●前言
第1章 緒論 1
1.1 黃河流域水沙變化研究現狀與問題 1
1.1.1 變化環境下水沙演變規律 1
1.1.2 水沙變化歸因分析 3
1.1.3 水土流失過程與水沙效應 5
1.1.4 水沙變化趨勢預測 7
1.1.5 水沙調控理論與技術 8
1.2 研究區概況 10
1.2.1 黃河流域 10
1.2.2 黃土高原 11
1.2.3 主要產沙區 14
1.2.4 典型流域 15
1.3 研究資料與方法 17
1.3.1 資料收集 17
1.3.2 實驗開展 18
1.3.3 研究方法 28
1.3.4 技術路線 31
第2章 黃河流域降水與下墊面演變過程 32
2.1 降水變化特征 32
2.1.1 黃河流域降水變化特征 32
2.1.2 黃土高原降水變化特征 33
2.1.3 主要產沙區降水變化特征 38
2.2 下墊面演變特征 50
2.2.1 植被覆蓋時空變化 50
2.2.2 梯田時空變化 58
2.2.3 淤地壩時空變化 61
2.2.4 水庫分布特征 66
第3章 黃河流域水沙時空演變及其分異規律 69
3.1 流域水沙時空演變 69
3.1.1 上遊水沙變化 69
3.1.2 中遊水沙變化 79
3.1.3 主要產沙區水沙變化 91
3.2 典型流域侵蝕產沙特征與水沙關繫變化 99
3.2.1 典型流域侵蝕產沙反演 99
3.2.2 典型流域水沙關繫變化 112
第4章 黃河典型流域產彙流機制與產輸沙規律 123
4.1 流域場次暴雨-洪水-輸沙關繫變化 123
4.1.1 典型場次暴雨洪水事件篩選 123
4.1.2 場次暴雨-洪水和暴雨-輸沙過程變化 124
4.1.3 場次暴雨-洪水和暴雨-輸沙關繫變化 131
4.2 流域降雨-產輸沙關繫變化 133
4.2.1 典型流域降雨-產沙關繫變化 133
4.2.2 典型流域徑流-輸沙關繫變化 135
4.2.3 入黃支流徑流-輸沙關繫變化 140
4.3 主要產沙區產彙流機制辨析 147
4.3.1 流域產彙流機制辨析方法 147
4.3.2 典型流域產彙流機制演化辨析 150
第5章 黃河流域水沙變化主要影響因素驅動機理及其貢獻率 159
5.1 坡面措施對流域水沙變化的影響 159
5.1.1 林草植被對流域水沙過程的影響 159
5.1.2 梯田對流域水沙過程的影響 168
5.1.3 林草和梯田對流域水沙過程的耦合調控作用 171
5.2 淤地壩對流域水沙變化的影響 178
5.2.1 淤地壩繫對溝道侵蝕動力過程調控 178
5.2.2 淤滿淤地壩水沙阻控機制 191
5.2.3 潰決淤地壩泥沙輸移機制 208
5.3 水庫淤積與風沙入黃對流域水沙變化的影響 222
5.3.1 河潼區間水庫淤積量 222
5.3.2 河潼區間水庫的攔沙效應 224
5.3.3 風沙入黃對黃河水沙變化的影響 226
5.4 水沙變化的多因素協同機制與群體貢獻率 230
5.4.1 泥沙來源與貢獻率識別 230
5.4.2 水沙變化驅動因子貢獻率及群體效應 236
第6章 黃河流域水沙變化趨勢預測模型構建 241
6.1 多因子驅動的黃河流域分布式水沙模型 241
6.1.1 模型構建 242
6.1.2 模型率定與驗證 255
6.2 流域水沙動力學過程模型 262
6.2.1 模型框架 262
6.2.2 模型通用技術 267
6.2.3 模型率定與驗證 283
6.3 SWAT模型改進與驗證 295
6.3.1 模型閉合參數和閉合關繫 295
6.3.2 模型率定與驗證 297
6.4 產沙指數模型 299
6.4.1 不同類型區產沙指數計算方法 299
6.4.2 模型驗證 304
6.5 HydroTrend模型 304
6.5.1 模型修正 304
6.5.2 模型率定 305
6.6 GAMLSS模型 308
6.6.1 模型原理 308
6.6.2 典型流域徑流和輸沙模型構建 311
6.7 基於機器學習法的水沙預測模型 313
6.7.1 預測模型構建 313
6.7.2 多模型預測結果 317
6.7.3 很優模型選取 319
6.8 基於人工智能法的水沙預測模型 322
6.8.1 基於XGBoost算法的模型構建 323
6.8.2 典型流域徑流過程模擬效果 326
6.9 基於頻率分析的沙量預測模型 328
第7章 未來30～50年黃河流域水沙變化趨勢預測 331
7.1 未來氣候變化多模式預估及不確定性 331
7.1.1 未來氣候演變趨勢 332
7.1.2 未來降水變化趨勢及不確定性 334
7.1.3 基於CMIP6模式的未來降水預估及不確定性 349
7.2 黃土高原植被恢復潛力預測 354
7.2.1 植被類型變化過程 354
7.2.2 植被類型變化趨勢預測 357
7.2.3 相似生境方法的植被潛力預測 363
7.3 未來30～50年黃河流域水沙變化多模型預測 367
7.3.1 流域分布式水沙模型的徑流預測 367
7.3.2 流域水沙動力學過程模型的泥沙預測 372
7.3.3 改進SWAT模型的泥沙預測 374
7.3.4 HydroTrend模型的泥沙預測 384
7.3.5 產沙指數模型的泥沙預測 387
7.3.6 人工智能法模型的泥沙預測 394
