黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩泥沙沉積特征

李 勉，楊 二，李 平，鮑宏喆，李 莉，申震洲，焦 鵬

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黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩泥沙沉積特征

李 勉1，楊 二1，李 平2，鮑宏喆1，李 莉1，申震洲1，焦 鵬1

（1. 黃河水利科學(xué)研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 2. 黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，綏德 718000）

了解淤地壩泥沙沉積特征是壩地泥沙輸移過程及規(guī)律研究的基礎(chǔ)和前提。該文通過對(duì)黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩不同位置泥沙沉積剖面中各沉積旋回層厚度及粒徑組成變化的分析，研究了淤地壩次洪水沉積過程中泥沙的再分布特征。結(jié)果表明：壩地內(nèi)次洪水泥沙沉積過程為非均勻分布，各沉積旋回層厚度在縱剖面和橫剖面都存在一定差異，早期沉積層厚度的起伏變化要大于后期的起伏變化。壩地泥沙粒徑組成以粉粒為主，黏粒、粉粒和沙粒的平均含量分別為4.66%、58.78%和36.56%。壩地泥沙沉積過程中，各旋回層中黏粒、粉粒和沙粒的平均含量變化較小，但在壩地不同位置，土壤粒徑組成發(fā)生了一定程度的分選。從壩尾到壩前，土壤質(zhì)地粗化度顯著下降，土壤粒徑組成呈逐步細(xì)化的趨勢(shì)。

土壤；泥沙；淤地壩；沉積旋回；土壤質(zhì)地；黃土丘陵區(qū)

0 引 言

淤地壩是黃土高原水土保持的主要工程治理措施之一，它在攔蓄泥沙、防治水土流失、減緩下游泥沙沉積方面發(fā)揮了重要作用。在攔蓄大量泥沙的同時(shí)，淤地壩也賦存了大量侵蝕產(chǎn)沙信息，為小流域土壤侵蝕過程研究提供了得天獨(dú)厚的條件和可能。許多學(xué)者利用這些信息開展了小流域侵蝕產(chǎn)沙速率和泥沙來源等方面的研究，取得了許多重要成果[1-9]。陳永宗等提出了利用壩地淤積物巖性特征推算歷次暴雨洪水和年侵蝕量的方法[1]。Zhang等基于壩地各沉積層的厚度，結(jié)合137Cs和孢粉等技術(shù)推算了流域不同時(shí)間的侵蝕產(chǎn)沙速率，還結(jié)合流域不同泥沙來源區(qū)表層土壤的分析，辨識(shí)出沉積泥沙的主要來源[2-3]。之后，其他學(xué)者也相繼開展了這方面的研究[4-9]。部分學(xué)者還根據(jù)各沉積層厚度的變化分析了歷史上暴雨的特征變化和對(duì)環(huán)境的影響[10-13]。國(guó)外學(xué)者在西班牙、南非、美國(guó)等地也開展了許多壩控流域侵蝕產(chǎn)沙速率及泥沙來源方面的研究，還分析了淤地壩對(duì)流域徑流、產(chǎn)沙等的影響[14-21]。這些成果為流域治理提供了重要依據(jù)和參考。

淤地壩泥沙沉積厚度及粒徑組成作為重要的賦存信息，在壩控流域侵蝕產(chǎn)沙研究中起著重要作用，前者是 正確估算侵蝕強(qiáng)度的主要依據(jù)和關(guān)鍵，后者是泥沙輸移規(guī)律研究不可或缺的重要指標(biāo)和參數(shù)。不少學(xué)者開展了此方面的研究工作，取得了許多重要成果[1, 22-30]。陳永宗等[1]通過對(duì)淤地壩沉積泥沙的分析，發(fā)現(xiàn)其粒度組成以粉砂為主，與黃土地層相近；不同場(chǎng)次洪水泥沙同級(jí)粒級(jí)含量互有差異，尤以沙粒和黏粒變化更大。壩地沉積泥沙剖面具有明顯的分層特征，次洪水泥沙沉積層自下而上粒徑呈由粗到細(xì)的變化[2-3,22-25]。不同場(chǎng)次洪水沉積物之間粒度變化明顯，隨淤積深度的增加，各級(jí)泥沙粒徑變化范圍增大[23-24]。沉積剖面中的粒徑突變點(diǎn)和粗顆粒泥沙層對(duì)流域內(nèi)大暴雨有一定的指示作用，對(duì)水沙動(dòng)力條件變化和溝道比降影響的深入研究有重要參考價(jià)值[24-25]。泥沙由壩尾往壩前推進(jìn)過程中，富黏層層位上移, 厚度增高[9,26-27]。在壩地不同空間位置剖面中，壩尾的泥沙粒徑較壩前明顯偏粗，沙粒平均含量自壩前到壩尾呈逐步增加趨勢(shì)，而黏粒和粉粒的變化則相反[28]。壩地垂直剖面中土壤顆粒的分形維數(shù)變化微小，水平方向上壩中最小，壩前最大；壩前土壤質(zhì)地粗化度最小，而壩中最大[29]。另外，受降雨、產(chǎn)流和壩內(nèi)水流特征影響，壩地泥沙各沉積分層厚度不均勻[1,22,30]。壩前的沉積層數(shù)量往往多于壩尾，且壩前各沉積層的厚度變化也大于壩尾[27]。這些認(rèn)識(shí)為區(qū)別不同場(chǎng)次洪水來沙、正確估算流域侵蝕產(chǎn)沙速率提供了重要指導(dǎo)和幫助。

