黄河宁蒙河段粗泥沙重矿物特征及其指示意义

近年来,黄河上游宁夏-内蒙古河段（简称宁蒙河段）河道淤积日益严重,辨识该河段的粗泥沙来源已成为该河段开发与治理的前提。重矿物耐磨蚀、稳定性强,能较多地保留其母岩的特征,因此常被用于物源示踪分析。对黄河宁蒙河段河道27个样品点的粗泥沙重矿物特征进行分析研究,表明该河段粗泥沙重矿物以性质不稳定的角闪石、较稳定的绿帘石、赤褐铁矿为主,稳定矿物除刚玉、钛铁矿外,锆石、金红石、黄铁矿、电气石含量极少。稳定系数法计算结果表明在河东沙地河段、乌兰布和沙漠河段以及十大孔兑河段之间稳定系数最低,几乎接近于0,说明在这3个地区河道粗泥沙源于附近沙源不同形式的汇入。本研究区ZTR指数极低,平均只有0.0071,说明黄河宁蒙河段泥沙重矿物成熟度低,淤积的泥沙并未经过长途的搬运堆积,而是来自当地沙源的汇入。相关系数法给出了3种不同性质的矿物组合类型,分别指示了不同的母岩类型和物源环境。     

黄河宁蒙段沉积物地球化学元素组成及分布特征北大核心CSCD

黄河宁蒙段穿越腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠和库布齐沙漠,风沙水沙交互强烈,形成典型的沙漠宽谷冲积河道。对黄河河道及周边沙源区沉积物进行了系统的采集、测定、分析工作。结果表明:宁蒙河段沉积物相对富集SiO_(2)、CaO、Al_(2)O_(3)、Ce、Zr、Hf和Nd,亏损K_(2)O、Na_(2)O、Rb、Zn、Ni和Sr。与周边沙源区对比,黄河宁夏段下河沿上游河道、清水河、腾格里沙漠和河东沙地沉积物均富集Co和Ti,亏损Sr、Ni、Hf和Y,且Hf、Ni、Y、Zn、MgO和CaO含量的变异系数较大。在内蒙古段,来自乌海上游河道、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠和十大孔兑的沉积物相对富集Co和Ti,亏损Hf,Ni和Y,其中Cr、Hf、Ni、Y、Zn和MgO的元素含量变异系数较大。黄河宁蒙河段沉积物化学元素空间分布特征具有明显的波动和差异性,主要受到岩性、气候和局地物源输入的影响。     

黄河下游河道泥沙存贮-释放及其临界条件

确定了黄河下游河道处于泥沙存贮-释放临界状态的水沙临界条件。当场次洪水平均含沙量小于31.68 kg/m³,或者来自中游多沙粗沙区场次洪水来沙量小于4 543×10⁴ t,下游河道将由泥沙存贮状态变为泥沙释放状态。当河口镇以上清水区径流占场次洪水总径流量比率大于0.70时,也会由泥沙存贮状态变为泥沙释放状态。场次洪水泥沙输移比随洪水平均流量的增到而增大,流量为4 000 m³/s(相当于平滩流量)时达到峰值,此后有所减少。这表明,平滩流量时泥沙存贮最少,低于平滩流量和高于平滩流量时泥沙存贮均增大。     

黄河干流龙门至三门峡间泥沙沉积汇的研究

龙门-三门峡河段是黄河干流3大沉积汇之一.运用泥沙收支平衡方法,基于1920-2006年间长系列实测水沙资料,研究了这一沉积汇的存贮、释放和泥沙输移过程及其变化.研究表明.87年尺度上,龙门-三门峡沉积汇泥沙存贮量的变化可以划分为4个阶段:(1)1920-1959年,处于"准自然"状况下,泥沙存贮量缓慢增加:(2)1960-1967年,由于三门峡水库拦沙,导致泥沙存贮快速增加;(3)1968-1985年,三门峡水库先后经历"滞洪排沙"和"蓄清排浑"运用阶段,泥沙的存贮与释放接近于平衡;(4)1986-2006年,人类大量引水,在来沙量减小的情况下,泥沙存贮量增加.在年内,龙门-三门峡间泥沙沉积汇表现出泥沙的存贮-释放过程的交替,7月至8月主汛期,表现为泥沙存贮;9月至次年5月,泥沙存贮量为负值,表现为泥沙释放.公元155年至2006年的1800余年间,龙门-潼关沉积汇的沉积速率经历了一个由加速到减慢的旋回,其形成原因可以用人类活动方式与强度的变化来解释.在三门峡水库修建前的"准自然"时期,泥沙的存贮量和排沙比均与来水、来沙及其组合有密切的关系.总来沙量越大,含沙量越大,来沙系数越大,则泥沙存贮量越大而排沙比越小.     

