《沟道工程对流域水沙变化的影响及其贡献率》深入研究淤地坝等沟道工程对流域水沙过程的影响，分析沟道工程对洪水过程的调节作用；基于能量侵蚀动力学理论，阐明沟道工程级联方式对水-能-沙汇聚过程的调节机理及泥沙侵蚀-输移-沉积的再分配过程；揭示坝库淤满条件下淤地坝对流域水沙的阻控机制，提出坝库淤满后的长效减蚀机制，辨识沟道工程对流域水沙变化的贡献率，为科学认识黄河流域水沙变化机理、实现水沙资源配置与高效利用、合理确定治黄方略提供科技支撑。介

第1章绪论
　　1.1研究背景与意义
　　黄河是中华民族的母亲河，发源于青藏高原，自西向东流经九省(自治区)，以占全国2%的河川径流量，承担了全国15%耕地和12%人口的供水重任，为国家的经济建设、粮食安全、能源安全、生态改善等做出了突出贡献(胡春宏，2014)。黄土高原是我国乃至世界上水土流失*为严重的地区之一，总面积约64万km2，2020年水土流失面积23.42万km2，占黄河流域水土流失面积的89.15%，其中强烈以上等级土壤侵蚀面积3.09万km2，占水土流失面积的13.2%，高于全国平均水平(11.16%)(刘颢等，2023；姚文艺等，2023)。黄河中游流经水土流失严重的黄土高原时，多条含沙量极高的支流汇入，使得黄河成为举世闻名的一条多泥沙河流。黄土高原水土流失*为严重的多沙区，面积约为26.6万km2，多年平均入黄泥沙量达14亿t，占黄河总输沙量的87.5%(姚文艺等，2023)。特别是位于黄河中游上段的河口镇—龙门区间(河龙区间)，是黄河粗泥沙的集中来源区，还是黄河中游暴雨洪水的主要来源区之一，面积仅占黄河流域面积的14.8%，区间粗泥沙来沙量却占到黄河粗泥沙量的72.5%(刘颢等，2023)。
　　黄土高原严重的水土流失导致农业用地损失和黄河下游洪水风险增加(徐向舟，2005)。半个世纪以来，由于水土流失，我国耕地面积损失超过400万hm2，农业生产发展受到直接影响(李秀军等，2018)。1980年以前，黄河每年从中游带到下游的泥沙总量约16亿t，其中4亿t沉积在下游河道，导致黄河下游形成“地上悬河”，因此黄河下游两岸广大地区人民的生命财产安全面临巨大威胁，黄河防洪问题始终是中华民族的“心腹之患”(冉大川等，2006)。为了有效控制水土流失，恢复生态系统，我国几十年来在黄土高原实施了淤地坝、梯田和林草恢复等多种水土保持措施(许炯心等，2006)。据统计，截至2018年，黄土高原共有淤地坝59154座，其中骨干坝5877座、中型坝12131座、小型坝41146座，24%的骨干坝、68%的中型坝和69%的小型坝建成于1980年以前，中型以上淤地坝累积控制面积4.8万km2，拦蓄泥沙近56.5亿t(张祎，2021)。刘晓燕(2017)根据遥感调查得出：截至2014年底，潼关以上黄河流域共有水平梯田3.60万km2。随着退耕还林(草)工程实施，黄土高原的归一化植被指数(NDVI)均值由1982年的0.30提高至2013年的0.45，2017年又进一步提高至0.67(张慧勇等，2023)。随着水土保持措施的持续实施，黄河输沙量显著减少，黄河流域年均输沙量从1919～1959年16亿t锐减至2010～2020年1.83亿t，减幅89%(胡春宏等，2023)。
