張 瑋, 楊明義,2, 張風(fēng)寶,2, 張加瓊，2， 趙恬茵

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

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黃丘區(qū)小流域壩地沉積泥沙粒徑剖面分布特征

張 瑋1, 楊明義1,2, 張風(fēng)寶1,2, 張加瓊1，2， 趙恬茵1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

壩地沉積泥沙記錄了壩控小流域內(nèi)土壤侵蝕特征及侵蝕環(huán)境演變的相關(guān)信息，是研究流域土壤侵蝕的重要媒介。研究通過在淤地壩內(nèi)洪水沖開的一個(gè)11.66 m的垂直剖面上按沉積旋回自下而上分層取樣，分析沉積泥沙不同組分百分含量、特征粒徑的剖面變化規(guī)律。結(jié)果表明： 1) 淤地壩內(nèi)沉積泥沙主要以粗粉粒(0.01～0.05 mm)為主，其平均含量為53.61%，且變異系數(shù)最??； 2) 個(gè)別層次出現(xiàn)粗砂(0.25～1 mm)，粗顆粒泥沙的出現(xiàn)對流域內(nèi)大暴雨有一定的指示作用； 3) 沉積剖面的0～67 cm為累積耕作層，該層的出現(xiàn)具有一定的時(shí)標(biāo)意義； 4) 淤地壩沉積剖面存在粒徑變異的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(600 cm)，該點(diǎn)可用來衡量水沙動力條件和溝道比降對泥沙粒徑分布所起的作用。

土壤侵蝕; 沉積旋回; 粒徑; 黃土高原; 淤地壩

黃土高原溝壑眾多，是我國乃至世界水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，對該區(qū)域水土流失的治理不僅關(guān)乎區(qū)域生態(tài)安全，而且對黃河健康運(yùn)行及黃河下游生態(tài)安全都具有非常重要的意義。淤地壩是黃土高原地區(qū)最為重要的水土保持工程措施，它既能有效防治水土流失，又能形成壩地，充分利用水土資源，具有十分重要的作用[1-3]。同時(shí)，淤地壩又相當(dāng)于小流域的沉砂池，攔蓄了大量的泥沙，沉積泥沙記錄了壩控流域內(nèi)的土壤侵蝕特征及侵蝕環(huán)境演變的相關(guān)信息，成為研究流域土壤侵蝕的重要媒介[4]。目前，利用淤地壩沉積泥沙反演流域侵蝕產(chǎn)沙過程的研究，多數(shù)是基于137Cs的時(shí)標(biāo)功能，建立沉積剖面的年代框架，在此基礎(chǔ)上結(jié)合流域降雨資料和沉積泥沙量分析泥沙來源[5-6]及產(chǎn)沙強(qiáng)度[7-9]。但由于137Cs主要來源于20世紀(jì)50—70年代大氣核試驗(yàn)，對流域建壩時(shí)間有一定要求。有研究[10]指出淤地壩沉積剖面的養(yǎng)分含量(全氮和有機(jī)質(zhì))呈階段性變化，其反映的階段性時(shí)間框架與同一剖面137Cs建立的時(shí)間序列相吻合。但整體而言，運(yùn)用沉積剖面中泥沙理化性質(zhì)的垂直分布規(guī)律，重建流域侵蝕環(huán)境的演變過程是沉積泥沙研究的一項(xiàng)薄弱環(huán)節(jié)。

粒度分析是對沉積泥沙粒徑范圍、含量及分布的分析。不同粒徑特征反映不同的搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)方式及沉積環(huán)境。通過對沉積物粒徑特征的分析可以獲取沉積環(huán)境和沉積物源信息[11-12]。因此，本文利用淤地壩沉積泥沙的粒徑組成、流域降雨資料，研究黃土高原典型小流域淤地壩沉積泥沙的粒徑特性及其剖面分布規(guī)律,分析粒徑特征對流域侵蝕環(huán)境和人類活動的指示作用，為反演小流域土壤侵蝕及產(chǎn)沙過程提供理論依據(jù)[13]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本次研究主要以陜北延長縣胡家灣流域?yàn)檠芯繀^(qū)，距延安市區(qū)約37.6 km。全縣絕大部分地域?qū)冱S河流域的延河水系，延河境內(nèi)流長144 km，集水面積1 724 km2，占總面積的73%，河床平均比降2.8‰。多年平均徑流總量2.23億m3，多年平均輸沙量為6 584萬t。全縣多年平均降水量565.7 mm，總量12.726億m3，降水量年際變化很大。研究區(qū)小流域地理坐標(biāo)介于東經(jīng)109.75°—109.80°，北緯36.47°—36.50°，屬于延河二級支流，是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，每年降水多集中在6—9月。

