关于黄河流域生态保护和高质量发展的思考

黄河是中华民族的母亲河,黄河流域是重要的生态屏障和经济带,也是重要的粮食和能源基地,对我国政治、经济和文化发展具有不可替代的重要作用,黄河流域生态保护和高质量发展已上升为一项重大国家战略。黄河又是世界上最为复杂难治的河流之一,我国治理黄河历史悠久,人民治黄以来,黄河流域治理和生态保护取得了举世瞩目的成就,但仍面临诸多亟待解决的重大问题。梳理了人民治黄的辉煌成就,分析了当前治黄面临的形势与挑战,并针对如何实现黄河流域长治久安与高质量发展提出了构建流域水资源保障体系、实现流域重点地区生态环境修复与保护、完善流域防洪防凌与水沙调控工程体系等对策建议。

从黄河治理到生态保护和高质量发展——访中国科学院院士王光谦

王光谦,中国科学院院士,清华大学教授,青海大学校长(对口支援),研究方向为水沙科学与江河治理。黄河是世界上输沙量最大、含沙量最高的河流。20世纪普遍采用的数据为:黄河多年平均天然径流量580亿m^3,多年平均输沙量16亿t,平均含沙量为35 kg/m3。新世纪以来,黄河流域的水沙条件发生了显著变化,但水沙关系不协调、水资源短缺、地上悬河严重、水沙调控体系不完善等根本问题仍是黄河生态保护与高质量发展面临的主要挑战。

黄河流域多沙粗沙区植被覆盖变化与减水减沙效益分析

通过遥感手段和数字流域模型,研究了黄河流域多沙粗沙区近10来年的植被覆盖变化及其减水减沙效益。研究表明,多沙粗沙区90年代末期与80年代末期相比,植被覆盖度增加区域大约占50%,植被覆盖度没变化区域约占48%。植被覆盖度的变化导致了流域水沙条件的变化,90年代末期植被覆盖条件下,植被措施的减水减沙百分比不高;不同的降雨过程,植被措施的减水减沙效益有一定的差别;从不同降雨过程多年平均看,近10来年植被措施年均减水2.63亿m3,减沙1.13亿t,减水减沙比为2.75,即减1亿t沙的同时减水2.75亿m3,减水百分比为7.61,减沙百分比为10.56,减沙效益大于减水效益。

黄河数字流域模型原理

黄河数字流域模型以DEM数据及其存取系统为依托,以流域分级理论为依据,将坡面、小流域、区域、全流域四个层次的模型整合成一个完整的流域整体模型.文中提出了不同层次模型之间的联系途径和整合方法,探讨了模型框架、参数提取、模型计算原理方面的技术问题.按照这种模式建立的黄河数字流域模型可根据研究内容的需要模拟流域上任意空间点的水沙量、水沙过程以及非点源污染物的扩散过程和结果等,具有很大的灵活性和实用性.

泥石流模拟 : I—模型

对粘性泥石流的堆积过程，给出平面二维运动的基本方程。用固液两相流模型来模化阻力项，并讨论了泥石流中液、固两相分界粒径的选取以及有关特征参数的计算问题。最后结合已有的应力—应变本构关系，建立泥石流的流团模型，包括运动方程和数值计算方法。

流域泥沙过程机理分析

黄土高原地质地貌复杂,是黄河流域的主要泥沙源区,并以黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区为代表.沟壑区的不同部位具有不同的侵蚀产沙现象,并在不同的空间尺度上表现出迥异的水沙运动规律.为此需将流域分为坡面与沟道两大系统分别研究.本文描述坡面侵蚀产沙、沟坡区重力侵蚀和沟道水沙运动的主要现象,分析各水沙过程的主要机理.揭示出可依据坡面径流建立坡面侵蚀产沙模型;根据水流的诱发作用,用沟坡土体失稳的随机力学模型模拟沟坡重力侵蚀;考虑影响水沙运动的多种要素,建立沟道系统的高含沙水沙模型.流域泥沙过程机理的研究为建立符合实际物理图景的水沙模型系统,完成流域泥沙过程模拟提供基础.