黄河入海泥沙输运及沉积过程的数值模拟

以利津站代表的黄河入海径流和泥沙数据驱动ECOMSED模型,对黄河入海泥沙悬移输运过程的逐月时空变化、输送通量以及海底沉积效应进行了数值模拟实验。分析结果表明,在忽略再悬浮作用条件下,黄河入海泥沙的输运扩散过程具有明显的季节变化规律,且这种变化具有年际相似性。黄河泥沙入渤海后总体朝向辽东湾西侧海岸扩散,而主要沉降区域是黄河口附近,且随着距离的增大,沉积通量迅速降低。模拟沉积速率一般在0.5~0.1 mm/年左右,与实际调查结果非常接近。海底地形等高线向渤海海盆西部、渤海湾南部,以及渤海海峡方向突出,也反映了泥沙通量的输送方向。从黄河入海泥沙悬移扩散过程的季节变化特征及其海底沉积效应来看,渤海海域泥沙悬移输运过程受潮汐动力、余流和和底层流场等因子的制约。除了黄河河口地区以外,各月悬浮泥沙高浓度区基本一致,集中分布在潮流能量最强的海域,潮流水平动能的大小与悬沙浓度大小分布基本一致。泥沙悬移输运方向与模拟获得的渤海三维风驱-潮致Lagrange余流的方向具有明显的相关关系,泥沙扩散的方向和强度明显受余流方向和强度的控制。     

风沙对黄河内蒙古河段河道泥沙淤积的影响

通过对黄河内蒙古河段河道淤积泥沙打钻采样,以及黄河沿岸及支流产沙地层采样分析对比,暴雨、洪水等分析追踪河道淤积泥沙源地表明,黄河内蒙古河段河道泥沙淤积主要来源于乌兰布和沙漠及十大孔兑(沟谷)的库布齐沙漠和丘陵沟壑梁地。通过输沙平衡法计算该河段河道泥沙淤积量得知,1954-2000年该河段淤积泥沙总量约20.11亿t,其中大于0.1mm的粗沙为15.57亿t,占总量的77.424%;小于0.1mm的泥沙约4.54亿t,占总量的22.57%。风成沙入黄淤积量是:乌兰布和沙漠6.0552亿t;库布齐沙漠5.8499亿t;二者约占大于0.1mm粗泥沙总量的76.46%。     

黄河下游河道变迁与河道治理

距今3000a以来,黄河改道频繁,通常当河床高出两侧平地2～3m,最高达5m时,便会发生河流改道。3000-150aBP,黄河通常自北向南改道;150aBP至今,通常自南向北改道。现在黄河河床已高出两侧平地3m,有些地方已高出两侧平地10m。按河流演变的自然规律,黄河已达到其河床演变的临界值,很可能会再次改道。如人工改道,最理想的河道是位于汉志河古河道高地与东汉河古河道高地之间的古河间低地内。     

1990—2010年黄河宁蒙段所处流域土地利用变化

以Landsat TM和ETM+遥感影像为基础数据源,应用地理信息系统技术,对黄河宁蒙段所处流域1990-2010年土地利用变化进行了监测,并结合气候变化、人类活动和政策因素探讨了土地利用变化的驱动力,初步分析了土地利用/覆被变化对流域水-沙关系的影响。结果表明：（1）20年来研究区建设用地面积增加了1 310.04 km²,耕地面积增加了611.15 km²,水域和草地面积分别减少了1 499.51 km²和474.93 km²;（2）20年来黄河宁蒙段所处流域土地利用变化速度经历了缓慢变化-显著变化-急剧变化的过程。各土地利用类型在后10 年（2000-2010年）的变化速度均比前10年（1990-2000年）大;（3）研究时段内草地和未利用地转化为林地,草地和耕地被开发为建设用地,未利用地和草地被开垦为耕地;（4）人类活动和政策因素是影响20年来土地利用变化的主要驱动因子,但人口数量的增加、经济的发展及环境政策的调整对研究区土地利用变化的影响更为显著;（5）1990-2010年流域耕地和林地面积分别增加了611.15 km²和543.19 km²,植被覆盖度由1990年的34.7%增加到2010年的40.8%。林地和耕地面积的增加均使得流域总蒸发量增加,灌溉用水增加,从而径流量减少,植被覆盖度的增加使得流域径流量和输沙量均降低。     