1.2 研究材料

本文以1971年修建的胡家灣淤地壩為研究對象，該壩主要攔截了1973年至淤滿時(shí)期(2003年)集水區(qū)內(nèi)的泥沙。淤地壩內(nèi)1999年開始耕種，通過對當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的調(diào)查，該壩地種植的農(nóng)作物主要為玉米。2013年7月12日，延安地區(qū)出現(xiàn)高強(qiáng)度長歷時(shí)的特大暴雨，胡家灣大壩被沖毀。2013年8月25日，在距離壩體15 m的沖開剖面上進(jìn)行采樣，按沉積旋回分層取樣，每個(gè)旋回底部的泥沙粗，頂部泥沙細(xì)，野外易于區(qū)分。沉積旋迴厚度差異很大，數(shù)厘米至數(shù)10 cm不等，根據(jù)其厚度，沿著垂直剖面自下而上依次取樣。部分旋回泥層、沙層各采一個(gè)樣品。最終38個(gè)沉積旋回共采集了55個(gè)泥沙樣品(包括地表耕層)。

1.3 研究方法

泥沙樣帶回實(shí)驗(yàn)室平鋪在白紙上自然風(fēng)干后，過1 mm的篩子，剔除雜物。取土樣5～10 g放入250 ml燒杯中，加過氧化氫溶液，沙浴加熱使其充分反應(yīng)，去除樣品中的有機(jī)質(zhì)；冷卻后加10%的鹽酸溶液，去除樣品中的碳酸鹽；加入蒸餾水，靜置24 h，倒掉上清液，反復(fù)數(shù)次，直至溶液呈中性；最后在上機(jī)前加入六偏磷酸鈉溶液。處理好的樣品用Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行土壤粒徑分析，每個(gè)土樣重復(fù)測量兩次，結(jié)果取其平均值。土壤粒徑分形維數(shù)采用下式計(jì)算[14-15]：

式中:D——土壤粒徑分形維數(shù)；V(r

本文采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖形繪制采用Origin 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 淤地壩沉積泥沙粒徑特征分析

在黃土高原地區(qū)，并非所有的降雨都能產(chǎn)生土壤侵蝕，只有部分降雨產(chǎn)生地表徑流，引起土壤侵蝕，發(fā)生真正意義上的水土流失[16]。侵蝕性降雨將壩控流域內(nèi)坡面、溝谷及溝間地的表層土壤沖刷后，這些土壤隨徑流運(yùn)移至壩前沉積，單次洪水經(jīng)過淤積后形成一個(gè)沉積旋回。沉積物在垂直方向上由于其成分、顏色和結(jié)構(gòu)的不同而形成明顯的層次，最明顯的層次標(biāo)志就是剖面土壤粒徑的變化：沉積泥沙在整個(gè)剖面內(nèi)“粗—細(xì)—粗—細(xì)”交替變化，沉積旋回規(guī)律明顯。這是由于泥沙在沉降過程中，粒徑較大的泥沙顆粒先沉積，粒徑較小的泥沙顆粒后沉積。因此，在劃分淤積層時(shí)，根據(jù)淤泥在上、沙在下的原則，把相鄰的泥層和沙層劃為一沉積旋回。淤地壩淤滿之后，壩內(nèi)沉積泥沙的垂直剖面記錄了從建壩到淤滿期間洪水形成的沉積泥沙層次?，F(xiàn)將沉積物粒徑采用1987年中國制標(biāo)準(zhǔn)[17]，劃分為五個(gè)范圍。

