黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控机理——国家973计划项目研究简介

2017-03-21

黄河上游宁蒙河段穿越我国四大沙漠，从下河沿至头道拐长约1 000千米，发育了典型的沙漠宽谷（图1），形成近300千米的“悬河”。该河段是黄河上游近3 500千米长的河段中水沙变化最复杂、河道演变最剧烈的河段，是黄河上游产水区与中下游河段水沙关系的调节河段，也是上游大型水库联合调度影响显著的河段。该河段流经区域是我国重要的能源基地，西北主要的粮食产区，回、蒙少数民族的集聚区，在西部大开发中具有重要地位。该区春季多大风，夏季又是高强度暴雨中心，地表风蚀与水蚀、风沙与水沙过程极其活跃，导致强沙尘暴与超高浓度的沙漠高含沙流事件频发（图2），对黄河上游沙漠宽谷河段泥沙输移与河道演变产生了显著的影响，已引起政府和科技界的高度重视。

长期以来，风蚀与水蚀、风沙与水沙、沙漠与河流过程研究一直处于分离研究状态。沙漠如何影响河流？河流如何作用于沙漠？沙漠河流输沙能力与河道演变关系如何？这些问题是当前地表过程研究中的理论难题，也是对风沙物理学与河流泥沙动力学的新挑战。因此，如何耦合地表风蚀与水蚀，风沙与水沙动力过程已成为干旱、半干旱区土壤侵蚀学、沙漠学与河流泥沙动力学交叉研究的新领域、新趋势，也是防治黄河上游沙漠宽谷“悬河”，维护黄河健康，保障宁蒙河段和下游河段的洪凌安全，科学建立黄河上游风沙水沙调控体系的国家重大需求。

2011年，“黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控机理”项目获得国家973计划立项。项目由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所联合清华大学、兰州大学、北京师范大学、河海大学、西安理工大学、中国科学院地理科学与资源研究所、中国科学院南京地理与湖泊研究所、黄河水利委员会黄河水利科学研究院共同承担，由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所拓万全研究员担任项目首席科学家。项目围绕风沙-水沙-河道过程与机理中的关键科学问题，以风沙水沙产-输-淤的源汇过程为主线，研究风沙-水沙-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，重点开展粗沙风-洪产输过程、河道水沙关系变异、塌岸淤床及洪-床-岸相互作用四大关键过程研究，为建立黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙综合调控体系提供理论支撑。

一、恢复和重建了近10万年来沙漠宽谷段河道历史变迁过程，认识到沙漠宽谷河段的“悬河”是历史悬河，而不是现代“新悬河”。

黄河上游沙漠宽谷河段地处河套断陷盆地，河流-沙漠-湖泊交互演化的典型区域，第四季以来河道沉积厚度高达2 400米。据噔口横断面钻孔资料分析指出，黄河河道从100 ka开始一直持续向西北迁徙，到8 ka时，河道北迁到狼山脚下。在河道向西北迁移的过程中，河道东南侧冲积扇发育，而西北侧湖泊发育，形成东南高、西北低的河谷地势分布格局。在 8 ka至2 ka期间，河道在狼山脚下往复游荡摆动，形成不同规模的湖泊遗迹。2 ka以来，河道开始向东南方向摆动约70千米。在摆动的过程中，河道逐渐爬高，在磴口附近河道抬高约30米，在临河与五原附近，河道抬高约10米，形成了黄河沙漠宽谷段的“历史悬河”。由于“悬河”的存在，历史上常发生河道决口事件。如汉朝时期，黄河西岸决口，河水在平原西部的洼地间汇集形成了著名的汉代大湖-屠申泽古湖；道光年间，北河断流，西汊的黄河河道决口，大量河水滞留在乌兰布和沙漠东部地区，使得黄河水携带的大量沙漠沙进入冬青湖，同时也有滞留的黄河水进入太阳庙海子。

