Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 黄河内蒙段千年尺度河道冲淤演变过程及机理研究 | |
| 其他题名 | Mechanism and scour-silting processes of the Yellow River in the Inner Mongolian Reach on a millennial time scale |
| 汪敬忠 | |
| 出版年 | 2015 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 吴敬禄 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 黄河内蒙段的河套平原是我国最大的灌区之一，是西北重要的产粮区和能源基地，具有重要的经济地位。黄河内蒙古段水沙关系复杂，河道演变剧烈，也是黄河上游与中下游之间水沙关系调节的关键河段。该河段由于河床淤积，河道堵塞，河床行洪、行凌能力降低，洪灾、凌灾频繁发生，已严重威胁区域内生命财产安全和水资源的可持续利用。防治新悬河，维护黄河健康，保障内蒙河段和下游的洪凌安全，迫切需要了解河道冲淤演变的过程及其规律，以便提出科学的调控对策和合理的治理方案。据此，本文在近现代河道变迁特征与规律研究基础上，通过对高分辨率钻孔岩芯的多学科综合分析研究，揭示黄河内蒙段千年尺度河道冲淤演变的基本规律和河道变迁过程，探讨黄河河床粗泥沙淤积变化与河道时空演变的驱动因素，为黄河泥沙、洪水灾害的防治提供理论依据。研究主要成果有如下三个方面： 1）通过对石嘴山、巴彦高勒、三湖河口以及头道拐四个水文站监测数据分析，研究了内蒙古段黄河近60年来年径流量和输沙量、冲淤演变以及沉积速率的时空变化特征。近60年来，受上游的刘家峡水库与青铜峡水库，尤其是龙羊峡水库等一系列水库联合运行影响，研究区河道年径流量和输沙量发生明显变化，年径流量减小约二分之一，输沙量约减小三分之一。受气候和人类活动影响，黄河内蒙段河道冲淤状态也发生了显著改变。黄河内蒙段1954 ~ 2006年数据显示整个河段均呈淤积状态，年均淤积量为0.496亿t，河床的海拔高度平均上升约0.15 ~ 2.65 m。通过不同物源区沉积物的粒度形态和参数特征以及重矿物和元素等多指标分析，识别了不同沉积环境沉积物粒度特征以及重矿物和元素等标型特征，划分了不同的沉积相，并建立重矿物与元素等不同辨别标志，利用端元模型定量计算不同物源区对河床粗沙的贡献率，并将计算结果与已有的监测数据比较，结果较为一致。结果表明，乌兰布和沙漠段河床水沙和风沙的平均贡献率分别约31.2%和66.8%；库布齐沙漠段平均贡献率分别为69.2%和28.1%；十大孔兑段平均贡献率分别为35.7%和63.4%。其中，库布齐沙漠段河床粗泥沙以水沙为主，不同于其它河段。 2）河套地区的湖泊形成、演化与黄河的变迁密切相关。通过湖泊沉积岩芯的岩性特征以及多环境代用指标的分析，揭示湖泊演化与河道变迁的历史。本文通过河套地区湖泊沉积短芯和长芯的系列钻孔分析比较，并结合文献历史记载，重点对200年和2000年来两个时段湖泊记录的黄河变迁与环境演化进行了分析。以陈普海子和乌梁素海为典型，对河套地区近200年来不同沉积岩芯地层及环境指标分析，并应用多种统计方法，识别了近200年来不同沉积物组分的来源变化，揭示了近200年来河套地区黄河河道变迁、风沙活动以及人类活动的历史。在此基础上，对研究区河道变迁的关键区域——乌兰布和沙漠北部的两个20 m钻孔岩芯进行岩芯扫描、粒度以及年代学等研究，分析了千年尺度湖泊演化与河道变迁的历史，重点探讨了近两千年来不同时间段河套地区黄河河道变迁的空间展布及其驱动因素。 深孔沉积记录表明，全新世以前河套地区河流发育，钻孔岩性及各指标揭示了当时以河湖相交替为主沉积环境。全新世早、中时期（约12.0 ~ 2.0 ka B.P.）沉积岩性主要表现为青灰色粘土的湖相沉积，包括太阳庙海子及其以东区域，曾经存在着一个大的湖泊水体，包含广义的古屠申泽，黄河北支并入其中。约2.0 ka 以来，黄河与大水体分离，湖泊萎缩，钻孔岩芯记录以风沙沉积为主，黄河北支东移。随后，以陈普海子为典型的系列短岩芯环境代用指标多种方法分析表明，1850年以前黄河对陈普海子以及乌梁素海等湖泊影响明显，并与北支黄河贯通。其后，总体上，河套地区系列小湖开始大范围形成而黄河北支逐渐废弃，改道南支，这也与文献记录一致。历史文献记载分析，汉朝至唐朝时期，黄河主流在河套平原北部，史称“北河”，“南河”只是黄河的一个支流，到清朝时期，“南河”成为主流，逐渐演化为现代黄河。清朝道光年间（约1850年），“北河”断流，西汊的黄河河道决口，大量河水滞留在乌兰布和沙漠北部地区。1850 ~ 1870年，北支已成为河套灌区的退水渠，在乌梁素海地区形成一段南北走向的河道，乌梁素海与牧羊海子地区的洼地积水而形成河迹湖。湖泊沉积记录与历史文献记载一致，揭示了黄河内蒙段的变迁历史过程及其环境特征。 3）通过系列河道钻孔地层对比分析，结合年代学研究，运用多种统计学分析方法和端元模型，定量分析了研究区河道不同时期粗泥沙来源的贡献率以及沉积速率变化，并探讨其驱动因素。 在建立岩芯年代序列基础上，根据研究区不同河段典型钻孔不同时段的沉积环境特征以及粒度、磁化率、元素等环境代用指标的变化，应用统计学方法，对河道钻孔进行地层划分比较，总体上研究区沉积环境可分为三个阶段：10.0 ~ 4.0 ka B.P.、4.0 ~ 1.0 ka B.P.以及1.0 ka B.P. ~现今。通过主要源区与河道沉积物的指标对比，以及百年来系列沉积岩芯指标的比较验证，建立重矿物与元素的标型特征，定量分析了千年尺度主要源区对河道粗泥沙来源的贡献率，并进行了误差评估，计算相对平均误差均小于20%，GOF大于0.80。研究结果表明，不同时期主要物源区对河道沉积物粗泥沙来源的贡献率在空间上存在明显差异。在乌兰布和沙漠段，约10.0 ~ 4.0 ka B.P.，河道沉积物粗泥沙主要来自水沙，其贡献率平均为82.1%，沙漠风沙平均为14.5%；约4.0 ~ 1.0 ka B.P.，沙漠沙贡献率有明显的增加趋势，其贡献率平均为36.2%，而约1.0 ka B.P. ~现今，沙漠风沙贡献率进一步增加，平均贡献率达65.8%。在库布齐沙漠段，约10.0 ~ 4.0 ka B.P.，河道沉积物粗泥沙主要来自水沙，其贡献率平均为78.4%，沙漠风沙平均为15.2%；约4.0 ~ 1.0 ka B.P.