水沙条件对黄河下游河道输沙功能的影响

提出河道输沙功能指标F_s为进入某一河道的泥沙总量(干流与支流输入沙量之和)与输出这一河道的泥沙量之比。河道输沙功能与来水量和来沙量有密切关系,若来水减少,来沙增多,则河道输沙功能减弱。来沙中大于0.05 mm粗泥沙含量百分比与河道输沙功能指标成负相关。来沙系数、特别是粗泥沙的来沙系数,是决定黄河下游输沙功能的重要因子;来沙系数越大,则河道输沙功能指标越低。场次洪水的输沙功能指标随场次洪水最大含沙量的增大而降低,历年河道输沙功能指标随各年中高含沙水流频率的增高而降低。小浪底水库修建后,为我们通过调水调沙提高河道输沙功能提供可能。研究表明,场次洪水平均含沙量35 kg/m³,或场次洪水平均来沙系数为(0.015 kg·s)/m⁶,是在调水调沙中实现河道输沙功能优化的最优含沙量和最优来沙系数,平滩流量则是实现河道输沙功能最大化的最优流量级。     

黄河泥沙冲/沉积区土壤有机碳不同组分空间特征及变异机制

黄河泥沙是黄河下游陆地地貌类型形成的物质来源,泥沙沉积改变了地表土壤结构和有机碳含量水平。基于室内外实验和空间地统计分析方法,文中对开封—周口土壤有机碳组分的空间特征和影响因素进行了分析。在0~100 cm土壤中TOC、AOC、NOC的含量分别为0.05~30.03 g/kg、0.01~8.86 g/kg和0.02~23.36 g/kg,表层0~20 cm的TOC、AOC、NOC高于下层,同一土层中TOC的变化幅度和含量差异性最大,AOC最小,NOC介于二者之间。NOC的含量对TOC的贡献大于AOC。空间地统计学研究显示,TOC、AOC、NOC的块金系数在0.50~0.67之间,具有中等程度的空间相关性,TOC、AOC、NOC的含量受结构因素和随机因素的共同作用,且二者的作用强度接近。空间上,自表层向下层,土壤TOC、AOC和NOC的整体变化趋势较为一致,高值区与低值区之间过渡明显,NOC和AOC的含量及空间变化能较好地反映TOC的空间变化和碳积累区域。分析发现,黄河泥沙冲/沉积区分布、农业耕作过程和耕作历史是影响区内土壤有机碳及其组成含量和空间分布的主要因素,而有机物的输入量、土壤颗粒物组成及二者的动态关系是影响土壤结构体形成和有机碳含量的关键因素,提高有机物的含量和改善土壤结构是提升土壤质量、实现区内农业持续发展的有效途径。     

黄河内蒙古河段非汛期和汛期冲淤量计算方法

基于多沙河流“多来多排”的经验输沙公式,建立了考虑上站来沙量、前期河床累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径影响的非汛期和汛期输沙量一般表达式。在此基础上,根据黄河内蒙古河段1952-2010年实测的水沙资料,将其应用于黄河内蒙古河段巴彦高勒—三湖河口河段、三湖河口—头道拐河段以及巴彦高勒—头道拐全河段非汛期和汛期输沙量的计算,并应用输沙率法计算了各河段1952-2010年的非汛期和汛期冲淤量及其相应的累计冲淤量。通过输沙量、冲淤量和累计冲淤量计算值与实测值的对比表明,各河段非汛期和汛期输沙量、冲淤量及相应的累计淤积量计算值与实测值的吻合较好,其中非汛期和汛期输沙量计算值和实测值之间的相关系数R²分别约为0.93和0.97;非汛期和汛期冲淤量计算值与实测值之间的相关系数R²分别约为0.80和0.90;非汛期和汛期累计冲淤量之间的相关系数R²分别约为0.94和0.99。结果表明,就吻合程度而言,累计冲淤量优于年冲淤量,汛期优于非汛期。本文建立的冲淤量方法能够很好模拟该河段长历时的非汛期和汛期冲淤过程,可为黄河内蒙古河段输沙量及长期淤积发展趋势的分析提供科学依据。     

Calculation method for sediment load in flood and non-flood seasons in the Inner Mongolia reach of the Yellow River

Based on an empirical sediment transport equation that reflects the characteristics of “more input, more output” for sediment-laden flow in rivers, a general sediment transport expression was developed, which can take into account the effects of upstream sediment input, previous cumulative sediment deposition, critical runoff for sediment initiation, and the differences in sediment particle sizes between the mainstream and tributaries. Then, sediment load equations for non-flood and flood seasons for the sub-reaches from Bayangaole to Sanhuhekou and from Sanhuhekou to Toudaoguai, as well as the whole Inner Mongolia reach from Bayangaole to Toudaoguai, were formulated based on data collected between 1952 and 2010. The corresponding sediment deposition and the cumulative values at each river reach were calculated using the proposed sediment transport equations for the period 1952 to 2010 according to the principle of sediment conservation. Comparisons between the calculated and measured values using the proposed sediment load equations for the sub-reaches and the entire reach showed that the calculated sediment load and sediment deposition and the corresponding cumulative values in the flood and non-flood seasons were in good agreement with the measured values. These results indicated that the proposed methods can be applied to calculate the sediment load and the associated sediment deposition in the flood and non-flood seasons for long-term trend analysis of sediment deposition in the Inner Mongolia reach of the Yellow River.     