　　黄土高原沟壑纵横，66.7万余条沟道是侵蚀产沙的主要来源区，易形成高含沙水流。经过多年持续的治理，特别是大规模退耕还林(草)、坡改梯、淤地坝(三大水土保持措施)等工程的实施，2017年进入黄河的泥沙锐减至不足2亿t。淤地坝作为黄土高原特有的沟壑整治措施，在拦沙淤地、护坡固沟、分散消减沟道径流侵蚀能量的同时，形成*特的坝系农业，实现了水土保持与农业生产的有机统一，为黄土高原地区实现乡村振兴提供了强有力的支撑。截至2017年，黄土高原淤地坝剩余库容仅为30.8亿m3，约占总库容的35.84%，淤地坝处于严重淤满状态。现有模型没有考虑到淤地坝这种黄土高原特有的水土保持措施对沟道泥沙运动过程的影响(Yao et al.，2016；Ghobadi et al.，2015；Niraula et al.，2015)，因此需要加强淤地坝系拦沙群体效应计算模型的构建。2000年以来，三大水土保持措施对流域水沙的作用更加显著，其对水沙变化具有交互作用，从而导致淤地坝对流域水沙贡献率的识别难度增加。
　　沟道工程水沙调控作用的研究主要关注其直接减少水沙效益，关于淤地坝系对沟道潜在侵蚀的防控作用及对沟道径流能量的调控作用还需要进一步深入探讨。强化淤地坝系在调控径流能量过程中的作用及群体效应的研究，揭示淤地坝系对流域侵蚀、产沙和输移过程的调控机制，分析淤满条件下沟道工程对流域水沙的阻控效果和调控策略，以及识别淤地坝对流域水沙的贡献率，不仅是发展黄土高原地区特色水沙模型的必要步骤，也是黄土高原生态文明建设的重要组成部分。这些研究对于解释近年来黄河水沙含量显著下降的现象具有重要的科学意义。
　　1.2研究进展
　　1.2.1黄河水沙变化
　　黄河流域的健康发展对我国经济社会发展和生态安全都具有十分重要的作用。黄河是我国的第二大河，发源于青藏高原，流经9个省(自治区)，流域总面积达79.5万km2，全长5464km。据统计，2018年底黄河流域总人口达4.2亿，占全国总人口的30.3%；黄河流域地区生产总值为23.9万亿元，占全国26.5%(郭晓佳等，2021)。黄河流域水少沙多、水沙异源，是我国输沙量究大的河流。据统计，1919～1960年黄河潼关水文站多年平均来沙量为16亿t，其中90%的泥沙来自黄河中游的黄土高原地区；黄河水量仅占全国河川径流总量的2%左右，且主要来自上游兰州站。20世纪70～90年代，黄河下游断流频繁，1997年断流长达226d，给黄河沿岸人民的生活生产带来了严重损失。通过不懈努力，2000年开始黄河干流断流现象停止。黄河中游取得了显著的水土保持治理成效，水土流失率由20世纪五六十年代的71%下降到2020年的37%(杨媛媛，2021；王随继等，2008)。
　　黄河水沙一直以来都是黄河流域研究的热点问题，研究者从不同的方向对黄河水沙进行研究。Liu等(2008b)研究表明，1960～2007年黄河中下游地区年降雨量呈显著下降趋势，突变年份集中在1963～1998年；此外，黄河中上游年降雨量的突变年份晚于下游。Ran等(2020b)选取了黄河中上游地区的68个水文站，研究发现，极端降雨事件集中在7月、8月，通常洪水的发生与极端降雨事件一致，黄河中游区极端泥沙事件与极端降雨的关系比与流量的关系更密切，极端泥沙事件下黄河干流和主要支流的出口以河流泥沙淤积为主。Liu等(2008a)研究表明，黄河中游输沙模数极大，1950～2005年黄河输沙模数呈减少趋势，其中黄河中游龙门水文站和潼关水文站多年平均输沙模数分别为1543.65t/(km2 a)和1631.39t/(km2 a)，但是龙门水文站和潼关水文站1996～2005年的短时间序列多年平均输沙模数分别为612.48t/(km2 a)和766.13t/(km2 a)。史红玲等(2014)的研究表明，1950～2009年，除黄河干流上游唐乃亥水文站外，其他水文站年径流量、年输沙量均呈显著减少趋势，年径流量和年输沙量发生突变的主要年份分别为1986年和1980年(许炯心，2010)。1950～2011年，黄河上游干流的唐乃亥水文站年径流量和年输沙量均没有呈现显著的变化趋势，而兰州以下流域各水文站的年径流量和年输沙量均呈现显著下降趋势(赵玉等，2014)。