由沉積剖面土壤各組分含量的統(tǒng)計(jì)描述可以看出，在沉積物粒徑組成上，研究區(qū)淤地壩沉積泥沙粒徑以粗粉粒(0.01～0.05 mm)為主，然后依次為細(xì)粉粒(0.002～0.01)、細(xì)砂粒(0.05～0.25 mm)、黏粒(<0.002 mm)、粗砂粒(0.25～0.1 mm)；其變異程度依次為：粗粉粒<黏粒<細(xì)粉粒<細(xì)砂粒<粗砂粒。其中粗粉粒含量最高，其百分含量的變動范圍為41.06%～65.77%，均值為53.61%，且在整個(gè)剖面內(nèi)分布較均衡，變異系數(shù)最??；粗砂僅在個(gè)別深度處出現(xiàn)，55個(gè)泥沙樣品中只有18含有粗砂，且含量高于1%的僅有5個(gè)，變異系數(shù)最大。由此可見，通常的侵蝕性降雨都能將0.01～0.05 mm范圍內(nèi)的土壤顆粒從坡上沖刷下來，進(jìn)而搬運(yùn)至下游在淤地壩前沉積下來。由表1可知，流域內(nèi)四個(gè)潛在泥沙源地(農(nóng)地、草地、林地和溝壁)的土樣中，粗粉粒的百分含量較其他組分的均較高，分別為56.53%，57.03%，57.51%和57.26%，變異系數(shù)也最??；黏粒(<0.002 mm)和粗砂粒(0.25～0.1 mm)的百分含量均較小，變異系數(shù)較大。因此，壩地沉積泥沙中粗粉粒含量較多，黏粒和粗砂百分含量較小是流域內(nèi)表層土壤本身的組分特征導(dǎo)致的，不足以說明粗砂和黏粒在搬運(yùn)或沉積過程中具有較差的分選性。對于沉積旋回中含量最多的粗粉粒(0.01～0.05 mm)，四個(gè)地類均沒有顯著性差異(p>0.05)，林地和草地土壤的不同組分均沒有顯著性差異(p>0.05)，農(nóng)地和溝壁之間細(xì)粉粒(0.002～0.01 mm)和細(xì)砂粒(0.05～0.25 mm)含量存在顯著性差異(p<0.05)，其他三種組分含量均沒有顯著性差異(p>0.05)。此外，由于采樣點(diǎn)位于壩前15 m，粗顆粒的出現(xiàn)對于流域內(nèi)的暴雨有一定的指示作用[18-19]。

表1 流域表層土壤和沉積旋回泥沙組分含量統(tǒng)計(jì)特征

注：利用Mann-Whitney U 非參數(shù)檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，相同字母代表差異性不顯著(p>0.05)。

2.2 淤地壩沉積泥沙不同組分的剖面分布

壩地沉積旋回剖面的粒徑組成主要是受泥沙來源及機(jī)械沉積作用的雙重影響。在該研究區(qū)，水動力條件是影響機(jī)械沉積作用的主要因素之一。水流的流速、方向及穩(wěn)定狀況都會對沉積物的沉積產(chǎn)生影響。水動力條件較強(qiáng)時(shí)，剝蝕和搬運(yùn)能力強(qiáng)，更多的顆粒物可被攜帶至采樣點(diǎn)，沉積物粒徑較粗。水動力條件較弱時(shí)，沉積物粒徑較細(xì)。從各粒徑組分百分含量在剖面的變化來看，各粒徑組分在剖面呈現(xiàn)高低值交替變化的規(guī)律。除粗粉粒在剖面分布較均衡外，黏粒、細(xì)粉砂和細(xì)砂在剖面各深度處均呈鋸齒狀變化。

