段河道沖淤平衡和維持河道適宜過流能力所需的流量閾值；揭示洪峰誘 發的河灣變形、河岸坍塌的內在機理。建立制約河勢演化行為的臨界閾值集，提出沙漠寬谷河道相對穩定的水沙閾值。 (4) 可控洪峰沙漠寬谷河道沖淤效應的定量評估 基于斷面監測資料與站點水文泥沙資料，應用 型分析洪水過程不同粒級泥沙輸移量與河床形態特征、邊界物質組成、洪峰特征值之間的關系，估算不同水沙組合洪峰條件下沙漠寬谷河道分粒級泥沙沖淤量和空間分布。結合現狀和預期水利工程可控洪峰過程的水沙特征，計算沙漠寬谷分段河道可控洪峰系列不同粒級泥沙的沖淤量，評估利用人造洪峰沖刷寧蒙河段泥沙的效應。 經費比例 ： 承擔單位 ： 中國科學院地理科學與資源研究所、西安理工大學 課題負責人 ：師長興 學術骨干 ：王隨繼、秦毅、房金福、王衛紅 課題 6：黃河上游沙漠寬谷河段沖淤演變趨勢預測與調控對策 研究目標 : (1) 總體目標 : 通過黃河上游沙漠寬谷河道流域多源數據平臺和風沙 河道分布式動力學模型的構建，預測未來 20 年河道沖淤演變的發展趨勢，提出維持黃河沙漠寬谷河道沖淤平衡的風沙水沙調控雙閾值， 構建沙漠寬谷流域與河道一體化 “攔 放 挖 ”風沙水沙綜合調控體系。 (2) 5年目標 : 前 2 年目標： 建立多 源數據平臺的軟件支持系統； 完成 黃河上游沙漠寬谷河道風沙 河道流域分布式動力學模型的結構以及各子模型間輸入、輸出端口設計；收集并初步分析近 60 年來研究區氣候變化和以重大水利工程為主的人類活動背景資料。 后 3 年目標： 完成 黃河上游沙漠寬谷河道多源數據平臺和風沙 河道流域分布式動力學模型的構建， 預測未來 20 年 河道 沖 淤演變趨勢 ；確定維持河道沖淤平衡的風沙水沙調控雙閾值；在 系統分析和評估全國先進的 防風固沙模式、水土保持模式、大型水庫調控模式、河道整治模式、 疏浚 挖 沙 減淤模式等基礎上，構建沙漠寬谷流域與河道一體化 “攔 放 挖 ”風沙水沙 綜合 調控體系。 研究內容 : 在集成課題 1果基礎上，深入分析和評價全國防風固沙、水土保持、水庫調節、河道整治與堤防管理的成果的基礎上，構建流域多元數據平臺與風沙 河道分布式模型，預測未來 20 年河道沖淤變化，提出維持河道沖淤平衡的風沙水沙調控雙閾值，系統分析風沙水沙調控模式的結構與功能，構建 集流域 土流失治理、生態建設、水庫調節、河道整治、堤防管理與挖河減淤相結合的 “攔 放 挖 ”風沙水沙綜合 調控體系。 (1) 黃河上游 沙漠寬谷河 段流域風沙 河道分布式動力學模型 在統一的標準和格式下，對本項目的多源數據進行分析、整合和歸一，利用多模塊集成方法，構建多源數據平臺，通過對多過程模型進行時間 泥沙平衡的耦合與數據的尺度轉換分析，建立黃河上游沙漠寬谷河道流域尺度的風沙 河道流域分布式模型 。 (2) 黃河上游沙漠寬谷河段沖淤演變的趨勢預測 根據 候模型的情景預測結果（ 并結合當地的生態環境背景、大型水庫和灌渠建設、上游來流、河道邊界和床沙組成特性等要素的分析，基于風沙 河道流域分 布式模型預測未來 20 年內黃河上游沙漠寬谷河道沖淤演變趨勢。 (3) 沙漠寬谷河道沖淤平衡風沙水沙臨界與調控機理 基于多源數據平臺與分布式動力學模型，確定沙漠寬谷河道糙率、恢復飽和系數、挾沙能力系數與指數、斷面信息提取，研究沙漠寬谷河道對不同風沙水沙入匯情景過程與灌區引水過程的沖淤響應，確定沙漠寬谷河道沖淤平衡風沙水沙臨界閾值，建立河道萎縮臨界指標特征，提出河床比降、縱剖面形態及斷面形態，與河道平面形態的臨界響應與相應調控指標體系。 (4) 沙漠寬谷河道風沙水沙調控措施研究 在系統深入分析和評價防風固沙模式、水土保持模式、大 型水庫調控模式、河道整治模式、疏浚挖沙減淤模式等的基礎上，結合沙漠寬谷風沙水沙時空差異特征及其調控的雙閾值，分析風沙水沙調控模式的合理結構與功能，構建沙漠寬谷流域與河道一體化 “固 調 挖 ”風沙水沙綜合調控體系。 經費比例 ： 承擔單位 ： 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所、黃河水利委員會 課題負責人 ： 薛 嫻 學術骨干 ：郝芳華 黃 強 李 勇 韓致文 （五）課題間的相互關系 各課題之間的關系為：課題 1 是項目的基礎部分，研究 1來歷史時期河道沉積與粗沙來源，為其他課題提供背景和基礎數據，并解決項目總體目標 “黃河上游沙漠寬谷河道粗泥沙來源 ”與五年目標 “定量分析不同沙源對淤積河道粗泥沙的貢獻率，準確界定淤積沙漠寬谷河道粗泥沙界線及重點源區 ”；課題 2、 3、4、 5 是項目研究主體，也是項目創新主要部分，研究粗沙風洪產輸機制、水沙過程變異、塌岸淤床過程及洪 岸相互作用四項密切關聯，且又相互獨立的關鍵過程。其中課題 2 解決項目總體目標 “揭示 粗泥沙風 展 風水復合侵蝕與沙漠河流泥沙動力學理論 ” 與五年目標 “建立風水復合地表侵蝕模型 及沙漠河流泥沙動力學模型，準確計算沙漠粗沙入黃量；建立沙漠河流推移質泥沙輸移理論模型，正確認識沙漠粗沙在沙漠河流中推移輸移規律，確定沙漠寬谷河道沖淤平衡的風沙閾值 ”； 課題 3 解決項目總體目標 “揭示 水沙過程變異機制 ”與五年目標 “揭示沙漠寬谷河道與河流水沙過程互饋機制，科學認識大型水庫調節作用對沙漠寬谷河段水沙關系變異的影響 ”；課題 4 解決項目總體目標 “揭示沙漠寬谷河道 塌岸淤床過程機理 ”與五年目標 “建立河岸坍塌動力學模型，揭示高含沙洪水入黃后沙壩形成與演變過程 ”； 課題 5 解決項目總體目標 “揭示 洪 岸相互作用機理 ”與五年目標 “構建基于洪 岸相互作用的 2流 型，揭示沙漠寬谷河道不穩定性機理，確定沙漠寬谷河道相對穩定的水沙閾值，準確評估可控洪峰過程對沙漠寬谷河道的沖淤效應 ”。 課題 6 是在上述課題研究的基礎上，進一步開展流域宏觀尺度上的集成研究，提出粗沙調控對策。課題 6 解決項目總體目標 “構建 黃河上游沙漠寬谷流域 多源數據平臺及 風沙 河道流域分布式動力學模型，建立沙漠寬谷流域 固 調 挖 ”風沙水沙綜合調控體系 ”。各課題的設置及關系如圖 4 所示。 圖 4. 課題設置關系圖 四、年 度計劃 年度 研究內容 預期目標 第 一 年 收集背景數據和資料，開展騰格里 烏蘭布和沙漠 漠寬谷河道塌岸和高含沙區段的現場踏查 沿現代黃河河道及垂直于河道的地質斷面上鉆取 50 支沉積巖芯，采集河道表層沉積樣品。分析測試所采集樣品 購置設備，布設毛不拉孔兌和東柳溝野外觀測點與觀測樣地，以及騰格里沙漠、河東沙地、及烏蘭布和沙漠風沙入黃觀測樣地，開展野外觀測與取樣研究、風沙 開展沙漠寬谷河道動床實體模型和土壤侵蝕實體模型制作技術論證，開展基于分布式產水產沙動力學數學模型框架研發，開發模型支持系統 研究黃河上游河流的水沙關系變化和時空特征，包括水沙量及過程、洪水過程、來沙系數等在不同時段、不同河段的變化特征 進行遙感影像解譯分析，對塌岸類型及規模進行識別，選定重點、典型塌岸河段 研究寧蒙河段支流高含沙洪水特點，高含沙洪水期干流水沙過程及特點；初步開展洪水及長序列徑流泥沙因子與河道斷面調整之間的相互關系研究；研究龍羊峽、劉家峽建不同運用期徑流泥沙過程、河道沖淤特點。