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2011CB403300-黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控机理.doc

2011CB403300-黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控…

humaoxuanhn
2018-09-05 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《2011CB403300-黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控机理doc》,可适用于医药卫生领域

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:至依托部门:中国科学院二、预期目标()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。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。()五年预期目标通过河道钻孔取样、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。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。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漠宽谷河段水沙关系变异的影响。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。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。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沙水沙变量(粒径、沙量与流量)阈值。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。在核心刊物上发表研究论文篇以上其中在SCI收录的刊物上达到篇出版专著部以上发明专利项。培养硕士名博士名。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(图样点观测模拟)、线(图河道观测模拟)、面(典型小流域网格观测与模拟)空间尺度上的研究。图样点层次:多过程观测与模拟图样线层次: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。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。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。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值。(四)课题设置课题:黄河上游沙漠宽谷段粗沙来源与沉积时空特征研究目标:()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。()年目标:前年目标: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年来黄河粗泥沙来源变化的规律及其原因。()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。()近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。()近年来黄河沉积速率的变化研究开展钻孔岩芯的AMSC、光释光(OSL包括单颗粒OSL测年)、Pb与Cs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年来黄河沙漠宽谷段沉积速率变化的时空规律及其原因。()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: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、朱育新课题:粗沙风洪产输物理过程及模拟研究目标:()总体目标:构建流域覆沙坡面风水复合侵蚀模型、沙丘沟谷系统粗沙风洪传输的动力模型及沙丘河流系统沙丘与风沙流入黄的动力学模型阐明风水复合侵蚀与沙漠河流泥沙动力学机制定量分析沙漠粗沙入黄量。()年目标:前年目标:建立覆沙坡面、沙丘沟谷系统、沙丘河流系统典型样地、样段、沟道断面、及个水文泥沙观测点的布设开展全面的观测与实验研究结合人工降雨与野外风洞风水两相复合侵蚀观测与模拟构建不同坡度覆沙坡面风水复合侵蚀模型与沙丘河流系统沙丘前移与风沙流入河的动力学模型同时开展沙漠高含沙洪水过程理论推导与数值模拟方面的工作。后年目标:继续开展样地、样段及观测站、网的观测研究构建和完善流域覆沙坡面风水复合侵蚀模型、沙丘沟谷系统粗沙风洪传输的动力模型与沙丘河流系统沙丘前移与风沙流入河的动力学模型。在上述模型的基础上通过对数据集成、参数率定、尺度转换应用GIS空间分析技术建立流域尺度上的风水复合侵蚀与粗沙风洪传输模型定量分析沙漠粗沙入黄量。研究内容:依据粗沙风洪产输过程的性质和特点拟选择代表性小流域毛不拉孔兑、东柳沟与代表性风沙入黄段乌兰布和沙漠。