基于改进网格尺度Budyko模型的半干旱地区气候与植被对水文过程影响的解耦研究

针对半干旱地区水文过程中气候与植被影响难以区分的问题，研究人员通过改进网格尺度Budyko模型，结合Jialing河流域实测数据与室内水槽实验，揭示了悬浮能量损失(ΔW)与河道冲淤量(ΔV)的线性关系(R2=0.919)，提出临界悬浮能量阈值(0.27×1044 J)概念，为低含沙水流交汇区河床形态演化模型建立提供理论依据。

　　

在长江流域的复杂水系中，河流交汇区一直是水文动力学研究的难点。这些区域不仅是航运要道，更是防洪安全的关键节点。然而，主支流交汇时产生的复杂水流结构和泥沙运动，常常导致河床形态剧烈变化，直接影响航道稳定和沿岸生态。尤其值得注意的是，以往研究多聚焦于高含沙水流（如黄河），而对长江这类低含沙水流的交汇机制认识不足。更关键的是，传统研究多从水力参数角度分析，鲜有从能量视角揭示泥沙输移与河床演变的本质规律。

针对这一科学空白，西安理工大学旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室的研究团队创新性地将能量理论引入低含沙水流交汇区研究。他们通过精心设计的室内水槽实验（主槽长30m，支槽长6m，设置90°和60°交汇角），结合Jialing河流域2007-2023年的水文观测数据，首次系统揭示了悬浮能量与泥沙运动的定量关系。相关成果发表在《Journal of Immunological Methods》上，为河流治理提供了全新理论工具。

研究主要采用三种关键技术：1）声学多普勒流速仪(ADV)三维流速测量（采样频率25Hz），通过相位空间法去噪；2）激光粒度分析仪(Bettersize 2000)测定泥沙粒径分布；3）基于Chen Xujian公式计算悬浮能量(W=(γ_s-γ)/γ_s·QSω·t)，结合Stokes方程修正沉降速度。野外数据选取Jialing河流域小河坝、北碚等4个水文站点的年际观测序列。

研究结果可分为四个重要发现：

1. 水流速度分布特征：实验显示交汇后断面平均流速呈"升高-降低-再升高"趋势，分离区流速最低仅0.042m/s，而最大流速出现在下游12断面（0.595m/s）。这种非均匀分布与交汇角（90°/60°）和流量比(γ=Q₂/(Q₁+Q₂))密切相关。

2. 泥沙分布规律：泥沙浓度与中值粒径(D₅₀)在交汇区6-7断面达到峰值（D₅₀从7.98μm增至10.46μm），证实分离区是主要沉积带。飞灰模拟实验显示，当含沙量>7kg/m3时会出现显著的能量峰值。

3. 能量场特征：湍流动能(TKE)在X=1.3-2m区域最高，而悬浮能量分布受含沙量影响更大。关键突破在于发现悬浮能量损失ΔW与冲淤量ΔV的线性关系(R2=0.922)，显著优于TKE的拟合效果(R2=0.501)。

4. 自然河流验证：Jialing河三流交汇区的年尺度数据证实，当考虑所有支流（特别是输沙量大的涪江）时，ΔW与ΔV的关系式ΔV=1.11172ΔW-0.30367具有极高精度(R2=0.919)。研究首次确定该区域泥沙平衡的临界能量阈值为0.27×10⁴⁴ J。

在讨论部分，作者指出这项研究的双重创新：一方面揭示了低含沙交汇区与高含沙水流相似的水沙运动规律，另一方面建立了普适性的能量-泥沙关系框架。不过，临界阈值具有地域特异性，推广时需结合当地参数重新标定。值得关注的是，涪江支流的贡献占比分析表明，输沙量最大的支流对拟合精度提升具有决定性作用（R2从0.156跃升至0.844）。

这项研究为河床演变预测提供了新范式，其建立的悬浮能量指标可广泛应用于航道整治、生态修复等工程实践。未来研究需进一步考虑植被覆盖、河床形态等环境因子的影响，并在日尺度等更精细时间维度上验证模型的适用性。该成果不仅填补了低含沙水流能量理论的空白，也为长江经济带的水运安全与生态保护提供了科学支撑。