由于入壩洪水的來源、動(dòng)力和取樣位置對(duì)泥沙粒徑組成和沉積層厚度都有重要影響，僅通過單一探坑沉積剖面分析的方法，在準(zhǔn)確估算場(chǎng)次洪水侵蝕強(qiáng)度方面容易造成較大誤差，在揭示壩地泥沙輸移規(guī)律方面仍有較大的局限性。因此，開展壩地不同空間位置沉積泥沙旋回層厚度及其土壤粒徑組成特征的對(duì)比性研究，有助于彌補(bǔ)上述方法研究的不足，更好地促進(jìn)這一領(lǐng)域的研究。

本文選擇黃土丘陵區(qū)小流域內(nèi)一座典型“悶葫蘆”壩為研究對(duì)象，通過對(duì)淤地壩內(nèi)不同空間位置剖面各沉積層的取樣與分析，研究了壩地次洪水泥沙沉積層厚度和粒徑組成的變化過程，以期能更好地揭示壩地次洪水沉積過程中泥沙的再分布特征，為淤地壩泥沙沉積、運(yùn)移過程及規(guī)律的深入研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 小流域概況

王茂溝流域是黃河中游黃土丘陵區(qū)具有完整壩系的一個(gè)典型代表，它位于陜西省綏德縣韭園溝鄉(xiāng)，是無定河左岸的一條2級(jí)支溝。該流域海拔高度940～1188 m，流域面積5.97 km2，其中溝間地占58.4%，溝谷地占41.6%，具有地形破碎、坡陡溝深、地貌類型復(fù)雜等特點(diǎn)。王茂溝流域多年平均降水量513 mm，降雨量年際變率大，年最大降雨量是年最小降水量的3.5倍；其中汛期（6-9月）降雨占年降水總量的70%以上，且多以暴雨形式出現(xiàn)，一次暴雨產(chǎn)沙量往往可占全年總產(chǎn)沙量的60%以上。土壤侵蝕以水力侵蝕和重力侵蝕為主，治理前王茂溝流域多年平均侵蝕模數(shù)18 000 t/km2·a。該流域地表覆蓋物上部為馬蘭黃土（厚5～20 m，抗蝕能力差），下部為離石黃土，再下為基巖。

為探求黃土丘陵區(qū)水土流失治理方向和途徑，黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)實(shí)驗(yàn)站于1953年選擇了該區(qū)韭園溝內(nèi)具有代表性的王茂溝小流域，按照“快速控制水土流失，使本流域的水沙盡量做到流而不失，變害為利，服務(wù)于生產(chǎn)”的指導(dǎo)思想，開展了淤地壩建設(shè)。其后又經(jīng)過改擴(kuò)建、調(diào)整、完善等階段，到1992年已經(jīng)形成了完整的壩系（圖1）。目前，王茂溝流域淤地壩總數(shù)為23座，淤積泥沙總量為198.59萬m3，在流域水土流失治理和群眾生產(chǎn)生活中發(fā)揮了巨大作用。

圖1 小流域淤地壩及取樣點(diǎn)位置分布圖

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與取樣

為研究淤地壩次洪水泥沙沉積過程，同時(shí)避免其他淤地壩泥沙輸移的影響，本項(xiàng)研究選擇了王茂溝一級(jí)支溝關(guān)地溝最上部的4號(hào)壩。關(guān)地溝4號(hào)壩是一座“悶葫蘆”壩，建于1954年，1987年沖毀，2005年修復(fù)；壩中線長(zhǎng)度357 m，寬度22~68 m，控制面積0.397 km2。取樣時(shí)，沿壩前至壩尾的中線，等距離選取探坑取樣點(diǎn)4個(gè)，挖深1.5～2.0 m，分層量測(cè)耕作層和各沉積層的厚度。壩地表層已耕作，深度在40 cm左右，取樣時(shí)分為表層（0～20 cm）和底層2個(gè)樣。耕作層以下按沉積旋回分層連續(xù)取樣，根據(jù)沉積旋回層的顏色、特性（有無凍融層、是否夾帶相同輸移物品）、顆粒組成特征等判斷劃分出每個(gè)旋回層，同場(chǎng)次洪水取一個(gè)泥沙全樣（包括沉積旋回層上部的膠泥層和下部的細(xì)沙及粗沙層）。有明顯界限的、易于區(qū)分的劃為不同旋回層，否則，視為一個(gè)旋回層。每個(gè)探坑剖面深度內(nèi)有7～9個(gè)沉積旋回層。根據(jù)該流域?qū)崪y(cè)的降水資料和以往的研究，這些沉積層發(fā)生的時(shí)間大致為1983-1987年。