，沙漠沙贡献率有所增加，平均为27.8%，而约1.0 ka B.P. ~现今，水沙贡献率仍为主要来源，平均为54.9%，沙漠风沙贡献率有增加的趋势，平均贡献率为36.6%；在十大孔兑段，约10.0 ~ 4.0 ka B.P.，水沙平均贡献率为81.3%，而沙漠风沙平均贡献率为12.5%；约4.0 ~ 1.0 ka B.P.，沙漠沙贡献率有上升趋势，平均为29.7%；约1.0 ka B.P. ~现今，沙漠风沙显著增加，平均贡献率达58.2%。研究区河道粗泥沙来自沙漠沙的贡献量均呈现明显的上升趋势，尤其是乌兰布和沙漠段和十大孔兑段，近千年来沙漠沙的贡献量明显高于前期。 研究区千年尺度河道钻孔岩芯的沉积速率表现时空差异的特征。时间上，约10.0 ~ 4.0 ka B.P.，平均沉积速率为0.121 cm/a，最大沉积速率为0.242 cm/a，最小沉积速率为0.025 cm/a；约4.0 ~ 1.0 ka B.P.，河道平均沉积速率比其它时段大，平均沉积速率为0.189cm/a，最大沉积速率为0.393 cm/a，最小沉积速率为0.036 cm/a；1.0 ka B.P. ~现今，平均沉积速率为0.155 cm/a，最大沉积速率为0.287cm/a，最小沉积速率为为0.063 cm/a。空间上，河道从上游至下游沉积速率有逐渐增大的趋势，其中乌兰布和段沉积速率最低，库布齐段次之，而十大孔兑段沉积速率最大。研究区黄河河道不同时空的泥沙来源以及沉积速率的变化和差异体现了不同的驱动因素。在10.0 ~ 4.0 ka B.P.，河套地区黄河演化主要受构造运动和气候变化的综合影响。在此时期或更早时期，受下游阻塞顶托，造成大面积滞水，并形成系列大小不等的湖泊水体，其中古屠申泽为当时最大水体。由于当时气候总体湿润，河道径流量加大，冲刷作用加强，导致平均沉积速率低。约2.0 ka B.P.开始，人类活动不同程度的影响了河道的变迁。约1850年，“北河”被泥沙逐渐淤塞并发生断流，“南河”东流逐渐形成现代黄河，乌梁素海等地区的洼地积水而形成河迹湖。近60年来黄河河道两岸的堤防位置基本固定，黄河河道几乎在人类的束缚作用下发生变化，由于上游水库联合作用、气候因素以及人类灌溉等使得河床年径流量、年输沙量以及沉积速率在时空上的变化差异更趋明显。 |
| 英文摘要 | Hetao Plain that lies in the the Inner Mongolian section of the Yellow River is an important energy and grain production base and has a significant economic status in the northwestern China. There are complex relationship between water and sediment in Inner Mongolia section of the Yellow River, where the river channel evolution is fierce. The study area is the key scetion that regulates the relationship between water and sediment in upstream and middle even lower reaches of the Yellow River. Serious catastrophes, such as bank accretion, frequently flood in the summer associated with melting ice flood, have been threating the local people and also affecting the water resources sustainable utilization. Preventing and controlling perched river, maintaining the Yellow River health, and ensuring the safety of ice flood in the the Inner Mongolian section of the Yellow River and downstream, scour-silting processes and mechanism should be well known urgently, then the countermeasures for scientific and reasonable management plan should be proposed. Therefore, through the chronology and sedimentology research of the high resolution ratio cores, combined with the historical literature, the basic rules of deposition evolution and channel change process were revealed in the Inner Mongolia reach of the Yellow River river in one thousand scale, and the quantitative analysis model was established, the contribution ratios of different coarse sediment source area were estimated for the coarse sediment deposition of the Yellow River. On this basis, theoretical foundation was provided for the prevention and control of the sediment and flood disasters in the Yellow River. The main there results of this research are as followes: 1) By analyzing four hydrometric stations, such as