由圖1可以看出，黏粒和細(xì)粉粒隨著剖面深度的增加，有著相似的變化規(guī)律。由粗粉粒曲線可以看出隨著剖面深度的增加，泥沙粒徑變異程度增大，其原因可能是在淤地壩攔沙初期，河道比降較大，水沙動力條件復(fù)雜，導(dǎo)致沉積泥沙粒徑的變異程度較大；隨著壩地淤積泥沙量和淤積面積的增大，壩尾到壩體的比降也隨之減小，水流動力條件變得平穩(wěn)，致使泥沙粒徑變異程度減小。此外圖示5個(gè)曲線中，600 cm和900 cm是兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：600—900 cm之間，黏粒和細(xì)粉粒的百分含量與上下兩段相比較少，且沉積旋回層整體較厚；而相應(yīng)的位置細(xì)沙粒和粗沙粒的含量正相反，含量較多。0～600 cm之間的淤積層次明顯較薄，沉積旋回厚度的變化可能存在以下幾方面的原因，一是流域內(nèi)大面積的退耕還林草導(dǎo)致流域內(nèi)侵蝕量逐漸減??；二可能是隨著壩地淤積泥沙量和淤積面積的增大，使相同侵蝕量的泥淤積厚度變??；三可能是泥沙淤積對原始溝道的掩埋，抬高基準(zhǔn)面，在一定程度上控制了溝道侵蝕；具體原因有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖1 研究區(qū)淤地壩沉積泥沙各組分百分含量的剖面變化

此外，沉積剖面0—67 cm范圍內(nèi)，土壤各粒徑的百分含量變異系數(shù)均較小，并且都接近均值，質(zhì)地較均一。根據(jù)對當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的調(diào)查，該壩地1999年開始種植玉米，每年都會翻耕。1999年之后還有淤積，壩地在2003年淤滿。因此，當(dāng)降雨發(fā)生后，盡管上游來水來沙被淤地壩攔截，但在長期翻耕條件下，不同粒徑的土壤被均勻混合，耕作層不斷抬升，最終形成了厚達(dá)69 cm的累積耕作層，這一層次的出現(xiàn)與汪亞峰等[20]在延安羊圈溝流域的研究結(jié)果相一致。因此，67 cm處的沉積旋回即為1999年淤地壩最初耕作的時(shí)間。累積耕作層的出現(xiàn)，確定了流域人為干擾的層次，具有一定的時(shí)標(biāo)特征。

2.3 淤地壩沉積旋回土壤特征粒徑和分形維數(shù)的剖面分布

用來描述平均粒度和粒度分布范圍的參數(shù)叫做特征粒徑。特征粒徑通常是用來刻畫粒度分布的重要指標(biāo)。

本研究選取的土壤特征粒徑為有效粒徑 [d(0.1)]、中值粒徑[d(0.5)]、眾數(shù)粒徑[d(0.9)]和體積加權(quán)平均粒徑(D[4.3])。此外，根據(jù)Tyler等分析維數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算得到55個(gè)土壤樣品的分形維數(shù)D，并作出剖面分布圖。

圖2 研究區(qū)淤地壩泥沙特征粒徑和分形維數(shù)的剖面分布

從圖2可以看出，四個(gè)特征粒徑指標(biāo)值的剖面分布趨勢基本一致。各曲線在0—67 cm剖面內(nèi)的變異程度均較小，再次印證其作為累積耕作層標(biāo)記侵蝕年代1999年的可靠性。沉積剖面體積平均粒徑(D[4.3])的最大值(0.047 mm)出現(xiàn)在第32個(gè)沉積旋回(地表耕層以下為第一個(gè)沉積旋回，隨著深度的增加直至第37個(gè)沉積旋回)，在這一層，砂粒(0.05～1 mm)的含量也出現(xiàn)最大值。因此該沉積層可以作為標(biāo)記某次強(qiáng)降雨和強(qiáng)侵蝕事件的參考。此外，由土壤分形維數(shù)的剖面分布可以看出其值在0.14～1.27之間變化，變化趨勢與平均粒徑非常相似。