為了解沉積泥沙旋回層的橫剖面變化，取樣時(shí)在壩前位置點(diǎn)的兩側(cè)再分別各挖取2個(gè)探坑，探坑間距約4 m，挖深1.5～2.0 m，分層量測(cè)了最上部7個(gè)旋回層的沉積厚度（圖2）。

注：A1-A4分別為從壩尾到壩前（縱剖面）選取的探坑位置；B1-B5分別為從壩左岸到右岸（橫剖面）選取的探坑位置。

1.3 樣品分析

土壤顆粒組成分析在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，采用英國(guó)Malvern公司Mastersizer 2000激光粒度儀測(cè)量土壤粒徑的體積百分比，取樣速度為1 000次/s，單個(gè)樣品的測(cè)定時(shí)間為5 min，儀器靈敏度高，測(cè)量范圍為0.02～2000m，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差不高于1.7%。完全符合1997年頒布的ISO13320激光衍射方法粒度分析國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本文中土壤顆粒的劃分按我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，石礫的直徑為>1 mm，沙粒為1～0.05 mm，粉粒為0.05～0.002 mm，黏粒為<0.002 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 壩地泥沙沉積再分布特征

通常情況下，在黃土丘陵區(qū)壩控小流域，每場(chǎng)洪水過程都會(huì)在淤地壩內(nèi)形成一個(gè)泥沙沉積旋回層，由于泥沙沉降過程中的分選作用，往往是粗顆粒泥沙最先沉積，其次為粉粒，最后為黏粒，形成明顯的分層結(jié)構(gòu)[1-10]。沉積旋回層厚度主要受次降水的產(chǎn)沙量制約，一般而言，降雨越多，產(chǎn)流越多，產(chǎn)沙越多，旋回層厚度越大。在壩控流域內(nèi)，當(dāng)坡面-溝坡徑流進(jìn)入壩庫(kù)后，由于水流運(yùn)動(dòng)方向、速度及挾沙力的變化，會(huì)造成洪水泥沙在壩庫(kù)內(nèi)的再分布。因而，在壩內(nèi)不同空間位置，同一場(chǎng)次洪水泥沙沉積形成的旋回層厚度會(huì)有一定差異。

從圖3a可以看出，各旋回層縱剖面的變化趨勢(shì)不盡相同。第7旋回層（第6、7旋回層底面之間的部分）在壩尾（A1）的沉積厚度最大，壩中后部（A2）最??；第6旋回層在壩前（A4）的沉積厚度最大，壩尾最小；第5旋回層在壩尾的沉積厚度最大，壩中后最小，其它各旋回層沉積厚度的分布也不盡相同。所有探坑剖面的7個(gè)沉積旋回層中，最大厚度發(fā)生在壩前的有2個(gè)，壩中后的有1個(gè)，壩尾的有4個(gè)。這一方面說明了壩地泥沙沉積分布的不均勻性，另一方面也與其下面早期形成的沉積層的分布有關(guān)，上次沉積層較厚的地方下次沉積層則往往變薄，反之亦然。埋深越大的旋回層的起伏變化越大，越接近地表的起伏越小，說明先期沉積泥沙的空間分布的均勻性要小于后期的。隨著沉積厚度的增加，后期沉積泥沙的淤積面有逐漸趨平的傾向。通過比較旋回層沉積厚度與起伏大小的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，這種變化特點(diǎn)與洪水強(qiáng)度有一定關(guān)系，即：大水大沙下，淤積層厚度大，差異也大，水沙較小時(shí)，淤積厚度和差異減小。

除第6旋回層外，關(guān)地溝4號(hào)壩各旋回層橫剖面的變化趨勢(shì)比較一致，各探坑同一沉積層厚度差異較小，表現(xiàn)在壩左岸（B1）距離地表最近，表明淤地壩泥沙在沉積過程中，在壩左岸（B1、B2）的沉積厚度較大，其次是壩中部（A4），而壩右岸（B3、B4）的沉積厚度較?。▓D3b）。第6旋回層是較大洪水產(chǎn)生的泥沙沉積層，沉積厚度也是7個(gè)沉積層中最大的，同時(shí)，由于受到其下部第7旋回層分布特征（左岸高于右岸25 cm）的影響，因而，在泥沙沉積過程中導(dǎo)致其在右岸的分布厚度大于左岸（相差11 cm），在一定程度上縮小了兩側(cè)的差異，這與壩地縱剖面的變化特征相似，即上次泥沙沉積較厚的地方下次沉積的泥沙則往往變薄, 后期沉積泥沙的淤積面有逐漸趨平的傾向。總的看來，沉積剖面中橫剖面旋回層的起伏變化較小，分析認(rèn)為，這主要與壩地橫剖面寬度較窄（僅30 m）、測(cè)量點(diǎn)距離較近（各點(diǎn)相距僅4 m）有關(guān)。

