淤地壩賦存信息在流域侵蝕產(chǎn)沙研究中的應(yīng)用

李勉, 楊二, 李平, 李莉

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃土高原水土流失過(guò)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, 陜西 綏德 718000)

淤地壩賦存信息在流域侵蝕產(chǎn)沙研究中的應(yīng)用

李勉1, 楊二1, 李平2, 李莉1

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃土高原水土流失過(guò)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, 陜西 綏德 718000)

黃土高原淤地壩在攔蓄大量泥沙的同時(shí)，也賦存了大量環(huán)境變化信息。該文從淤地壩賦存信息在小流域侵蝕產(chǎn)沙速率、泥沙來(lái)源和泥沙輸移比研究方面的作用進(jìn)行了歸納和總結(jié)，分析了目前研究中存在的問(wèn)題，提出了今后研究的發(fā)展方向，以期能為更好地利用這些賦存信息，發(fā)揮其在黃土高原土壤侵蝕和環(huán)境演變過(guò)程研究中的作用提供參考。

淤地壩; 侵蝕速率; 泥沙來(lái)源; 泥沙輸移比; 黃土高原

黃土高原是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，在溝道中建造淤地壩攔截泥沙是當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娫陂L(zhǎng)期實(shí)踐中獨(dú)創(chuàng)的防治水土流失的重要工程措施。隨著黃土高原水土流失治理的需要，20世紀(jì)50年代，許多流域開展了淤地壩建設(shè)，并在60年代得到了大力推廣和普及。淤地壩在攔蓄泥沙的同時(shí)，也記錄了環(huán)境變化，尤其是侵蝕環(huán)境變化的信息。許多學(xué)者利用淤地壩賦存信息在小流域侵蝕產(chǎn)沙速率、泥沙來(lái)源和泥沙輸移比等方面開展了研究，取得了不少重要成果。總結(jié)和評(píng)價(jià)這些工作，不僅可以更好地認(rèn)識(shí)黃土高原小流域土壤侵蝕歷史變化過(guò)程和特征，促進(jìn)淤地壩攔蓄泥沙作用研究，而且對(duì)推進(jìn)流域侵蝕環(huán)境整治，促進(jìn)該區(qū)域正在實(shí)施的大規(guī)模壩系建設(shè)也具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 小流域侵蝕產(chǎn)沙速率研究

由于淤地壩沉積泥沙記載著建壩后幾十年的歷史產(chǎn)沙信息，通過(guò)解讀這些信息可以對(duì)淤積期間土壤侵蝕強(qiáng)度作出客觀評(píng)價(jià)。因而，基于淤地壩賦存信息的小流域侵蝕產(chǎn)沙速率研究受到了人們的重視。最早的相關(guān)研究始于20世紀(jì)50年代，羅來(lái)興和祁延年[1]調(diào)查了天然“聚湫”的年淤積量，并據(jù)此推算出陜北無(wú)定河和清澗河流域黃土區(qū)域的侵蝕速率為9 000～18 000 t/(km2·a)，這是該區(qū)域最早的侵蝕強(qiáng)度定量化研究數(shù)據(jù)。之后，綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站開展了韭園溝淤地壩建設(shè)后侵蝕產(chǎn)沙速率變化特征研究，表明淤地壩建設(shè)初期年均攔沙量和侵蝕速率最大，之后呈下降趨勢(shì)[2]。王茂溝流域關(guān)地溝淤地壩沉積泥沙的研究表明，1959—1987年期間，土壤侵蝕速率由強(qiáng)變?nèi)?，已由最初?6 051 t/(km2·a)下降到后期的12 702 t/(km2·a)[3]。2001年韭園溝11座悶葫蘆壩當(dāng)年暴雨泥沙淤積量的調(diào)查表明，各集水區(qū)的侵蝕速率為1 391～4 578 t/(km2·a)，相比建壩初期有顯著下降[4]。王茂溝流域背塔溝壩1959—2012年泥沙沉積量的調(diào)查表明，流域侵蝕強(qiáng)度呈劇烈侵蝕—下降—增加—顯著下降趨勢(shì)[5]。整個(gè)無(wú)定河流域的研究也表明，由于淤地壩的大量修建，侵蝕產(chǎn)沙速率隨時(shí)間變化呈遞減趨勢(shì)，只是在20世紀(jì)90年代，由于淤地壩庫(kù)容的減少，攔沙作用下降，侵蝕速率又有所增加(圖1)[6]。

