“十一五”国家科技支撑计划重点项目 “黄河流域水沙变化情势分析与评价”课题成果展示

2013-01-22

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。

一、研究内容

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。

二、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。

三、推广应用情况

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。

课题负责人简介：

姚文艺，教授级高级工程师，博士。现任黄河水利科学研究院副院长，兼任中国水利学会泥沙专业委员会副主任、河南省水利学会泥沙专业委员会主任、黄河研究会理事、World Association of Soil and Water Conservation终身会员、全球水伙伴（中国黄河）成员、中国土壤学会土壤侵蚀和水土保持专业委员会委员、黄河水利委员会科学技术委员会委员、黄河水利委员会首席专家等。享受政府特殊津贴、水利部“5151人才工程”部级人选、河南省优秀专家；2007年荣获泥沙研究界国际最高奖项“钱宁泥沙科学技术奖”。先后获得国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等奖1项、二等奖3项，黄河水利委员会科技进步奖多项。

先后主持参加70余项国家及治黄重大项目，其中国家级项目16项。在国内外学术期刊及学术会议发表论文159篇，被SCI、EI收录24篇。先后出版了《水力侵蚀过程及模拟》等6部专著。研究领域包括河流泥沙、水土保持。

在泥沙研究领域方面，首次提出了河道萎缩的科学定义以及萎缩性河道治理对策；首次提出了“顺势布弯、就弯设坝、遥相呼应、规模适度”的游荡性河道整治工程布设原则；创新性地提出了河型演变的“动能自补偿”理论。在水土保持研究领域，提出了“坡面流水力学”的概念和定义，建立了坡面流阻力关系式，划分了坡面流流态并揭示了边壁对薄层水流阻力的作用机理；提出了黄土高原典型类型区治理模式及其措施的优化配置方案；揭示了黄土高原丘陵沟壑区坡沟系统产沙的耦合关系，建立了坡面径流侵蚀产沙能力公式；系统论证了河道系统对流域水土保持治理的响应关系，创新性地将水土保持治理同河床演变结合起来研究；提出了“水文法”基准年水文系列的选择原则和代表性评价方法；提出了减水减沙效益与水土保持措施空间布局及不同类型措施配置比例有关的结论，并研究了水土保持工程措施、生物措施配置比例的临界值；提出了黄河水沙调控必须以干流大型水库“点”调控与流域水土保持措施“面”调控相结合，以更为有效地减少入黄泥沙并改善水沙搭配关系的方略，提升了水土保持在江河治理中的地位；揭示了坡面–沟道系统的泥沙传递关系和相互作用机理，为黄土高原水土保持规划提供了重要的科学依据。