開展模型試驗及動力學數學模型建模的準備工作 對寧蒙河段進行汛前汛后二期河道大斷面 觀測，完成河床、灘地沉積物采樣和室內沉積物粒度組成及土力學分析。劃分洪峰，計算洪峰特征值。提取寧蒙沙漠寬谷河道分段河道形態特征值及邊界組成特征參數 分析計算不同類型洪水引起的河道斷面面積的變化特點，計算洪水前后河床的 完成背景數據和資料的收集、研究區考察、巖芯鉆取和巖芯樣品的分析測試、野外觀測網點的建設與布設 初步確定風沙 初步建立黃河上游水沙變化及其影響因子的綜合信息庫，建設沙漠寬谷河道動床實體模型和土 壤侵蝕實體模型，初步闡明黃河上游河流的水沙變化時空特征 初步提出水流泥沙因子與河道沖淤之間的相互關系 明確進出沙漠寬谷河段歷年洪峰過程的洪峰歷時、峰量、峰型、輸沙量泥沙組成等特征。揭示洪峰作用下沙漠寬谷不同河型河段沖淤調整特征，并建立不同河段河道沖淤與洪峰過程特征值之間的關系 理清典型河段洪 岸相互作用的模式。探明典型河段水流要素特征，床、岸、灘沉積物粒度及土力學指標 揭示沙漠寬谷河段不同河型河段的河灣特征值，包括彎曲系數、主流擺動幅度、河灣半徑等統計，和河勢演變的時空變化和時程變點規律 初步建立多源數 據平臺的軟件支持系統，完成數據收集和輸入工作 闡明黃河沙漠寬谷流域陸地生態系統結構與功能特征 年度 研究內容 預期目標 垂向沖淤速率和河岸的側向遷移速率，分析河床沖淤對洪水過程的響應特征 進行典型河段水流要素觀測，并進行不同水流夾角洪峰流量的橫斷面能量分布特征的概化模型設計。分析河段泥沙沖淤過程，以及典型斷面泥沙沖淤對洪峰過程的響應機制 解析多型河段不同特征時期河勢演變參數，統計分析河勢演變的時空特征，研究確定不 同特征時期河勢演變參數的時程變點 研究不同屬性和時空尺度數據庫的構建以及不同數據庫之間數據的轉化、提取和共享 分析近 60年以降水蒸發和風況為主的氣候變化、以重大水利工程（上游大型水庫調節和灌區大量引水）為主的人類活動等對河道沖淤演變和區域生態系統的影響，篩選出影響沙漠寬谷河段河道沖淤演變的主導驅動因子 確定影響沙漠寬谷河段河道沖淤演變的主導驅動因子 發表論文 20 22 篇，其中文 3 篇。培養博士生4 名，碩士生 4 名 第 二 年 繼續粗沙源區樣品采集與分析測試。對研究區現代黃河淤積物特征、主要物源區物質組成與粗組分的標型特征進行分析，初步建立黃河粗泥沙來源示蹤的物理、巖礦、化學等系列標志 查閱、整理歷史文獻和判讀遙感資料，獲取黃河河道變遷歷史文獻記錄 全面開展已建觀測網點的野外觀測計劃、繼續開展風沙 作用模擬實驗 分析整理數據，開展沙漠河流泥沙推移質輸運模型的構建、開展風水復合侵蝕理論概念模型的構建，開展風水復合侵蝕動力過程實驗模擬。 建立基于 分布式流域產水產沙動力學數學模型，通過沙漠寬谷河道典型支流流域的實測資料對模型進行驗證 建立降雨徑流泥沙復合非線性關系，結合產水產沙動力學模型反演模擬，研究降水等因子變化對河流水沙變化的貢獻率 利用 “水保法 ”原理，定量評價水土保持 完成所有源區表層沉積樣品、黃河河道現代表層沉積樣品的采集，完成表層樣品和剩余 50%的鉆孔樣品分析測試工作。