【基金标书】2011CB403300-黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控机理

项目名称： 黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控机理 首席科学家： 拓万全 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 起止年限： 托部门： 中国科学院 二、预期目标 （一） 总体目标 探明黄河上游沙漠宽谷河道粗泥沙来源，揭示粗泥沙风 沙过程变异、塌岸淤床过程及洪 岸相互作用四项风沙水沙关键过程， 发展风水复合侵蚀与沙漠河流泥沙动力学理论， 构建 黄河上游沙漠宽谷流域 多源数据平台及 风沙 河道流域分布式动力学模型，建立沙漠宽谷流域 调 挖”风沙水沙综合调控体系，为防治黄河上游“新悬河”，构建水沙调控体系提供科学支撑。 凝聚一批年轻学科带头人和骨干、充实完善实验基地和科技大平台，推进我国沙漠学与河流学等相关学科的发展。 （二） 五年预期目标 1. 通过河道钻孔取样、测年分析与地球化学及矿物学指标测量，重建近千年尺度河道沉积的时空演变特征，定量分析不同沙源对淤积河道粗泥沙的贡献率，准确界定淤积沙漠宽谷河道粗泥沙界线及重点源区。 2. 通过对沙漠区风水复合侵蚀及风沙水沙过程的观测、实验与模拟研究，建立风水复合地表侵蚀模型及沙漠河流泥沙动力学模型，准 确计算沙漠粗沙入黄量，科学认识沙漠对黄河的作用与影响。 3. 揭示沙漠宽谷河道与河流水沙过程互馈机制，结合黄河上游水沙变化与水库调节关系的定量分析，科学认识大型水库调节作用对沙漠宽谷河段水沙关系变异的影响。 4. 通过对沙漠河流 “悬移质 断面 ”的实地观测，结合实体模型实验，建立沙漠河流推移质泥沙输移理论模型，正确认识沙漠粗沙在沙漠河流中推移输移规律。 5. 通过对沙漠宽谷河岸坍塌过程的观测与模拟，建立河岸坍塌动力学模型，揭示高含沙洪水入黄后沙坝形成与演变过程。通过构建基于洪 岸相互作用的2 流 型，揭示沙漠宽谷河道不稳定性机理，确定沙漠宽谷河道相对平衡的水沙阈值，准确评估可控洪峰过程对沙漠宽谷河道的冲淤效应，为正确制定沙漠宽谷河道 “冲沙减淤 ”方案提供科学依据。 6. 建立沙漠宽谷 “风沙 河道 ”流域分布式模型，确定河道冲淤平衡的风沙水沙变量（粒径、沙量与流量）阈值。 7. 提出沙漠宽谷流域 固 调 挖 ”风沙水沙综合调控方案 ，为沙漠宽谷河道悬河及其洪凌灾害防治提供科学决策依据。 8. 在核心刊物上发表研究论文 400 篇以上，其中在 录的刊物上达到120 篇，出版 专著 5 部以上，发明专利 3 项。培养硕士 60 名，博士 50 名。 三、研究方案 （一）总体思路 本项目以风沙水沙产 淤的源汇过程为主线，研究风沙 河道三者动态耦合关系。针对风蚀与水蚀、风沙与水沙、河流与沙漠过程的复合特征，以水库调节前后 60 年为特征时段，在点 面 点开展粗沙风 道水沙关系变异、塌岸淤床及洪 岸相互作用四大关键过程研究，结合近千年来河道沉积变化与来源分析，预测未来 20 年河道冲淤变化趋势，为建立沙漠宽谷流域与河道一体化的 “固 调 风沙水沙综 合调控体系提供理论支撑（图 1）。 图 1. 项目的总体研究思路 （二）技术路线及可行性 根据以上总体思路，采用 点（样地） 道） 流域） 漠宽谷流域） 相结合的方法，在 过去 1库调节前后近 60 年和未来 20 年的时间尺度上开展河道钻孔取样分析 、 野外样地实地 观测实验、多源资料融合、模型发展和综合集成相结合的研究方案。具体技术途径如下： 1. 河道千年尺度沉积序列的重建与粗泥沙来源的定量辨识 以现代河道横向、纵向浅层钻孔为依托，获取近千年来高分辨率的河道沉积纪录， 通过对 研究区现代黄河淤积物沉积相和物质组成特征、主要物源区物质组成与粗组分的标型特征分析，建立黄河粗泥沙来源的物理、岩矿、化学等系列辨流域与河道一体化“固 调 挖”风沙水沙综合调控体系 多过程观测模拟 粗沙 风洪产输 水 沙 关 系 变异 塌岸淤床 过 程 宽 谷洪峰 过 程 1来 水库调节前后 60 年 未 来 20年 点 线 面 区域 河道冲淤 变化与趋势预测 产 输 淤 河道冲淤变化 风沙 过程 水沙 过程 主 线 内容方法 目 标 河道沉积 变化与来 源 分 析 识标志；建立端元量化模型，判别黄河粗泥沙的主要来源，定量估算不同源区的贡献。 2. 流域 在沙漠宽谷流域开展风水复合侵蚀与风沙水沙输移多过程的协同和强化观测实验，开展覆沙坡面风水复合侵蚀过程、沙丘 丘 道侵蚀过程、沙漠河岸坍塌过程、推移质输移过程及洪峰过程等点（图 2，样点观测模拟）、线（ 图 3，河道观测模拟）、面（典型小流域网格观测与模拟）空间尺度上的研究。 图 2. 样点层次：多过程观测与模拟 图 3. 