二、开展了大量河道钻孔与源区取样，形成了特色的黄河上游沙漠宽谷段粗泥沙理化特征指标数据集， 发现了河道粗泥沙主要来源于临近沙漠及其下伏砒沙岩，很少输移到黄河下游河道。

黄河上游沙漠宽谷河段是典型的沙质河床河段，流域内沙漠与黄土是其两个主要的泥沙源。据该河段5个监测站近60年的泥沙监测资料表明，由上游黄土区向该河道输送的泥沙物质中82～85%的泥沙是冲泻质，平均中值粒径约0.02毫米（图3）。该泥沙主要落淤在浅水区，成为滩地主要的组成物质。另据河道200根3米深度的钻孔资料显示，沙漠宽谷河段河床沉积物主要是粒径大于0.08毫米的粗泥沙（图4），其粒径约是来源于黄土区细泥沙的4倍以上。沙漠区沙暴、高含沙流及塌岸是粗泥沙入黄的三大关键过程。锆石U-Pb测年指出，黄河上游与中游粗泥沙中锆石U-Pb年代与重矿组合存在显著差异。黄河上游粗泥沙锆石U-Pb年代呈现出典型的～450和～250Myr前的双峰结构，而黄河中游粗泥沙则呈现出～250Myr前的单峰结构。这一结果指出，黄河上游沙漠宽谷段的粗泥沙与其近源沙漠区的粗泥沙来源相同, 沙漠区粗泥沙补给河流，而河流粗泥沙又能供给沙漠。但是，沙漠宽谷河道的粗泥沙很少输送进入下游河段。粗泥沙重矿组合特性与锆石U-Pb测年结果一致，沙漠宽谷段的粗泥沙与其近源沙漠区的粗泥沙中的重矿组合相同，主要以不稳定的角闪石为主, 其次是绿帘石；而黄河中游粗泥沙则以稳定的石榴石为主，其次是角闪石。

三、揭示了风沙过程驱动沙漠高含沙流的形成机理，发现了风沙过程对沙漠流域水土流失的贡献率超过一半。

沙漠高含沙流是沙漠沟谷内形成的一种超高泥沙浓度（悬移质浓度可达1 600千克/米³）的洪流，是洪水侵蚀搬运流域坡面或沟道内松散的风沙物质形成的。沙漠高含沙流危害大，致灾重，常常引起河流决口、改道、阻塞成湖等灾害。特别是在半干旱区，沙漠高含沙流活动异常频繁，已成为陆地表层水土流失的重灾区。

风沙过程主要通过两种途径激发和促进沙漠高含沙流的形成和发育。一是沉积于灌丛沙堆，发育覆沙坡面，增强坡面径流含沙量；二是沉积于沟谷，形成积沙沟道，为洪水输沙补给充足的泥沙物质。模拟实验结果显示，黄土覆沙（覆盖沙漠沙）坡面在雨强相同的条件下，侵蚀产沙量约是黄土坡面的11～19倍 （图5）。当坡面流汇聚沟道后，洪水的湍流作用再一次侵蚀搬运沟谷中的风沙，随着风沙物质的汇入，单位流体质量的驱动力快速增加，进一步驱使沟道洪水的流速、河床剪切应力以及河道侵蚀速率的激增，导致越来越多的河道风沙被洪水携带卷走，形成超高浓度的沙漠高含沙流。由于沙漠高含沙流浓度常达到饱和值，河岸沙丘崩塌体在沙漠高含沙流中不易被分散，常常被快速包裹形成“沙球”，飘浮在高含沙流的表面，并常在浅滩上沉积 （图6）。