完成年代測試工作 集成兩年 的騰格里沙漠、河東沙地、烏蘭布和沙漠及毛不拉孔兌與東流溝風蝕與水蝕，風沙與水沙的數據 初步建立風沙 建不同坡度覆沙坡面風水復合侵蝕經驗模型與沙丘 建立基于 分布式流域產水產沙動力學數學模型 定量評價降水、水土保持措施、河床過程、引水過程等因子變化對河流水沙變化的貢獻率 年度 研究內容 預期目標 措施對流域產流產沙變化的影響，包括生物、工程和耕作等不同類型水土保持措施的減水減沙效果 定量分析多態河床過程對水沙關系的反調控作用。選取寧蒙灌區作為研究對象，定量分析引水工程在河流水沙變化過程的作用規律 開展重點典型塌岸河段觀測與調查，分析塌岸的影響因素與特征，研究塌岸形成機理；分析典型塌岸特征及河床沖淤演變規律，以及塌岸對河床沖淤演變的影響，確定塌岸與水沙組合條件，塌岸概化模型實驗預備實驗 選擇支流高含 沙洪水沙壩演變過程模型試驗范圍，制作模型，模型試驗相關技術研究 主槽平灘流量滯后相應模型的改進與完善，建立長序列徑流泥沙與河床形態因子的相互作用模式；研究水庫調節條件下，河床沖淤變化的影響規律 繼續進行汛前汛后二期河道大斷面觀 測和河床質采樣分析。分析典型河段洪峰與床 道寬深比變化特征 進行清水水流、不同水流夾角（ 0 a）下的多組合概化試 驗，基于試驗結果，研究不同水流夾角洪峰流量的橫斷面能量分布特征 研究寧蒙河道的沖淤與水沙條件的關系，以及防洪防凌要求的河道適宜過流能力。分析斷面形態對洪水的響應關系，確定典型河段河道過流 能力。分析典型河段沖淤演變規律，構建維持河道沖淤平衡的指標體系 提取分河段分時段河槽過水面積、斷面形態、灘唇高度、灘地高度與寬度等沙漠寬谷河段河流地貌特征。分析河床邊界條件和洪峰特征對 不同粒度泥沙輸移的影響 研究沙漠寬谷河道沖淤變化對不同風沙水沙過程與大型水庫調節、灌區引水過程的響應 揭示塌岸特征與塌岸形成機理；提出塌岸對河床沖淤演變的影響關系 具備塌岸和高含沙洪水沙壩演變過程模型試驗條件，并進行預備實驗 提出長序列徑流泥沙與河床形態因子的相互作 用模式。初步認識水庫調節條件下，河床沖淤變化規律 揭示洪峰作用下沙漠寬谷不同河型河段的河床斷面形態調整特征，查明斷面形態調整對洪峰的響應機制 查明清水水流、不同夾角水流能量的分布特征；心灘影響下水流對岸、對床和對灘作用的動力學模式 探明典型河段輸沙、沖淤和河勢演變特點；提出滿足防洪、防凌需要的過流能力條件下的河道相對穩定水沙閾值 建立沙漠寬谷河道洪峰過程不同粒度泥沙輸移與河床邊界條件和洪峰特征值關系 揭示環境變化和人類活動對河道沖淤演變的影響機制 完成黃河上游沙漠寬谷河道風沙 河道流域分布式動力學模型 的結構以及各子模型間輸入、輸出端口設計 初步預測影響河道沖淤的各驅動因子在未來 20 年的變化趨勢。揭示沙漠寬谷河道風沙水沙關鍵過程的調控機理。初步提出維持河道沖淤相對平衡的可調控因子 年度 研究內容 預期目標 研究粗沙溯源與端元量化模型、風沙入黃、河流動力學等模型的輸入、輸出以及外部邊界條件 研究影響河道沖淤的各驅動因子（上游來水來沙及其過程、河道邊界和床沙組成等）在未來 20 年變化趨勢。分析影響河道沖淤的各驅動因子（側重人類活動）的可調控性、可調控程度及其對沖淤演變及其過程的貢獻率 發表論文 67 72 篇，其中文 17 19 篇