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2.4 黄河多尺度流域水沙演变机理与调控研究

简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】国家自然科学基金项目，中国水利水电科学研究院科研专项

【课题编号】51009154，泥集 QN0707，泥集 ZD0601，泥集 KY0723

【课题起止时间】2006 年 6 月～2013 年 12 月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】曹文洪、张晓明、赵 阳、殷小琳、王向东、刘 冰、成 晨、

解 刚、朱毕生、刘春晶

立项背景

黄河流域河川径流量近几十年大幅减少，严重威胁了区域水土安全，虽与气

候干热化有一定关系，但土地覆被变化特别是为控制侵蚀的大规模水土流失治理

措施是主因。为此，要维持区域协调发展和供水安全，就要合理调控水-土-植被

资源的利用，但其前提是准确辨识流域水沙来源及其变化的驱动机制。然而，目

前环境变化下的流域水沙过程变化响应研究缺乏尺度关联，导致不同研究结果差

别较大，对环境影响径流泥沙的尺度效应机理认识不清，不同沟壑整治工程对流

域水沙过程调控机理缺乏系统研究，不能满足黄土高原区水土资源综合管理以及

流域综合开发利用的科技需求。

开展“自然-人为”耦合驱动的流域水沙来源分析及其运移尺度效应研究，

从小、中、大流域多个空间尺度（见图 1），定量分析流域土壤侵蚀泥沙来源，

阐明不同环境因素对水沙过程变化的影响机制，揭示影响泥沙主导过程随环境条

件和尺度大小的变化规律并进行参数化定量表达；在理解尺度效应形成机理基础

上，就淤地坝、林草及梯田等典型水土保持治理措施对水沙过程调控机理进行了

理论研究与技术探索，研究结果利于深入理解流域径流泥沙形成规律和定量揭示

尺度效应的形成机制，从而可对预测黄河水沙变化，推动干旱缺水区水-土-植被

资源综合管理以及沟道坝系规划和水土流失治理，实现区域生态-社会-经济可持

续发展具有重大而深远的意义。

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图 1 多尺度试验流域概况

详细科学技术内容

（1）阐明了多尺度流域水沙演变过程及尺度变异规律

1）连续尺度流域泥沙来源确定

在取代混合模型法测算泥沙来源基础之上，基于指纹识别法-判别函数分析

（DFA），提出基于核素示踪、化学元素定位识别和对比混合模型计算的泥沙来

源系统确定技术，突破传统只能测算单坝控制流域泥沙来源的瓶颈，实现对连续

尺度流域泥沙来源有效追踪（见图 2）。

图 2 河道泥沙采样分布与对比混合模型和 DFA 计算的泥沙来源相对贡献

2）基于径流侵蚀功率与地貌分形量化的多尺度流域暴雨侵蚀产沙模拟

基于能量的观点，提出流域径流侵蚀功率计算方法（见图 3）。首次提出了

基于三维立体特性的流域地貌形态量化技术方法（见图 4），该方法在克服以往

方法不能反映相同等高线数量的不同网格中地貌差异不足的同时，通过统计不同

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尺度网格中等高线栅格数量可以实现任意尺度大小流域地貌特征盒维数的测定，

完成了流域侵蚀地貌统一量化。建立侵蚀产沙与侵蚀功率和地貌分形维数的关系

式，实现不同尺度流域暴雨产沙计算。

VFConE HQE m

0.1

10

1000

100000

0.0001 0.01 1 100 10000

降雨侵蚀力/(mm2·min

-1)

输沙模数/(t

·km

-2)

1

100

10000

1000000

0.00001 0.001 0.1 10

径流侵蚀功率（m4/s.km2）

输沙

模数

（t/

km2）

1

100

10000

1000000

0.00001 0.001 0.1 10

径流侵蚀功率（m4/s.km

2）

输沙

模数

（t/k

m2） 蛇家沟4.2km2

1

100

10000

1000000

0.000001 0.0001 0.01 1

径流侵蚀功率(m4/s.km

2)

输沙模

数(t/km

2 )

0.1

10

1000

100000

1E-08 0.000001 0.0001 0.01 1

径流侵蚀功率/(m4·s

-1·km

-2)

输沙

模数

/(t·

km-2

)降雨侵蚀力 径流侵蚀功率

径流侵蚀功率坡面小区

窟野河8706km2

R2=0.52n=20

R2=0.95n=20

1

100

10000

1000000

0.000001 0.0001 0.01 1

径流侵蚀功率(m4/s.km

2)

输沙模数(t

/km2 )

大理河3906km2

图 3 径流侵蚀功率计算

矢量图层 等高线统计

地貌分形维数

黄土高原不同尺度典型小流域地貌分形

坡度、坡长、坡向沟壑密度等因子

分形维数D（标量）

图 4 地貌分形量化模型

3）流域泥沙输移比的尺度依存及尺度推绎

首次阐明泥沙输移比的尺度依存性和分形特征（见图 5），提出尺度依存的

尺度域。并将分形理论和自相似性作为水文尺度转化的途径，构建了流域泥沙输

移比尺度上推/下推的求算连续尺度上流域的泥沙输移比模型。该模型克服了传

统水文尺度转换方法诸多缺点，并且能够为获得较为准确的泥沙输移比值提供了

新方法。

（1）

式中： SDR' 为单元流域的泥沙输移比值，D 为该流域泥沙输移比分形维数。

0

20

40

60

80

100

280 380 480 580 680 780 880

治理措施减水率

(%)

降雨量(mm)