沙漠高含沙流的形成发育与区域暴雨及沙暴频率密切相关，当两者比值（Tw/Tp）满足下列条件时，就会发生沙漠高含沙流：

其中，Tw/Tp 为风速为V的沙尘暴和降雨强度为P的暴雨发生时间比，P/V3代表风沙、水沙相互作用为主要特征的流域的风水气候因子；A/L代表该流域风水侵蚀地貌因子；对于风沙、水沙相互作用为主要特征的流域而言，一定的P/V3，增加Tw/Tp时间比值，会导致流域降雨产流面积A的减少和风沙淤积河道L的增长，最终增加了流域中高浓度沙漠高含沙流的发生概率。据内蒙古鄂尔多斯苏达拉尔沙漠高含沙流综合观测场2011～2014年6次沙漠高含沙流过程观测资料显示，每次沙漠高沙流输移的泥沙一半以上都是流域中的风沙物质 （图7）。

四、发现了黄河上游沙漠宽谷段存在两种风沙入黄模式：风沙聚岸-塌岸入河（Ⅰ型）和风沙覆坡/入沟 - 高含沙流入河（Ⅱ型）。通过风沙-水沙-河道多过程的观测与模拟，认识到Ⅰ型模式调控辫状河型的发育，而Ⅱ型则有利于弯曲河型的发展。

黄河上游沙漠宽谷河段穿越乌兰布和沙漠与库布齐沙漠，发育典型的辫状河道与弯曲河道 （图8）。沙漠沙粒径粗，进入河道后常形成推移质。沙漠向河流输沙过程存在两种不同模式。在乌兰布和沙漠河段，受河岸反向环流作用的影响，风力不能将沙漠沙直接输入河道，而是首先沉积在河岸边形成河岸沙丘；随后，河岸沙丘沙通过径流的侧向侵蚀坍塌入黄。这种风沙入黄的模式称为Ⅰ型模式。河道径流量越强，河岸沙丘坍塌入黄量越大，河床越宽，主河道分叉、局部改道、横向摆动的能力越强，河道辫状指数相应亦越高。当径流量减少，且主河槽摆动偏离沙漠沙丘河岸时，沙坝快速合并促使河岸滩地快速发育，从而阻止了风沙入黄过程，导致辫状河道向弯曲型河道转变。在库布齐沙漠河段，十大孔兑的十条支流常暴发沙漠高含沙流事件。沙漠高含沙流由南向北涌入黄河，在入黄处瞬间形成附岸沙坝，不仅造成河道壅水倒流灾害事件，而且常常缩狭河道，提高弯道横向环流强度，显著增加了河道的弯曲度，驱使或加速弯曲河型的发展。这种风沙入黄的模式称为Ⅱ模式。沙漠高含沙流浓度越高，入黄泥沙量越大，附岸沙坝规模越大，河道弯曲程度越高。

五、揭示了沙漠宽谷河段塌岸淤床机理

黄河上游沙漠宽谷河段主要有三种河岸类型：沙丘河岸、洪积扇河岸及冲积平原河岸。沙丘河岸与洪积扇河岸是典型的沙质非粘性河岸，遇水即崩塌。沙丘河岸主要分布在乌兰布和沙漠的东南缘与库布齐沙漠的西北缘。洪积扇河岸主要分布在黄河乌兰布和沙漠河段的右岸和十大孔兑入黄洪积扇扇缘。冲积平原河岸主要散布在河道两侧，其表面覆盖小于0.05毫米的粉沙与粘土，是典型的粘性河岸。依据粘性河岸与沙质河岸的差异特性，沙漠宽谷河段河岸坍塌类型主要包括平面崩塌、弧形滑动崩塌、复合式崩塌与表面滑移崩塌4种（图9）。

模拟研究结果指出，在弯道水流中，床面剪切力的分布与纵向流速的分布一致，流速最大处，剪切力也最大。受弯道环流作用的影响，凸岸为高剪切力区，凹岸为低剪切力区。但在弯道出口处，凹岸变为高剪切力区，凸岸变为低剪切力区，最大剪应力发生在弯道下游的凹岸处。理论分析及试验成果均表明，粘性与非粘性岸坡崩塌最剧烈的位置均在弯道出口附近。因土体力学性质的不同，随着深度的增加，非粘性岸坡的剪切强度比剪切力增加得快，所以崩塌更容易发生在水面附近较浅的地方；而粘性岸坡则相反，崩塌更倾向于在坡脚较深的地方发生。

