三峽庫區腹地忠縣小流域近52 a泥沙輸移比估算研究

俱戰省 嚴冬春 文安邦 史忠林

(1.寶雞文理學院地理與環境學院， 寶雞 721013； 2.陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室， 寶雞 721013；3.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所， 成都 610041)

三峽庫區腹地忠縣小流域近52a泥沙輸移比估算研究

俱戰省1,2嚴冬春3文安邦3史忠林3

(1.寶雞文理學院地理與環境學院， 寶雞 721013； 2.陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室， 寶雞 721013；3.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所， 成都 610041)

為準確定量估算三峽庫區腹地小流域近52 a泥沙輸移比，為庫區小流域水土保持效益評價提供科學依據，綜合采用RUSLE模型、塘庫淤積泥沙137Cs和210Pb定年技術分別對黃沖子和工農溝小流域1963—2014年不同時段的泥沙輸移比進行了估算。結果表明：黃沖子和工農溝小流域近52 a平均土壤侵蝕量分別為119.72、86.86 t，變異系數分別為0.76、0.86；黃沖子和工農溝小流域塘庫淤積泥沙的210PbexCRS模式(Constant rate of supply，CRS)的定年結果與137Cs時標基本一致，不同時段產沙量的變異系數分別為0.28、0.19；黃沖子和工農溝小流域1963—2014年的泥沙輸移比均值都為0.25，不同時段泥沙輸移比的變異系數分別為0.33、0.82，屬于中等程度變異。本研究結果明確了泥沙輸移比的估算不能割裂“時段性”這一學術認識，并為泥沙輸移比的實際應用提供了借鑒。

泥沙輸移比； 小流域；137Cs和210Pb； 時段； 三峽庫區

引言

泥沙輸移比(Sediment delivery ratio，SDR)自20世紀50年代被美國科學家BROWN提出以來[1]，由于其關系到侵蝕泥沙入河量，對下游防洪安全、水庫使用年限等有重要影響，為此泥沙輸移比的估算研究引起國內外眾多科學家的關注[2-9]，但至今各學者對三峽庫區泥沙輸移比的定量研究較少，多數屬于定性研究，至多是半定量研究，對庫區近52a的泥沙輸移比變化研究也幾乎是空白。

土壤侵蝕學將泥沙輸移比定義為：在一定時段內，流域產沙量與流域侵蝕量的比值。因此，泥沙輸移比的估算需要侵蝕量和產沙量數據。目前，泥沙輸移比的估算方法主要通過直接計算法(實測調查法、地球化學法和模型法)和模型計算法(泥沙輸移比因子經驗模型、分布式泥沙輸移比模型和泥沙輸移比的物理模型)[10-14]。其中，后者往往針對具體的研究區域，且輸入的參數較難獲取，其應用相對較少，但前者應用較多。王志杰等[15]、ZHOU等[2]和LEE等[5]都采用模型法(RUSLE)獲取小流域土壤侵蝕量，并與相應水文站實測輸沙量進行比較，計算得到研究區泥沙輸移比。三峽庫區的泥沙輸移比研究始于20世紀80年代[12]，隨后為了滿足水庫安全運行和效益發揮的需求，庫區泥沙輸移比的研究主要采用調查水庫(塘壩)泥沙淤積量和137Cs示蹤技術。JU等[16]和張一瀾等[17]利用137Cs示蹤技術估算的庫區小流域泥沙輸移比分別為1970—2011年和1963—2013年的平均值。但是在估算過程上，更多的研究沒有詳盡考慮侵蝕量和產沙量的時段變化，也沒有嚴格按照泥沙輸移比的定義(計算侵蝕量和產沙量的時段要一致)。因為采用137Cs計算的土壤侵蝕模數為多年平均值(50 a左右)，而小流域產沙量資料觀測年限短或者缺乏。許多研究采用的水文、泥沙實測資料只有20世紀60—70年代的觀測資料[18]；目前，特別是自2001年以來退耕還林工程的實施，庫區內降水、下墊面均發生變化，需要采取多種方法深入研究流域泥沙輸移比的變化特征。