样线层次：河道水沙变化、塌岸淤床与洪峰过程观测与模拟 数值仿真 /实体模拟 /理论分析 推移质输移模型 河岸坍塌动力模型 风水复合侵蚀模型 沙丘 黄模型 悬移质输移模型 洪峰 径流过程 模型 覆沙坡面风水复合侵蚀 沙丘 沟谷高 含沙洪 水 过 程 库布齐 (十大孔兑 ) 沙漠河段风沙入黄 典型河岸坍塌淤床过程 典型河道洪水过程 黄河干流 沙漠 复合系统 侵蚀钉 . 观测系统 实体模拟 数值仿真 洪 岸相互作用河 流 动 力 学 模式 水库调节前后 水沙关系变化 水库调节前后 塌岸淤床变化 依托干流 200 个断面监测 径流 模块 输沙模块 蚀岸模块 流计算流体动力学模型 水文站点数据 水库运行数据 水土保持数据 灌区引水数据 依托干流 6 个水文观测站 统计分析 梯度分析 对观测数据进行综合集成，建立黄河上游沙漠宽谷多过程的综合数据库，为开展风水复合侵蚀与风沙水沙输移过程模型的建立提供基础。基于多过程观测数据，进行多源数据归一同化、开展风水复合侵蚀与风沙水沙输移过程的耦合研究，建立风水复合侵蚀模型、粗沙风洪传输动力模型、沙丘与风沙入黄动力模型、河岸坍塌动力模型、推移质 输移模型、洪峰过程 力学模型。 （ 三 ）与国内外同类研究相比的创新点与特色 1. 河道不同来源粗沙混合沉积的多指标端元辨识定量方法 建立判识描述沙漠、黄土及基岩颗粒的物理 矿物学 建粗沙混合沉积 端元分析模型，定量分离和识别 粗沙混合沉积中不同源的贡献，是探明河道粗泥沙来源的新方法。 2. 风蚀与水蚀、风沙与水沙动力过程的耦合机制研究 首次在覆沙坡面、沙丘 丘 沙与水沙动力过程的耦合研究，在土壤侵蚀与泥沙动力学研究方面独具特色。 3. 沙漠沟谷高含沙洪水过程的特例研究 开展沙漠沟谷超强度、短历时、高粗沙含量的洪流演进过程及其入黄后沙坝的形成、发展与消亡的演变过程，同类研究在国内外尚未见报道。 4. 沙漠宽谷河道冲淤平衡的风沙水沙调控双阈值的确定 开展流域风沙、水沙过程与河流泥沙过程的协同、一体化研究，构建特色的沙漠宽谷风沙 河道分布式模型，提出维持沙漠宽谷河道冲淤相对平衡的风沙水沙调控双阈值。 （四）课题设置 课题 1：黄河上游沙漠宽谷段粗沙来源与沉积时空特征 研究目标： (1) 总体目标： 通过现代沉 积、钻孔岩芯、历史文献等记录的研究，揭示沙漠宽谷段黄河近1000 年来淤积演化的基本规律和河道变迁过程；通过建立黄河粗泥沙来源辨识的系列标志和端元混合模型等，定量半定量估算不同粗泥沙源区对黄河粗泥沙淤积的贡献，特别是沙漠的贡献；通过气候模型 1000年长积分模拟和与人类活动的对比等，分析黄河淤积变化和河道变迁的原因。 (2) 5年目标： 前 2年目标： 对研究区现代黄河淤积物特征、主要物源区物质组成与粗组分的标型特征进行分析，建立黄河粗泥沙来源示踪的物理、岩矿、化学等系列标志；钻探黄河沙漠宽谷段沉积地层岩芯，获取黄 河河道变迁的高分辨率沉积记录。查阅、整理历史文献和判读遥感资料，获取黄河河道变迁的历史文献记录。 后 3年目标： 对高分辨率钻孔岩芯进行年代学和沉积相研究，结合历史文献和遥感影像资料的研究，揭示黄河近 1000 年来淤积演化的基本规律和河道变迁过程。建立端元混合模型，测定黄河近 1000年沉积粗泥沙的物理、岩矿、地球化学等物源判别指标参数，定量估算不同粗泥沙源区对黄河粗泥沙淤积的贡献。利用气候模型模拟近 1000年来黄河淤积变化与河道变迁的气候背景条件，结合历史气候与人类活动资料，揭示黄河粗沙淤积变化与河道演变的成 因机理。 研究内容： 通过对研究区现代黄河淤积物的沉积相和物质组成特征、主要物源区物质组成与粗组分的标型特征研究分析，建立黄河粗泥沙来源的物理、岩矿、化学等系列辨识标志。利用高分辨率沉积地层、历史文献和遥感影像资料，揭示黄河近 1000 年来淤积变化的时空规律，重建河道变迁历史。建立端元混合模型，判别黄河粗泥沙的主要来源，定量半定量估算不同源区的贡献。利用气候模型分析气候环境变化和人类活动对黄河淤积变化与河道变迁的影响机制，阐明近 1000 年来黄河粗泥沙来源变化的规律及其原因。 (1) 现代黄河淤积特征 与主要物源区物质组成研究 沿黄河钻探获取现代沉积物，辨析黄河淤积不同沉积相 (河床相、河漫滩相、泛洪相、牛轭湖相等 )的物质组成特征，包括粒度、磁学参数、颗粒表面形态结构、岩矿和地球化学等特征，为研究古河道演化和建立物源判别标志提供基础；研究主要源区（陇西黄土高原、腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠和十大孔兑流域）的物质组成与粗组分的标型特征（包括粒度、磁学参数、颗粒表面形态结构、岩矿物和地球化学等特征），通过与黄河沉积物特别是粗泥沙的对比建立不同泥沙来源的判别标志；研究河堤束缚河道前后的沉积差异， 依据不同河段现代河流沉积物粗沙组分的物理、岩矿、地球化学参数，分析其物源变化。 (2) 近 1000年来黄河河道变迁研究 通过多个垂直于黄河并横穿盆地断面的高密度岩芯钻探，获取黄河河道变迁的高分辨率沉积记录；依据钻孔岩芯沉积相特征和绝对年代测定，分辨河床相、河漫滩相、牛轭湖相等沉积的空间分布和年代，提取近 1000年不同河段河道变迁的沉积记录。查阅、整理历史文献并结合遥感影像资料，提取不同河段河道变迁的历史文献记录。综合沉积和历史文献记录，研究近 1000年研究区黄河河道变迁过程和基本规律，结合历史气候与人类活 动资料，分析其原因。 (3) 近 1000 年来黄河沉积速率的变化研究 开展钻孔岩芯的 4C、光释光（ 括单颗粒 210算各断面各钻孔岩芯不同时段的沉积速率和断面沉积通量。对比各钻孔岩芯的沉积速率变化和不同断面沉积通量变化，研究近 1000年来黄河沙漠宽谷段沉积速率变化的时空规律及其原因。 (4) 黄河粗泥沙来源辨识与贡献率估算 利用粗泥沙来源的系列判别标志，辨识不同时期黄河河道沉积中粗泥沙的来源；建立端元混合模型，定量半定量估算黄河不同河段、不同 时期粗泥沙主要来源的贡献率，揭示近 1000年来黄河粗泥沙来源变化的规律。通过全球和区域气候模式的嵌套模拟结果和与人类活动资料的对比，研究黄河沙漠宽谷段沉积粗沙来源变化的原因。 经费比例： 承担单位： 兰州大学、中国科学院南京地理与湖泊研究所 课题负责人： 潘保田 学术骨干： 吴敬禄、强明瑞、聂军胜、朱育新 课题 2： 粗沙风 研究目标： (1) 总体目标： 构建流域覆沙坡面风水复合侵蚀模型、沙丘 河流系统沙丘与风 沙流入黄的动力学模型，阐明风水复合侵蚀与沙漠河流泥沙动力学机制，定量分析沙漠粗沙入黄量。 (2) 5年目标： 前 2年目标 ：建立覆沙坡面、沙丘 丘 段、沟道断面、及 2个水文泥沙观测点的布设，开展全面的观测与实验研究，结合人工降雨与野外风洞风水两相复合侵蚀观测与模拟，构建不同坡度覆沙坡面风水复合侵蚀模型与沙丘 时开展沙漠高含沙洪水过程理论推导与数值模拟方面的工作。 后 3年目标 ：继续开展样地、样段及观测站、网的观测研究，构建和完善流域覆沙坡面风水 复合侵蚀模型、沙丘 河流系统沙丘前移与风沙流入河的动力学模型。在上述模型的基础上，通过对数据集成、参数率定、尺度转换，应用 洪传输模型，定量分析沙漠粗沙入黄量。 研究内容： 依据粗沙风 选择代表性小流域毛不拉孔兑、东柳沟与代表性风沙入黄段乌兰布和沙漠。在多过程的定位观测、实验模拟与理论分析的基础上，重点研究穿越库布齐沙漠毛不拉孔兑和东柳沟覆沙坡面系统的风水复合侵蚀过程、沙丘 风洪传输过程，以及乌兰布和沙漠沙丘 明风水复合侵蚀与泥沙输移的动力机制，构建覆沙坡面风水复合侵蚀模型、沙丘 丘 此基础上，通过对数据整编与模型集成，应用 量分析沙漠粗沙入黄量及其变化趋势。 (1) 覆沙坡面系统风水复合侵蚀过程 在毛不拉孔兑和东柳沟梁地选择典型覆沙坡面样地（ 500500 应用插钎法、风沙流观测仪、风水两相侵蚀 观测系统进行覆沙坡面风水复合侵蚀过程的同步观测，通过对比分析，研究覆沙坡面侵蚀与泥沙物质迁移转换的动态过程，并以泥沙产输平衡量为基础，构建不同坡度覆沙坡面风水复合侵蚀模型。 (2) 沙丘 建立毛不拉孔兑沟谷 1测沟道侵蚀；布设中游与上游泥沙水文观测点，研究上、中、下游产汇流特征，揭示洪水过程中泥沙输移的沿程变化；应用插钎法、 电风沙流监测仪对典型断面风沙流与沙丘前移入沟进行同步观测。在此基础上，揭示风沙、洪水过程时空交错条件下泥沙输移转换规律；结合高含 沙水流运动方程与泥石流方程，构建沙丘 洪传输的动力模型。 (3) 沙丘 建立乌兰布和沙漠河段沙丘前移与风沙流入黄的监测样段（ 100 m）与监测网点，应用插钎法、 电风沙流监测仪、自动气象站进行风沙流与沙丘前移入黄的同步观测。结合风沙两相流体力学理论，构建沙丘 (4) 沙漠粗沙入黄定量评估 在上述模型的基础上，通过对数据集成、参数率定、尺度转换，应用 洪传输的动力模型，定量分析沙漠粗沙入黄量。 经费比例： 18% 承担单位： 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、西安理工大学 课题负责人： 拓万全 学术骨干： 李占斌、张伟民、姚正毅、李 鹏 课题 3：沙漠宽谷河道水沙关系变化及驱动机理 研究目标： (1) 总体目标： 通过野外实测资料分析、实体模型试验、数学模型模拟和理论分析，研究黄河上游沙漠宽谷河流水沙关系变化时空分布特征；水沙关系变化对各影响因子的复杂响应机制；定量提出各驱动因子在水沙关系变化过程中的贡献率；揭示沙 漠宽谷河流水沙关系变异对多因子的综合响应机理。 (2) 5年目标： 前 2年目标 ：构建黄河上游水沙变化及其影响因子的综合信息库；构建沙漠宽谷河道实体模型和土壤侵蚀实体模型，建立基于 展验证工作；研究黄河上游河流的水沙条件变化过程、水沙关系变化时空特征；评价降水等气候因子变化对河流水沙变化的贡献率；定量评价水土保持措施对流域产流产沙的作用；定量分析多态河床过程对水沙关系的反调控作用；定量分析引水工程在河流水沙变化过程的作用规律。 后 3年目标 ：揭示各水沙关系的成因，以及关键影响因子的 特征变化；研究水沙关系变化对降水等气候因子驱动的响应机理；研究下垫面对产流机制的影响及其临界值；研究黄河上游水土保持措施对流域产水产沙的影响机理，揭示河流水沙关系对气候和下垫面的响应机制；评价当前黄河上游水库调度方式对河道水沙过程的影响作用；揭示水沙过程变化对河床过程的响应机制；构建水沙关系与多因子作用指标体系之间关系，揭示多因子耦合作用下水沙变异的响应机理。 研究内容： 利用非线性分析方法，确定水沙关系变化的时程变点，重点研究黄河上游沙漠宽谷河流水沙关系的时空变化特征；建立基于气候 人类活动 演变复杂关系的水沙变化模拟模型，评估各要素等对水沙变化的贡献率，提出各因子对水沙变化过程作用的量化结果；建立水沙关系与多因子作用指标体系之间的关系，揭示多因子耦合作用下的水沙变异的响应机理。 (1) 沙漠宽谷河流水沙关系变化的时空特征 依据黄河上游水沙定位测验资料，利用非线性分析方法，认识水沙关系变化的时序分异性；研究黄河上游河流水沙关系在不同时段的特征，揭示水沙耦合关系调整的时序特点与分异规律；揭示不同河段间水沙关系变化的关联性，阐明不同河段水沙关系变异的空间分布特征，为研究水沙关系变异与河道冲淤演变的关系提 供基础。 (2) 上游水利工程对水沙过程变异的影响 针对黄河上游水沙关系剧烈变异，分析大型水库对工程下游河流水沙过程的调控作用；研究灌区大规模引水引沙对干流水沙关系沿程变化的影响，建立灌区河段干流水沙输移与灌区引水循环的双过程耦合数学模型；定量分析大型水利工程对沙漠宽谷河段干流水沙关系变化的贡献率。 (3) 沙漠宽谷河流水沙关系对河床演变的响应机制 根据沙漠宽谷河流野外水文测验数据分析，结合沙漠宽谷河流动床实体模型试验和元胞自动机原理等途径和手段，研究不同河床演变过程对水流能量分配的作用，揭示河段水沙输入 输出 过程动力机制；研究多过程条件下河床演变对床沙级配的影响，揭示床沙、悬沙交换动力机制；建立水沙激发传递过程的能量级联模式，定量揭示水沙关系与河床过程参数之间的耦合关系。 (4) 河道水沙关系变异对多因子的综合响应机理 应用水文泥沙定位测验数据、遥感影像资料，运用水文统计分析法，定量分析降水、下垫面、水利工程和河床演变等因素对水沙关系变异的影响；建立多因子对水沙变化影响的指标体系，分析水沙关系对多因子的复杂响应关系，揭示多因子耦合作用下水沙变异的响应机理。 经费比例： 16% 承担单位： 黄河水利委员会黄河水利科学 研究院、河海大学 课题负责人： 姚文艺 学术骨干： 张晓华、唐洪武、侯素珍、冉大川 课题 4：塌岸淤床过程与河道冲淤演变规律 研究目标： (1) 总体目标： 分析黄河上游典型塌岸特征，揭示水沙动力作用下塌岸形成机理，分析塌岸入黄泥沙贡献率，研究塌岸与河床冲淤的交互作用过程、机理及模式，阐明黄河上游河床调整与支流典型水沙过程的响应关系，研究沙坝演变过程及机理，识别关键驱动因子，揭示河床调整对水沙过程的复杂响应关系，提出水库调节运用对河道冲淤演变的驱动机制，为黄河上游防洪防凌提 供技术支撑。 (2) 5年目标 : 前 2年目标 ：黄河上游典型塌岸特征及其形成机理；塌岸对河床冲淤演变的影响规律；黄河上游干支流洪水量级与频次的变化对比关系，不同交汇条件下沙坝演变特点；河道水沙协调性与配置关系，干流河道泥沙输移时空的变化特征；干流及重要支流过程对河床冲淤变化的影响，典型河段河道沉积、排洪过凌、漫滩指标等演化过程与规律。 后 3年目标 ：塌岸风险评估方法、塌岸危险度分区及入黄泥沙贡献率；塌岸土体液化流动过程、河道水沙运动及河床冲淤之间交互作用过程与机理，建立动力学模型；长序列径流泥沙对河床形态作用模式 ，河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子及与水沙过程的复杂响应机制；水库调节前后水流泥沙因子变化对河床演化的敏感度分析，水库调节对河床调整、河槽行洪排凌能力的影响。 研究内容： 通过野外调查、实测资料分析、理论研究、概化实验及数值模拟等研究方法，分析黄河上游典型河段塌岸 入河淤床过程，揭示其动力学机制；研究十大孔兑高含沙洪水入黄过程、沙坝形成 消亡过程，构建动力学模型；阐明河床调整对水沙过程的复杂响应关系，识别河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子，进行水沙因子变化对河床演化的敏感度分析，提出水库调 节前后河道冲淤演变过程及驱动机制，为黄河上游水库调控与河道治理提供技术支撑。 (1) 塌岸形成机理及入黄泥沙量预测模型 通过野外调查、测试及实测资料分析，研究黄河上游干、支流典型塌岸的形态特征、理化力学特性、塌岸影响因子及侵蚀抗蚀特点，揭示水动力作用下塌岸形成机理；通过遥感影像解译及 黄河上游塌岸类型和规模进行识别，分析塌岸时空变化与分布特征，提出塌岸风险评估方法，确定塌岸危险度分区；通过理论研究和统计分析，建立塌岸入黄泥沙量预测模型，探索黄河上游塌岸对黄河泥沙来量的贡献率。 (2) 塌岸与河床冲淤的交 互作用过程及机理 采用现场调查、观测和实测资料分析方法，研究沙漠宽谷河道塌岸与河床冲淤演变的动态关系；通过概化实验和理论分析，研究顺直型、弯曲型河道塌岸影响因子和水沙关键因子的不同组合条件下塌岸土体液化流动过程、河道水沙运动及河床冲淤之间相互作用机理；通过塌岸入黄泥沙模型与河道冲淤模型的耦合，构建塌岸与河床冲淤交互作用的模式，阐明塌岸与河床冲淤的交互作用机理及演变规律。 (3) 支流高含沙洪水入黄过程与沙坝演变机理 以内蒙 “十大孔兑 ”河段支流高含沙洪水过程及其与干流交汇处的沙坝为对象，通过概化模型试验和理论分 析，在分析干支流洪水，特别是支流高含沙洪水的量级、频次的变化，以及干支流洪水比对关系变化的基础上，结合干支流来沙时空分布、来沙级配和粘性的分析数据，研究干支流交汇处水沙变化对河床冲淤的影响；研究干支流不同水沙遭遇及交汇条件（流量、含沙量、交汇角等）下，沙坝形成、发展、消亡的演变过程，揭示其动力学机理。 (4) 河床调整对水沙过程的复杂响应关系 选择黄河上游具有代表性的冲积河段，通过系统的实测资料分析和模拟计算，建立长序列径流泥沙与河床形态因子相互作用模式，并通过计算分析，识别河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子；研 究河床冲淤及主槽断面调整的时空分布特点和变化规律，揭示长时间序列河床冲淤及主槽调整与水沙过程的复杂响应机制。 (5) 水库调节前后河道冲淤演变过程及驱动机制 围绕黄河上游龙、刘水库调节运行，系统分析黄河上游天然及水库调节条件下，径流泥沙过程对河床演变过程及冲淤变化的影响规律，重要支流水沙过程对干流河道冲淤的影响规律；选择典型冲积性河段，从河道沉积、排洪过凌、漫滩指标等方面分析河道的演化过程、演变特点，通过模拟计算分析水库运行前后径流、泥沙、河床及调节过程等因子变化对河床演化的敏感度；分析水库不同调节能力对输沙及河 槽塑造的作用，研究河道边界对水沙的适应性及反馈效应、河槽行洪排凌指标与水动力条件关系，提出水库运用对河床调整的驱动机制。 经费比例 ： 承担单位 ： 清华大学、北京师范大学 课题负责人 ： 吴保生 学术骨干 ： 舒安平、张科利、张原锋、申冠卿 课题 5：河道洪峰过程洪 岸相互作用机理 研究目标： (1) 总体目标 : 查明洪峰作用下沙漠宽谷不同河型河段的冲淤和河床断面形态的调整特征，阐明河道冲淤与断面形态调整对洪峰的响应机制，探明典型河段输沙、冲淤和河势演变特点，揭示河道冲淤与河床调整对洪 峰过程响应机理。建立典型河段洪 岸相互作用的径流 式、泥沙输移 式及河岸侵蚀 式，构建洪 岸相互作用的 2峰 力学模型。提出满足防洪、防凌需要的过流能力条件下的河道相对稳定水沙阈值。分析河势变化对洪峰过程的响应关系，揭示沙漠宽谷河道稳定性流量阈值。评估利用人造洪峰冲刷宁蒙河段泥沙的效应，为研究区河道治理提供决策依据。 (2) 5年目标 : 前 2 年目标 ：初步建立不同河型与不同河段河道冲淤与洪峰过程特征值之间的关系。完成洪 岸相互作用主要过程的径流 式、泥沙输移 式及河 岸侵蚀 式构建。完成宁蒙河段河湾特征值统计和河势演变的时空变化分析。完成洪峰过程不同粒级泥沙输移与主要影响因子关系分析。 后 3 年目标 ：完成洪峰过程特征值与河道床 道形态演变、河床泥沙组成之间复杂作用与反馈机理分析；建成典型河段洪 岸相互作用的 2力学模型；得出维持宁蒙河道一定排洪输沙能力与河势相对稳定的洪峰水沙阈值；确定利用人造洪峰冲刷宁蒙河段泥沙的效应。 研究内容： 基于多源数据、实地观测和室内关键过程试验，展开黄河上游沙漠宽谷河段洪峰过程中的河床与河岸冲淤响应、河床形态 演变以及洪 岸相互作用的机制的研究，揭示洪峰水沙与河道形态之间复杂的作用与响应关系，建立沙漠宽谷河段洪 岸相互作用的径流 式、泥沙输移 式及河岸侵蚀 式 ,构建沙漠宽谷洪峰过程 2 型，确定控制宁蒙河段河道稳定性的水沙临界阈值，估算不同水沙组合洪峰条件下沙漠宽谷河道沿程分组粒径泥沙冲淤量，定量评估可控洪峰沙漠宽谷河道冲淤效应。为通过水沙调控提高宁蒙河段行洪排沙能力，维持河道稳定提供决策依据。 (1) 不同类型河道洪峰过程的冲淤特征与机理 分析不同洪峰过程中不同河段河道的冲淤 变化特征及其形成原因；分析滩 究河道冲淤变化作用下的河道形态演变与河床泥沙级配组成的调整过程；探讨洪峰水沙特征值与河道床 道形态演变、床沙组成调整的关系，揭示洪峰水沙 河道形态变化之间的复杂作用与反馈机理。 (2) 沙漠宽谷河道洪峰过程洪 岸相互作用的 力学模型 进行物理模型试验，分析不同水流方向与河岸线夹角条件下洪峰能量的横断面分布特征，研究洪水过程横向环流对河底和河岸的作用分量及其相互影响，探讨河槽冲淤对洪水的响应关系及反馈作 用，建立典型断面形态河槽洪 岸相互作用的径流 式、泥沙输移 式及河岸侵蚀 式；在此基础上，构建洪 岸相互作用的 2峰 力学模型；基于实测资料，分析典型河段不同量级不同挟沙洪水在床、岸与滩的能量分配以及泥沙冲淤过程。 (3) 沙漠宽谷河道稳定性水沙阈值 研究分河段水沙变化对河道冲淤和河道过流能力的影响，解析不同河段不同特征时期河势演变参数及其时空特征和时程变点、河势参数与洪流参数之间的复杂响应关系；确定洪水期各河段河道冲淤平衡和维持河道适宜过流能力所需的流量阈值；揭示洪峰诱 发的河湾变形、河岸坍塌的内在机理。建立制约河势演化行为的临界阈值集，提出沙漠宽谷河道相对稳定的水沙阈值。 (4) 可控洪峰沙漠宽谷河道冲淤效应的定量评估 基于断面监测资料与站点水文泥沙资料，应用 型分析洪水过程不同粒级泥沙输移量与河床形态特征、边界物质组成、洪峰特征值之间的关系，估算不同水沙组合洪峰条件下沙漠宽谷河道分粒级泥沙冲淤量和空间分布。结合现状和预期水利工程可控洪峰过程的水沙特征，计算沙漠宽谷分段河道可控洪峰系列不同粒级泥沙的冲淤量，评估利用人造洪峰冲刷宁蒙河段泥沙的效应。 经费比例 ： 承担单位 ： 中国科学院地理科学与资源研究所、西安理工大学 课题负责人 ：师长兴 学术骨干 ：王随继、秦毅、房金福、王卫红 课题 6：黄河上游沙漠宽谷河段冲淤演变趋势预测与调控对策 研究目标 : (1) 总体目标 : 通过黄河上游沙漠宽谷河道流域多源数据平台和风沙 河道分布式动力学模型的构建，预测未来 20 年河道冲淤演变的发展趋势，提出维持黄河沙漠宽谷河道冲淤平衡的风沙水沙调控双阈值， 构建沙漠宽谷流域与河道一体化 “拦 放 挖 ”风沙水沙综合调控体系。 (2) 5年目标 : 前 2 年目标： 建立多 源数据平台的软件支持系统； 完成 黄河上游沙漠宽谷河道风沙 河道流域分布式动力学模型的结构以及各子模型间输入、输出端口设计；收集并初步分析近 60 年来研究区气候变化和以重大水利工程为主的人类活动背景资料。 后 3 年目标： 完成 黄河上游沙漠宽谷河道多源数据平台和风沙 河道流域分布式动力学模型的构建， 预测未来 20 年 河道 冲 淤演变趋势 ；确定维持河道冲淤平衡的风沙水沙调控双阈值；在 系统分析和评估全国先进的 防风固沙模式、水土保持模式、大型水库调控模式、河道整治模式、 疏浚 挖 沙 减淤模式等基础上，构建沙漠宽谷流域与河道一体化 “拦 放 挖 ”风沙水沙 综合 调控体系。 研究内容 : 在集成课题 1果基础上，深入分析和评价全国防风固沙、水土保持、水库调节、河道整治与堤防管理的成果的基础上，构建流域多元数据平台与风沙 河道分布式模型，预测未来 20 年河道冲淤变化，提出维持河道冲淤平衡的风沙水沙调控双阈值，系统分析风沙水沙调控模式的结构与功能，构建 集流域 土流失治理、生态建设、水库调节、河道整治、堤防管理与挖河减淤相结合的 “拦 放 挖 ”风沙水沙综合 调控体系。 (1) 黄河上游 沙漠宽谷河 段流域风沙 河道分布式动力学模型 在统一的标准和格式下，对本项目的多源数据进行分析、整合和归一，利用多模块集成方法，构建多源数据平台，通过对多过程模型进行时间 泥沙平衡的耦合与数据的尺度转换分析，建立黄河上游沙漠宽谷河道流域尺度的风沙 河道流域分布式模型 。 (2) 黄河上游沙漠宽谷河段冲淤演变的趋势预测 根据 候模型的情景预测结果（ 并结合当地的生态环境背景、大型水库和灌渠建设、上游来流、河道边界和床沙组成特性等要素的分析，基于风沙 河道流域分 布式模型预测未来 20 年内黄河上游沙漠宽谷河道冲淤演变趋势。 (3) 沙漠宽谷河道冲淤平衡风沙水沙临界与调控机理 基于多源数据平台与分布式动力学模型，确定沙漠宽谷河道糙率、恢复饱和系数、挟沙能力系数与指数、断面信息提取，研究沙漠宽谷河道对不同风沙水沙入汇情景过程与灌区引水过程的冲淤响应，确定沙漠宽谷河道冲淤平衡风沙水沙临界阈值，建立河道萎缩临界指标特征，提出河床比降、纵剖面形态及断面形态，与河道平面形态的临界响应与相应调控指标体系。 (4) 沙漠宽谷河道风沙水沙调控措施研究 在系统深入分析和评价防风固沙模式、水土保持模式、大 型水库调控模式、河道整治模式、疏浚挖沙减淤模式等的基础上，结合沙漠宽谷风沙水沙时空差异特征及其调控的双阈值，分析风沙水沙调控模式的合理结构与功能，构建沙漠宽谷流域与河道一体化 “固 调 挖 ”风沙水沙综合调控体系。 