沉積泥沙旋回層厚度和起伏程度的變化說明了淤地壩泥沙沉積過程的復(fù)雜性和不均勻性，由于影響因素眾多（如不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)沙量的差異、壩地內(nèi)洪水流動(dòng)方向及回流過程的變化、壩地兩側(cè)溝坡地形的差異等），其產(chǎn)生原因及變化規(guī)律還有待于通過更多淤地壩的調(diào)查和更為細(xì)致的觀測(cè)或模擬試驗(yàn)來加以研究和揭示。

圖3 關(guān)地溝4號(hào)壩相同沉積層深度變化圖

2.2 壩地泥沙土壤粒徑變化特征

2.2.1 不同場(chǎng)次洪水過程中土壤粒徑的變化特征

從耕作層的泥沙粒徑組成來看，壩尾（A1）和壩中后部（A2）的表層和底層土壤中，黏粒、粉粒和沙粒的含量均相差不大，壩中前部（A3）和壩前（A4）的差別較大，壩中前部（A3）耕作表層的黏粒含量大于底層含量，而沙粒含量卻低于底層，壩前（A4）耕作底層的黏粒含量是表層的2倍多，而沙粒含量卻相差不大（圖4）。相同耕作方式下存在的這種差異，不會(huì)是耕作方式引起的，而與最初沉積泥沙的粒徑組成有關(guān)。

就壩地不同空間位置而言，垂直剖面中各沉積層粒徑構(gòu)成均以粉粒為主，所占比例超過50%，各級(jí)粒徑含量都呈鋸齒狀變化（圖4）。由于壩地泥沙來源區(qū)比較固定，其土壤粒徑組成變化不大，個(gè)別沉積層粒徑構(gòu)成的突變（如第6、7旋回層沙粒的平均含量分別為38.96%和38.28%，明顯高于其它旋回層的含量）有可能與洪水性質(zhì)有關(guān)，如產(chǎn)流量大時(shí)，水流挾沙力增大，從坡面和溝坡帶入壩地的泥沙尤其是粗顆粒泥沙會(huì)增多，造成該次洪水沉積層的粗顆粒含量會(huì)較大，這一點(diǎn)也為其他學(xué)者的研究所證實(shí)[24-25]。此外，也與該壩地位置距離粗沙來源地的遠(yuǎn)近有關(guān)，距離越近越容易有更多的粗沙沉積，尤其是當(dāng)產(chǎn)流量較小時(shí)[1, 22]，如第2旋回層的壩尾，其沙粒含量高達(dá)58.61%。因而，壩地內(nèi)粗沙含量陡增沉積層的出現(xiàn)對(duì)大暴雨和洪水有一定的時(shí)標(biāo)指示作用，如果結(jié)合降水、產(chǎn)沙等資料，并考慮其在壩地內(nèi)所處的位置，有助于揭示壩地水沙動(dòng)力變化過程與特征[24-25,28]。

從整個(gè)4號(hào)壩來看，耕作層以下7個(gè)旋回層土壤粒徑含量（不同點(diǎn)位相同沉積層的均值）的統(tǒng)計(jì)分析表明，黏粒、粉粒和沙粒的變異系數(shù)非常小（都小于10%），均為弱變異性，說明各場(chǎng)次洪水泥沙粒徑的組成沒有明顯差異，都以粉粒為主（表1）。這與張瑋等[25]在王茂溝另一座淤地壩的研究結(jié)論相一致，即沉積泥沙主要以粉粒為主，且變異系數(shù)最小。此外，黃土丘陵區(qū)其他流域淤地壩的研究也表明，壩地沉積泥沙主要是以粉粒為主[1,23-24,30]。

表1 淤地壩沉積旋回層土壤粒徑組成的統(tǒng)計(jì)值

Tab.1 Statistical values of soil particles in sediment cycles in check dam

2.2.2 土壤粒徑空間變化特征

如圖4所示，在關(guān)地溝4號(hào)壩不同空間位置，各沉積旋回層的泥沙粒徑組成有一定的變化特征。對(duì)第6、7旋回層而言，其黏粒、粉粒含量的最大值都分別出現(xiàn)在壩尾和壩前，而沙粒含量的最大值出現(xiàn)在壩中前（第6旋回層）和壩中后（第7旋回層），最小值則都出現(xiàn)在壩前，說明這2場(chǎng)洪水沉積在壩中部的泥沙粒徑相對(duì)較粗。第1～5旋回層黏粒、粉粒含量的最小值大都出現(xiàn)在壩尾，最大值出現(xiàn)在壩前的次數(shù)最多，而沙粒含量的最大值全部出現(xiàn)在壩尾，表明這5場(chǎng)洪水沉積在壩尾的泥沙粒徑相對(duì)較粗?？偟目磥?，由于壩地各沉積旋回層黏粒所占比例很小，其極值在壩內(nèi)的空間分布變化較大；除第2旋回層外，其它旋回層粉粒與沙粒極值的空間分布則大致相反，即粉粒含量出現(xiàn)最大值時(shí)沙粒含量通常出現(xiàn)最小值，反之亦然。另外，結(jié)合各旋回層沉積厚度的空間變化，發(fā)現(xiàn)次旋回沉積厚度變大或小時(shí)，黏粒、粉粒和沙粒的含量并不隨之增高或降低，表明次洪水泥沙沉積厚度與土壤顆粒組成之間沒有相關(guān)性（>0.05）。