在多过程的定位观测、实验模拟与理论分析的基础上重点研究穿越库布齐沙漠毛不拉孔兑和东柳沟覆沙坡面系统的风水复合侵蚀过程、沙丘沟谷系统的粗沙风洪传输过程以及乌兰布和沙漠沙丘干流系统的沙丘与风沙流入黄过程阐明风水复合侵蚀与泥沙输移的动力机制构建覆沙坡面风水复合侵蚀模型、沙丘沟谷系统粗沙风洪传输模型、沙丘干流系统沙丘前移与风沙流入河动力模型。在此基础上通过对数据整编与模型集成应用GIS空间分析技术建立流域尺度上的风水复合侵蚀动力模型与沙漠河流泥沙动力学模型定量分析沙漠粗沙入黄量及其变化趋势。()覆沙坡面系统风水复合侵蚀过程在毛不拉孔兑和东柳沟梁地选择典型覆沙坡面样地(×m)应用插钎法、风沙流观测仪、风水两相侵蚀观测系统进行覆沙坡面风水复合侵蚀过程的同步观测通过对比分析研究覆沙坡面侵蚀与泥沙物质迁移转换的动态过程并以泥沙产输平衡量为基础构建不同坡度覆沙坡面风水复合侵蚀模型。()沙丘沟谷系统粗沙风洪传输过程建立毛不拉孔兑沟谷km间距的断面监测网络观测沟道侵蚀布设中游与上游泥沙水文观测点研究上、中、下游产汇流特征揭示洪水过程中泥沙输移的沿程变化应用插钎法、DEM技术、光电风沙流监测仪对典型断面风沙流与沙丘前移入沟进行同步观测。在此基础上揭示风沙、洪水过程时空交错条件下泥沙输移转换规律结合高含沙水流运动方程与泥石流方程构建沙丘沟谷系统粗沙风洪传输的动力模型。()沙丘河流系统沙丘前移与风沙流入黄过程建立乌兰布和沙漠河段沙丘前移与风沙流入黄的监测样段(km×m)与监测网点应用插钎法、DEM技术、光电风沙流监测仪、自动气象站进行风沙流与沙丘前移入黄的同步观测。结合风沙两相流体力学理论构建沙丘河流系统沙丘前移与风沙流入黄的动力学模式。()沙漠粗沙入黄定量评估在上述模型的基础上通过对数据集成、参数率定、尺度转换应用GIS空间分析技术建立流域尺度上的风水复合侵蚀产沙模型和粗沙风洪传输的动力模型定量分析沙漠粗沙入黄量。经费比例:承担单位:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、西安理工大学课题负责人:拓万全学术骨干:李占斌、张伟民、姚正毅、李鹏课题:沙漠宽谷河道水沙关系变化及驱动机理研究目标:()总体目标:通过野外实测资料分析、实体模型试验、数学模型模拟和理论分析研究黄河上游沙漠宽谷河流水沙关系变化时空分布特征水沙关系变化对各影响因子的复杂响应机制定量提出各驱动因子在水沙关系变化过程中的贡献率揭示沙漠宽谷河流水沙关系变异对多因子的综合响应机理。()年目标:前年目标:构建黄河上游水沙变化及其影响因子的综合信息库构建沙漠宽谷河道实体模型和土壤侵蚀实体模型建立基于GIS的分布式产水产沙数学模型开展验证工作研究黄河上游河流的水沙条件变化过程、水沙关系变化时空特征评价降水等气候因子变化对河流水沙变化的贡献率定量评价水土保持措施对流域产流产沙的作用定量分析多态河床过程对水沙关系的反调控作用定量分析引水工程在河流水沙变化过程的作用规律。后年目标:揭示各水沙关系的成因以及关键影响因子的特征变化研究水沙关系变化对降水等气候因子驱动的响应机理研究下垫面对产流机制的影响及其临界值研究黄河上游水土保持措施对流域产水产沙的影响机理揭示河流水沙关系对气候和下垫面的响应机制评价当前黄河上游水库调度方式对河道水沙过程的影响作用揭示水沙过程变化对河床过程的响应机制构建水沙关系与多因子作用指标体系之间关系揭示多因子耦合作用下水沙变异的响应机理。研究内容:利用非线性分析方法确定水沙关系变化的时程变点重点研究黄河上游沙漠宽谷河流水沙关系的时空变化特征建立基于气候下垫面人类活动河床演变复杂关系的水沙变化模拟模型评估各要素等对水沙变化的贡献率提出各因子对水沙变化过程作用的量化结果建立水沙关系与多因子作用指标体系之间的关系揭示多因子耦合作用下的水沙变异的响应机理。()沙漠宽谷河流水沙关系变化的时空特征依据黄河上游水沙定位测验资料利用非线性分析方法认识水沙关系变化的时序分异性研究黄河上游河流水沙关系在不同时段的特征揭示水沙耦合关系调整的时序特点与分异规律揭示不同河段间水沙关系变化的关联性阐明不同河段水沙关系变异的空间分布特征为研究水沙关系变异与河道冲淤演变的关系提供基础。()上游水利工程对水沙过程变异的影响针对黄河上游水沙关系剧烈变异分析大型水库对工程下游河流水沙过程的调控作用研究灌区大规模引水引沙对干流水沙关系沿程变化的影响建立灌区河段干流水沙输移与灌区引水循环的双过程耦合数学模型定量分析大型水利工程对沙漠宽谷河段干流水沙关系变化的贡献率。()沙漠宽谷河流水沙关系对河床演变的响应机制根据沙漠宽谷河流野外水文测验数据分析结合沙漠宽谷河流动床实体模型试验和元胞自动机原理等途径和手段研究不同河床演变过程对水流能量分配的作用揭示河段水沙输入调整输出过程动力机制研究多过程条件下河床演变对床沙级配的影响揭示床沙、悬沙交换动力机制建立水沙激发传递过程的能量级联模式定量揭示水沙关系与河床过程参数之间的耦合关系。()河道水沙关系变异对多因子的综合响应机理应用水文泥沙定位测验数据、遥感影像资料运用水文统计分析法定量分析降水、下垫面、水利工程和河床演变等因素对水沙关系变异的影响建立多因子对水沙变化影响的指标体系分析水沙关系对多因子的复杂响应关系揭示多因子耦合作用下水沙变异的响应机理。