1 成果简介我国山区河流众多，许多河流的河床侵蚀下切，并以溯源冲刷方式传播到上游沟谷，引起沟坡增大，岸坡失稳和整个流域的土壤侵蚀，在汛期暴雨作用下，常常引发崩塌、滑坡和泥石流等自然灾害。阶梯深潭系统是山区河流中常见的一种河流地貌形态，由一段陡坡和一段缓坡相间组成，在纵剖面上呈阶梯状。天然阶梯深潭系统是在水流冲刷过程中自然形成的，是一种增加河床阻力、消减水流能量、抑制河床侵蚀下切的健康河床结构，这种结构在自然界具有较大的稳定性。然而，自然发育阶梯-深潭系统往往需要经过较长的时间，在具备一定条件的山区河流，模仿天然阶梯深潭系统建造人工阶梯深潭系统，也可以取得控制河流下切、避免或减少地质灾害的效果。自 2006 年开始，清华大学先后在云南、四川、甘肃等省，开展了人工阶梯深潭系统在山区河流治理方面的野外试验研究。研究成果显示，人工阶梯深潭系统不仅能够有效地控制河流（沟谷）下切、改善河流生态环境，对于泥石流灾害也具有明显的防治作用。目前，对于阶梯深潭系统发育程度（河床结构强度）的研究正在进一步量化；同时研制了一批专用的测量工具，如用于测量河床结构的“ 河床结构测量排” 、用于阶梯深潭系统流速场测量的“ 湍流脉动流速仪” 等；阶梯深潭系统的消能减灾机理研究正在不断深入。通过对阶梯深潭系统生物栖息地多样性的定量研究，采用大型无脊椎底栖动物对山区河流的生态多样性进行评价，为山区河流生态评价量化指标体系的建立奠定了基础。  治理前                                              治理后生态条件改善，河床稳定 图 1 吊嘎河人工阶梯深潭治理前后  修建前沟道内碎石散乱                            修建后沙石沉积水沙分离，控制了泥石流发生 图 2 建造人工阶梯-深潭系统前后的文家沟  汛期前                                                  汛期后阶梯深潭系统泥沙淤埋 图 3 拦山沟人工阶梯-深潭系统治理汛期前后2 应用说明实例 1：云南东川市吊嘎河（小江流域支流）人工阶梯深潭方法试验。近年来吊嘎河的河床下切迅速，同时带来了一系列的地质灾害与生态环境问题。 2006 年，课题组在吊嘎河设立了试验站，开展了人工阶梯深潭方法试验研究。试验结果表明，试验段水面面积有所增大，河床底质、水深和流速多样性也得到提升，河床侵蚀下切得到有效控制，维持了较为稳定的河床环境。人工阶梯和深潭段的河床底质、流速和水深环境交替出现，在空间层次上塑造了富于变化和多样性的水生动物栖息环境。对大型底栖无脊椎动物的采样及评价结果显示，人工阶梯深潭布置后，随着水生栖息地多样性增加，单位面积底栖动物密度、物种丰度及生物群落多样性指数均呈上升趋势，水生生态得到改善。吊嘎河的试验成果，还为 2009年以来采用人工阶梯深潭方法治理泥石流奠定了基础。 实例 2：四川省绵竹市清平乡文家沟滑坡堆积体泥石流治理方法试验。文家沟滑坡是汶川地震造成的第二大滑坡，滑坡堆积体总量达 8160 万方，文家沟内堆积体厚度达 20-180 米。2008 年暴雨在滑坡体上形成深达 50 米的 V 型冲沟，并引发了多次泥石流灾害。暴雨使沟床不断下切，两岸坡度变陡而坍塌，碎屑物进入水流就形成泥石流。 2009 年，课题组在文家沟滑坡体上的冲沟内建造了 33 级人工阶梯深潭对泥石流进行治理，取得了良好的效果。所建造的人工阶梯深潭试验工程虽然十分简易、单薄，但是工程造成的巨大阻力消减了水流能量，使沙石沉积、水沙分离，成功地控制了沟床下切，对于控制泥石流发挥了重要作用，避免了泥石流灾害的发生。 实例 3：甘肃省礼县拦山沟泥石流治理。长江上游白龙江、西汉水等流域是典型的干旱河谷，其特点是高原上深切宽阔河谷，河谷比周围高原明显干旱。区域内植被覆盖度低，由于长期干旱和风化，流域内积累了大量的土石碎屑，遭遇突发暴雨时可能发生滑坡和特大泥石流，对城镇和村庄造成极大威胁。甘肃武都地区礼县的拦山沟是西汉水的支流，由于沟谷深切，侵蚀极为强烈，泥石流常常发生，据调查沟口泥石流堆积泥沙约 170 万吨。 2009 年 6月课题组在拦山沟开展了泥石流治理试验，建造了 17 级人工阶梯深潭试验工程。试验结果表明，沟道在人工阶梯深潭系统的保护下不再下切，维持了沟岸的稳定，且阶梯深潭系统消散水流能量，使得泥石流不能起动，当年 6、 7、 8 月降雨 196.8 mm，其中最大日降雨量达31.9 mm， 拦山沟仅有不足 100 吨泥沙物质进入西汉水，达到了控制泥石流的目标。3 效益分析阶梯深潭系统发育较好的山溪常常伴随着良好的河流生态环境和优美的溪流景观，因此仿照天然的人工阶梯深潭系统常用于河流的生态修复与景观塑造，用于山溪森林公园建设可带来额外的休闲旅游经济收益。4 合作方式技术转让或合作开发，商谈。5 所属行业领域能源环境。

