黃丘區小流域壩地沉積泥沙粒徑剖面分布特征

張 瑋, 楊明義,2, 張風寶,2, 張加瓊，2， 趙恬茵

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

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黃丘區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, 張風寶1,2, 張加瓊1，2， 趙恬茵1

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學院 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土壤侵蝕特征及侵蝕環境演變的相關信息，是研究流域土壤侵蝕的重要媒介。研究通過在淤地壩內洪水沖開的一個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律。結果表明： 1) 淤地壩內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%，且變異系數最小； 2) 個別層次出現粗砂(0.25～1 mm)，粗顆粒泥沙的出現對流域內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，該層的出現具有一定的時標意義； 4) 淤地壩沉積剖面存在粒徑變異的轉折點(600 cm)，該點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重的地區，對該區域水土流失的治理不僅關乎區域生態安全，而且對黃河健康運行及黃河下游生態安全都具有非常重要的意義。淤地壩是黃土高原地區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，淤地壩又相當于小流域的沉砂池，攔蓄了大量的泥沙，沉積泥沙記錄了壩控流域內的土壤侵蝕特征及侵蝕環境演變的相關信息，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沙過程的研究，多數是基于137Cs的時標功能，建立沉積剖面的年代框架，在此基礎上結合流域降雨資料和沉積泥沙量分析泥沙來源[5-6]及產沙強度[7-9]。但由于137Cs主要來源于20世紀50—70年代大氣核試驗，對流域建壩時間有一定要求。有研究[10]指出淤地壩沉積剖面的養分含量(全氮和有機質)呈階段性變化，其反映的階段性時間框架與同一剖面137Cs建立的時間序列相吻合。但整體而言，運用沉積剖面中泥沙理化性質的垂直分布規律，重建流域侵蝕環境的演變過程是沉積泥沙研究的一項薄弱環節。

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介質、搬運方式及沉積環境。通過對沉積物粒徑特征的分析可以獲取沉積環境和沉積物源信息[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律,分析粒徑特征對流域侵蝕環境和人類活動的指示作用，為反演小流域土壤侵蝕及產沙過程提供理論依據[13]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本次研究主要以陜北延長縣胡家灣流域為研究區，距延安市區約37.6 km。全縣絕大部分地域屬黃河流域的延河水系，延河境內流長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。研究區小流域地理坐標介于東經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。該區屬半干旱大陸性季風氣候，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年至淤滿時期(2003年)集水區內的泥沙。淤地壩內1999年開始耕種，通過對當地農戶的調查，該壩地種植的農作物主要為玉米。2013年7月12日，延安地區出現高強度長歷時的特大暴雨，胡家灣大壩被沖毀。2013年8月25日，在距離壩體15 m的沖開剖面上進行采樣，按沉積旋回分層取樣，每個旋回底部的泥沙粗，頂部泥沙細，野外易于區分。沉積旋迴厚度差異很大，數厘米至數10 cm不等，根據其厚度，沿著垂直剖面自下而上依次取樣。部分旋回泥層、沙層各采一個樣品。最終38個沉積旋回共采集了55個泥沙樣品(包括地表耕層)。

1.3 研究方法

泥沙樣帶回實驗室平鋪在白紙上自然風干后，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，去除樣品中的有機質；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，反復數次，直至溶液呈中性；最后在上機前加入六偏磷酸鈉溶液。處理好的樣品用Mastersizer 2000激光粒度儀進行土壤粒徑分析，每個土樣重復測量兩次，結果取其平均值。土壤粒徑分形維數采用下式計算[14-15]：

式中:D——土壤粒徑分形維數；V(r

本文采用Excel 2003進行數據整理，運用SPSS 16.0對數據進行統計分析，圖形繪制采用Origin 8.0。

2 結果與分析

2.1 淤地壩沉積泥沙粒徑特征分析

在黃土高原地區，并非所有的降雨都能產生土壤侵蝕，只有部分降雨產生地表徑流，引起土壤侵蝕，發生真正意義上的水土流失[16]。侵蝕性降雨將壩控流域內坡面、溝谷及溝間地的表層土壤沖刷后，這些土壤隨徑流運移至壩前沉積，單次洪水經過淤積后形成一個沉積旋回。沉積物在垂直方向上由于其成分、顏色和結構的不同而形成明顯的層次，最明顯的層次標志就是剖面土壤粒徑的變化：沉積泥沙在整個剖面內“粗—細—粗—細”交替變化，沉積旋回規律明顯。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，根據淤泥在上、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。現將沉積物粒徑采用1987年中國制標準[17]，劃分為五個范圍。