经费比例:承担单位:黄河水利委员会黄河水利科学研究院、河海大学课题负责人:姚文艺学术骨干:张晓华、唐洪武、侯素珍、冉大川课题:塌岸淤床过程与河道冲淤演变规律研究目标:()总体目标:分析黄河上游典型塌岸特征揭示水沙动力作用下塌岸形成机理分析塌岸入黄泥沙贡献率研究塌岸与河床冲淤的交互作用过程、机理及模式阐明黄河上游河床调整与支流典型水沙过程的响应关系研究沙坝演变过程及机理识别关键驱动因子揭示河床调整对水沙过程的复杂响应关系提出水库调节运用对河道冲淤演变的驱动机制为黄河上游防洪防凌提供技术支撑。()年目标:前年目标:黄河上游典型塌岸特征及其形成机理塌岸对河床冲淤演变的影响规律黄河上游干支流洪水量级与频次的变化对比关系不同交汇条件下沙坝演变特点河道水沙协调性与配置关系干流河道泥沙输移时空的变化特征干流及重要支流过程对河床冲淤变化的影响典型河段河道沉积、排洪过凌、漫滩指标等演化过程与规律。后年目标:塌岸风险评估方法、塌岸危险度分区及入黄泥沙贡献率塌岸土体液化流动过程、河道水沙运动及河床冲淤之间交互作用过程与机理建立动力学模型长序列径流泥沙对河床形态作用模式河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子及与水沙过程的复杂响应机制水库调节前后水流泥沙因子变化对河床演化的敏感度分析水库调节对河床调整、河槽行洪排凌能力的影响。研究内容:通过野外调查、实测资料分析、理论研究、概化实验及数值模拟等研究方法分析黄河上游典型河段塌岸土体液化入河淤床过程揭示其动力学机制研究十大孔兑高含沙洪水入黄过程、沙坝形成发展消亡过程构建动力学模型阐明河床调整对水沙过程的复杂响应关系识别河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子进行水沙因子变化对河床演化的敏感度分析提出水库调节前后河道冲淤演变过程及驱动机制为黄河上游水库调控与河道治理提供技术支撑。()塌岸形成机理及入黄泥沙量预测模型通过野外调查、测试及实测资料分析研究黄河上游干、支流典型塌岸的形态特征、理化力学特性、塌岸影响因子及侵蚀抗蚀特点揭示水动力作用下塌岸形成机理通过遥感影像解译及GPS测量分析对黄河上游塌岸类型和规模进行识别分析塌岸时空变化与分布特征提出塌岸风险评估方法确定塌岸危险度分区通过理论研究和统计分析建立塌岸入黄泥沙量预测模型探索黄河上游塌岸对黄河泥沙来量的贡献率。()塌岸与河床冲淤的交互作用过程及机理采用现场调查、观测和实测资料分析方法研究沙漠宽谷河道塌岸与河床冲淤演变的动态关系通过概化实验和理论分析研究顺直型、弯曲型河道塌岸影响因子和水沙关键因子的不同组合条件下塌岸土体液化流动过程、河道水沙运动及河床冲淤之间相互作用机理通过塌岸入黄泥沙模型与河道冲淤模型的耦合构建塌岸与河床冲淤交互作用的模式阐明塌岸与河床冲淤的交互作用机理及演变规律。()支流高含沙洪水入黄过程与沙坝演变机理以内蒙“十大孔兑”河段支流高含沙洪水过程及其与干流交汇处的沙坝为对象通过概化模型试验和理论分析在分析干支流洪水特别是支流高含沙洪水的量级、频次的变化以及干支流洪水比对关系变化的基础上结合干支流来沙时空分布、来沙级配和粘性的分析数据研究干支流交汇处水沙变化对河床冲淤的影响研究干支流不同水沙遭遇及交汇条件(流量、含沙量、交汇角等)下沙坝形成、发展、消亡的演变过程揭示其动力学机理。()河床调整对水沙过程的复杂响应关系选择黄河上游具有代表性的冲积河段通过系统的实测资料分析和模拟计算建立长序列径流泥沙与河床形态因子相互作用模式并通过计算分析识别河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子研究河床冲淤及主槽断面调整的时空分布特点和变化规律揭示长时间序列河床冲淤及主槽调整与水沙过程的复杂响应机制。()水库调节前后河道冲淤演变过程及驱动机制围绕黄河上游龙、刘水库调节运行系统分析黄河上游天然及水库调节条件下径流泥沙过程对河床演变过程及冲淤变化的影响规律重要支流水沙过程对干流河道冲淤的影响规律选择典型冲积性河段从河道沉积、排洪过凌、漫滩指标等方面分析河道的演化过程、演变特点通过模拟计算分析水库运行前后径流、泥沙、河床及调节过程等因子变化对河床演化的敏感度分析水库不同调节能力对输沙及河槽塑造的作用研究河道边界对水沙的适应性及反馈效应、河槽行洪排凌指标与水动力条件关系提出水库运用对河床调整的驱动机制。经费比例:承担单位:清华大学、北京师范大学课题负责人:吴保生学术骨干:舒安平、张科利、张原锋、申冠卿课题:河道洪峰过程洪床岸相互作用机理研究目标:()总体目标:查明洪峰作用下沙漠宽谷不同河型河段的冲淤和河床断面形态的调整特征阐明河道冲淤与断面形态调整对洪峰的响应机制探明典型河段输沙、冲淤和河势演变特点揭示河道冲淤与河床调整对洪峰过程响应机理。建立典型河段洪床岸相互作用的径流FHS模式、泥沙输移STS模式及河岸侵蚀BES模式构建洪床岸相互作用的D洪峰CFD动力学模型。提出满足防洪、防凌需要的过流能力条件下的河道相对稳定水沙阈值。分析河势变化对洪峰过程的响应关系揭示沙漠宽谷河道稳定性流量阈值。评估利用人造洪峰冲刷宁蒙河段泥沙的效应为研究区河道治理提供决策依据。()年目标:前年目标:初步建立不同河型与不同河段河道冲淤与洪峰过程特征值之间的关系。完成洪床岸相互作用主要过程的径流FHS模式、泥沙输移STS模式及河岸侵蚀BES模式构建。完成宁蒙河段河湾特征值统计和河势演变的时空变化分析。完成洪峰过程不同粒级泥沙输移与主要影响因子关系分析。后年目标:完成洪峰过程特征值与河道床岸冲淤、河道形态演变、河床泥沙组成之间复杂作用与反馈机理分析建成典型河段洪床岸相互作用的D的CFD动力学模型得出维持宁蒙河道一定排洪输沙能力与河势相对稳定的洪峰水沙阈值确定利用人造洪峰冲刷宁蒙河段泥沙的效应。