圖1無(wú)定河流域1956-1996年期間的年均侵蝕速率

黃土丘陵區(qū)其他流域的研究也證實(shí)了侵蝕產(chǎn)沙速率的下降趨勢(shì)。如李勇和白玲玉[7]利用延安碾莊溝淤地壩普查資料，分析發(fā)現(xiàn)1957—2000年流域侵蝕產(chǎn)沙速率為25 800 t/(km2·a)；侵蝕產(chǎn)沙速率的時(shí)間大小序列為：50年代>60年代>70年代>80年代。準(zhǔn)格爾旗西黑岱流域淤地壩攔沙作用的研究也表明，流域土壤侵蝕模數(shù)隨時(shí)間變化呈顯著遞減趨勢(shì)[8]。

近年來(lái)，核示蹤技術(shù)在侵蝕產(chǎn)沙研究中得以廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用最多的是137Cs和210Pbex。137Cs是一種人工放射性核素，源于20世紀(jì)50—70年代期間的大氣核爆試驗(yàn)產(chǎn)生的放射性塵埃。降到地表的137Cs只隨土壤顆粒的移動(dòng)而發(fā)生再分布，是研究土壤侵蝕和泥沙沉積的一種良好示蹤劑。由于1963年是全球沉降高峰期，因此，1963年或1964年沉積物層節(jié)中的峰值具備實(shí)際時(shí)標(biāo)意義，并被廣泛用來(lái)作為沉積物計(jì)年的一個(gè)重要時(shí)標(biāo)。國(guó)內(nèi)，張信寶等[9]最早將137Cs計(jì)年方法應(yīng)用于淤地壩沉積斷代研究，根據(jù)子長(zhǎng)縣趙家溝淤地壩的沉積量及137Cs含量變化，估算出流域的侵蝕產(chǎn)沙速率為4 627～32 472 t/(km2·a)；根據(jù)安塞云臺(tái)山溝壩庫(kù)沉積剖面泥沙的137Cs含量變化，結(jié)合壩庫(kù)修建、運(yùn)行歷史和降水資料的對(duì)比分析，區(qū)分出壩庫(kù)內(nèi)44次洪水沉積旋回的對(duì)應(yīng)暴雨時(shí)間，較以往單獨(dú)通過(guò)暴雨場(chǎng)次估算淤地壩旋回層沉積時(shí)間又多了一種辨識(shí)手段，進(jìn)一步促進(jìn)和提高了小流域侵蝕產(chǎn)沙速率的精細(xì)化研究[10]。之后，其他一些學(xué)者也都應(yīng)用該方法在劃分出淤地壩泥沙沉積年份的基礎(chǔ)上，開展了小流域侵蝕產(chǎn)沙的定量化研究，重建了集水區(qū)的歷史產(chǎn)沙速率，為深入認(rèn)識(shí)土壤侵蝕變化過(guò)程和規(guī)律，客觀評(píng)價(jià)淤地壩攔沙減蝕作用提供了重要技術(shù)支撐[3,11-13]。

210Pb是一種天然放射性核素，由大氣沉降的外源性或過(guò)剩210Pb(標(biāo)為210Pbex)才具有沉積計(jì)年和示蹤意義，可以用于近100年來(lái)沉積速率的測(cè)定。目前，多用于湖泊、水庫(kù)泥沙沉積速率研究，在淤地壩方面的應(yīng)用較少。俱戰(zhàn)省等[14]綜合應(yīng)用137Cs和210Pbex技術(shù)以及中國(guó)土壤流失方程，利用塘庫(kù)沉積泥沙賦存信息對(duì)三峽庫(kù)區(qū)腹地工農(nóng)溝小流域土壤侵蝕速率進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)；基于137Cs和210Pbex技術(shù)的塘庫(kù)沉積物定年的結(jié)果，估算了三峽庫(kù)區(qū)黃沖子小流域不同時(shí)期的土壤侵蝕量，并與RUSLE模型計(jì)算的流域侵蝕速率進(jìn)行了對(duì)比，表明137Cs和210Pbex定年結(jié)果可靠[15]。