自壩尾到壩前，不同位置剖面中土壤顆粒組成變化很大。其中，黏粒體積分?jǐn)?shù)最小值僅2.05%，最大值9.85%，平均值為4.36%～5.15%，壩中后位置平均含量最高，壩尾最低（表2）。粉粒所占比例最高，最大值超過70%，平均值為54.58%~62.17%，壩前平均含量最高，壩尾最低，從壩尾到壩前呈顯著增加趨勢(shì)（<0.05），增幅約14%（表2）。沙粒體積分?jǐn)?shù)最大值為58.61%，最小值僅19.35%，平均值為33.46%～41.06%，壩尾平均含量最高，壩前最低，從壩尾到壩前呈顯著下降趨勢(shì)（<0.05），下降幅度近20%（表2）。

從表2可以看出，黏粒除壩中后位置外，不同位置變異系數(shù)較大，粉粒變異系數(shù)普遍較小，沙粒變異系數(shù)介于黏粒和粉粒的變異系數(shù)之間。對(duì)比表2與表1，可以看出，壩地不同位置不同粒徑的變異程度都大于其在整個(gè)壩地的平均變異程度，說明每個(gè)剖面中不同沉積旋回的泥沙粒徑組成變化較大。如果不考慮壩地位置的差異，就整座4號(hào)壩來看，黏粒、粉粒和沙粒的平均含量分別為4.66%、58.78%和36.56%，變異系數(shù)分別為30.26%、9.38%和17.12%（表3）。按照變異程度強(qiáng)弱的劃分，壩地沉積泥沙中黏粒和沙粒均為中等變異，粉粒為弱變異。這與壩地泥沙主要以粉粒為主、黏粒含量所占比例太小有關(guān)。

表2 淤地壩不同位置剖面中土壤粒徑組成的統(tǒng)計(jì)值

Tab.2 Statistical values of soil particles from sediment with different spatial locations in check dam

表3 淤地壩沉積層不同泥沙粒徑含量的統(tǒng)計(jì)值

Tab.3 Statistical values of soil particles in sediment cycles with different profiles in check dam

為分析壩地不同空間位置泥沙粒徑的差異，比較了各取樣點(diǎn)7個(gè)泥沙沉積層的中值粒徑（D50）。經(jīng)計(jì)算，關(guān)地溝4號(hào)壩壩尾、壩中后、壩中前和壩前泥沙的中值粒徑分別為0.046、0.043、0.042和0.040 mm，表明從壩尾到壩前其粒徑組成有逐步變細(xì)的趨勢(shì)，也即在單個(gè)壩內(nèi)的泥沙沉積過程中，大部分粗顆粒泥沙沉積在壩尾，越到壩前粗顆粒泥沙沉積的越少（表2）。這一特征與畢銀麗等[26]在安塞坊塌溝和大東溝小流域淤地壩的研究結(jié)論是一致的。此外，一些學(xué)者還分析了壩尾沉積泥沙沙性較大、粒徑較粗的原因，認(rèn)為與其首先攔截粗顆粒，以及受重力和水流挾沙力的綜合影響，大顆粒被輸送的距離較短有關(guān)[1,22,27]。

為更好地揭示壩地自壩尾到壩前泥沙粒徑的粗化程度，計(jì)算了壩地不同位置土壤粗化度（沙粒含量與粉粒和黏粒含量之和的比值），土壤粗化度值越大，粗顆粒在土壤機(jī)械組成中越多，反之越少。

關(guān)地溝4號(hào)壩土壤粗化度變化范圍為0.50～0.70，平均值為0.58，按照粗化度大小，依次是：壩尾>壩中后>壩中前>壩前。從壩尾到壩前，土壤粗化度呈顯著下降趨勢(shì)（<0.05）（圖5）?；莶ǖ萚29]研究得出王茂溝壩地土壤粗化度在0.27～0.58，平均值為0.44，壩前＜?jí)魏螅級(jí)沃?，與我們的結(jié)論不同，這可能與惠波等的分層采樣方法不同有關(guān)，后者是按照10 cm的深度分層，而不是按照泥沙沉積旋回進(jìn)行分層。

圖5 淤地壩不同位置土壤粗化度的變化趨勢(shì)