研究内容:基于多源数据、实地观测和室内关键过程试验展开黄河上游沙漠宽谷河段洪峰过程中的河床与河岸冲淤响应、河床形态演变以及洪床岸相互作用的机制的研究揭示洪峰水沙与河道形态之间复杂的作用与响应关系建立沙漠宽谷河段洪床岸相互作用的径流FHS模式、泥沙输移STS模式及河岸侵蚀BES模式,构建沙漠宽谷洪峰过程D的CFD模型确定控制宁蒙河段河道稳定性的水沙临界阈值估算不同水沙组合洪峰条件下沙漠宽谷河道沿程分组粒径泥沙冲淤量定量评估可控洪峰沙漠宽谷河道冲淤效应。为通过水沙调控提高宁蒙河段行洪排沙能力维持河道稳定提供决策依据。()不同类型河道洪峰过程的冲淤特征与机理分析不同洪峰过程中不同河段河道的冲淤变化特征及其形成原因分析滩槽冲淤之间、滩槽冲淤与洪峰过程之间相互作用研究河道冲淤变化作用下的河道形态演变与河床泥沙级配组成的调整过程探讨洪峰水沙特征值与河道床岸冲淤、河道形态演变、床沙组成调整的关系揭示洪峰水沙河床冲淤河道形态变化之间的复杂作用与反馈机理。()沙漠宽谷河道洪峰过程洪床岸相互作用的CFD动力学模型进行物理模型试验分析不同水流方向与河岸线夹角条件下洪峰能量的横断面分布特征研究洪水过程横向环流对河底和河岸的作用分量及其相互影响探讨河槽冲淤对洪水的响应关系及反馈作用建立典型断面形态河槽洪床岸相互作用的径流FHS模式、泥沙输移STS模式及河岸侵蚀BES模式在此基础上构建洪床岸相互作用的D洪峰CFD动力学模型基于实测资料分析典型河段不同量级不同挟沙洪水在床、岸与滩的能量分配以及泥沙冲淤过程。()沙漠宽谷河道稳定性水沙阈值研究分河段水沙变化对河道冲淤和河道过流能力的影响解析不同河段不同特征时期河势演变参数及其时空特征和时程变点、河势参数与洪流参数之间的复杂响应关系确定洪水期各河段河道冲淤平衡和维持河道适宜过流能力所需的流量阈值揭示洪峰诱发的河湾变形、河岸坍塌的内在机理。建立制约河势演化行为的临界阈值集提出沙漠宽谷河道相对稳定的水沙阈值。()可控洪峰沙漠宽谷河道冲淤效应的定量评估基于断面监测资料与站点水文泥沙资料应用CFD模型分析洪水过程不同粒级泥沙输移量与河床形态特征、边界物质组成、洪峰特征值之间的关系估算不同水沙组合洪峰条件下沙漠宽谷河道分粒级泥沙冲淤量和空间分布。结合现状和预期水利工程可控洪峰过程的水沙特征计算沙漠宽谷分段河道可控洪峰系列不同粒级泥沙的冲淤量评估利用人造洪峰冲刷宁蒙河段泥沙的效应。经费比例:承担单位:中国科学院地理科学与资源研究所、西安理工大学课题负责人:师长兴学术骨干:王随继、秦毅、房金福、王卫红课题:黄河上游沙漠宽谷河段冲淤演变趋势预测与调控对策研究目标:()总体目标:通过黄河上游沙漠宽谷河道流域多源数据平台和风沙水沙河道分布式动力学模型的构建预测未来年河道冲淤演变的发展趋势提出维持黄河沙漠宽谷河道冲淤平衡的风沙水沙调控双阈值构建沙漠宽谷流域与河道一体化“拦排放调挖”风沙水沙综合调控体系。()年目标:前年目标:建立多源数据平台的软件支持系统完成黄河上游沙漠宽谷河道风沙水沙河道流域分布式动力学模型的结构以及各子模型间输入、输出端口设计收集并初步分析近年来研究区气候变化和以重大水利工程为主的人类活动背景资料。后年目标:完成黄河上游沙漠宽谷河道多源数据平台和风沙水沙河道流域分布式动力学模型的构建预测未来年河道冲淤演变趋势确定维持河道冲淤平衡的风沙水沙调控双阈值在系统分析和评估全国先进的防风固沙模式、水土保持模式、大型水库调控模式、河道整治模式、疏浚挖沙减淤模式等基础上构建沙漠宽谷流域与河道一体化“拦排放调挖”风沙水沙综合调控体系。研究内容:在集成课题成果基础上深入分析和评价全国防风固沙、水土保持、水库调节、河道整治与堤防管理的成果的基础上构建流域多元数据平台与风沙水沙河道分布式模型预测未来年河道冲淤变化提出维持河道冲淤平衡的风沙水沙调控双阈值系统分析风沙水沙调控模式的结构与功能构建集流域河道一体化的风沙防治、水土流失治理、生态建设、水库调节、河道整治、堤防管理与挖河减淤相结合的“拦排放调挖”风沙水沙综合调控体系。()黄河上游沙漠宽谷河段流域风沙水沙河道分布式动力学模型在统一的标准和格式下对本项目的多源数据进行分析、整合和归一利用多模块集成方法构建多源数据平台通过对多过程模型进行时间频率泥沙平衡的耦合与数据的尺度转换分析建立黄河上游沙漠宽谷河道流域尺度的风沙水沙河道流域分布式模型。()黄河上游沙漠宽谷河段冲淤演变的趋势预测根据IPCC气候模型的情景预测结果(SRES)并结合当地的生态环境背景、大型水库和灌渠建设、上游来流、河道边界和床沙组成特性等要素的分析基于风沙水沙河道流域分布式模型预测未来年内黄河上游沙漠宽谷河道冲淤演变趋势。()沙漠宽谷河道冲淤平衡风沙水沙临界与调控机理基于多源数据平台与分布式动力学模型确定沙漠宽谷河道糙率、恢复饱和系数、挟沙能力系数与指数、断面信息提取研究沙漠宽谷河道对不同风沙水沙入汇情景过程与灌区引水过程的冲淤响应确定沙漠宽谷河道冲淤平衡风沙水沙临界阈值建立河道萎缩临界指标特征提出河床比降、纵剖面形态及断面形态与河道平面形态的临界响应与相应调控指标体系。()沙漠宽谷河道风沙水沙调控措施研究在系统深入分析和评价防风固沙模式、水土保持模式、大型水库调控模式、河道整治模式、疏浚挖沙减淤模式等的基础上结合沙漠宽谷风沙水沙时空差异特征及其调控的双阈值分析风沙水沙调控模式的合理结构与功能构建沙漠宽谷流域与河道一体化“固拦调放挖”风沙水沙综合调控体系。