Shizuishan Bayangaole, Sanhuhekou, Toudaoguai, monitoring data, the spatial and temporal variations characteristics of annual runoff and sediment discharge, scour and silting evolution, deposition rate change are researched in the Inner Mongolia section of Yellow River. For nearly 60 years, Because of the upper reaches of the Liujiaxia reservoir and Qingtongxia reservoir, especially the Longyangxia reservoirs and other reservoir unified operations, annual runoff and sediment discharge has obviously changed, and annual runoff has reduced half and sediment discharge has decreased about a third in study area. Affected by the climate and human activities, the state of scour and silting has also significant changed in Inner Mongolia section the Yellow River. According to the data from 1954 to 2006 in study area, river channel was in siltating status on the whole river section, and annual average sediment deposition was 0.496 million ton, the altitude of the riverbed was risen about 0.15 ~ 2.65 m in average. Through grain size morphology and parameter characteristics and heavy mineral, element and multi-index analysis of sediment that came from different sources, the different sedimentary environment sediment granularity characteristic and typomorphic characteristics of heavy mineral and element were identified, the different sedimentary facies were divided, and different identifying signs of heavy mineral and element were established, and the meta model analysis method was applied and quantitative calculating the contribution rate of coarse sand source in different river section. Then made the calculated results compare with the monitoring data, and the results showed good agreement. The results showed that the average contribution rate of the riverbed that came from water sand and wind sand were about 31.2% and 31.2% respectively; the average contribution rate were 69.2% and 28.1% respectively in Kubuqi desert section; the average contribution rate were 35.7% and 63.4% respectively in ten tributaries section. Among them, in Kubuqi desert section, coarse sediment of the river channel was mainly derived from water sand, and different from others. 2) Formation and evolution of |
| 中文关键词 | 黄河内蒙段 ; 冲淤演变 ; 河道变迁 ; 泥沙来源 ; 端元模型 ; 驱动因素 |
| 英文关键词 | the Inner Mongolian section of the Yellow River scour-silting evolution channel change sediment source quantitative analysis model driving factor |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 自然地理学 |
| 来源机构 | 中国科学院南京地理与湖泊研究所 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/287559 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 汪敬忠. 黄河内蒙段千年尺度河道冲淤演变过程及机理研究[D]. 中国科学院大学,2015. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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