3 結(jié) 論

通過對(duì)黃土丘陵區(qū)小流域典型淤地壩泥沙沉積層厚度和粒徑組成的測(cè)量與分析，得出了壩地洪水泥沙沉積的再分布特征：

1）壩地次洪水泥沙運(yùn)移、沉積過程為非均勻分布，早期泥沙沉積層厚度起伏變化較大，隨著沉積厚度的增加，后期沉積泥沙的淤積面有逐漸趨平的傾向。大水大沙下，壩地淤積層厚度大，差異也大，水沙較小時(shí)，淤積厚度和差異較小。泥沙沉積厚度與土壤顆粒組成之間沒有相關(guān)性。

2）壩地泥沙以粉粒為主（平均含量為58.78%），其次為沙粒（平均為36.56%），黏粒含量最?。▋H4.66%）。在壩地不同位置的垂直剖面中，各沉積旋回層的黏粒、粉粒和沙粒含量的變化較小，表明各場(chǎng)次洪水泥沙粒徑組成沒有明顯變化。個(gè)別沉積層粒徑構(gòu)成的突變與洪水性質(zhì)有關(guān)，對(duì)大暴雨和洪水有一定的時(shí)標(biāo)指示作用，結(jié)合降水、產(chǎn)沙、地形等資料，有助于揭示壩地水沙動(dòng)力變化過程與特征。

3）在壩地不同空間位置，泥沙顆粒組成發(fā)生了一定程度的分選，壩尾的粗顆粒泥沙含量顯著大于壩中和壩前。從壩尾到壩前，土壤質(zhì)地粗化度顯著下降，土壤粒徑組成呈逐步細(xì)化的趨勢(shì)。

本文僅研究了一座典型壩地泥沙沉積層厚度和粒徑分布的變化特征，要更好地認(rèn)識(shí)壩地泥沙沉積過程與再分布規(guī)律，還有待于更多對(duì)比性研究的開展和深化。

[1] 陳永宗，朱同新，張勛昌，等. 晉西離石縣王家溝流域壩地淤積物巖性特征分析[C] //山西省水土保持研究所，等.中國(guó)-加拿大晉西黃土高原土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)規(guī)律研究文集. 北京：水利電力出版社，1990，126－133. Chen Yongzong, Zhu Tongxin, Zhang Xunchang, et al. An analysis on the features of the dam-sediment in Wangjiagou catchment, Lishi County, Shanxi Province[C] //Institute of soil and water conservation in Shanxi Province et. al. China-Canada soil erosion experiment research on west Shanxi Loess Plateau. Beijing: Resources and Electric Power Press, 1990. pp. 126－133. (in Chinese with English Abstract)

[2] Zhang X, Walling D E, Quine T A, et al. Use of reservoir deposits and caesium-137 measurements to investigate the erosional response of a small drainage basin in the rolling loess plateau region of China[J]. Land degradation and development, 1997, 18(1): 1－16.

[3] Zhang X, Walling D E, He X, et al. Use of landslide-dammed lake deposits and pollen tracing techniques to investigate the erosional response of a small drainage basin in the Loess Plateau, China, to land use change during the late 16th century[J]. Catena, 2009, 79(3): 205－213.

[4] 文安邦，張信寶，沃林D E. 黃土丘陵區(qū)小流域泥沙來源及其動(dòng)態(tài)變化的137Cs法研究[J]. 地理學(xué)報(bào)，1998，53(增刊1)：124－133. Wen Anbang, Zhang Xinbao, Walling D E. A study on soil erosion rates and sediment sources using caesium-137 technique in a small drainage of the Loess Hills[J]. Acta Geographica Sinica, 1998, 53(Supp.1): 124－133. (in Chinese with English Abstract)

[5] 李勉，楊劍鋒，侯建才，等. 黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩記錄的泥沙沉積過程研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(2)：64－70. Li Mian, Yang Jianfeng, Hou Jiancai, et al. Sediment deposition process for a silt dam in a small watershed in Loess Hilly Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(2): 64－69. (in Chinese with English Abstract)

[6] 張風(fēng)寶，薛凱，楊明義，等. 壩地沉積旋回泥沙養(yǎng)分變化及其對(duì)小流域泥沙來源的解釋[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(20)：143－149. Zhang Fengbao, Xue Kai, Yang Mingyi, et al. Variations of sediment nutrient in check dam and its implication for small catchment sediment resources[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 143－149. (in Chinese with English Abstract)

[7] 薛凱，楊明義，張風(fēng)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(nóng)學(xué)報(bào)，2011，25(1)：115－120. Xue Kai, Yang Mingyi, Zhang Fengbao, et al. Investigating soil erosion history of a small watershed using sediment couplet in a dam[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2011, 25(1): 115－120. (in Chinese with English Abstract)

[8] Zhao Guangju, Klik Andreas, Mu Xingmin, et al. Sediment yield estimation in a small watershed on the northern Loess Plateau, China[J]. Geomorphology, 2015, 241: 343－352.

[9] Li Y, Poesen J, Yang J, et al. Evaluating gully erosion using137Cs and137Cs/210Pb ratio in a reservoir catchments[J]. Soil and Tillage Research , 2003, 69(1-2): 107－115.