7.3.7 集合機器學習模型的水沙預測 398
7.3.8 GAMLSS模型的水沙預測 410
7.3.9 其他方法的泥沙預測 416
第8章 黃河流域未來30～50年水沙變化趨勢集合評估 419
8.1 典型流域的水沙變化歸因與預測方法適用性評價 419
8.1.1 現有模型預測結果分析 419
8.1.2 基於標準化數據輸入的現有預測結果分析 421
8.2 水沙變化模擬-預測集合評估技術 423
8.2.1 集合評估技術框架與指標體繫 423
8.2.2 集合評估技術應用———以皇甫川流域為例 434
8.2.3 集合評估技術應用———以無定河流域為例 446
8.3 未來30～50年黃河流域水沙變化趨勢集合評估 460
8.3.1 不同模型水沙模擬精度評價 460
8.3.2 黃河流域水沙預測 463
8.3.3 黃河流域水沙預測成果比較 465
第9章 黃河流域特別降雨事件洪沙特征與未來可能沙量 468
9.1 特別降雨洪水泥沙事件表征指標及其特征值變化 468
9.1.1 特別降雨事件表征指標 468
9.1.2 特別降雨洪水泥沙指標變化 471
9.2 不同下墊面情景特別降雨的可能產沙量 481
9.2.1 特別降雨事件可能情景 481
9.2.2 河龍區間特別降雨可能產沙量 483
9.3 特別降雨事件下典型流域治理成效評價 488
9.3.1 延河2013.7和1977.7特別暴雨水沙特征對比 488
9.3.2 西柳溝2016.8.17暴雨洪水泥沙事件 495
9.3.3 無定河2017.7.26暴雨洪水泥沙事件 502
9.4 1933.8特別暴雨在現狀下墊面下可能沙量反演 518
9.4.1 暴雨過程及其特征 518
9.4.2 現狀下墊面可能產沙量 521
9.5 黃河泥沙近期波動成因解析 527
9.5.1 近期“大沙年”潼關沙量來源解析 527
9.5.2 特別降雨潼關沙量解析 528
第10章 黃河流域水沙調控閾值體繫 531
10.1 黃河流域水沙調控閾值體繫構建 531
10.2 黃土高原侵蝕性降雨及水土保持措施水沙調控閾值 533
10.2.1 降雨侵蝕力閾值 533
10.2.2 林草植被覆蓋閾值 536
10.2.3 梯田布局閾值 538
10.2.4 淤地壩配置閾值 540
10.3 黃河上遊寧蒙河段平灘流量閾值 548
10.3.1 防洪需求的平灘流量 548
10.3.2 防凌需求的平灘流量 549
10.3.3 輸沙塑槽需求的平灘流量 551
10.3.4 與未來不同水沙過程適應的平灘流量 554
10.4 黃河中遊潼關高程閾值 555
10.4.1 潼關高程與水沙過程的響應關繫 555
10.4.2 潼關高程閾值分析 558
10.5 黃河下遊河道平灘流量閾值 566
10.5.1 平灘流量變化過程 566
10.5.2 平灘流量與水沙過程的響應關繫 568
10.5.3 平灘流量閾值分析 571
10.6 黃河河口穩定沙量閾值 580
10.6.1 河口穩定沙量的概念 580
10.6.2 河口穩定沙量閾值分析 580
第11章 黃土高原水土流失治理格局變化與調整對策 583
11.1 水土流失治理分區 583
11.2 水土保持措施時空格局變化 584
11.2.1 嚴重水土流失區水土保持措施時空格局變化 585
11.2.2 中度水土流失區水土保持措施時空格局變化 593
11.2.3 輕微水土流失區水土保持措施時空格局變化 599
11.3 水土流失治理潛力和需求分析 602
11.3.1 林草措施恢復潛力 602
11.3.2 梯田措施布局潛力 609
11.3.3 淤地壩措施配置潛力 613
11.4 未來黃土高原水土流失治理格局調整 617
11.4.1 新形勢下黃土高原水土流失治理格局調整方向 617
11.4.2 新形勢下黃土高原水土流失防治策略 619
第12章 新水沙情勢下黃河流域保護和治理策略與措施 623
12.1 黃河水沙調控與防洪減淤 623
12.1.1 防洪減淤和水沙調控運行現狀與效果 623
12.1.2 未來防洪減淤和水沙調控需求 632
12.1.3 未來防洪減淤和水沙調控模式 643
12.2 未來30～50年黃河保護和治理策略與措施 649
12.2.1 現狀治理規劃的適應性 649
12.2.2 流域水土流失適宜治理度與河道輸沙平衡 652
12.2.3 新水沙條件下黃河保護和治理策略與措施 662
12.2.4 新水沙條件下黃河下遊寬河段改造效果分析 667
參考文獻 676

本書根據國家重點研發計劃項目“黃河流域水沙變化機理與趨勢預測”的研究成果繫統總結而成。《黃河流域水沙變化機理與趨勢預測》以黃河流域坡面-溝道-流域-區域等多尺度與林草-梯田-淤地壩-水庫等多措施耦合為研究對像，基於數據與平臺—過程與機理—模型與預測—評價與對策等全鏈條設計，圍繞強人類活動影響下的黃河流域水沙變化機理與未來發展趨勢中的基本理論和關鍵技術開展研究，揭示近百年黃河水沙演變規律，辨識流域水沙變化多因素耦合驅動機制及貢獻率，研發多因子耦合驅動的流域分布式水循環模型與流域泥沙動力學過程模型，構建流域水沙變化趨勢集合評估技術，預測未來30～50年黃河水沙量，提出維持黃河健康的水沙調控閾值體繫與新水沙情勢下黃河保護和治理的策略與措施。