汶川地震灾区堰塞湖应急处置中的计算分析

四川"5·12"汶川大地震形成的34个主要堰塞湖,超过半数处于中危以上,需要及时开展溃决风险评估和应急处置。应用数字流域模型和水动力学模型,在资料匮乏的条件下,快速预报了典型堰塞湖的来流入库过程和溃口发展过程,模拟了不同应急预案条件下的洪水传播过程,为堰塞湖溃决风险评估和应急处置提供了有效依据。将来需要进一步建立集来流预报、泄流溃决、洪水淹没及优化措施分析为一体的完整模型体系,以应对基本数据匮乏条件下的应急预警预报和优化决策需求。

风成沙纹过程的计算机模拟

本文基于Ｂａｇｎｏｌｄ和Ｓｈａｒｐ提出的沙纹发展机理，运用离散模拟方法，考虑沙粒的跃移和蠕移过程，对风成沙纹的产生和发展进行了二维计算机模拟，得到了接近于自然情况的沙纹形态。模拟表明沙纹的产生与床面上凸起部对其下游的屏蔽作用有关，沙纹的波高Ｈ和波长λ随时间的增加而增大，增大速率逐渐减小，最后趋于某个稳定状态。床面形态发展过程中有融合现象发生，并且发现沙纹剖面也有一个发展过程。模拟沙纹的λ／Ｈ值大致为７。

黄土丘陵沟壑区沟道的水沙运动模拟

黄土高原支离破碎,沟壑纵横,是黄河流域的主要泥沙源区。为模拟与预测全流域的水沙运动过程,需要建立流域水沙运动模拟模型。为使模型的建立符合实际的物理图景,将流域分为坡面与沟道两大系统,在坡面上建立产流与侵蚀产沙模型,在沟道系统内建立水沙运动模型。根据沟道无实测断面资料的实际情况,本文改进了以扩散波方法为基础的水流演进模型,并在此基础上应用不平衡输沙理论计算泥沙输移,提供了黄土丘陵沟壑区沟道系统水沙运动模拟的一种模式。对于沟道水流挟沙力的计算,验证对比了常用于黄河干流的张红武公式和专为泥沙源区建立的费祥俊公式。最后,作为例子给出了方法在小流域中的应用。

黄河流域源区与上中游空中水资源特征分析

黄河是中国的母亲河,黄河流域的水资源问题一直是我国的一个核心议题。黄河之水天上来,随着气象科学和人工影响天气技术的快速发展,空中水资源应逐步纳入我国的水资源体系,进行空地统一的水资源分析与管理。黄河流域处于我国北方半干旱区,年均370亿m^3的可用水量支撑沿黄9省(区)超过1亿人口的社会经济发展,因此进行空地水资源统一分析与管理的需求最为迫切。本文以黄河源头和上中游地区为例,对比分析了源区(12.7万km2)与上中游地区(66.7万km2,不含源区)的空中水资源特征,结果表明:黄河源区每年空中水汽输入量约为8 700亿m^3,其中约3 700亿m^3为空中水资源,区域降水量约为680亿m^3,考虑区域内蒸发对空中水资源的补给,空中水资源的降水转化率约为16.3%;黄河上中游每年空中水汽输入量约为36 000亿m^3,其中约10 000亿m^3为空中水资源,降水量约为2 920亿m^3,空中水资源的降水转化率约为22.3%。因此,黄河源区空中水资源的丰度较上中游地区高,降水转化率偏低,但产流系数较大。黄河源区更适合进行空中水资源的开发利用,合理适度地利用空中水资源对提高黄河流域的水资源安全保障能力具有重要意义。

泥石流模拟 : Ⅱ—验证

根据中国科学院成都山地灾害与环境研究所刘希林和云南省地理研究所唐川所做的泥石流堆积模型实验，对论文（Ⅰ）建立的泥石流流团模型进行了验证。文中首先介绍有关实验与计算的基本概况，然后分别根据不同的实验条件，应用数值模型计算泥石流的堆积范围，并对平面堆积形态进行分析。通过与实验结果的对比表明，计算与实测值符合较好，泥石流流团模型的正确性从而得以证实。

黄土高原沟坡重力侵蚀的理论模型

重力侵蚀是黄土沟壑区土壤侵蚀的重要组成部分,其发生条件及侵蚀量受多种因素制约且具有一定随机性.本文通过运用水力学、土力学等力学方法对重力侵蚀主要影响因素进行分析,建立起沟坡重力侵蚀的概化力学模型,同时运用模糊及概率分析等数学方法将黄土沟坡的稳定问题转化为失稳概率,作为沟坡崩塌发生的预报条件,从而实现了考虑沟谷水流侧向切割,降雨入渗影响下的重力侵蚀模拟,为在黄土高原沟壑区进行水沙计算提供了基本方法.

