水土保持

黄河流域水沙变化情势分析与评价
发布人:系统管理员 发布时间:2013-01-21 审核人:

获奖类型: 2012年度黄河水利委员会科学技术进步一等奖

项目名称:黄河流域水沙变化情势分析与评价

任务来源:科技部

课题编号:2006BAB06B01、XLDYX07130

课题起止时间:2006年11月-2009年12月

完成单位:黄河水利委员会黄河水利科学研究院

黄河水利委员会水文局

黄河水利委员会黄河上中游管理局

北京师范大学

河南大学

主要完成人:姚文艺 徐建华 冉大川 时明立 张晓华 张学成 王富贵

王金花 李清珍 史学建 陈江南 蒋晓辉 申震洲

李晓宇

1、立项背景

黄河以水少沙多、含沙量高而著称世界,其多年平均输沙量16亿t,天然径流量534.8亿m3。随着气候变化和人类活动的不断加剧,黄河水沙情势发生明显变化,尤其自1997年以来,黄河实测径流量、输沙量急剧减少,如近期每年输沙量只有3亿t左右,对黄河治理开发带来重大影响,已成为世人关注的热点。为此,十一五”国家科技支撑计划专列重点课题“黄河流域水沙变化情势评价研究”(课题编号:2006BAB06B01),对黄河流域水沙变化的原因进行剖析,阐明1997~2006年人类活动对黄河水沙变化的影响程度,预测未来30年黄河水沙情势,为黄河治理开发重大决策提供科学依据。经过3年的探索研究,课题组全面系统地揭示了黄河流域水沙演变规律,并在评价方法与理论上都取得重要创新成果。近期通过的专家鉴定认为,该课题的完成标志着我国对诸如黄河之类开放巨系统、水沙关系复杂河流的水沙变化规律研究已达国际领先水平。

2、关键研究技术内容

(1)采用抽样调查、勘测、遥感解译、专家评判等综合交叉的方法,对黄河中游地区水利水土保持措施保存量进行核查。

(2)分析水利水土保持措施减水减沙效益,评价黄河中游水沙变化程度、变化原因及人类活动对黄河水沙变化的贡献率。

(3)分析致洪暴雨的时空分异规律和下垫面对洪水泥沙的影响机理,分析水利水土保持措施对暴雨洪水泥沙的影响程度。

(4)建立下垫面抗蚀力概念,并形成表征下垫面抗蚀能力的坡度、沟壑密度、土地利用类型、地表物质组成、水土保持措施类型与数量,以及水土保持措施分布等因子体系;揭示下垫面抗蚀力与产沙量的关系,定量评价人类活动对流域产水产沙的影响程度。

(5)利用水文地质学、陆地水文学、河床演变学等理论,结合产汇流产输沙模型数值模拟,研究煤矿开采、引黄灌区等大型人类活动对地表水、地下水循环及黄河干流输沙的影响。

(6)利用室内实体模型试验和土壤侵蚀动力学理论与方法,研究坡面径流水力学特性和输沙特性,揭示坡面地表形态演变与产沙的动力学关系,为水沙变化评价数学模型的建立提供理论依据和相关参数。

(7)利用树木年轮分析方法重建黄河上中游天然径流量系列,分析其周期变化规律,预测黄河未来天然径流量变化趋势;根据黄土高原特殊的产流机制,对SWAT模型进行改进,并结合流域治理规划、水资源利用规划及经济社会发展规划,利用物理成因法和水文模拟预测方法分析黄河流域水沙变化趋势,在综合评价不同方法预测成果基础上,定量提出未来不同时期的水沙变化情势。

3、技术创新点

(1)揭示了黄河上中游1997~2006年水沙变化的机制与成因,定量评估了水利水土保持、开矿、大型灌区引水等因素对水沙变化的贡献率;

(2)提出了利用独立同分布理论确定水沙系列突变点的方法;

(3)建立了流域下垫面抗蚀力的概念,利用GIS技术,研发了基于抗蚀力的人类活动对产沙影响的多因素综合评价方法,并得到应用检验;

(4)改进了SWAT模型的地表径流模拟模块,同时改进了壤中流和地下水等产流机制,使SWAT模型能够反映出黄河中游干旱半干旱地区产流汇流的基本规律;

(5)首次试验证明了坡面流仍然存在着河道水流所具有的挟沙能力现象。

4、成果应用情况及社会经济效益

该课题研究成果为黄河治理开发提供了新的科学依据,得到广泛应用。

(1)提出的黄河中游地区近期水土保持措施年均减沙4.0亿t等关键参数,已为国务院组织编制的《黄河流域综合规划(修编)》所采纳。

(2)在水利部2011年批复的《黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程一期项目建议书》中,应用本课题提出的有关黄河粗泥沙集中来源区皇甫川、窟野河、孤山川、秃尾河、佳芦河、无定河等6条支流1997~2006年水利水土保持治理减水减沙量成果,分析评价了粗泥沙集中来源区拦沙工程一期项目治理效益。

(3)研究提出的1997~2006年陕西省水土保持措施保存面积成果,已在《黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程可行性研究》陕西省部分的效益分析论证中采用。应用表明,该成果数据可靠,符合陕西省实际,可以作为制定相关规划和开展研究的基础数据。

(4)提出的基于下垫面抗蚀能力的人类活动对流域产流产沙影响的评价方法,以及对SWAT模型的成功改进,为分析评价水沙变化探索了新的途径,为推进SWAT模型在黄土高原应用做出了贡献,其成果在北京师范大学、河海大学、河南大学等高等院校教学中应用。

另外,该课题关于水库运用对下游河道水沙过程的影响分析成果,可用于优化、完善水库调控运用方案,同时对黄河水沙调控体系的建设规模、时序和布局这一重大战略性问题的决策也有很大参考价值;有关黄河主要灌区引水对黄河干流水沙变化及对支流径流的分析评价结果,对于黄河水资源调度管理及灌区管理都提供了重要的科技支撑,研究成果具有很大的应用前景。

图1 树木年轮取样

图2 下垫面抗蚀力评价色斑图