利用人造洪水冲刷黄河内蒙古淤积河道的可能性分析

为了探讨利用人造洪水冲刷黄河内蒙古河段泥沙的可能性,建立了计算黄河三湖河口与头道拐站次洪水输沙量非线性模型。通过洪水计算获得了该河段各级洪水冲刷河道泥沙的最大冲沙量、最优冲沙历时以及相应冲沙效率。计算结果表明：黄河宁蒙段的淤积是河流在特殊的自然地理环境中受水流堆积作用形成的,用龙、刘两库联合调度水量形成的人造洪水冲刷河道淤积泥沙是目前可以采取的清淤手段之一,但耗水量较大,冲刷效果还有待于进一步的检验。     

基于遥感影像的黄河内蒙古段冰-水分类研究

及时获取凌汛期河冰和水体的空间分布特征,对于预测冰凌灾害、提高防凌信息化管理水平有重要意义。遥感技术是当前获取河冰和水体空间分布的最主要手段之一。但是,黄河水体有大量悬浮泥沙,这给基于遥感技术的高精度冰-水分类带来了挑战。以黄河内蒙古段为例,基于Landsat 8 OLI遥感影像数据,在利用归一化积雪指数（NDSI）及河道矢量数据排除无关地物的基础上,对比了近红外波段反射率值、归一化差异水体指数（NDWI）、归一化积雪指数（NDSI）、改进的归一化积雪指数（MNDSI）以及归一化差异未封冻水体指数（NDUWI）在黄河内蒙古段典型河道河冰、水体分类中的表现,计算各指标总体分类精度及Kappa系数并进行阈值稳定性分析。结果表明：在利用NDSI和高清历史影像排除河道外无关地物后,NDUWI在各子段影像中的总体分类精度和Kappa系数均达到90.00%及0.90以上,其河冰、水体最优区分阈值大体分布于阈值中值附近。研究结果可为凌汛期黄河冰凌监测方法的选取以及冰上爆破位置的拟定提供依据。     

宁蒙陕甘沿黄生态经济带建设构想

宁蒙陕甘沿黄地区位于我国西部生态脆弱、经济欠发达边缘地区,经济发展与生态环境建设双重任务艰巨。从宁蒙陕甘沿黄地区区情现状入手,分析了该区域发展生态经济的必要性与基础条件,提出了宁蒙陕甘沿黄生态经济带建设战略构想及相应保障措施。其中,生态产业带建设是关键,重点从培育国家级生态能源基地、高效生态农牧基地和西北生态旅游胜地等角度构建以生态产业为主体的高效生态经济体系,推动区域生态-经济整体协调发展,对于实现我国经济增长中心由东部向中西部转移与统筹区域协调发展具有重大战略意义。     

黄河内蒙河段河床冲淤演变特征及原因

利用黄河内蒙段1962-2000年间4期大断面观测资料,计算了各期河床冲淤和河槽形态指标。发现从1962-2000年间前20年、中间9年及后9年,内蒙河段河槽500m²过水面积下河底高程发生了降低-升高-再升高的过程;河槽漫滩过水面积经历了升高-降低-再降低的过程,2000年只有1982年的大约一半;滩地经历了持续淤积过程,平均抬升0.25m;河槽宽深比值经历了变化不显著-增加-减小的过程。分析结果表明:气候变化、引水、水库拦沙和重点产沙支流来沙变化在河床冲淤和河床形态调整中作用较大;水库对径流的年内调节对1982年后河槽淤积贡献较大;来水来沙变化下河流多要素自动调整是造成河槽形态变化过程复杂的原因。     

黄河内蒙古段异源水沙输移特性

河流悬移质泥沙的输移方式按照水沙来源可以分为水沙同源与水沙异源两大类。黄河内蒙古段水沙来自不同的区域,冲泻质泥沙主要来源于陇西黄土高原区,而径流则主要来自唐乃亥以上的山区,呈现异源特性。通过分析内蒙古河段石嘴山与巴彦高勒水文站1951-2003年的水文数据,发现期间共发生了13次大流量和29次高含沙事件且大流量、高含沙量同时出现现象很少,多呈现大流量、低含沙量,或者小流量、高含沙量的态式。同时,通过改变传统流量-含沙量幂函数公式C_i=aQ^b(C_i为悬移质浓度,Q为流量)的参数项,建立了2种水沙异源情况下流量-含沙量的公式。