在國(guó)外，Romero-Díaz等[16]在西班牙Segura流域，通過(guò)壩地淤積量的計(jì)算研究了集水區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙速率，并與其他侵蝕計(jì)算方法進(jìn)行了比較，認(rèn)為前者可以獲得更精確的侵蝕量，更好地確定水土保持規(guī)劃、項(xiàng)目和工程的實(shí)施地點(diǎn)。Bellina等[17]基于西班牙36座淤地壩的泥沙淤積量估算了流域的侵蝕速率，發(fā)現(xiàn)其侵蝕產(chǎn)沙速率很低，平均僅140 t/(km2·a)，并從流域集水面積、土壤特性、地表覆蓋狀況、平均坡度、年降水量等方面分析了成因。Nichols等[18]通過(guò)對(duì)美國(guó)Walnut Gulch試驗(yàn)站2個(gè)小流域出口壩地泥沙淤積量的計(jì)算，研究了集水區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙速率和沙量平衡。Boardman和Foster[19]在南非Sneeuberg地區(qū)，利用淤地壩賦存的產(chǎn)沙信息和137Cs和210Pbex定年方法，研究了流域的侵蝕速率，并與世界各地干旱、半干旱地區(qū)的研究結(jié)論進(jìn)行了比較。

小流域侵蝕產(chǎn)沙速率與降雨、下墊面、土地利用方式等有密切關(guān)系，通過(guò)對(duì)其變化過(guò)程，尤其是長(zhǎng)時(shí)間系列變化過(guò)程的研究，可以在一定程度上反映和揭示流域侵蝕環(huán)境的演變規(guī)律。黃土丘陵區(qū)400多年前形成的黃土洼古聚湫的研究表明，古聚湫沉積剖面中31個(gè)年度的后5 a產(chǎn)沙模數(shù)急劇增加，反映了滑坡發(fā)生后新的土地大開發(fā)后短期內(nèi)侵蝕環(huán)境的變化結(jié)果；明代該地區(qū)次暴雨洪水的產(chǎn)沙模數(shù)和年均產(chǎn)沙模數(shù)都與現(xiàn)今淮寧河中游年輸沙量相近，表明該地區(qū)明代的土壤侵蝕環(huán)境與現(xiàn)代接近[20]。20世紀(jì)50年代以來(lái)淤地壩侵蝕產(chǎn)沙的研究表明，建壩初期流域侵蝕速率較大，之后侵蝕速率明顯下降，結(jié)合侵蝕環(huán)境變化分析認(rèn)為，這與小流域下墊面的巨大變化有關(guān)，尤其是20世紀(jì)90年代后期，由于退耕還林(草)措施的實(shí)施，土地利用方式發(fā)生了較大變化，坡耕地?cái)?shù)量大量減少，造成侵蝕產(chǎn)沙速率的快速下降[2-5,9-12,21-23]。黃土丘陵區(qū)侵蝕速率的下降也顯著影響到了入黃泥沙的數(shù)量，以致黃河多年的平均輸沙量已有20世紀(jì)80年代以前的10多億t減少到目前的4.5億t左右，表明整個(gè)黃土高原的侵蝕環(huán)境發(fā)生了較大變化。

由于黃土丘陵區(qū)年產(chǎn)沙模數(shù)和汛期降水量具有良好的相關(guān)性[9-12,24]，加之淤地壩泥沙沉積旋回層中砂粒含量的增加以及最大粒徑極值的出現(xiàn)，往往對(duì)流域侵蝕性暴雨洪水的發(fā)生有重要的指示作用[21-22]，通過(guò)對(duì)淤地壩侵蝕產(chǎn)沙速率變化過(guò)程的研究可以更好地推算降水的歷史變化特征，揭示侵蝕性降雨的發(fā)生頻次、強(qiáng)度等特征。因而，利用淤地壩，尤其是古聚湫的侵蝕產(chǎn)沙信息，結(jié)合核素、孢粉等示蹤技術(shù)，可以推測(cè)和了解流域歷史時(shí)期降水和地表植被變化特征，揭示環(huán)境演變過(guò)程和規(guī)律。