刘革非等(2011)分析黄土高原典型流域泾河流域1960～2000年输沙量的时空变化特征时发现，泾河流域多年平均输沙量由20世纪60年代的3.02亿t锐减至90年代的2.66亿t，且多年平均输沙量在空间上分布不均。李文文等(2014)研究表明，黄河下游来水量、来沙量呈显著减少趋势，2000年以后多年平均来水量仅为20世纪50年代的46%，多年平均来沙量锐减至20世纪50年代的3.5%。赵阳等(2018)分析了1950～2016年黄河水沙变化特征，发现黄河干流年径流量和年输沙量均呈显著减少趋势；泥沙来源发生转移，由河龙区间向龙潼区间移动，人类活动是主要的影响因素。Gao等(2017)以河龙区间22个流域为研究对象，分析发现各支流年输沙量显著下降，侵蚀性降雨量呈减少趋势。黄河河龙区间的水沙变化研究表明，黄河河龙区间除清涧河以外的8条支流(皇甫川、窟野河、无定河、延河、孤山川、秃尾河、三川河、昕水河)年输沙量均呈下降趋势(朱连奇等，2009)。胡春宏等(2018)分析了1950～2015年黄河水沙特征，结果表明，黄河水沙锐减存在时空不同步的现象，水利工程的建设显著影响了含沙量变化。Gao等(2011)研究了1950～2008年黄河水沙特征，结果表明，1950年开始黄河中游年径流量和年输沙量呈显著下降趋势，年径流量和年输沙量发生突变的年份分别为1985年和1981年。Zhang等(2001)研究发现，黄河中游11个流域的年径流量呈现显著减少趋势，且年径流量突变发生时间为1971～1985年。Rustomji等(2018)的研究表明，1950～2000年河龙区间11个主要流域的年径流量、年输沙量均呈显著减少趋势。黄河中游黄土高原地区2008～2016年多年平均径流量和多年平均输沙量相比1971～1989年分别减少了22%和74%(Zheng et al.，2019)。潼关水文站的输沙量2020年左右到达究低点后有所回升，但增长幅度不大(王光谦等，2020)。胡春宏等(2020)研究认为，2020～2050年，大洪水和泥沙事件发生的概率将大大降低，极端降雨条件下进入黄河的泥沙量将进一步减少。Chen等(2020)的研究表明，宁蒙河段、潼关河段和黄河下游河床冲淤自动调整，水沙输移形成了高度约束的平衡关系。姚文艺等(2020)的研究表明，黄河流域水沙关系依然不协调。
　　近几十年来，黄河流域的泥沙得到了有效控制(穆兴民等，2020；曹文洪等，2007)，“水沙调控能力不足”也有了一定程度的缓解，治黄任务从减沙转向“增水”。在黄河流域生态保护和高质量发展的新时期，治黄矛盾的思路在于“增水、减沙、提高水沙调控能力”，促进流域水沙关系协调发展(刘卉芳等，2011)。
　　1.2.2黄河中游区生态建设及其水沙效应
　　黄河中游流经黄土高原，黄河中游区面积占黄河流域总面积的46%。黄土高原地表千沟万壑，植被稀疏，是我国典型的生态脆弱区和世界水土流失究严重的地区之一。黄土高原极易发生侵蚀，产生大量泥沙，使得黄河下游出现“地上悬河”，且严重的水土流失导致黄土高原经济发展水平较低(魏霞等，2007a)，给我国建构生态屏障带来了极大的挑战(姚文艺，2019)。
　　黄河中游水沙变化的驱动因素成为水土保持研究者的焦点(张信宝等，2007)。据统计，黄河干流潼关水文站1919～1960年实测多年平均输沙量约16亿t，经过几十年的水土流失治理，潼关水文站2010～2019年实测多年平均输沙量已锐减至1.77亿t。