项目成果/简介:本服务体系主要依托 SPARROW 模型，它是一款由美国国家地质调查局（USGS）开发的非线性流域污染物评估模型，其介于传统统计学模型与机理模型之间，用于估计流域地表水体中污染物负荷与污染源之间的关系。是美国 TMDL 计划推荐流域模型方法之一。 原始 SPARROW 模型基于 SAS（统计分析系统）平台运行，使用 IML 语言编写，其嵌套的统计模块可以轻松调用非线性加权最小二乘法（NWLS）进行方程的求解，完成所需参数的估计，虽然SPARROW 本身可以免费使用，但是 SAS 平台购买费用不菲，为此我们基于 SPARROW 模型的原理，使用 FORTRAN 语言开发了面向我国特点的具有空间响应特性的水环境管理模型，简化了原SPARROW 模型中不适用于中国的模块，并增加 jackknife 不确定性分析模块，按照中国水环境管理需求补充可能实现的模块，优化模型功能，改善人机交互形式，使数据输入及模型运行更加方便易学并符合中国的数据特点。利用 ArcGIS 生成河网、划分子流域等，提取与整合必要的与流域河流属性相关的输入数据，并利用该平台将模拟结果进行可视化表达。应用范围:模型已应用于东北松花江流域、黄山新安江流域，成功完成对这些地区 N、P、COD 等污染负荷的空间解析，并设置敏感断面（松花江流域的同江断面，新安江流域的跨省断面--街口断面）进行溯源分析，能够为流域（区域）水环境管理决策的制定与实施提供技术支持。效益分析:（1）污染源空间解析：进行各子流域污染源组成比例分布预测以及各子流域的污染来源追溯等，由于监测站点只能评价静态的理化指标，SPARROW 模型则综合考虑流域内的地质地貌、气象要素等，通过监测数据追溯污染来源，分析来自不同污染源的污染量和比例，有针对性地对水质进行控制和管理，找出污染贡献最大的区域加以治理，实现投入产出的效益最大化； （2）面向水质达标的监测站点空间布局优化与设计：利用有限水质监测站点过去一段时间的监测数据外推流域内其他未监测河段 的水质情况，有效解决布设监测站点成本高、监测网络点位数量少、代表性差的问题，通过对流域整体水质状况的预测分析，找出水质较差河段，进而有效优化监测站点的空间设置，为水环境质量达标提供支持。 （3）面向敏感区（达标断面）的削减措施优化：例如海岸带、湖库、饮用水取水区、达标考核断面等，作为考核或评估断面进行污染物传输分析，分析上游各子流域对其污染贡献大小，甄别污染贡献最大的区域，优化管理措施的设置。