[10] 魏霞，李占斌，沈冰，等. 陜北子洲縣典型淤地壩淤積過程和降雨關(guān)系的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(9)：80－84. Wei Xia, Li Zhanbin, Shen Bing, et al. Depositing process of check dams on loess plateau in Northern Shaanxi Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(9): 80－ 84. (in Chinese with English Abstract)

[11] 李勇，白玲玉. 黃土高原淤地壩對(duì)陸地碳貯存的貢獻(xiàn)[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(2)：1－4. Li Yong, Bai Lingyu. Variations of sediment and organic storage by check-dams of Chinese Loess Plateau[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(2): 1－4(in Chinese with English Abstract)

[12] Li Xungui, Wei, Xia, Wei Ning. Correlating check dam sedimentation and rainstorm characteristics on the Loess Plateau, China[J]. Geomorphology, 2016, 265: 84－97

[13] Zhang Luan, Shi Changxing, Zhang Hao. Effects of check- dams on sediment storage-release in ChabagouWatershed [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 64－69

[14] Romero-Díaz A, Alonso-Sarriá F and Martínez-Loris M. Erosion rates obtained from check-dam sedimentation (SE Spain). A multi-method comparison[J]. Catena, 2007, 71(1): 172－178.

[15] Bellina N, Vanackera V, Wesemaela V B, et al. Natural and anthropogenic controls on soil erosion in the Internal Betic Cordillera (southeast Spain) [J]. Catena, 2011, 87(2): 190－200.

[16] Nichols M H, Nearing M A, Polyakov V O, et al. A sediment budget for a small semiarid watershed in southeastern Arizona, USA[J]. Geomorphology, 2013, 180－181(1): 137－145.

[17] Boardman J, Foster I D L. The potential significance of the breaching of small farm dams in the Sneeuberg region, South Africa[J]. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11(8): 1456－1465.

[18] Simms A D, Colin W, Brian G J, et al. Use of210Pb and137Cs to simultaneously constrain ages and sources of post-dam sediments in the Cordeaux reservoir, Sydney, Australia[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2008, 99(7): 1111－1120.

[19] Polyakov V O, Nichols M H, McClaran M P, et al. Effect of check dams on runoff, sediment yield, and retention on small semiarid watersheds[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 69(5): 414－421.

[20] Carolina Boix-Fayos, Vente J D, Martínez-Mena M, et al. The impact of land use change and check-dams on catchment sediment yield[J]. Hydrological Processes, 2008, 22(25): 4922－4935.

[21] Virginia Díaz, Jorge Mongil, Joaquín Navarro. Topographical surveying for improved assessment of sediment retention in check dams applied to a Mediterranean badlands restoration site (Central Spain)[J]. Journal of Soils and Sediments, 2014, 14(12): 2045－2056

[22] 王治國(guó)，胡振華，段喜明，等. 黃土殘塬區(qū)溝壩地淤積土壤特征比較研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，1999，5(4)：22－27. Wang Zhiguo, Hu Zhenhua, Duan Ximing, et al. Comparative research on soil characteristics of damland in broken loess plateau region. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation[J], 1999, 5(4): 22－27. (in Chinese with English Abstract)

[23] 顏艷，岳大鵬，李奎，等. 1953-2010年黃土洼天然淤地壩內(nèi)洪水沉積物粒度旋回特征[J]. 水土保持通報(bào)，2014，34(6)：349－354.Yan Yan,Yue Dapeng, Li Kui, et al. Grain size cycle characteristics of flood sediments at Loess depression check dam during 1953-2010[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation. 2014, 34(6): 349－354. (in Chinese with English Abstract)

[24] 汪亞峰，傅伯杰，陳利頂，等. 黃土高原小流域淤地壩泥沙粒度的剖面分布[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20(10)：2461－2467.Wang Yafeng, Fu Bojie, Cheng Liding, et al. Profile distribution of sedim ent particle sizes at a check dam in a small watershed of Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(10): 2461－2467. (in Chinese with English Abstract)

[25] 張瑋，楊明義，張風(fēng)寶，等. 黃丘區(qū)小流域壩地沉積泥沙粒徑剖面分布特征[J]. 水土保持研究，2015，22(2)：17－21. Zhang Wei, Yang Mingyi, Zhang Fengbao, et al. Profile distribution of particle size of sediment at a check dam in a small watershed of the Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2015, 22(2): 17－21. (in Chinese with English Abstract)

[26] 畢銀麗，王百群，郭勝利，等. 黃土丘陵區(qū)壩地系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征及其與侵蝕環(huán)境的關(guān)系Ⅱ: 壩系土壤粒徑分布及各粒徑的養(yǎng)分狀況[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，1997，3(4)：37－43. Bi Yinli, Wang Baiqun, Guo Shengli, et al. Characteristic of soil nutrient in dam system and its relation with erosion environment in the Loess Hilly Region: Particles distribution and its nutrient condition in dam system soil[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1997, 3(4): 37－43. (in Chinese with English Abstract)