　　关于黄河输沙变化的原因，众多研究表明，自然因素和人类活动共同影响着黄河年输沙量的变化(李勉等，2008)。Bellin等(2011)研究了降雨强度(大于0mm、5mm、10mm、15mm、20mm和30mm)变化对黄河流域小流域输沙量的影响，发现随着降雨强度的增加，降雨对输沙量的影响逐渐增加。研究表明，少数的几场大雨或典型暴雨是黄土高原地区土壤侵蚀的主要动力，一场大暴雨产生的侵蚀量可达年总侵蚀量的60%，有时高达90%(张信宝等，1999)。有学者进一步指出，水土保持措施的综合作用对极端暴雨影响不显著(龙翼等，2009)，甚至出现负效应(汪亚峰等，2009a)。人类活动因素主要为淤地坝、梯田和退耕还林(草)工程等水土保持措施。Wang等(2016)研究认为，坝库、梯田等工程措施是20世纪70～90年代黄土高原产沙量减少的主要原因，减沙贡献率达到54%；2000年之后，由于退耕还林(草)工程的实施，植被对流域输沙量减少的贡献率达57%，成为主要贡献者。刘晓燕等(2014b)研究发现，2007～2014年潼关以上地区水库和淤地坝的实际减沙量为3.2亿t/a，林草和梯田等坡沟要素合计减沙量为
　　12.54亿～14.11亿t/a。水土保持措施和植被对不同尺度流域的减沙作用不同，小流域尺度的植被和水土保

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 研究进展 2
1.2.1 黄河水沙变化 2
1.2.2 黄河中游区生态建设及其水沙效应 4
1.2.3 淤地坝地貌水文效应 6
1.2.4 淤地坝减水减沙效益 8
1.2.5 流域水文泥沙过程模拟 11
1.3 研究区域概况 15
1.4 研究目标与研究内容 18
参考文献 19
第2章 植被/景观变化的水沙调节机制 26
2.1 坡沟系统不同植被格局的蓄水减沙效益 26
2.1.1 蓄水减沙效益计算方法 26
2.1.2 植被格局对坡沟系统侵蚀产沙调控作用 27
2.2 间歇性降雨对产流产沙过程的影响 28
2.2.1 坡沟系统产流产沙特征 28
2.2.2 坡沟系统入渗特征 29
2.3 植被格局对产流产沙过程的影响 30
2.4 植被格局对径流流速的影响 31
2.4.1 植被格局对坡沟系统径流流速的作用 31
2.4.2 坡沟系统中植被格局的缓流效应 33
2.5 不同退耕类型的侵蚀产沙的特征 36
2.5.1 不同植被演替阶段地上地下生物量特征 36
2.5.2 不同植被演替阶段坡面径流水动力特征 38
2.5.3 演替阶段植被侵蚀产沙特征 39
2.6 流域尺度植被对水沙变化的作用 41
2.6.1 黄土高原典型流域土地利用变化 41
2.6.2 黄土高原典型流域景观格局变化 42
2.6.3 黄土高原典型流域景观格局对水沙变化的影响 44
2.7 本章小结 45
参考文献 45
第3章 黄河典型流域极端水沙事件产输规律 47
3.1 典型暴雨水沙特性演变 47
3.1.1 汛期降雨及水沙特征分析 47
3.1.2 场次条件下降雨和水沙特征分析 47
3.1.3 暴雨特征分析 49
3.1.4 典型洪水-输沙关系演变规律 52
3.2 极端水沙事件的时空分布规律 54
3.2.1 年*大降雨事件的空间分布 54
3.2.2 年*大径流事件的空间分布 55
3.2.3 年*大泥沙事件的空间分布 57
3.2.4 年*大水沙事件时空分布综合分析 58
3.3 极端洪水事件发生的主导因子 59
3.3.1 降雨对极端洪水事件的影响 59
3.3.2 河道内蓄水量对极端洪水事件的影响 62
3.3.3 极端洪水事件主导因子的分析 62
3.4 极端泥沙事件发生的主导因子 65
3.4.1 降雨对极端泥沙事件的影响 65
3.4.2 径流对极端泥沙事件的影响 65
3.4.3 河道内泥沙存储对极端泥沙事件的影响 68
3.4.4 极端泥沙事件主导因子的分析 69
3.4.5 引发极端泥沙事件主导因子的传播过程 72
3.5 本章小结 75
参考文献 76
第4章 黄河流域头道拐至潼关区间水库淤积时空分布特征 79
4.1 头道拐至潼关区间黄土高原地区水库群分布特征 79