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本发明提供一种基于概率加权 FDC 法的河流生态需水量计算方法，包括径流资料系列排频分析， 将年均径流系列和逐月月均径流系列划分为丰平枯组；构建各月丰平枯组等级内的日流量历时曲线，选 取 90%历时点对应的流量作为生态需水量，计算初始丰平枯典型年的各月生态需水量；利用 Copula 函 数构建年月来水概率的联合分布，计算概率权重；利用上述计算得到的初始丰平枯典型年的各月生态需 水量和概率权重，计算最终丰平枯典型年的各月生态需水量。本发明方法为定

本发明公开了一种控制砒砂岩小流域沟道泥沙输移的植物治理方法，首次通过采用共生的灌草搭配模式并以特定形式的种植方式解决了一般植物谷坊无法拦截细沙且使用年限较短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本发明方法施工方便，成本低廉，且能极大提高植被的存活率，且不会对当地已形成的脆弱生态环境造成威胁，适宜大面积推广应用；本方法可以显著减少沟道内的水土流失和泥沙向下游的进一步输移，同时减缓了水流冲刷，储存了水分，改善了土壤，对沟道内防止泥沙输移、提高植物覆盖率具有重要意义。

本发明公开了一种控制砒砂岩小流域沟道泥沙输移的植物治理方法，首次通过采用共生的灌草搭配模式并以特定形式的种植方式解决了一般植物谷坊无法拦截细沙且使用年限较短的缺陷，提高了固土固沙蓄水能力；本发明方法施工方便，成本低廉，且能极大提高植被的存活率，且不会对当地已形成的脆弱生态环境造成威胁，适宜大面积推广应用；本方法可以显著减少沟道内的水土流失和泥沙向下游的进一步输移，同时减缓了水流冲刷，储存了水分，改善了土壤，对沟道内防止泥沙输移、提高植物覆盖率具有重要意义。

本服务体系主要依托 SPARROW 模型，它是一款由美国国家地 质调查局（USGS）开发的非线性流域污染物评估模型，其介于传统 统计学模型与机理模型之间，用于估计流域地表水体中污染物负荷与 污染源之间的关系。是美国 TMDL 计划推荐流域模型方法之一。 原始 SPARROW 模型基于 SAS（统计分析系统）平台运行，使 用 IML 语言编写，其嵌套的统计模块可以轻松调用非线性加权最小 二乘法（NWLS）进行方程的求解，完成所需参数的估计，虽然 SPARROW 本身可以免费使用，但是 SAS 平台购买费用不菲，为此 我们基于 SPARROW 模型的原理，使用 FORTRAN 语言开发了面向 我国特点的具有空间响应特性的水环境管理模型，简化了原 SPARROW 模型中不适用于中国的模块，并增加 jackknife 不确定性 分析模块，按照中国水环境管理需求补充可能实现的模块，优化模型 功能，改善人机交互形式，使数据输入及模型运行更加方便易学并符 合中国的数据特点。利用 ArcGIS 生成河网、划分子流域等，提取与 整合必要的与流域河流属性相关的输入数据，并利用该平台将模拟结 果进行可视化表达。

中亚山区是古丝绸之路重要廊道，对支持欧亚大陆民族迁徙和文明交流有着至关重要作用。以天山山区为核心的中亚水塔是锡尔河、伊犁河、楚河等国际河流的源头，研究表明随着全球变暖加剧，届时中亚山地更大规模的冰川退却，这意味着未来几十年这些国际河流下游地区人口可能会面临淡水资源减少的问题。

针对矿区地表径流和河道的重金属污染问题，结合矿区流域特点，在矿区径流汇集区构建以改性生物质材料、天然矿物以及甲壳质和微生物为填充材料三级拦截箱，当地表径流流经拦截箱时，在填料和微生物的共同作用下，吸附径流中重金属离子，实现地表径流中重金属有效削减。在河道构建挺水、浮水和沉水植物搭配的水生植物修复带，并辅以自主研发的生态浮床，利用不同植物对各重金属的富集特征及各植物间的协同强化作用，构建水生植物生态削减缓冲屏障，以进一步削减河道水体重金属。通过滨岸拦截沟和河道植物修复带，实现河道水体中重金属 V、Cr、As、Cd、Pb、Hg 浓度稳定低于地表 II 类水标准。