2 小流域泥沙來(lái)源研究

針對(duì)黃土高原小流域泥沙來(lái)源，圍繞治坡為主還是治溝為主，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過(guò)野外觀測(cè)資料對(duì)比分析較早地開展了溝間地與溝谷地產(chǎn)沙比的研究，一些學(xué)者還通過(guò)泥沙粒度分析、模型計(jì)算和室內(nèi)模擬試驗(yàn)等手段開展了小流域泥沙來(lái)源的研究。這些都在小流域泥沙來(lái)源的定量化研究方面進(jìn)行了積極的探索，取得了一些重要成果，對(duì)黃土丘陵區(qū)水土流失的治理發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用。但由于研究手段和方法的限制，定量化程度還有待提高。

隨著核示蹤技術(shù)的推廣和應(yīng)用，張信寶等[25]最早利用黃土高原淤地壩賦存的泥沙信息，借助137Cs示蹤技術(shù)開展了山西離石羊道溝小流域1985年和1986年2次洪水過(guò)程中淤地壩的泥沙來(lái)源研究，得出溝間地和溝谷地的相對(duì)產(chǎn)沙百分比分別為7%和93%，26%和74%，這一成果對(duì)定量評(píng)價(jià)黃土丘陵區(qū)小流域泥沙來(lái)源，深入認(rèn)識(shí)小流域侵蝕產(chǎn)沙特征具有重要意義。李少龍等[26]還嘗試?yán)?26Ra示蹤方法研究了皇甫川大塔溝流域淤地壩泥沙來(lái)源，辨識(shí)出了基巖和黃土的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)率，同時(shí)指出該方法仍處于探索階段，仍有不少理論和實(shí)際問(wèn)題有待解決。之后，文安邦等[27]在子長(zhǎng)趙家溝、李勉等[3]在綏德關(guān)地溝、Zhao等[13]在準(zhǔn)格爾旗小石拉塔溝，都利用137Cs分析方法研究了黃土丘陵區(qū)溝谷地、溝間地的相對(duì)產(chǎn)沙量。此外，一些學(xué)者還在云貴高原和川中丘陵區(qū)，利用壩庫(kù)或溝谷泥沙淤積信息和137Cs方法開展了小流域泥沙來(lái)源研究。

在土壤剖面中，由于210Pbex主要集中在表層10—40 cm以上，其中50%以上集中在表層5 cm以上，且隨著土壤剖面深度的增加呈指數(shù)減少。因而，與137Cs技術(shù)相結(jié)合，可以更為細(xì)致地開展侵蝕泥沙來(lái)源研究，識(shí)別出泥沙來(lái)自于土壤表層還是次表層，并可對(duì)侵蝕方式(面蝕或溝蝕)作出確切判斷。因而，137Cs和210Pbex方法的結(jié)合為小流域泥沙來(lái)源的定量化研究又提供了一種新的技術(shù)手段。Li等[28]根據(jù)137Cs和210Pbex的比值研究了延安羊圈溝淤地壩泥沙的來(lái)源，發(fā)現(xiàn)其主要來(lái)源于農(nóng)地的表層和次表層土壤。張信寶等[29]在四川武家溝小流域利用137Cs和210Pbex方法開展了小流域泥沙來(lái)源研究，運(yùn)用混合模型求得林地、農(nóng)地和裸坡地(含溝岸)的相對(duì)來(lái)沙量分別為18%，46%和36%。

國(guó)外許多學(xué)者都利用137Cs或結(jié)合210Pbex方法開展了流域泥沙來(lái)源研究，取得了許多重要成果。如Plata Bedmar等[30]根據(jù)西班牙東南部Puentes水庫(kù)沉積泥沙中137Cs的含量，推斷出1970—1994年，大約有40%的沉積泥沙來(lái)自于流域表層10 cm的土層，60%來(lái)源于次表層。Simms等[31]在澳大利亞Cordeaux水庫(kù)利用137Cs和210Pbex復(fù)合示蹤方法研究了水庫(kù)淤積泥沙來(lái)源，識(shí)別出水庫(kù)不同位置泥沙的主要來(lái)源。Nichols等[18]通過(guò)對(duì)美國(guó)亞利桑那州Walnut Gulch試驗(yàn)站2個(gè)小流域出口壩地泥沙淤積情況的研究，發(fā)現(xiàn)85%的泥沙來(lái)源于坡面。