三峽庫區腹部核心地帶(三峽庫區腹地)主要包括忠縣、萬州區、開縣、云陽縣、奉節縣、巫山縣和巫溪縣[19]。從地理位置上看，庫區腹地是長江流域中西部的結合地帶；該區域既是生態環境脆弱區，又是全國貧困集中區，還是三峽移民區。本研究以位于三峽庫區腹地重慶忠縣的黃沖子和工農溝小流域為例，重點考慮在同一時段內計算的泥沙輸移比。基于GIS和RUSLE模型計算1963—2014年逐年小流域土壤侵蝕量，綜合利用塘庫淤積泥沙的137Cs和210Pb定年技術，獲取相應時段的小流域產沙量，最后估算小流域近52 a泥沙輸移比并分析其變化特征，為三峽庫區腹地小流域水土保持效益評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖1 研究區示意圖Fig.1 Sketch maps of study areas

黃沖子小流域(0.064 km2)和工農溝小流域(0.085 km2)均位于三峽庫區腹地重慶忠縣石寶鎮(圖1)；該鎮瀕臨長江北岸，是忠縣的東大門，屬亞熱帶季風山地氣候，年均降水量1 172.1 mm，降水多集中在6—9月。石寶鎮山坪塘數量眾多，流域來沙全部或者大部沉積于塘庫內，相當于天然的大型沉沙池。黃沖子和工農溝小流域均為出口筑塘的封閉式單元小流域；其中，黃沖子塘庫平均長約53 m，寬約46 m，壩高5 m，最大蓄水深2 m，匯水面積約2 443 m2；工農溝塘庫東西長39 m，南北寬36.8 m，水面面積為1 437 m2，最大水深3 m。2個塘庫均于1955年春季挖筑而成，塘庫泥沙淤積較厚，從未清淤。流域內出露巖層多為侏羅系沙溪廟組(J2s)砂巖、粉砂巖和泥巖的互層結構，在此基礎上發育的土壤種類較為單一，基本上為中性紫色土，其具有高生產力性、快速風化性和強侵蝕性等特點。研究對象均為流域出口建有塘庫的紫色土小流域，在庫區腹地具有一定的代表性。

黃沖子小流域丘頂高程325 m，谷地塘庫高程270 m，相對高差55 m，地形相對平緩；工農溝小流域頂部高程730 m，谷地塘庫高程620 m，相對高差110 m，地形陡峻。在2000年以前，黃沖子和工農溝小流域農地面積分別占各自流域總面積的72.2%(農地小流域)和39.7%(林地小流域)。但隨著退耕還林工程的實施，黃沖子和工農溝小流域目前主要以林地為主(林地小流域)。因此，從地形和土地利用類型角度來看，本研究選擇的庫區腹地小流域具有一定的典型性。

1.2 樣品采集與測試

1.2.1塘庫泥沙沉積樣芯

由于黃沖子和工農溝塘庫均為山坪塘，所以其底部平整，沉積面基本水平且比較小；2014年5月下旬采用內徑11 cm、長3 m的PVC管，通過錘擊垂直打入的方式，分別在2個塘庫水面中央位置各采集1個沉積泥沙樣芯，基本可以代表塘庫泥沙淤積的平均厚度，也可以盡可能減少對泥沙淤積量的計算誤差(圖1)。黃沖子塘庫和工農溝塘庫泥沙沉積樣芯分別長162 cm和90 cm，為保證每個樣品質量能夠滿足核素測試所需的250 g，將沉積樣芯按6 cm等厚分層，共計42個塘庫淤積泥沙沉積樣芯分層樣。將其放入干燥箱中以105℃干燥12 h，得到塘庫沉積柱芯每層泥沙干容重，并經研磨、過篩(2 mm)，稱量后供測試用。137Cs和210Pb含量測試采用美國ORTEC公司生產的高純鍺探頭γ能譜儀。測試時間不小于42 000 s，在95%的置信度下測試誤差為±5%。