4.1.1 水库分布概况 79
4.1.2 渭河流域水库分布概况 80
4.1.3 河龙区间水库分布概况 83
4.1.4 汾河流域水库分布概况 83
4.2 水库淤积量测算方法 85
4.2.1 流域干支流水库泥沙淤积调查情况与分析 85
4.2.2 水库淤积量估算方法 86
4.3 渭河流域水库淤积量 88
4.3.1 渭河流域大型水库淤积量 88
4.3.2 渭河流域中型水库淤积量 89
4.3.3 渭河流域小型水库淤积量 93
4.3.4 渭河流域水库淤积量测算 98
4.4 河龙区间水库淤积量 98
4.4.1 河龙区间大型水库淤积量 98
4.4.2 河龙区间中型水库淤积量 100
4.4.3 河龙区间小型水库淤积量 101
4.4.4 河龙区间水库淤积量测算 103
4.5 汾河流域水库淤积量 103
4.6 头道拐至潼关区间水库的拦沙作用及未来拦沙效益分析 106
4.6.1 水库总体淤积量 106
4.6.2 水库库容淤积率 107
4.6.3 水库未来拦沙效益分析 108
4.7 典型水库群调控模式对进入下游河道泥沙的影响 109
4.7.1 无定河流域拦沙水库现状 110
4.7.2 无定河流域水库群运用方式 113
4.7.3 无定河流域水库群运用方式对进入下游泥沙的影响 115
4.8 本章小结 115
参考文献 116
第5章 淤地坝系拦沙效益及拦沙能力变化 118
5.1 淤地坝时空分布特征 118
5.1.1 黄土高原淤地坝建坝历程 118
5.1.2 黄土高原淤地坝空间分布 119
5.1.3 主要流域淤地坝分布及拦沙量分析 121
5.2 黄土高原淤地坝淤积特征分析 126
5.2.1 不同地貌区地貌特征分析 127
5.2.2 不同地貌区淤地坝库容特征*线 128
5.2.3 骨干坝淤积特征 129
5.2.4 中型坝淤积特征 131
5.2.5 不同类型淤地坝淤积特征汇总 133
5.3 典型区域淤地坝系拦沙效益分析 135
5.3.1 黄土丘陵沟壑区**副区 137
5.3.2 黄土丘陵沟壑区第二副区 140
5.3.3 黄土丘陵沟壑区第三副区 142
5.3.4 黄土丘陵沟壑区第四副区 143
5.3.5 黄土丘陵沟壑区第五副区 144
5.3.6 石质山岭区 146
5.4 淤地坝拦沙量估算方法 148
5.4.1 建模原理 148
5.4.2 淤积量测量 152
5.4.3 黄土高原淤地坝2011～2017 年淤积量估算 152
5.5 淤地坝未来拦沙能力分析 154
5.5.1 总体淤积情况分析 154
5.5.2 分区域淤积情况分析 158
5.5.3 淤积典型分析 159
5.5.4 仍有拦沙能力淤地坝识别 163
5.6 本章小结 164
参考文献 165
第6章 淤地坝系调峰消能机理与模拟 166
6.1 淤地坝系水动力过程模拟 168
6.1.1 “7 15”洪水模型验证 168
6.1.2 流域坝系内部洪水过程演变 170
6.2 不同重现期淤地坝系水动过程模拟 174
6.2.1 洪峰流量对比 175
6.2.2 径流能量削减对比 177
6.3 级联坝系对设计暴雨洪水的影响分析 179
6.4 淤地坝淤积过程对径流侵蚀动力的影响 183
6.4.1 淤地坝淤积过程对径流动能的影响 183
6.4.2 淤地坝淤积过程对径流势能的影响 185
6.4.3 淤地坝淤积过程对径流侵蚀功率的影响 187
6.4.4 淤地坝坝系效应概化研究 187
6.5 本章小结 190
参考文献 191
第7章 流域侵蚀能量时空分布格局 192
7.1 流域水沙能量动力关系模拟 192
7.1.1 流域径流输沙关系物理解析 192
7.1.2 径流侵蚀功率 192
7.2 无定河流域水沙及侵蚀能量空间分布特征 194
