1、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： 2011.1 至 2015.8依托部门： 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-洪产输机制、水沙过程变异、塌岸淤床过程及洪 -床-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- 水沙 -河道流域分布式动力学模型，建立沙漠宽谷流域-河道一体化的“固- 拦 -调- 放 -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。
2、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
3、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- 推移质-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-床-岸相互作用的2-D 河流 CFD 模型，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-水沙-河道” 流域分布式模型，确定河道冲淤平衡的风
4、沙水沙变量（粒径、沙量与流量）阈值。7. 提出沙漠宽谷流域-河道一体化的“固- 拦-调-放-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 SCI 收录的刊物上达到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-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，以水库调节前后 60 年为特征时段，在点-线-面-区域尺度上，重点开展粗沙风-洪产输过程、
5、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，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-拦- 调-放-挖” 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）-线（河道）-面（小流域）-区域（沙漠宽谷流流域与河道一体化“固-拦-调-放-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1ka 以来 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
6、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 析域）相结合的方法，在过去 1ka，水 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
7、。2. 流域-河道风沙水沙多过程的观测与模拟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 -沟谷系 统粗沙风洪传输过程、沙丘-干流系 统沙丘前移与风沙流入黄过程、沟道侵蚀过程、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。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-风沙入沟/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-沟谷系统风沙入沟沟谷高含沙洪水过程库布齐(十大孔兑)沙漠河段
8、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-河流复合系统-水文站系统-光电风沙计-DEMS-侵蚀钉 -断面测量-野外风洞-人工降雨-Birkbeck S.-光电风沙计-风水复合 观测系统 -水文站系统图 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
9、塌动力模型、推移质输 移模型、洪峰 过程 CFD 动力学模型。（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-地球化学-矿物学-放射性同位素等标志系列，构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。实体模拟数值仿真洪-床-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FHS 径流模块STS 输沙模块BES 蚀岸模块CFD河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
10、 6 个水文观测站统计分析梯度分析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- 沟谷系统、沙丘 -干流系统层面上开展风蚀与水蚀、风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- 水沙- 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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AMS 14C、光释光（OSL，包括单颗粒OSL 测年）、 210Pb与137Cs等绝对年代 测定，估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：16.5%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