由沉積剖面土壤各組分含量的統計描述可以看出，在沉積物粒徑組成上，研究區淤地壩沉積泥沙粒徑以粗粉粒(0.01～0.05 mm)為主，然后依次為細粉粒(0.002～0.01)、細砂粒(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<細粉粒<細砂粒<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%，且在整個剖面內分布較均衡，變異系數最小；粗砂僅在個別深度處出現，55個泥沙樣品中只有18含有粗砂，且含量高于1%的僅有5個，變異系數最大。由此可見，通常的侵蝕性降雨都能將0.01～0.05 mm范圍內的土壤顆粒從坡上沖刷下來，進而搬運至下游在淤地壩前沉積下來。由表1可知，流域內四個潛在泥沙源地(農地、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%，變異系數也最小；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表層土壤本身的組分特征導致的，不足以說明粗砂和黏粒在搬運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)，農地和溝壁之間細粉粒(0.002～0.01 mm)和細砂粒(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，由于采樣點位于壩前15 m，粗顆粒的出現對于流域內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計特征

注：利用Mann-Whitney U 非參數檢驗法進行顯著性檢驗，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械沉積作用的雙重影響。在該研究區，水動力條件是影響機械沉積作用的主要因素之一。水流的流速、方向及穩定狀況都會對沉積物的沉積產生影響。水動力條件較強時，剝蝕和搬運能力強，更多的顆粒物可被攜帶至采樣點，沉積物粒徑較粗。水動力條件較弱時，沉積物粒徑較細。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高低值交替變化的規律。除粗粉粒在剖面分布較均衡外，黏粒、細粉砂和細砂在剖面各深度處均呈鋸齒狀變化。

由圖1可以看出，黏粒和細粉粒隨著剖面深度的增加，有著相似的變化規律。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，水沙動力條件復雜，導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，致使泥沙粒徑變異程度減小。此外圖示5個曲線中，600 cm和900 cm是兩個轉折點：600—900 cm之間，黏粒和細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；而相應的位置細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，一是流域內大面積的退耕還林草導致流域內侵蝕量逐漸減小；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薄；三可能是泥沙淤積對原始溝道的掩埋，抬高基準面，在一定程度上控制了溝道侵蝕；具體原因有待進一步驗證。

圖1 研究區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，土壤各粒徑的百分含量變異系數均較小，并且都接近均值，質地較均一。根據對當地農戶的調查，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，當降雨發生后，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69 cm的累積耕作層，這一層次的出現與汪亞峰等[20]在延安羊圈溝流域的研究結果相一致。因此，67 cm處的沉積旋回即為1999年淤地壩最初耕作的時間。累積耕作層的出現，確定了流域人為干擾的層次，具有一定的時標特征。

2.3 淤地壩沉積旋回土壤特征粒徑和分形維數的剖面分布

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

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)]、眾數粒徑[d(0.9)]和體積加權平均粒徑(D[4.3])。此外，根據Tyler等分析維數計算公式，計算得到55個土壤樣品的分形維數D，并作出剖面分布圖。

圖2 研究區淤地壩泥沙特征粒徑和分形維數的剖面分布

從圖2可以看出，四個特征粒徑指標值的剖面分布趨勢基本一致。各曲線在0—67 cm剖面內的變異程度均較小，再次印證其作為累積耕作層標記侵蝕年代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)出現在第32個沉積旋回(地表耕層以下為第一個沉積旋回，隨著深度的增加直至第37個沉積旋回)，在這一層，砂粒(0.05～1 mm)的含量也出現最大值。因此該沉積層可以作為標記某次強降雨和強侵蝕事件的參考。此外，由土壤分形維數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生的泥沙顆粒隨著時間的推移，有細化的趨勢。結合泥沙不同組分百分含量的變化，說明600 cm可以作為一個轉折點，這一深度以下，沉積泥沙粒徑較大、沉積旋回厚度較大；相對應的這一點以上，泥沙粒徑較小，沉積厚度也較小。可以初步推斷為建壩初期，淤地壩攔截的粗泥沙較多，隨著流域侵蝕環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，而本次采樣點處于靠近壩體位置，使得細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弱及淤積特征的變化。

3 結 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%，且變異系數最小。粗砂(0.25～1 mm)僅出現在個別層，百分含量大于1%的僅有5層，粗顆粒泥沙的出現對流域內大暴雨有一定的指示作用。但砂粒含量不僅與降雨量有關，還與暴雨初始強度、連日暴雨等特性有關，所以砂粒含量的峰值不一定對應降雨量的峰值。