1.2.2坡面樣品采集

2014年6月上旬采用“S”型采樣方法采集5個土樣后混合，同時記錄中間樣點GPS數據，保證樣點基本可以代表整個流域的土壤可蝕性實際情況。黃沖子和工農溝小流域分別采集土壤混合樣品30個，共計60個表層混合土樣(圖1)。土壤樣品經自然風干、剔除植物根系、研磨、過篩(2 mm)后，采用英國馬爾文公司生產的MasterSizer2000型激光粒度儀進行測定。土壤有機碳通過德國Elementar公司生產的常量元素分析儀測定，測試質量60～80 mg。

1.3 模型建立與數據處理

應用修正通用土壤流失方程(Revised universal soil loss equation, RUSLE)估算庫區小流域土壤侵蝕模數，其方程表達式為

A=RKLSCP

(1)

式中A——土壤侵蝕模數，t/(hm2·a)

R——降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)

K——土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)

LS——坡長坡度因子

C——植被覆蓋因子

P——水土保持措施因子

(1)降雨侵蝕力因子R

WISCHEIMER等[20]研究發現降雨總動能E與最大30 min雨強I30的乘積與土壤侵蝕量的相關關系最好，于是確定EI30作為降雨侵蝕力的指標。蔡崇法等[21]選取三峽庫區降雨過程記錄詳細的41場特征降雨，分別采用基于月降雨數據的簡易算法和EI30計算降雨侵蝕力因子R，研究表明兩種方法的計算結果基本一致(相對誤差僅為4.4%)。利用EI30方法要求次降雨資料，但是黃沖子和工農溝小流域沒有次降雨資料。為此，本研究依據研究區國家氣象站1963—2012年逐月降雨數據，利用基于月降雨數據的降雨侵蝕力簡易算法計算因子R。小流域1963—2012年因子R介于573.9～7 281.6 MJ·mm/(hm2·h·a)之間。由于小流域面積非常小且相距較近，降雨分布均勻，因此2個流域因子R一致。

(2)土壤可蝕性因子K

史東梅等[22]選用國內外研究中常見的5種估算方法計算三峽庫區紫色土土壤可蝕性因子K；結果表明，在紫色土小流域，土壤可蝕性因子K的EPIC模型法與因子K標準值最為接近，且對土壤理化性質變化具有一定敏感性，因此在三峽庫區進行土壤流失量預測時，可采用EPIC模型法進行K值估算。本研究采用該方法，即利用土壤有機碳和顆粒組成因子進行K因子計算。黃沖子和工農溝小流域K因子均值為0.048、0.046 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。

(3)坡長坡度因子LS

張宏鳴等[23]基于坡面水文學和土壤侵蝕學，利用Visual C#編程環境設計了LS_TOOL工具，該工具同時提供了基于RUSLE和中國土壤侵蝕方程(China soil loss equation，CSLE)的LS因子計算模型及流向算法的選擇；LS_TOOL在第四次(2010年)全國土壤侵蝕普查中已經得到廣泛使用。劉洪鵠等[24]和田耀武等[25]研究表明，采用5 m分辨率DEM提取的坡度坡長雖然與三峽庫區的實際坡度坡長值有一定差距，但是該值也能較為準確地反映實際值。本研究在此基礎上，依據LIU等[26-27]對坡度坡長的修正公式，采用LS_TOOL工具提取研究區小流域LS因子，獲取的黃沖子和工農溝小流域LS因子更符合研究區實際情況。

(4)植被覆蓋因子C和水土保持措施因子P

根據研究區航片資料并通過實地調查、走訪得到2000年和2010年小流域土地利用類型圖。用2000年和2010年土地利用數據分別代表1963—2000年和2001—2014年這兩個時期內的平均土地利用狀況。由于流域面積很小，因此本文通過野外實地測量獲取植被覆蓋度。1963—2000年黃沖子小流域農地面積占流域面積的72.2%，2001—2014年林地面積占流域面積74.2%，林地覆蓋度大于60%；工農溝小流域目前均為林地，覆蓋度大于80%；借鑒中國水土保持情況普查的最新成果以及庫區實測資料對不同土地利用類型的因子C進行賦值[21]。采用三峽庫區小流域實測的工程措施數據和耕作習慣來計算因子P，即工程措施因子和耕作措施因子的乘積[28-30]。本研究對因子C和因子P的賦值更加符合中國侵蝕環境下水土保持措施的實際情況。