经费比例 ： 承担单位 ： 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、黄河水利委员会 课题负责人 ： 薛 娴 学术骨干 ：郝芳华 黄 强 李 勇 韩致文 （五）课题间的相互关系 各课题之间的关系为：课题 1 是项目的基础部分，研究 1来历史时期河道沉积与粗沙来源，为其他课题提供背景和基础数据，并解决项目总体目标 “黄河上游沙漠宽谷河道粗泥沙来源 ”与五年目标 “定量分析不同沙源对淤积河道粗泥沙的贡献率，准确界定淤积沙漠宽谷河道粗泥沙界线及重点源区 ”；课题 2、 3、4、 5 是项目研究主体，也是项目创新主要部分，研究粗沙风洪产输机制、水沙过程变异、塌岸淤床过程及洪 岸相互作用四项密切关联，且又相互独立的关键过程。其中课题 2 解决项目总体目标 “揭示 粗泥沙风 展 风水复合侵蚀与沙漠河流泥沙动力学理论 ” 与五年目标 “建立风水复合地表侵蚀模型 及沙漠河流泥沙动力学模型，准确计算沙漠粗沙入黄量；建立沙漠河流推移质泥沙输移理论模型，正确认识沙漠粗沙在沙漠河流中推移输移规律，确定沙漠宽谷河道冲淤平衡的风沙阈值 ”； 课题 3 解决项目总体目标 “揭示 水沙过程变异机制 ”与五年目标 “揭示沙漠宽谷河道与河流水沙过程互馈机制，科学认识大型水库调节作用对沙漠宽谷河段水沙关系变异的影响 ”；课题 4 解决项目总体目标 “揭示沙漠宽谷河道 塌岸淤床过程机理 ”与五年目标 “建立河岸坍塌动力学模型，揭示高含沙洪水入黄后沙坝形成与演变过程 ”； 课题 5 解决项目总体目标 “揭示 洪 岸相互作用机理 ”与五年目标 “构建基于洪 岸相互作用的 2流 型，揭示沙漠宽谷河道不稳定性机理，确定沙漠宽谷河道相对稳定的水沙阈值，准确评估可控洪峰过程对沙漠宽谷河道的冲淤效应 ”。 课题 6 是在上述课题研究的基础上，进一步开展流域宏观尺度上的集成研究，提出粗沙调控对策。课题 6 解决项目总体目标 “构建 黄河上游沙漠宽谷流域 多源数据平台及 风沙 河道流域分布式动力学模型，建立沙漠宽谷流域 固 调 挖 ”风沙水沙综合调控体系 ”。各课题的设置及关系如图 4 所示。 图 4. 课题设置关系图 四、年 度计划 年度 研究内容 预期目标 第 一 年 收集背景数据和资料，开展腾格里 乌兰布和沙漠 漠宽谷河道塌岸和高含沙区段的现场踏查 沿现代黄河河道及垂直于河道的地质断面上钻取 50 支沉积岩芯，采集河道表层沉积样品。分析测试所采集样品 购置设备，布设毛不拉孔兑和东柳沟野外观测点与观测样地，以及腾格里沙漠、河东沙地、及乌兰布和沙漠风沙入黄观测样地，开展野外观测与取样研究、风沙 开展沙漠宽谷河道动床实体模型和土壤侵蚀实体模型制作技术论证，开展基于分布式产水产沙动力学数学模型框架研发，开发模型支持系统 研究黄河上游河流的水沙关系变化和时空特征，包括水沙量及过程、洪水过程、来沙系数等在不同时段、不同河段的变化特征 进行遥感影像解译分析，对塌岸类型及规模进行识别，选定重点、典型塌岸河段 研究宁蒙河段支流高含沙洪水特点，高含沙洪水期干流水沙过程及特点；初步开展洪水及长序列径流泥沙因子与河道断面调整之间的相互关系研究；研究龙羊峡、刘家峡建不同运用期径流泥沙过程、河道冲淤特点。开展模型试验及动力学数学模型建模的准备工作 对宁蒙河段进行汛前汛后二期河道大断面 观测，完成河床、滩地沉积物采样和室内沉积物粒度组成及土力学分析。划分洪峰，计算洪峰特征值。提取宁蒙沙漠宽谷河道分段河道形态特征值及边界组成特征参数 分析计算不同类型洪水引起的河道断面面积的变化特点，计算洪水前后河床的 完成背景数据和资料的收集、研究区考察、岩芯钻取和岩芯样品的分析测试、野外观测网点的建设与布设 初步确定风沙 初步建立黄河上游水沙变化及其影响因子的综合信息库，建设沙漠宽谷河道动床实体模型和土 壤侵蚀实体模型，初步阐明黄河上游河流的水沙变化时空特征 初步提出水流泥沙因子与河道冲淤之间的相互关系 明确进出沙漠宽谷河段历年洪峰过程的洪峰历时、峰量、峰型、输沙量泥沙组成等特征。揭示洪峰作用下沙漠宽谷不同河型河段冲淤调整特征，并建立不同河段河道冲淤与洪峰过程特征值之间的关系 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、滩沉积物粒度及土力学指标 揭示沙漠宽谷河段不同河型河段的河湾特征值，包括弯曲系数、主流摆动幅度、河湾半径等统计，和河势演变的时空变化和时程变点规律 初步建立多源数 据平台的软件支持系统，完成数据收集和输入工作 阐明黄河沙漠宽谷流域陆地生态系统结构与功能特征 年度 研究内容 预期目标 垂向冲淤速率和河岸的侧向迁移速率，分析河床冲淤对洪水过程的响应特征 进行典型河段水流要素观测，并进行不同水流夹角洪峰流量的横断面能量分布特征的概化模型设计。