经费比例:承担单位:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、黄河水利委员会课题负责人:薛娴学术骨干:郝芳华黄强李勇韩致文(五)课题间的相互关系各课题之间的关系为:课题是项目的基础部分研究ka以来历史时期河道沉积与粗沙来源为其他课题提供背景和基础数据并解决项目总体目标“黄河上游沙漠宽谷河道粗泥沙来源”与五年目标“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”课题、、、是项目研究主体也是项目创新主要部分研究粗沙风洪产输机制、水沙过程变异、塌岸淤床过程及洪床岸相互作用四项密切关联且又相互独立的关键过程。其中课题解决项目总体目标“揭示粗泥沙风洪产输机制发展风水复合侵蚀与沙漠河流泥沙动力学理论”与五年目标“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确定沙漠宽谷河道冲淤平衡的风沙阈值”课题解决项目总体目标“揭示水沙过程变异机制”与五年目标“揭示沙漠宽谷河道与河流水沙过程互馈机制科学认识大型水库调节作用对沙漠宽谷河段水沙关系变异的影响”课题解决项目总体目标“揭示沙漠宽谷河道塌岸淤床过程机理”与五年目标“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”课题解决项目总体目标“揭示洪床岸相互作用机理”与五年目标“构建基于洪床岸相互作用的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稳定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”。课题是在上述课题研究的基础上进一步开展流域宏观尺度上的集成研究提出粗沙调控对策。课题解决项目总体目标“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”。各课题的设置及关系如图所示。图课题设置关系图四、年度计划年度研究内容预期目标第一年·收集背景数据和资料开展腾格里河东沙地乌兰布和沙漠库布齐沙漠沿黄段的野外考察、沙漠宽谷河道塌岸和高含沙区段的现场踏查·沿现代黄河河道及垂直于河道的地质断面上钻取支沉积岩芯采集河道表层沉积样品。分析测试所采集样品·购置设备布设毛不拉孔兑和东柳沟野外观测点与观测样地以及腾格里沙漠、河东沙地、及乌兰布和沙漠风沙入黄观测样地开展野外观测与取样研究、风沙水沙相互作用模拟实验·开展沙漠宽谷河道动床实体模型和土壤侵蚀实体模型制作技术论证开展基于GIS的分布式产水产沙动力学数学模型框架研发开发模型支持系统·研究黄河上游河流的水沙关系变化和时空特征包括水沙量及过程、洪水过程、来沙系数等在不同时段、不同河段的变化特征·进行遥感影像解译分析对塌岸类型及规模进行识别选定重点、典型塌岸河段·研究宁蒙河段支流高含沙洪水特点高含沙洪水期干流水沙过程及特点初步开展洪水及长序列径流泥沙因子与河道断面调整之间的相互关系研究研究龙羊峡、刘家峡建不同运用期径流泥沙过程、河道冲淤特点。开展模型试验及动力学数学模型建模的准备工作·对宁蒙河段进行汛前汛后二期河道大断面观测完成河床、滩地沉积物采样和室内沉积物粒度组成及土力学分析。划分洪峰计算洪峰特征值。提取宁蒙沙漠宽谷河道分段河道形态特征值及边界组成特征参数·分析计算不同类型洪水引起的河道断面面积的变化特点计算洪水前后河床的垂向冲淤速率和河岸的侧向迁移速率分析河床冲淤对洪水过程的响应特征·进行典型河段水流要素观测并进行不同水流夹角洪峰流量的横断面能量分布特征的概化模型设计。分析河段泥沙冲淤过程以及典型断面泥沙冲淤对洪峰过程的响应机制·解析多型河段不同特征时期河势演变参数统计分析河势演变的时空特征研究确定不同特征时期河势演变参数的时程变点·研究不同属性和时空尺度数据库的构建以及不同数据库之间数据的转化、提取和共享·分析近年以降水蒸发和风况为主的气候变化、以重大水利工程(上游大型水库调节和灌区大量引水)为主的人类活动等对河道冲淤演变和区域生态系统的影响筛选出影响沙漠宽谷河段河道冲淤演变的主导驱动因子·完成背景数据和资料的收集、研究区考察、岩芯钻取和岩芯样品的分析测试、野外观测网点的建设与布设·初步确定风沙水沙相互作用关系·初步建立黄河上游水沙变化及其影响因子的综合信息库建设沙漠宽谷河道动床实体模型和土壤侵蚀实体模型初步阐明黄河上游河流的水沙变化时空特征·初步提出水流泥沙因子与河道冲淤之间的相互关系·明确进出沙漠宽谷河段历年洪峰过程的洪峰历时、峰量、峰型、输沙量泥沙组成等特征。揭示洪峰作用下沙漠宽谷不同河型河段冲淤调整特征并建立不同河段河道冲淤与洪峰过程特征值之间的关系·理清典型河段洪床岸相互作用的模式。探明典型河段水流要素特征床、岸、滩沉积物粒度及土力学指标·揭示沙漠宽谷河段不同河型河段的河湾特征值包括弯曲系数、主流摆动幅度、河湾半径等统计和河势演变的时空变化和时程变点规律·初步建立多源数据平台的软件支持系统完成数据收集和输入工作·阐明黄河沙漠宽谷流域陆地生态系统结构与功能特征·确定影响沙漠宽谷河段河道冲淤演变的主导驱动因子·发表论文~篇其中SCI论文篇。培养博士生名硕士生名第二年·继续粗沙源区样品采集与分析测试。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初步建立黄河粗泥沙来源示踪的物理、岩矿、化学等系列标志·查阅、整理历史文献和判读遥感资料获取黄河河道变迁历史文献记录·全面开展已建观测网点的野外观测计划、继续开展风沙水沙相互作用模拟实验·分析整理数据开展沙漠河流泥沙推移质输运模型的构建、开展风水复合侵蚀理论概念模型的构建开展风水复合侵蚀动力过程实验模拟。