1.4137Cs和210Pb定年方法

1.4.1137Cs時標計年法

137Cs為人造放射性核素，其半衰期為30.2 a。137Cs沉降的最大峰值出現在1963年[31]，塘庫沉積物中137Cs的垂直分布與大氣沉降137Cs的時間分布有關。

1.4.2210Pb定年法

恒定放射性通量模式(Constant rate of supply，CRS)假定在一個系統中，210Pbex通量恒定而沉積速率隨時間變化，則可以通過沉積柱中210Pbex比活度的積分得到年代-深度的關系[32]。其計算公式為

(2)

式中t——沉積物年齡，a

λ——210Pb的衰變常數，取0.031 1/a

C0——塘庫沉積柱中210Pbex輸入量，Bq/cm2

CZ——一定質量深度以下各層節沉積物中210Pbex的面積活度，Bq/cm2

沉積物質量深度是指某一深度以上單位面積的沉積物質量，其單位為g/cm2，用它可以校正沉積物的孔隙度變化，提高定年結果的準確性。本研究以某一深度以上的土層質量(g)除以沉積泥沙樣芯橫截面積(PVC管橫截面積，cm2)，將剖面深度(cm)校正為質量深度(g/cm2)。

2 結果與分析

2.1 小流域土壤侵蝕量變化分析

由于沒有收集到研究區2013年和2014年降雨數據，所以本文以2001—2012年平均因子R值分別作為研究區2013年和2014年的因子R值，將其代入式(1)計算得到黃沖子和工農溝小流域2013年和2014年的土壤侵蝕量；其他年份的土壤侵蝕量均采用當年因子R值進行計算。結果表明，1963—2014年黃沖子和工農溝小流域平均土壤侵蝕量分別為119.72、86.86 t。侵蝕量最大值均出現在1982年，分別為621.76、479.43 t；最小值也均出現在2010年，分別僅為39.11、15.67 t。近52 a間黃沖子和工農溝小流域土壤侵蝕量的變異系數分別為0.76、0.86，年際波動非常劇烈。

本研究以1963—2000年和2001—2012年平均降雨侵蝕力作為小流域退耕還林工程前(1963—2000年)和退耕還林工程后(2001—2014年)的因子R，將其代入式(1)得到這兩個時期的土壤侵蝕強度分布圖(圖2)。黃沖子和工農溝小流域1963—2000年土壤侵蝕強度均大于2001—2014年，后一個時期的土壤侵蝕強度大幅減少，主要原因是以林地為主的小流域可以起到攔蓄降雨、增加入滲和延緩產流的作用，說明在庫區實施的退耕還林工程生態效益良好。

圖2 土壤侵蝕強度分布圖Fig.2 Maps of distribution characteristics of soil erosion intensity

圖3 塘庫泥沙沉積柱137Cs比活度變化Fig.3 Profile changes of 137Cs activity for Huangchongzi and Gongnonggou ponds sediment core

2.2 小流域產沙量變化分析

2.2.1137Cs和210Pb定年結果

黃沖子塘庫泥沙沉積柱剖面中，1963年137Cs峰值明顯(圖3a)，比活度為(7.39±0.42)Bq/kg，位于質量深度68.67～74.07 g/cm2；210PbexCRS模式的定年結果表明質量深度68.67～74.07 g/cm2處對應的年代為1958—1965年(表1)，而該沉積深度剛好為1963年137Cs峰值出現的層位，因此210PbexCRS模式得出的質量深度68.67～74.07 g/cm2沉積泥沙的年代與137Cs時標對應的年代基本一致。同理，工農溝塘庫沉積柱芯137Cs比活度變化范圍為(0±0.25)～(2.37±0.25) Bq/kg，最大值出現在94.38～103.44 g/cm2層位(圖3b)，采用210PbexCRS模式在該質量深度處的定年結果為1957—1964年(表1)，也是1963年137Cs峰值出現的層位。通過137Cs和210Pb定年結果的交叉驗證，說明在庫區小流域采用的210PbexCRS模式定年結果準確可靠。由前述可知，黃沖子和工農溝塘庫泥沙沉積樣芯分別長162、90 cm，以1963年泥沙沉積層為時間起點，2個塘庫對應的沉積厚度分別為114、72 cm；由于本研究以6 cm等厚分割，所以分別對應19個和12個泥沙沉積層，依據210Pb定年方法即式(2)，黃沖子和工農溝小流域1963—2014年按塘庫泥沙沉積時間分別被劃分為19個和12個時段(表1)。