7.2.1 径流侵蚀功率与输沙关系分析 194
7.2.2 流域径流输沙的空间分布 196
7.2.3 无定河流域径流侵蚀功率的空间分布 198
7.2.4 无定河流域径流侵蚀功率的空间尺度效应 199
7.3 大理河流域水-能-沙时空分布规律 201
7.3.1 流域水文要素的空间分布规律 201
7.3.2 流量、输沙量、径流侵蚀功率的汇聚过程 202
7.3.3 径流模数的时空分布 205
7.3.4 输沙模数的时空分布 207
7.3.5 径流侵蚀功率的时空分布 209
7.3.6 径流模数、输沙模数、径流侵蚀功率的关系 212
7.4 延河流域侵蚀能量空间分布及其与生态建设响应关系 213
7.4.1 延河流域径流侵蚀功率的空间分布 214
7.4.2 延河流域径流侵蚀功率的空间尺度效应 214
7.4.3 径流侵蚀功率时空分布与流域环境及生态建设响应关系 218
7.5 本章小结 221
参考文献 222
第8章 级联坝系布局及其对水沙动力的调控作用 223
8.1 王茂沟流域坝系布局分析 223
8.1.1 坝系单元划分 223
8.1.2 坝系级联物理模式 223
8.2 坝系布局对径流过程的影响 224
8.2.1 不同坝型组合对径流过程影响 224
8.2.2 不同坝系级联方式对径流过程的影响 227
8.3 单坝对沟道径流侵蚀动力过程的调控作用 229
8.3.1 建坝前后流速随时间的变化 229
8.3.2 建坝前后径流剪切力随时间的变化 230
8.3.3 建坝前后径流功率随时间的变化 232
8.3.4 建坝前后单位水流功率随时间的变化 233
8.4 坝系布局对沟道径流侵蚀动力过程的调控作用 234
8.4.1 流速的时空变化 235
8.4.2 径流剪切力的时空变化 236
8.4.3 径流功率的时空变化 237
8.4.4 径流能量的时空变化 238
8.4.5 径流侵蚀功率的空间变化 240
8.5 坝系级联方式对沟道侵蚀动力过程的调控作用 240
8.5.1 流速随时间变化 241
8.5.2 径流剪切力随时间变化 241
8.5.3 径流功率随时间变化 242
8.5.4 径流侵蚀功率空间分布 242
8.5.5 坝系布局对流域输沙量的调控作用 244
8.6 淤地坝系结构与布局对水沙变化的作用 246
8.6.1 坝型组合对小流域暴雨洪水过程的影响 246
8.6.2 坝系级联方式对小流域暴雨洪水过程的影响 247
8.6.3 淤地坝连通性与水沙输移响应关系 247
8.7 本章小结 249
参考文献 250
第9章 淤地坝淤积泥沙特性及其对流域泥沙的再分配作用 251
9.1 淤地坝对流域地形地貌的影响 251
9.2 坝地淤积泥沙的粒径分析 252
9.2.1 坝地淤积泥沙粒径统计特征 252
9.2.2 坝地淤积泥沙的质地分类 253
9.2.3 坝地淤积泥沙颗粒的粗化度 253
9.2.4 坝地淤积泥沙颗粒与分形特征 256
9.2.5 淤积泥沙颗粒分形维数与淤积泥沙性质的关系 258
9.3 单坝与坝系泥沙淤积特征 260
9.3.1 不同类型单坝的淤积特征 260
9.3.2 坝系单元下的坝地泥沙淤积特征 261
9.3.3 王茂沟坝系坝地泥沙淤积特征 264
9.4 本章小结 265
参考文献 265
第10章 泥沙来源研究方法及流域泥沙来源辨识 266
10.1 黄土高原泥沙来源研究方法 266
10.2 典型坝系小流域泥沙来源辨识 267
10.2.1 内蒙古园子沟流域泥沙来源 267
10.2.2 横山元坪小流域泥沙来源 271
10.2.3 绥德埝堰沟小流域泥沙来源 278
10.3 黄土高原小流域泥沙来源变化 280
10.3.1 皇甫川流域 281