·建立基于GIS的分布式流域产水产沙动力学数学模型通过沙漠宽谷河道典型支流流域的实测资料对模型进行验证·建立降雨~径流~泥沙复合非线性关系结合产水产沙动力学模型反演模拟研究降水等因子变化对河流水沙变化的贡献率·利用“水保法”原理定量评价水土保持措施对流域产流产沙变化的影响包括生物、工程和耕作等不同类型水土保持措施的减水减沙效果·定量分析多态河床过程对水沙关系的反调控作用。选取宁蒙灌区作为研究对象定量分析引水工程在河流水沙变化过程的作用规律·开展重点典型塌岸河段观测与调查分析塌岸的影响因素与特征研究塌岸形成机理分析典型塌岸特征及河床冲淤演变规律以及塌岸对河床冲淤演变的影响确定塌岸与水沙组合条件塌岸概化模型实验预备实验·选择支流高含沙洪水沙坝演变过程模型试验范围制作模型模型试验相关技术研究·主槽平滩流量滞后相应模型的改进与完善建立长序列径流泥沙与河床形态因子的相互作用模式研究水库调节条件下河床冲淤变化的影响规律·继续进行汛前汛后二期河道大断面观测和河床质采样分析。分析典型河段洪峰与床岸作用的方式和空间分布特征、河道宽深比变化特征·进行清水水流、不同水流夹角(~a)下的多组合概化试验基于试验结果研究不同水流夹角洪峰流量的横断面能量分布特征·研究宁蒙河道的冲淤与水沙条件的关系以及防洪防凌要求的河道适宜过流能力。分析断面形态对洪水的响应关系确定典型河段河道过流能力。分析典型河段冲淤演变规律构建维持河道冲淤平衡的指标体系·提取分河段分时段河槽过水面积、断面形态、滩唇高度、滩地高度与宽度等沙漠宽谷河段河流地貌特征。分析河床边界条件和洪峰特征对不同粒度泥沙输移的影响·研究沙漠宽谷河道冲淤变化对不同风沙水沙过程与大型水库调节、灌区引水过程的响应·研究粗沙溯源与端元量化模型、风沙入黄、河流动力学等模型的输入、输出以及外部边界条件·研究影响河道冲淤的各驱动因子(上游来水来沙及其过程、河道边界和床沙组成等)在未来年变化趋势。分析影响河道冲淤的各驱动因子(侧重人类活动)的可调控性、可调控程度及其对冲淤演变及其过程的贡献率·完成所有源区表层沉积样品、黄河河道现代表层沉积样品的采集完成表层样品和剩余的钻孔样品分析测试工作。完成年代测试工作·集成两年的腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠及毛不拉孔兑与东流沟风蚀与水蚀风沙与水沙的数据·初步建立风沙水沙相互作用的经验模型构建不同坡度覆沙坡面风水复合侵蚀经验模型与沙丘河流系统沙丘前移与风沙流入河的动力学经验模型·建立基于GIS的分布式流域产水产沙动力学数学模型·定量评价降水、水土保持措施、河床过程、引水过程等因子变化对河流水沙变化的贡献率·揭示塌岸特征与塌岸形成机理提出塌岸对河床冲淤演变的影响关系·具备塌岸和高含沙洪水沙坝演变过程模型试验条件并进行预备实验·提出长序列径流泥沙与河床形态因子的相互作用模式。初步认识水库调节条件下河床冲淤变化规律·揭示洪峰作用下沙漠宽谷不同河型河段的河床断面形态调整特征查明断面形态调整对洪峰的响应机制·查明清水水流、不同夹角水流能量的分布特征心滩影响下水流对岸、对床和对滩作用的动力学模式·探明典型河段输沙、冲淤和河势演变特点提出满足防洪、防凌需要的过流能力条件下的河道相对稳定水沙阈值·建立沙漠宽谷河道洪峰过程不同粒度泥沙输移与河床边界条件和洪峰特征值关系·揭示环境变化和人类活动对河道冲淤演变的影响机制·完成黄河上游沙漠宽谷河道风沙水沙河道流域分布式动力学模型的结构以及各子模型间输入、输出端口设计·初步预测影响河道冲淤的各驱动因子在未来年的变化趋势。揭示沙漠宽谷河道风沙水沙关键过程的调控机理。初步提出维持河道冲淤相对平衡的可调控因子·发表论文~篇其中SCI论文~篇。培养博士生名硕士生名第三年·对所采集样品重点开展地球化学、沉积学、矿物学指标分析初步完成河道粗泥沙物质源区的辨识采用多测年手段建立可靠的年代序列获取近年黄河河道变迁的地质记录·继续开展已建观测网点的野外观测计划开展腾格里河东沙地乌兰布和沙漠库布齐沙漠沿黄段的第二次野外考察·分析整理数据完成沙漠河流风沙水沙相互作用动力学模型的构建完成风水复合侵蚀的动力学理论模型的构建。继续开展风水复合侵蚀的模拟实验·通过不同被覆度、不同雨强下的室内外产流试验研究被覆对产流机制的影响研究水沙关系变化对降水、下垫面等因子的响应关系·研究当前黄河上游水库调度方式对河道水沙过程的调控作用·应用创建的灌区河段干流水沙输移与灌区引水循环的双过程耦合数学模型深化灌区引水工程对河流水沙变化过程的影响机理研究·提出塌岸风险评估方法、塌岸危险度分区开展入黄泥沙贡献率、塌岸入黄模型及相关理论研究实施组塌岸概化模型实验·干、支流交汇后沙坝演变过程的实体模型试验研究二维动力学泥沙模型研究·河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子辨识研究研究泥沙沉积、河道过洪排凌指标变化与水沙的内在关系·分析典型断面和河段洪峰前后河道床岸冲淤方式与河床粒度参数调整过程以及河道床岸冲淤、河床泥沙组成变化与洪峰过程特征值及河道边界条件之间的关系·设计概化模型进行浑水水流、不同水流夹角下的多组合概化试验测量横断面能量分布特征。展开不同边界条件下清水与浑水的水流能量的分布特征及动力学模式的研究·研究河湾变形原因分析河势参数与流量等水流参数(包括洪峰流量、流量过程等)之间的统计规律探讨影响河道相对稳定的机制和主要因素。参考已有挟沙能力公式及其理论基础发展适用于宁蒙河段的分组水流挟沙力公式·进一步完善多源数据平台的建设和运行。