泥沙顆粒大小常使用中值粒徑d(0.5)來表示，剖面沉積旋回的劃分是根據(jù)泥沙顆粒大小來劃分的，旋回層中各采樣層的泥沙顆粒大小均有差異。由圖2可知，各個(gè)旋回層的中值粒徑d(0.5)是隨著剖面深度的增加，有增大的趨勢。即說明該流域侵蝕所產(chǎn)生的泥沙顆粒隨著時(shí)間的推移，有細(xì)化的趨勢。結(jié)合泥沙不同組分百分含量的變化，說明600 cm可以作為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一深度以下，沉積泥沙粒徑較大、沉積旋回厚度較大；相對應(yīng)的這一點(diǎn)以上，泥沙粒徑較小，沉積厚度也較小?？梢猿醪酵茢酁榻▔纬跗冢俚貕螖r截的粗泥沙較多，隨著流域侵蝕環(huán)境的演變和淤地壩於地面積增大，從壩尾到壩體比降的變小，更多的粗沙可能淤積到壩尾，而本次采樣點(diǎn)處于靠近壩體位置，使得細(xì)顆粒所占比例逐漸增大。因次，沉積物中粗顆粒泥沙的含量能夠在一定程度上指示水動力的強(qiáng)弱及淤積特征的變化。

3 結(jié) 論

1) 淤地壩沉積泥沙主要以粗粉粒(0.01～0.05 mm)為主，平均百分含量為53.61%，且變異系數(shù)最小。粗砂(0.25～1 mm)僅出現(xiàn)在個(gè)別層，百分含量大于1%的僅有5層，粗顆粒泥沙的出現(xiàn)對流域內(nèi)大暴雨有一定的指示作用。但砂粒含量不僅與降雨量有關(guān)，還與暴雨初始強(qiáng)度、連日暴雨等特性有關(guān)，所以砂粒含量的峰值不一定對應(yīng)降雨量的峰值。

2) 根據(jù)泥沙不同粒徑百分含量的剖面分布、特征粒徑的剖面分布等可以識別沉積旋回中的累積耕作層。這一層次在沉積剖面內(nèi)形成一個(gè)較可靠的時(shí)間標(biāo)識，有助于標(biāo)定淤地壩初次耕作的年代。

3) 淤地壩沉積剖面存在粒徑變異的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)可用來衡量水沙動力條件和溝道比降對泥沙粒徑分布所起的作用，對流域侵蝕環(huán)境演變有一定的指示作用，可以解釋流域侵蝕強(qiáng)度和沉積環(huán)境的變化。

在廣泛分布在黃土丘陵溝壑區(qū)的淤地壩內(nèi)，如何利用壩地沉積泥沙自身理化性質(zhì)的剖面變化規(guī)律，研究流域侵蝕環(huán)境演變，對于無法利用137Cs時(shí)標(biāo)功能的流域有著重要的意義。本文僅分析了沉積剖面的粒徑特征，嘗試著用粒徑和降雨資料等反演流域侵蝕環(huán)境的變化，其能否應(yīng)用于黃土高原的其他小流域還有待于進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

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Profile Distribution of Particle Size of Sediment at a Check Dam in a Small Watershed of the Loess Plateau

ZHANG Wei1, YANG Mingyi1,2, ZHANG Fengbao1,2, ZHANG Jiaqiong1,2, ZHAO Tianyin1

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The sediment is an important medium for retrieval of the soil erosion characteristics, which indicates the important information about the environmental processes in relation to soil erosion and deposition. We analyzed the variation of the different components，percentages and the characteristics of particle sizes, which were sampled from a 11.66 m depth soil profile in the typical check dam on the Loess Plateau. The result showed that:1)the deposition sediment mainly contains coarse silt(0.25～1 mm) with the average content of 53.61%, and the coefficient of variation was minimum; 2) sand(0.25～1 mm) was found only in a few layers, indicating the heavy rain in watershed; 3) there was an accumulated cultivated layer at the depth of 0—67 cm in the profile, which had indicative role for special time; 4) there was a turning point(600 cm) in the profile, which can be used to measure the effect of the water and sediment conditions and channel gradient, and had an indicative role for the sediment erosion environment of check dam.

soil erosion; cycle of sedimentation; particle size; check dam; Loess Plateau;

2014-09-30

2014-11-16

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201201084);水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(201202);中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-04-03);西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(QN2011146)

張瑋(1989—),女,山西省長治人,碩士研究生，主要從事土壤侵蝕方面的研究。E-mail:835153093@qq.com

楊明義(1970—),男,山東萊州人,博士,研究員,主要從事土壤侵蝕核示蹤技術(shù)研究。E-mail:ymyzly@163.com

S157

1005-3409(2015)02-0017-05