表1 黃沖子和工農溝小流域不同時段產沙量Tab.1 Sediment yields for different time-interval in Huangchongzi and Gongnonggou catchments

注：68.67～74.07 g/cm2和94.38～103.44 g/cm2為137Cs峰值出現的層位(1963年)。

2.2.2小流域不同時段產沙量

黃沖子和工農溝塘庫均為人工挖筑而成，塘庫形狀近似規則的錐臺體。根據當地塘庫工程實踐，取塘庫的邊坡坡度為30°，再根據塘庫水面面積、水深、沉積泥沙厚度和實測干容重值計算塘庫每層泥沙淤積量。

DENDY[33]研究表明暴雨期間水庫的攔沙效率比較接近水庫的實際攔沙效率，并實測得到11個水庫攔沙效率(82.0%～98.5%)，平均值為90.6%。巨莉[34]通過分析國內外塘(水)庫的攔沙效率，結果表明塘庫攔沙效率取90%符合小型水庫工程實際情況。本研究根據前人研究成果和2個塘庫實際情況，取黃沖子和工農溝塘庫攔沙效率均為90%。由于塘庫可作為小流域的侵蝕基準面，流域內所有的侵蝕都發生在塘庫以外的區域，所以采用不同時段的塘庫泥沙淤積量除以塘庫攔沙效率得到相應時段的小流域產沙量(表1)。

黃沖子小流域產沙量最大值和最小值分別發生在1963—1965年和2010—2012年；工農溝小流域產沙量最大值和最小值分別發生在2001—2006年和2010—2014年。黃沖子和工農溝小流域不同時段產沙量的變異系數分別為0.28、0.19。1963—2014年黃沖子小流域產沙量整體呈下降趨勢(R2= 0.766)，工農溝小流域1963—2014年產沙量變化趨勢不明顯(R2=0.022)，但2001—2014年小流域產沙量減少趨勢明顯(R2=0.978)。

2.3 小流域泥沙輸移比變化分析

2.3.1不同時段泥沙輸移比估算

本研究嚴格按照土壤侵蝕學中泥沙輸移比的定義，估算黃沖子和工農溝小流域不同時段的泥沙輸移比。以1991—1993年時段為例，黃沖子小流域的土壤侵蝕量為1991年、1992年和1993年土壤侵蝕量之和，為410.75 t，小流域同時段的產沙量為92.98 t(表1)，因此同一時段內，流域產沙量與流域侵蝕量的比值即泥沙輸移比為0.23。其它各時段的泥沙輸移比計算方法與上述算法相似。

2.3.2不同時段泥沙輸移比變化特征

通過上述小流域不同時段的泥沙輸移比估算可知：近52 a以來，黃沖子小流域各時段泥沙輸移比介于0.10～0.34之間，其變異系數為0.33；而工農溝小流域各時段泥沙輸移比變化范圍為0.07～0.86，變異系數高達0.82，均呈中等程度變異(圖4)。黃沖子小流域1981—1984年泥沙輸移比為0.10，而1963—1965年為0.30，約是1981—1984年的3倍，這可能與60年代初大量植被被砍伐有關(全民煉鋼后期)。黃沖子小流域2001—2004年和工農溝小流域2001—2006年泥沙輸移比分別為0.34、0.86，大于其它時段的泥沙輸移比，這可能與退耕還林初期林地郁閉度低，以及人類活動干擾地表強烈等有關。