塌岸入黄泥沙常常淤积河道。对于粘性岸坡及河床，在大于起动流速的水力条件作用下，岸坡及河床都处于冲刷状态或在弯道出口以下河床有微淤现象。对于非粘性土组成的岸坡及河床，岸坡冲刷塌岸的泥沙落淤在坡脚附近河床或被水流携带至下游河床，河床表现为显著淤积。观测资料表明，河道横向摆动剧烈，塌岸入黄泥沙量大，河道纵向输沙能力很低，常呈现出大流量、低悬沙载荷效应。黄河沙漠宽谷河段呈现出横向造床能力强，纵向输沙能力弱的显著特征。应用Delf3D模式模拟结果指出，不同的洪峰过程对沙漠宽谷河道的造床效果存在显著差异。在黄河乌兰布和沙漠河段，洪峰径流量越大,河道横向摆动幅度越大。特别是洪峰流量超过3 000米³/秒时,河岸坍塌入黄量快速增加, 沙坝运移速度加快, 流槽裁弯与河道分叉频率快速提升, 主河槽横向摆动幅度进一步加大，河道随之向宽浅、多汊的河型方向转变；在库布齐沙漠/十大孔兑河段，峰在2 000米³/秒以下，河段出现小曲流镶套大曲流内部的嵌套形式，洪峰在3 000米³/秒以上，河段滩地出现新河道，小曲流的流槽裁弯过程活跃，主河槽出现沙坝，河道分叉局部向辫状河型发育与演变。该模拟结果与原型实验结果一致，当河道流量高低交替变化时，河道快速侵蚀展宽，形成宽浅、多汊、快游荡的辫状河道。近期，由于黄河清水化趋势明显（图10），受季节性径流变化的影响，十大孔兑弯曲河段中，部分河段正在向辫状河型的方向演变。

主要结论：本研究通过河道250根钻孔取样分析，大型风沙-水沙过程综合观测，以及河道泥沙动力过程的数值模拟，探明了黄河上游沙漠宽谷河道粗泥沙主要来源于近源沙漠沙及其下伏砒砂岩沙， 解决了粗泥沙“沙漠源”与“黄土源”的长期争论；发现了两种风沙入河过程及其入河后分别调控辫状与弯曲河型的发育；认识到沙漠宽谷洪峰具有“大流量、低悬沙载荷”输沙的自抑制效应和冲岸淤床、分叉游荡的不稳定机制；揭示了沙漠宽谷河道冲淤演变对水沙变化的响应与滞后自调整机理，构建具有普适意义的平滩流量滞后响应模型；提出了黄河上游沙漠宽谷河段“拦粗调细、粗细分治”的治河思路，以及“两带一区”的源区治理模式和“高堤防、宽河道、导主流、防塌岸”的河道整治模式。本研究成果促进了沙漠与河流泥沙动力学的交叉与融合，为沙漠河流泥沙输移与河道演变的研究提供了新思路、新方法。

主要完成人简介

拓万全，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员，国家973计划项目首席科学家，主要负责项目第二课题“粗沙风-洪产输物理过程及风沙-水沙-河道综合调控对策”研究任务。

潘保田，兰州大学副校长、教授，主要负责第一课题“黄河上游沙漠宽谷河道粗泥沙来源与沉积时空变化特征”研究任务。

姚文艺，黄河水利委员会黄河水利科学研究院副院长，主要负责第三课题“沙漠宽谷河道水沙关系变化及驱动机理”研究任务。

吴保生，清华大学教授，主要负责第四课题“塌岸淤床过程与河道冲淤演变规律”研究任务。

师长兴，中国科学院地理科学与资源研究所研究员，主要负责第五课题“河道洪峰过程洪-床-岸相互作用机理”研究任务。

薛娴，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员，主要负责第六课题“ 黄河上游沙漠宽谷河道冲淤演变趋势预测”的研究任务。