分析河段泥沙冲淤过程，以及典型断面泥沙冲淤对洪峰过程的响应机制 解析多型河段不同特征时期河势演变参数，统计分析河势演变的时空特征，研究确定不 同特征时期河势演变参数的时程变点 研究不同属性和时空尺度数据库的构建以及不同数据库之间数据的转化、提取和共享 分析近 60年以降水蒸发和风况为主的气候变化、以重大水利工程（上游大型水库调节和灌区大量引水）为主的人类活动等对河道冲淤演变和区域生态系统的影响，筛选出影响沙漠宽谷河段河道冲淤演变的主导驱动因子 确定影响沙漠宽谷河段河道冲淤演变的主导驱动因子 发表论文 20 22 篇，其中文 3 篇。培养博士生4 名，硕士生 4 名 第 二 年 继续粗沙源区样品采集与分析测试。对研究区现代黄河淤积物特征、主要物源区物质组成与粗组分的标型特征进行分析，初步建立黄河粗泥沙来源示踪的物理、岩矿、化学等系列标志 查阅、整理历史文献和判读遥感资料，获取黄河河道变迁历史文献记录 全面开展已建观测网点的野外观测计划、继续开展风沙 作用模拟实验 分析整理数据，开展沙漠河流泥沙推移质输运模型的构建、开展风水复合侵蚀理论概念模型的构建，开展风水复合侵蚀动力过程实验模拟。 建立基于 分布式流域产水产沙动力学数学模型，通过沙漠宽谷河道典型支流流域的实测资料对模型进行验证 建立降雨径流泥沙复合非线性关系，结合产水产沙动力学模型反演模拟，研究降水等因子变化对河流水沙变化的贡献率 利用 “水保法 ”原理，定量评价水土保持 完成所有源区表层沉积样品、黄河河道现代表层沉积样品的采集，完成表层样品和剩余 50%的钻孔样品分析测试工作。完成年代测试工作 集成两年 的腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠及毛不拉孔兑与东流沟风蚀与水蚀，风沙与水沙的数据 初步建立风沙 建不同坡度覆沙坡面风水复合侵蚀经验模型与沙丘 建立基于 分布式流域产水产沙动力学数学模型 定量评价降水、水土保持措施、河床过程、引水过程等因子变化对河流水沙变化的贡献率 年度 研究内容 预期目标 措施对流域产流产沙变化的影响，包括生物、工程和耕作等不同类型水土保持措施的减水减沙效果 定量分析多态河床过程对水沙关系的反调控作用。选取宁蒙灌区作为研究对象，定量分析引水工程在河流水沙变化过程的作用规律 开展重点典型塌岸河段观测与调查，分析塌岸的影响因素与特征，研究塌岸形成机理；分析典型塌岸特征及河床冲淤演变规律，以及塌岸对河床冲淤演变的影响，确定塌岸与水沙组合条件，塌岸概化模型实验预备实验 选择支流高含 沙洪水沙坝演变过程模型试验范围，制作模型，模型试验相关技术研究 主槽平滩流量滞后相应模型的改进与完善，建立长序列径流泥沙与河床形态因子的相互作用模式；研究水库调节条件下，河床冲淤变化的影响规律 继续进行汛前汛后二期河道大断面观 测和河床质采样分析。分析典型河段洪峰与床 道宽深比变化特征 进行清水水流、不同水流夹角（ 0 a）下的多组合概化试 验，基于试验结果，研究不同水流夹角洪峰流量的横断面能量分布特征 研究宁蒙河道的冲淤与水沙条件的关系，以及防洪防凌要求的河道适宜过流能力。分析断面形态对洪水的响应关系，确定典型河段河道过流 能力。分析典型河段冲淤演变规律，构建维持河道冲淤平衡的指标体系 提取分河段分时段河槽过水面积、断面形态、滩唇高度、滩地高度与宽度等沙漠宽谷河段河流地貌特征。分析河床边界条件和洪峰特征对 不同粒度泥沙输移的影响 研究沙漠宽谷河道冲淤变化对不同风沙水沙过程与大型水库调节、灌区引水过程的响应 揭示塌岸特征与塌岸形成机理；提出塌岸对河床冲淤演变的影响关系 具备塌岸和高含沙洪水沙坝演变过程模型试验条件，并进行预备实验 提出长序列径流泥沙与河床形态因子的相互作 用模式。初步认识水库调节条件下，河床冲淤变化规律 揭示洪峰作用下沙漠宽谷不同河型河段的河床断面形态调整特征，查明断面形态调整对洪峰的响应机制 查明清水水流、不同夹角水流能量的分布特征；心滩影响下水流对岸、对床和对滩作用的动力学模式 探明典型河段输沙、冲淤和河势演变特点；提出满足防洪、防凌需要的过流能力条件下的河道相对稳定水沙阈值 建立沙漠宽谷河道洪峰过程不同粒度泥沙输移与河床边界条件和洪峰特征值关系 揭示环境变化和人类活动对河道冲淤演变的影响机制 完成黄河上游沙漠宽谷河道风沙 河道流域分布式动力学模型 的结构以及各子模型间输入、输出端口设计 初步预测影响河道冲淤的各驱动因子在未来 20 年的变化趋势。揭示沙漠宽谷河道风沙水沙关键过程的调控机理。初步提出维持河道冲淤相对平衡的可调控因子 年度 研究内容 预期目标 研究粗沙溯源与端元量化模型、风沙入黄、河流动力学等模型的输入、输出以及外部边界条件 研究影响河道冲淤的各驱动因子（上游来水来沙及其过程、河道边界和床沙组成等）在未来 20 年变化趋势。分析影响河道冲淤的各驱动因子（侧重人类活动）的可调控性、可调控程度及其对冲淤演变及其过程的贡献率 发表论文 67 72 篇，其中文 17 19 篇