三峡工程明渠截流水流数学模型研究及其应用 I:模型建立与率定

三峡工程三期截流具有流量大、落差大、龙口流速大等特点。为保证截流顺利实施,将一维和二维水流数学模型紧密结合,先用一维模型推求明渠的过流量及上下游戗堤承担的水位落差,再用二维模型模拟戗堤进占时明渠内的水力条件。然后利用已有的水工模型试验资料,对建立的数学模型进行了率定。率定结果表明:一维模型计算的明渠过流量、截流总落差、上下游戗堤承担的水位落差等结果与试验值相当接近;二维模型的计算结果不仅与试验值基本符合,同时又符合弯道水力学的基本特点。

南水北调中线工程总干渠糙率综合论证

在大量收集与分析国内外输水渠道糙率取值规范和计算方法、混凝土输水渠道实测n值、以及对京密引水渠、引黄济青干渠进行实地考察与调查的基础上,结合理论分析推荐了南水北调中线一期工程n值的计算方法和各渠段的n值。中线工程各渠段推荐糙率系数的平均值为0．014 9(设计流量)及0．015 0(加大流量);推荐的校核值为 0．015 4。

泥石流模拟 : Ⅲ—应用

本文将泥石流流团模型用于实际泥石流模拟。根据云南省寻甸回族彝族自治县金源乡沙湾大沟１９９１年发生的粘性泥石流的堆积观测结果，运用数值模型重现当时泥石流在下游地区的堆积过程。计算结果与实测值符合较好，并能合理地反映实际堆积情况，证实泥石流流团模型的可靠性。最后，文中根据计算给出的有关成果，对泥石流堆积扇的全面发展过程进行了详细的分析。

二维泥沙异重流运动的数学模型

关于泥沙异重流研究多采用分析和观测的方法 ,数学模型计算较少 .本文中首先结合流体运动方程和泥沙运动特性 ,导出平面二维泥沙异重流的运动方程 ;然后 ,进行水槽试验模拟异重流运动计算 ,并与试验测验结果进行对比 。

堰塞坝及其溃决模拟研究评述

堰塞坝形成突然、危险性大,对下游人民生命财产安全、生态环境和社会经济形成巨大威胁,研究堰塞坝的溃决成灾机理与应急条件下的除险减灾方法,具有极其重要的科学价值和实际意义。结合国内外堰塞坝及其溃决相关内容的研究现状,评述了堰塞坝的形成过程和特征、溃决过程以及除险减灾等方面的研究进展,提出了未来堰塞坝及其溃决研究中需要重点关注的若干重大关键问题:1堰塞体形成过程中的土石料堆积分选机制;2强非恒定流、非均匀流下的输沙理论;3多机理耦合的溃口发展模型;4大尺度堰塞坝溃决实体模型试验;5如何降低除险减灾策略制定过程中的不确定性。

南水北调中线工程水源区老鹳河流域农业非点源污染关键源区识别

识别关键源区可以为非点源污染的优先管理和控制提供决策依据。本次研究以南水北调中线工程水源区老鹳河流域为研究区,比较全面地考虑了氮磷流失的主要影响因素,建立了老鹳河流域农业非点源污染关键源区识别模型,进行流域农业非点源污染风险评价和污染关键源区识别。结果表明,流域内处于高风险区以上的地区占流域总面积的13.4%,主要分布于老鹳河中上游地区,相对集中分布于老鹳河干流及其支流沿河地区,零星分布于西峡境内东部和北部局部,为该流域地表水环境农业非点源污染的关键源区。其中,污染风险最高的区域只占流域总面积的3.75%,可划定为重点关键源区进行重点治理,同时应兼顾污染风险次之的区域。基于GIS的指标体系法能够快速而方便地识别流域非点源污染高风险区域并量化污染风险大小,从宏观上掌握非点源污染的空间分布特征并实施有效管理和治理。

黄河泥沙未来变化趋势

受人类活动及气候变化的影响,黄河水沙变化显著。与1960年以前相比,潼关站近期的水量减少44%、沙量减少85%。未来水沙如何变化,是黄河治理首先要解决的核心问题。对黄河未来水沙变化趋势进行了分析,结果表明,在未来50年内,潼关站年均径流量在247亿m3左右,年均输沙量在3亿t左右,且均呈现缓慢增长趋势。

黄河流域三维仿真系统的构想与实现

黄河流域三维仿真系统因其涉及的范围广、数据量大、仿真精度要求高而变得异常复杂,为此,系统的总体框架在设计上将需要仿真的三维场景分成两个层次:主窗体层和子窗体层。主窗体层用来仿真全流域大范围的地物信息,子窗体用来仿真局部地区的详细信息以及计算结果的查询演示。主窗体和子窗体的分层解决了当前硬件条件下显示范围大与显示精度高之间很难协调的矛盾,实现了大到黄河全流域整体漫游,小到小浪底电站厂房内的一台机组的全方位、多层次、高精度的三维立体仿真。