2) 根據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形成一個較可靠的時間標識，有助于標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折點，該點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，對流域侵蝕環境演變有一定的指示作用，可以解釋流域侵蝕強度和沉積環境的變化。

在廣泛分布在黃土丘陵溝壑區的淤地壩內，如何利用壩地沉積泥沙自身理化性質的剖面變化規律，研究流域侵蝕環境演變，對于無法利用137Cs時標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境的變化，其能否應用于黃土高原的其他小流域還有待于進一步研究驗證。

[1] 冉大川,李占斌,羅全華,等.黃河中游淤地壩工程可持續減沙途徑分析[J].水土保持研究,2013,20(3):1-5.

[2] 李莉,李聚方,孫維營,等.韭園溝流域典型淤地壩淤粗排細作用研究[J].中國水土保持,2010(9):54-55.

[3] 劉寶元,劉瑛娜,張科利,等.中國水土保持措施分類[J].水土保持學報,2013,27(2):80-84.

[4] 冉大川,張志萍,羅全華,等.大理河流域1970—2002年水保措施減洪減沙效益深化分析[J].水土保持研究,2011,18(1):17-23.

[5] 李勉,楊劍鋒,侯建才,等.黃土丘陵區小流域淤地壩記錄的泥沙沉積過程研究[J].農業工程學報,2008,24(2):64-69.

[6] Zhang X B, Wen Z M, Feng M Y, et al. Application of137Cs fingerprinting technique to interpreting sediment production records from reservoir deposits in a small catchment of the Hilly Loess Plateau, China[J]. Science in China Series D: Earth Sciences,2007,50(2):254-260.

[7] 魏霞,李占斌,李勛貴,等.淤地壩壩地淤積與侵蝕性降雨的灰色關聯分析[J].安全與環境學報,2007,7(2):101-104.

[8] 薛凱,楊明義,張風寶,等.利用淤地壩泥沙沉積旋廻反演小流域侵蝕歷史[J].核農學報,2011,25(1):115-120.

[9] Zhang X, Walling D E, Yang Q, et al.137Cs budget during the period of 1960s in a small drainage basin on the Loess Plateau of China[J]. Journal of Environmental Radioactivity,2006,86(1):78-91.

[10] 張風寶,薛凱,楊明義,等.壩地沉積旋回泥沙養分變化及其對小流域泥沙來源的解釋[J].農業工程學報,2012,28(20):143-149.

[11] 李勛貴,李占斌,魏霞.黃土高原淤地壩壩地淤積物兩個重要物理特性指標研究[J].水土保持研究,2007,14(2):218-220.

[12] Zhao P, Shao M, Omran W, et al. A modified model for estimating the full description of soil particle size distribution[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2013,93(1):65-72.

[13] Wei J, Zhou J, Tian J, et al. Decoupling soil erosion and human activities on the Chinese Loess Plateau in the 20th century[J]. Catena,2006,68(1):10-15.

[14] 曹櫻子,王小丹.藏北高寒草原土壤粒徑分布分形維數特征[J].山地學報,2014(4):438-443.

[15] 周銀軍,陳立,劉同宦.分形理論在泥沙研究中的應用概述[J].泥沙研究,2012(2):73-80.

[16] 李占斌.黃土地區小流域次暴雨侵蝕產沙研究[J].西安理工大學學報,1996,12(3):177-183.

[17] 畢慈芬,左仲國,冉大川,等.黃河中游淤地壩淤積泥沙級配組成分析[J].人民黃河,2011,33(1):90-92.

[18] 張漢雄.黃土高原的暴雨特性及其分布規律[J].地理學報,1983,38(4):416-425.

[19] 劉鵬,岳大鵬,李奎.陜北黃土洼淤地壩粗顆粒沉積與暴雨關系探究[J].水土保持學報,2014,28(1):79-83.

[20] 彌智娟,穆興民,趙廣舉.黃土高原水蝕風蝕交錯區小流域泥沙粒徑的分形分析[J].水土保持研究,2014,21(1):12-17.

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

水利部公益性行業科研專項經費項目(201201084);水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室開放基金(201202);中國科學院重點部署項目(KZZD-EW-04-03);西北農林科技大學基本科研業務費專項經費項目(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研究。E-mail:ymyzly@163.com

S157

1005-3409(2015)02-0017-05