圖4 不同時段泥沙輸移比變化 Fig.4 Changes of sediment delivery ratio for different time-interval in Huangchongzi and Gongonggou catchments

2.3.3水土保持治理前后泥沙輸移比變化

黃沖子小流域1963—1965年和1996—1998年的泥沙輸移比分別為0.30、0.27，該時段黃沖子小流域以農地為主，土壤侵蝕模數分別為1 843.12、1 730.78 t/(km2· a)；自2001年庫區小流域實施退耕還林工程以來，黃沖子小流域2010—2012年泥沙輸移比為0.22，土壤侵蝕模數為800.55 t/(km2· a)，說明小流域水土保持治理后，泥沙輸移比有所下降，該結論與長江上游其它地區基本一致[10]。為了深入理解泥沙輸移比的變化特征和應用價值，本文選擇1963—2000年(水土保持治理前)和2001—2014年(水土保持治理后)的泥沙輸移比進行分析。黃沖子小流域1963—2000年產沙量和土壤侵蝕量分別為1 228.71、5 462.33 t，泥沙輸移比為0.22；2001—2014年產沙量和土壤侵蝕量分別為322.71、762.99 t，泥沙輸移比為0.42。工農溝小流域1963—2000年產沙量和土壤侵蝕量分別為849.48、4 212.03 t，泥沙輸移比為0.20；2001—2014年產沙量和土壤侵蝕量分別為274.47、304.72 t，泥沙輸移比為0.90。水土保持治理后，小流域泥沙輸移比卻呈上升趨勢，表明泥沙輸移比在實際應用中具有不確定性。2001—2014年工農溝小流域泥沙輸移比(0.90)大于黃沖子小流域泥沙輸移比(0.42)，可能與工農溝小流域縱坡降較大(圖1)，橫斷面比較狹窄，流域的徑流具有較大的能量，將侵蝕泥沙大多都能輸送到塘庫有關。但是黃沖子小流域和工農溝小流域1963—2014年的泥沙輸移比均值均為0.25。

3 討論

王丹等[35]研究表明三峽庫區泥沙輸移比介于0.12～0.97之間，庫區均值為0.48；其中，中、西部的平行嶺谷區泥沙輸移比為低值區，變化范圍為0.12～0.30。巨莉[34]估算三峽庫區腹地后頭塘小流域1963—2011年的泥沙輸移比為0.28。本文小流域位于庫區中部平行嶺谷區，黃沖子小流域1963—2000年和1963—2014年泥沙輸移比分別為0.22、0.25，工農溝小流域1963—2000年和1963—2014年泥沙輸移比分別為0.20、0.25，大多數時段的泥沙輸移比也都小于0.3。本文計算的庫區小流域泥沙輸移比與最新研究成果基本一致，說明在三峽庫區綜合利用RUSLE模型和137Cs技術估算的小流域泥沙輸移比科學合理，具有潛在的使用價值。

許炯心等[36]研究表明，小流域經過50多年的水土保持治理，泥沙輸移比從接近1.00下降到0.27。 本研究表明，自2001年小流域實施退耕還林工程以來，黃沖子小流域產沙量下降明顯，2001—2014年土壤侵蝕量與1963—2000年相比，減少幅度較大，說明水土保持治理效果良好，但是黃沖子小流域泥沙輸移比從1963—2000年的0.22卻上升到2001—2014年的0.42；如果從其它時段的泥沙輸移比來看，黃沖子小流域水土保持治理后的(2010—2012年)泥沙輸移比卻又小于水土保持治理前(1996—1998年)的泥沙輸移比。因此，泥沙輸移比的數值大小不能簡單表征流域水土保持治理效果的優劣。時段的選擇對泥沙輸移比的估算非常重要，特別是應用其進行水土保持效益評價時。時段太長沒有實際意義和應用價值，時段太短代表性不夠，一般至少不少于兩個水文系列年[11]。

4 結論

(1)黃沖子小流域和工農溝小流域1963—2014年平均土壤侵蝕量分別為119.72、86.86 t，變異系數分別為0.76、0.86，年際波動非常劇烈。2001—2014年平均土壤侵蝕量較1963—2000年大幅減少，表明庫區生態環境得到明顯改善。