通过对多过程模型进行时间频率泥沙平衡的耦合与数据的尺度转换分析初步建立黄河上游沙漠宽谷河道流域尺度的风沙水沙河道流域分布式模型·基于流域水资源的开发和可持续利用提出沙漠宽谷河道风沙、水沙调控目标并建立相应的调控目标指标体系拟定未来不同情景下的沙漠宽谷河道风沙水沙调控方案集·完成所有河道粗泥沙物质样品的测试分析工作·集成三年的腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠及毛不拉孔兑与东流沟风蚀与水蚀风沙与水沙的数据·考察沙漠风沙入黄类型、风水复合侵蚀空间分布、及沙漠沟谷地貌景观及泥沙物质迁移变化·初步建立沙漠河流风沙水沙相互作用动力学模型、风水复合侵蚀的动力学理论模型·阐明水沙关系变化成因及其影响因子的特征揭示下垫面对产流机制的影响关系及其临界·揭示沙漠宽谷河道与河流水沙过程互馈机制科学认识大型水库调节作用对沙漠宽谷河段水沙关系变异的影响·阐明水沙关系变化对降水、下垫面、水库等驱动因子的作用机理·完成组塌岸概化模型实验完成组沙坝演变过程的实体模型试验完成二维动力学泥沙模型建模·提出河床冲淤及主槽调整的关键驱动因子提出河道过洪排凌指标变化与水沙的内在关系·探明洪峰前后河道床岸冲淤与河床泥沙级配组成的调整变化特征弄清洪峰与河道床岸冲淤及河床泥沙组成之间复杂作用与反馈机制·揭示浑水水流、不同夹角水流能量的分布特征得到心滩影响下浑水水流对岸、对床和对滩作用的动力学模式认识水流重度对水流能量分布特征、动力学模式的影响规律·理清河湾变形的内在机理以及河势参数与流量变化的响应关系找出不同河型河段河势相对稳定的指标。构建适用于宁蒙河段的分组水流挟沙力公式·初步建立多源数据平台。初步完成黄河上游沙漠宽谷河道多源数据平台和风沙水沙河道流域分布式动力学模型的构建·确定黄河上游沙漠宽度段河道维持相对平衡的调控目标。初步建立未来不同情境下的沙漠宽谷河道风沙水沙调控指标体系·发表论文~篇其中SCI论文~篇。培养博士生~名硕士生~名第四年·完成所有样品地球化学、沉积学、矿物学等指标分析建立黄河粗泥沙来源示踪系列标志辨识不同时段、不同河段粗泥沙沉积物的主要源区及其分布。分析近年黄河沉积速率时空变化。估算不同源区对不同时段不同河段黄河河道淤积的贡献·继续开展观测网点的野外观测计划开展腾格里河东沙地乌兰布和沙漠库布齐沙漠沿黄段的第三次野外考察·分析整理数据完善沙漠河流风沙水沙相互作用动力学模型完善风水复合侵蚀的动力学理论模型对模型进行集成分析定量评估沙漠粗沙入黄量·深化河床演变动床模型试验研究多过程条件下河床演变对床沙级配的影响揭示床沙、悬沙交换动力机制以及水沙过程变化对河床过程的响应机制·建立水沙激发传递过程的能量级联模式定量揭示水沙关系与河床过程参数之间的耦合关系·通过基于GIS分布式产水产沙动力学数学模型反演模拟研究黄河上游水土保持措施对流域产水产沙的影响机理揭示河流水沙关系对气候和下垫面的响应机制综合分析沙漠宽谷河流水沙关系变化成因·实施组塌岸概化模型实验建立塌岸入黄泥沙模型揭示塌岸与河床水沙相互作用机理建立耦合模型·不同干、支流交汇后沙坝演变过程的实体模型试验研究二维动力学泥沙模型计算研究长序列径流、泥沙与主槽调整的响应关系研究边界对水沙的适应性及反馈效应、主槽行洪排凌指标与水动力条件关系·分析典型河段洪峰前后河道宽深比以及能耗率的变化研究洪水过程中不同河型段河道形态的调整特征及其对洪水的响应·设计典型河段的物理模型试验研究不同洪水量级、不同来沙条件下洪水作用于床、岸、滩时的能量分配、河床冲淤变化提出洪床岸相互作用的动力学模式。进行实地观测及其资料的分析构建典型河段的洪床岸相互作用的动力学模型·分析河势变化与水沙多要素之间的相互制约的定性与定量关系确定河势相对稳定的水力学临界条件计算维持宁蒙河道相对稳定的洪峰水沙阈值·分析现状和预期水利工程可控洪峰过程的水沙特征根据不同可控洪峰和洪峰系列不同粒度泥沙分段河道的冲淤量计算结果对宁蒙河段人造洪峰泥沙冲刷效果进行评估·对前个课题提供的风沙水沙关键过程多模型进行分析和集成并将其输入已完成的分布式模型基础框架进行运转和调试·基于风沙水沙河道流域分布式模型预测未来年内黄河上游沙漠宽谷河道重点河段的冲淤演变趋势·综合计算分析不同调控方案(情景假设)对重点河段河道冲淤及环境演变的影响·结合沙漠宽谷风沙水沙时空差异特征和调控目标采用系统科学的思路和方法对不同调控措施(方案)实施效果进行综合评价·集成四年的腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠及毛不拉孔兑与东流沟风蚀与水蚀风沙与水沙的观测数据·分析年来区域沙漠扩张风沙入黄变化、以及风水复合侵蚀时空变化与泥沙物质迁移变化过程·建立沙漠河流风沙水沙相互作用动力学模型、风水复合侵蚀的动力学理论模型、沙丘河流系统沙丘前移与风沙流入河的动力学模型定量分析沙漠粗沙入黄量·定量评价水沙变化与河床过程的耦合关系揭示沙漠宽谷河流对河床演变的影响机制建立河流水沙关系与多因子的耦合关系提供多因子对水沙变异的贡献参数·完成组塌岸概化模型实验建立塌岸入黄泥沙模型揭示塌岸与河床冲淤交互作用机理建立塌岸与河道冲淤交互作用耦合模型·完成不同干、支流交汇后沙坝演变机理实体模型试验二维动力学泥沙模型计算提出长序列径流、泥沙与主槽调整的响应关系提出主槽行洪排凌指标与水动力条件关系·揭示河道冲淤与河床调整对洪峰过程响应机理·弄清典型河段洪床岸相互作用的主要影响因素及其动力学机理构建洪床岸相互作用主要过程的径流FHS模式、泥沙输移STS模式及河岸侵蚀BES模式建成典型河段洪床岸相互作用的D河流CFD动力学模型·提出维持宁蒙河道一定排洪输沙能力与河势相对稳定的洪峰水沙阈值·计算不同可控洪峰和洪峰系列不同粒度泥沙分段河道的冲淤量并评价利用人造洪峰冲刷宁蒙河段泥沙的效果·确定分布式模型的相关参数设置。