1km2

100km2

1000km2

10km2

0

20

40

60

80

100

300 400 500 600 700 800 900

治理措施减沙

率/%

降雨量/mm

1km2

10km2

100km2

1000km2

罗玉沟 吕二沟 桥子东沟 藉河

图 5 流域水沙输移尺度变异

29

（2）揭示了治理措施对多尺度流域水沙变化的驱动机制

1）多尺度流域水沙运移变异规律

辨析了不同尺度流域水沙运移变异规律，揭示了流域水沙过程在连续和离散

尺度上的尺度效应及其异同性，即小尺度流域，坡面植物和工程措施等土地利用

结构优只显著影响流域水沙量和水沙过程，对水沙关系变化影响较小；而沟道坝

系工程可使流域减沙比例大于径流减少比例；中大尺度流域研究表明人类活动是

影响水沙变化的显著驱动因素。

2）阐明沟壑整治措施水沙调控机制，得出了流域 优林草覆盖率临界阈值

淤地坝、林草植被、梯田是黄土高原区流域治理水土流失的典型措施。本项

目基于数值模拟等方法定性和定量评价了黄土高原区沟壑整治工程减蚀效应和

防治沟道重力侵蚀发生机理（见图 6），阐明了三种水土保持措施对流域水沙变

化过程的调控机制，确定了黄土高原流域 优森林植被覆盖率界值，明确了梯田

工程质量与预防暴雨标准响应关系，实现了黄河水沙变化原因的科学评价。

0 5 10 15 20 25 30

0.051

0.052

0.053

0.054

0.055

0.056

0.057

0.058

y = 0.00593exp(-0.10973x)+0.05137

R2 = 0.99221

大位移

/ (m

)

侵蚀基准面抬升高度 /(m)

图 6 淤地坝减蚀机理

3）定量评价了黄土区多尺度流域气候和人类活动对水沙变化的贡献度

基于黄土高原多级（小、中、大、特大尺度）典型流域“水-土-气-经济”数据

库构建，对流域土地覆被信息、降水等气候因子及径流泥沙进行多时间尺度突变

规律分析，揭示了气候突变点前后流域水文气象和土地利用的协同变化和分异规

律，首次系统阐述了黄土区土地利用变化等环境要素对大、中、小尺度流域水沙

过程变化的驱动机制及其差异，研究成果为实现流域侵蚀产沙和河道泥沙输移的

交叉和融合研究提供支撑。

（3）提出了不同尺度流域水沙过程调控的技术方法

1）提出不同土地覆被类型与沟壑工程空间对位配置模式，实现多尺度流域

水沙过程与水沙资源的调控（见图 7）。

2）基于淤地坝放水建筑物优化技术，提出坝控流域“随淤即用”方法，实

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现小流域水沙资源的高效利用（见图 8）。

图 7 土地覆被与沟壑工程空间对位配置优化前后产流产沙对比

背景

淤地坝优化效益分析图

涵洞的位置高低决定了坝地效益的发挥年限

以往涵洞位置设计忽视了初期蓄水无效蒸发

涵洞位置优化可实现建坝初期蓄水随淤即用

方法

A 为优化前涵洞高度；B 为考虑建坝初期蓄水损失负效益后涵洞高度；

淤地坝最大总效益下的涵洞位置函数：

优化结果分析

X

YZ

P

3.83.63.43.232.82.62.42.221.81.61.41.210.80.60.40.2

X

YZ

P

2.82.62.42.221.81.61.41.210.80.60.40.2

X

YZ

P

2.82.62.42.221.81.61.41.210.80.60.40.2

X

YZ

P

2.82.62.42.221.81.61.41.210.80.60.40.2

10、20、30、100年一遇降雨工况下流域的水深分布

洪水频率与坝地淹水深度关系，提出坝系防洪保收指数作为坝系设计的重要参数

图 8 淤地坝放水建筑物结构优化

发明及创新点

（1）阐明了多尺度流域水沙演变过程及尺度变异规律

（2）揭示了治理措施对多尺度流域水沙变化的驱动机制

（3）提出了不同尺度流域水沙调控的技术方法

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

与国内外同类研究和同类技术相比有明显的突破，见下表。

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比较项目 同类研究和技术 本项目研究成果

泥沙来源确定 单一坝控流域，精度低 连续尺度流域任意追踪，精度高

侵蚀地貌形态 坡度、坡长、沟壑密度等 任意尺度流域的地貌量化表达，易获取

侵蚀动力 降雨侵蚀力(合格率 60-70%) 径流侵蚀功率（合格率 85%以上）

预测尺度 小流域（<100km2） 小流域至中大流域（>1000k2）

水文尺度推绎 经验性方法，普适性差 泥沙输移比尺度转换模型，普适性强

水沙尺度效应 缺乏机理认识 多尺度联合研究，明显的尺度分异特征

水沙资源调控 减蚀的定性描述 减蚀的定量评估

成果应用情况及社会经济效益

本项目提出的理论研究成果已先后为《全国水保科技支撑专项规划

(2013-2030)》与《黄河水沙变化研究》等国家重大咨询报告提供了技术支撑；同

时，项目技术成果在黄土高原流域退耕还林、水土流失治理及陕西、甘肃等地淤

地坝坝系规划中得到广泛应用。

该成果的完成，在完善流域水沙输移理论同时，为系统认识黄土区流域侵蚀

产沙过程的尺度效应，泥沙输移规律，科学评价“自然-人为”作用对其贡献率

以及丰富水文过程尺度转换途径研究具有重要理论意义。同时也为开展流域水土

流失治理及水土资源优化配置提供了技术支撑，并为进一步深入开展流域水沙调

控与江河治理提供参考。