隨著泥沙來(lái)源示蹤技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，其他一些示蹤技術(shù)，如土壤養(yǎng)分、土壤磁性、植物孢粉等也開始被應(yīng)用到小流域泥沙來(lái)源研究。如張風(fēng)寶等[32]根據(jù)綏德王茂溝淤地壩沉積泥沙和壩控小流域內(nèi)不同泥沙源地土壤中養(yǎng)分含量的差異，研究發(fā)現(xiàn)溝壁坍塌和溝道擴(kuò)展是其主要泥沙來(lái)源，重力侵蝕和溝蝕是主要侵蝕類型。高進(jìn)長(zhǎng)等[33]通過(guò)對(duì)川中丘陵區(qū)萬(wàn)安溝小流域塘庫(kù)沉積泥沙和不同土地利用類型的表層土壤中δ13C的分析，研究認(rèn)為δ13C技術(shù)有助于定量評(píng)價(jià)沉積泥沙的來(lái)源，同時(shí)指出該技術(shù)的適用條件，即只有在沉積泥沙主要來(lái)源為土壤有機(jī)物時(shí)，才能定量評(píng)價(jià)沉積泥沙的不同來(lái)源。Laceby等[34]嘗試用δ13C、δ15N、總有機(jī)碳和總氮開展了泥沙來(lái)源研究，彌補(bǔ)了低活度137Cs和210Pbex來(lái)源地研究的不足。

目前，利用多種示蹤技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合指紋識(shí)別方法受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。楊明義和徐龍江[35]通過(guò)篩選出土壤全N、低頻磁化率、Cu、137Cs和226Ra組成復(fù)合指紋識(shí)別因子，利用混合模型，得出次洪水泥沙來(lái)自坡地果園、主溝道、坡耕地和支溝的比例分別占60%，33.7%，3%和3.3%，表明復(fù)合指紋識(shí)別方法可以研究洪水泥沙來(lái)源，并能對(duì)重力侵蝕產(chǎn)沙作出定量分析。郭進(jìn)等[36]利用復(fù)合指紋識(shí)別方法在三峽庫(kù)區(qū)定量辨析了塘庫(kù)表層沉積泥沙的來(lái)源，對(duì)旱地、水田、林草地的相對(duì)輸沙貢獻(xiàn)做出了定量評(píng)價(jià)，表明該技術(shù)能較好地辨析小流域泥沙來(lái)源。Collins等[37]在英國(guó)和非洲的8個(gè)流域檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)了單“指紋”示蹤和多參數(shù)復(fù)合“指紋”示蹤泥沙來(lái)源水平的差異，認(rèn)為由同類“指紋”因子構(gòu)成的組合對(duì)泥沙來(lái)源的識(shí)別能力優(yōu)于單“指紋”，但穩(wěn)定性差，而來(lái)自不同類別的“指紋”因子的組合具有最佳的泥沙來(lái)源示蹤能力。Lamba等[38]在美國(guó)威斯康星州Pleasant Valley流域通過(guò)分析不同來(lái)源地和沉積泥沙中37種無(wú)機(jī)元素的含量差異，研究了河流下游沉積泥沙的來(lái)源，得出農(nóng)業(yè)用地和侵蝕河岸是其細(xì)顆粒泥沙的主要來(lái)源。Nosratia等[39]通過(guò)建立混合模型，對(duì)伊朗Hiv流域不同泥沙源地與水庫(kù)沉積泥沙中28種示蹤元素的差異分析，利用復(fù)合指紋識(shí)別方法評(píng)價(jià)了泥沙來(lái)源研究的不確定性。

上述研究表明，隨著新技術(shù)新方法的引入和應(yīng)用，小流域泥沙來(lái)源研究方法已由單一發(fā)展到多樣，示蹤方法也由單“指紋”示蹤發(fā)展到多參數(shù)復(fù)合“指紋”示蹤，在很大程度上提高了研究成果的精度和可信度。

3 小流域泥沙輸移比研究

泥沙輸移比是流域侵蝕產(chǎn)沙及輸移過(guò)程研究中的一個(gè)基本理論問(wèn)題，輸移比大小直接關(guān)系到侵蝕泥沙入河量的多少，對(duì)下游河道的安危、水庫(kù)的使用年限有很大影響，對(duì)正確評(píng)價(jià)水土保持減沙效益以及下游河道治理決策有著重要意義。