初步预测目前条件和不同情境下下未来年河道冲淤演变趋势·阐明不同调控方式对典型河段冲淤及环境演变的影响效果建立不同调控措施实施效果的综合评价体系·发表论文~篇其中SCI收录论文~篇。培养博士生~名硕士生~名第五年·完成全部研究计划进行系统总结撰写结题报告。全面整理和汇总所获得的数据·确立研究区粗泥沙的主要来源及黄河泥沙沉积特征及沉积速率的时空变化·建立多因子对水沙变化影响的指标体系分析水沙关系对多因子的复杂响应关系·对塌岸入黄泥沙模型、塌岸与河床冲淤交互作用的耦合模型等模型的合理性检验、完善开发应用软件·揭示沙坝形成、发展、消亡过程及演变机理建立长时间序列河床冲淤及主槽调整与水沙过程的复杂响应机制、水库运用对河床调整的驱动机制·综合集成本项目的所有研究成果深入完善多源数据平台和风沙水沙河道流域分布式模型的构建和运转·系统分析和评估全国先进的防风固沙模式、水土保持模式、大型水库调控模式、河道整治模式、疏浚挖沙减淤模式。研究黄河上游沙漠宽谷河道风沙水沙调控模式的合理结构与功能·基于不同调控措施效果的综合评价体系筛选出科学、经济、可行的调控措施·完成所有综合集成研究和论文发表实现预期目标·揭示沙漠宽谷河道水沙关系变化的驱动机理·为项目“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”的总体目标提供水沙变异参数·最终完成流域多源数据平台和风沙水沙河道流域分布式模型·构建沙漠宽谷流域与河道一体化“固拦调放挖”风沙水沙综合调控体系·提出维持河道冲淤相对平衡和研究区生态安全的调控对策·发表论文~篇其中SCI收录论文篇出版专著部提交相关政策咨询报告~份申请专利项。培养博士生~名硕士生~名一、研究内容(一)拟解决的关键科学问题沙漠宽谷河道粗泥沙来源的定量辨识沙漠宽谷河道粗泥沙是沙漠(包括基岩)与黄土多源混合体粗泥沙组分影响了河道泥沙输移特性与冲淤演变。如何定量分离粗泥沙混合体中的异源组分确定沙漠宽谷河道淤积粗沙的粒径界限和不同源区的贡献率是本项目拟解决的关键科学问题之一。风沙水沙河道相互作用机理沙漠宽谷流域地表过程复杂形成以地表风水复合侵蚀为特征的覆沙坡面系统、以粗沙的风洪传输过程为特征的沙丘沟谷系统、以风沙流与沙丘前移入黄以及沙质河岸坍塌为典型特征的沙丘干流系统。这些系统的不同时空组合形成沙漠宽谷复杂、且独具特色的地表风水复合侵蚀与泥沙输移的动力学系统。定量表述上述典型系统动力学过程确定粗沙入黄量是本项目拟解决的关键科学问题之一。沙漠宽谷河道冲淤平衡的风沙水沙变量阈值入黄风沙水沙及其时空变化直接影响着沙漠宽谷河道的水沙过程、河型与冲淤平衡。但风沙水沙在何种组合条件下能维持沙漠宽谷河道的冲淤平衡及其机制尚不清楚。如何通过风沙与水沙定位观测与模拟、以及河道水沙关键过程的研究确定沙漠宽谷不同河段维持冲淤平衡的风沙水沙变量阈值是本项目拟解决的关键科学问题之一。(二)研究内容沙漠宽谷粗泥沙来源与沉积时空特征建立黄河上游不同源区粗泥沙的物理、岩矿、化学等系列辨识指标重建近ka来河道淤积与演变的沉积序列结合历史文献记录揭示河道沉积的时空变化特征建立端元混合模型定量估算不同源区对沙漠宽谷河道粗泥沙沉积的贡献率。风沙水沙河道关键过程与机理风沙水沙河道关键过程分解为粗沙风洪产输过程、河道水沙关系变异、塌岸淤床与河道演变及洪床岸相互作用四大关键过程。粗沙风洪产输过程主要研究覆沙坡面系统的风水两相复合侵蚀过程、沙丘沟谷系统的粗沙风洪传输过程以及沙丘干流系统的沙丘与风沙流入黄过程阐明风水复合侵蚀与泥沙输移的动力学机制定量分析沙漠粗沙入黄量提出维持河道相对平衡的风沙阈值河道水沙关系变异主要研究沙漠宽谷河流水沙关系的时空变化特征与成因建立基于气候下垫面人类活动河床演变复杂背景下的水沙变化评价模型建立水沙关系与多因子作用指标体系之间的关系揭示多因子耦合作用下的水沙变异的响应机理量化多因子对水沙变化的贡献塌岸淤床与河道演变主要研究塌岸淤床过程与河床冲淤的耦合驱动机理以及支流高含沙洪水入黄过程与沙坝的形成、发展、消亡过程阐明河床调整对水沙过程的复杂响应关系提出水库调节前后河道冲淤演变过程及驱动机制洪床岸相互作用过程主要研究洪峰过程中的河床与河岸冲淤过程、河床形态演变以及洪床岸相互作用的耦合机制建立沙漠宽谷河段D河流CFD模型(径流FHS模式、泥沙非平衡STS输送模式及河岸侵蚀BES模式)提出维持河道相对稳定的水沙阈值。沙漠宽谷河道冲淤变化趋势预测与调控对策建立区域多源数据平台和风沙水沙河道流域分布式动力学模型预测未来年河道冲淤演变趋势分析区域风沙水沙过程时空差异及其综合调控模式结构与功能提出区域风沙防治、水土流失治理、水库调节、与河道整治等集流域河道一体化的“固拦调放挖”风沙水沙综合调控方案。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ka以来水库调节前后年未来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BirkbeckS光电风沙计风水复合观测系统水文站系统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个水文观测站统计分析梯度分
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