[27] 王云強(qiáng)，張興昌，韓鳳朋. 黃土高原淤地壩土壤性質(zhì)剖面變化規(guī)律及其功能探討[J]. 環(huán)境科學(xué)，2008，29(4)：1020－1026. Wang Yunqiang, Zhang Xingchang, Han Fengpeng. Profile variability of soil properties in check dam on the Loess Plateau and its functions[J]. Environmental Science, 2008, 29(4): 1020－1026. (in Chinese with English Abstract)

[28] Wang Y F, Chen L D, Fu B J, et al. Check dam sediments: an important indicator of the effects of environmental changes on soil erosion in the Loess Plateau in China[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186: 4275－4287.

[29] 惠波，李鵬，張維，等. 王茂溝流域淤地壩系土壤顆粒與有機(jī)碳分布特征研究[J]. 水土保持研究，2015，22(4)：1－5.Hui Bo, Li Peng, Zhang Wei, et al. Distribution characteristics of soil particles and organic carbon on check-dam system in Wangmaogou watershed[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2015, 22(4): 1－5. (in Chinese with English Abstract)

[30] 李勛貴，李占斌，魏霞. 黃土高原淤地壩壩地淤積物兩個(gè)重要物理特性指標(biāo)研究[J]. 水土保持研究，2007，14(2)：218－220，223.Li Xungui, Li Zhanbin, Wei Xia. Two key physical characteristics indexes of farmland sediment for check dams in Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2007, 14(2): 218－220, 223. (in Chinese with English Abstract)

Characteristics of sediment deposition in check dam in small watershed in Loess Hilly Area

Li Mian1, Yang Er1, Li Ping2, Bao Hongzhe1, Li Li1, Shen Zhenzhou1, Jiao Peng1

(1.450003,;2.718000,)

As one of engineering measures for conserving soil and water, many check dams have been constructed on the Loess Plateau and played important roles in holding back eroded soil just like sediment ponds. Meanwhile, a lot of information on the erosion and sediment yield is recorded and preserved in the check dams. Understanding the sedimentary characteristics is an essential prerequisite for studying the sediment transport processes and laws for a watershed with check dams. A typical check dam without spillway located in the top of a branch gully in the Wangmaogou watershed in the Loess Hilly Area was selected for this study. In the check dam, 8 open test pits with a depth of 1.5-2.0 m were dug in the longitudinal section and cross section. The boundaries between sedimentation cycles were obvious, and the thickness of each sedimentary cycle and plough layer was measured. A total of 108 soil samples were collected from the 8 open test pits in the check dam. The plough layer was divided into upper (0-20 cm) and lower layers (below the depth of 20 cm). The soil samples were analyzed with the laser diffraction technique using a Mastersizer 2000 laser particle size analyzer, and the soil particle size fractions were determined. Based on the investigation on the sedimentary cycle thickness and particle size composition changes in different deposition profiles in the check dam in the study watershed, the redistribution characteristics of sediment deposition of each flood in the dam were studied. The results showed that the sediment deposition process in the dam had non-uniform distribution, and the differences of the sedimentary cycle thickness in both the longitudinal section and the cross section were obvious, and the fluctuation of early sedimentary cycle thickness was larger than that in the late years. When the rainstorm and sediment yield were large, the sediment thickness was larger and the difference was also large. On the contrary, the sediment thickness and the difference were relatively small. Thus, there was no relationship between the sediment thickness and the soil particle composition in the check dam. The average contents of clay, silt and sand were 4.66%, 58.78% and 36.56%, respectively, and the silt was the main sand size. The change of clay, silt and sand content in each vertical section in the dam was little, but in different locations in the check dam, the size classification occurred. From the tail to the head of the check dam, soil coarsening degree decreased significantly, and the soil particle size composition showed a gradual trend of fining. The mutations of particle size composition occurred in several sedimentary cycles, which had the indicative function on the occurrence of big rainstorm and flood. Combined with precipitation, sediment, topography in this watershed, it can help to reveal the dynamic processes of the flood. To better understand the sediment deposition process and distribution, more research is needed.

soils; sediments; check dam; sedimentary cycle; soil texture; Loess Hilly Area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.022

S157.2

A

1002-6819(2017)-03-0161-07

2016-05-12

2016-09-26

國(guó)家自然科學(xué)基金（41371284）

李 勉，男，河南焦作人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究. 鄭州黃河水利科學(xué)研究院，450003。Email：hnli-mian@163.com

李 勉，楊 二，李 平，鮑宏喆，李 莉，申震洲，焦 鵬.黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩泥沙沉積特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(3)：161－167. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.022 http://www.tcsae.org

Li Mian, Yang Er, Li Ping, Bao Hongzhe, Li Li, Shen Zhenzhou, Jiao Peng.Characteristics of sediment deposition in check dam in small watershed in Loess Hilly Area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 161－167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.022 http://www.tcsae.org