(2)塘庫淤積泥沙的210PbexCRS模式定年結果準確可靠。根據137Cs和210PbexCRS模式定年結果，黃沖子小流域和工農溝小流域不同時段產沙量的變異系數分別為0.28、0.19。黃沖子小流域1963—2014年產沙量下降趨勢明顯(R2=0.766)，工農溝小流域2001—2014年產沙量呈減少趨勢(R2=0.978)。

(3)黃沖子小流域和工農溝小流域不同時段泥沙輸移比的變異系數分別為0.33、0.82；近52 a庫區小流域泥沙輸移比波動較大，特別是在全民煉鋼后期和退耕還林初期。

(4)時段的科學選擇對泥沙輸移比的估算影響很大，特別是將泥沙輸移比應用到小流域水土保持效益評價時。

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EstimationofSedimentDeliveryRatioinCatchmentsofZhongxianCountyinCentralRegionofThreeGorgesReservoirfrom1963to2014

JU Zhansheng1, 2YAN Dongchun3WEN Anbang3SHI Zhonglin3

(1.CollegeofGeographyandEnvironment,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721013,China
2.KeyLaboratoryofDisasterMonitoringandMechanismSimulationofShaanxiProvince,Baoji721013,China3.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)

Sediment delivery ratio (SDR) is a critical transfer parameter for investigating soil erosion and sediment yield in a watershed, which is a matter of concern not only because of the sediment yield input to river but also due to its important effects such as safety-operation and flood control in reservoirs. Currently, there is limited information on the quantitatively estimation of SDR for different periods in the catchments of the Three Gorges Reservoir Region (TGRR), and its temporal changes of estimates are also scarcely analyzed. Thus, Huangchongzi and Gongnonggou catchments, located in the central part of the TGRR were selected as study areas, which represented one of the typical purple soil areas. In order to investigate the SDR of the past 52 years in the central part of the TGRR strictly according to the definition of SDR, annual average soil erosion was precisely estimated with an integration of geographic information system (GIS) and the revised universal loss equation (RUSLE). Sediment yields for different periods from 1963 to 2014 were identified by pond sedimentation amount based on the dating results of the comprehensive utilization of137Cs and210Pb tracer techniques, and these results made use of calculation of SDR for different time-interval. Results showed that the average soil erosion amount was 119.72 t and 86.86 t and its coefficient of variation (CV) was 0.76 and 0.86 during 1963—2014 in Huangchongzi and Gongnonggou catchments, respectively. The average soil erosion amounts in 2001—2014 were obviously lower than that in 1963—2000 for these two catchments. The main reason was the benefit of grain to green, which started in 2001. The137Cs time mark dating-results were in agreement with results by210Pbexconstant rate of supply (CRS) model. Based on this analysis, sedimentation core for Huangchongzi and Gongnonggou ponds was segmented with 19 and 12 time-intervals and its CV of the corresponding sediment yields was 0.28 and 0.19 from 1963 to 2014, respectively. The SDR fluctuated distinctly from 1963 to 2014, which were especially intensity after human-activities. The CV of the SDR for different time-interval was 0.33 and 0.82 from 1963 to 2014 for Huangchongzi and Gongnonggou catchments, respectively. The results estimated strong variations in SDR from 0.07 to 0.9 for different time-intervals in the catchments, and this emphasized that the reasonable selection of time-interval played an critical role in estimating SDR, particularly when benefit assessment for soil and water conservation was implemented.

sediment delivery ratio； catchments；137Cs and210Pb； time-interval； Three Gorges Reservoir Region

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.037

S157

A

1000-1298(2017)11-0307-09

2017-06-30

2017-09-11

國家重點研發計劃項目(2016YFC0402301)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2015CB452704)和寶雞文理學院重點科研項目(ZK16063)

俱戰省(1985—)，男，講師，博士，主要從事核素示蹤與水土保持研究，E-mail: zhansju@126.com

嚴冬春(1981—)，男，副研究員，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，E-mail: yandc@imde.ac.cn