由于三門峽水庫(kù)的嚴(yán)重淤積，黃河流域泥沙輸移比的研究受到了廣泛的關(guān)注。我國(guó)泥沙輸移比的研究是在20世紀(jì)70年代后期由龔時(shí)旸和熊貴樞首先開始的，研究認(rèn)為，黃河河龍區(qū)間黃土丘陵區(qū)的多年泥沙輸移比接近1。之后，許多學(xué)者利用水文觀測(cè)、3S技術(shù)或137Cs示蹤等方法開展了泥沙輸移比研究。

黃土高原修建的淤地壩攔蓄了大量泥沙，對(duì)流域泥沙輸移產(chǎn)生了重要影響，其相關(guān)研究也受到了重視。許炯心和孫季[40]的研究表明：天然狀況下，無(wú)定河流域的泥沙輸移比接近1.0，但由于流域內(nèi)人工沉積匯(水庫(kù)和淤地壩)的攔沙作用，泥沙輸移比大幅減小到0.2～0.4；溝道措施對(duì)流域泥沙輸移比減小的影響要大于坡面措施。淤地壩攔沙的變化對(duì)無(wú)定河流域溝道—河道系統(tǒng)泥沙輸移比變化的貢獻(xiàn)率高達(dá)87.27%，而汛期降雨變化的貢獻(xiàn)率僅為12.73%[41]，而且壩地面積增大對(duì)流域泥沙輸移比減小的貢獻(xiàn)最大，其次為地表徑流系數(shù)減小的貢獻(xiàn)[6]。陳浩等[42]研究指出：黃土丘陵溝壑區(qū)在流域治理度達(dá)到70%條件下與治理前相比，泥沙輸移比可以減小50%左右。劉卉芳等[43]分析了黃土高原馬家溝淤地壩在水土保持措施中的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)1990—2007年年均減沙量最大的是淤地壩，壩地的減沙貢獻(xiàn)率在1990—2000年為41.51%，在2001—2007年平均達(dá)到了46.58%。朱恒峰等[44]的研究表明，20世紀(jì)70年代以來(lái)開展的大規(guī)模水土保持建設(shè)工程，使得延河流域的泥沙輸移比顯著下降，最小值僅為0.26，到80年代末，泥沙輸移比有所回升，認(rèn)為泥沙輸移比變化的主要原因是流域內(nèi)淤地壩、水庫(kù)等溝道工程措施的攔沙作用所致，其波動(dòng)變化主要受庫(kù)壩質(zhì)量及攔蓄庫(kù)容變化的影響。張鸞等[45]通過(guò)對(duì)岔巴溝流域的研究發(fā)現(xiàn)，由于淤地壩對(duì)泥沙的攔截作用，20世紀(jì)80年代的平均泥沙輸移比僅為0.325。馬三寶等[46]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)20多年的大規(guī)模治理，韭園溝流域泥沙輸移比已由1953年治理前的接近1.0下降到1981年的0.59，2004年更降到了0.27；分析認(rèn)為在流域泥沙輸移比變化的影響因素中，淤地壩的作用明顯大于坡面水土保持措施的效果，同時(shí)提出小流域治理程度達(dá)到15%左右，其輸移比可以降低50%以上。淤地壩建設(shè)后的60 a來(lái)，王茂溝小流域不同時(shí)期的泥沙輸移比都低于0.25，1995—2004年期間最低，僅有0.01，說(shuō)明淤地壩建設(shè)對(duì)流域泥沙輸移比變化有重要影響(圖2)[47]。

圖2王茂溝小流域泥沙泥沙輸移比變化過(guò)程

國(guó)外學(xué)者也開展了壩庫(kù)對(duì)流域泥沙攔蓄和輸移比影響作用的研究。Polyakov等[48]在美國(guó)Santa Rita Mountains小流域野外4 a的觀測(cè)表明，淤地壩攔蓄了同期產(chǎn)沙量的50%，大大地降低了泥沙輸移比。Nichols等[18]通過(guò)對(duì)美國(guó)亞利桑那州小流域的研究表明，淤地壩建設(shè)后44 a，泥沙輸移比僅為0.06。Carolina等[49]對(duì)比研究了西班牙小流域土地利用變化和淤地壩建設(shè)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響，發(fā)現(xiàn)僅通過(guò)土地利用變化不修建淤地壩可使產(chǎn)沙量減少54%，而土地利用沒(méi)有變化時(shí)，淤地壩可以攔蓄77%的產(chǎn)沙量，指出淤地壩是一種有效而短期的泥沙控制措施，而土地利用變化對(duì)產(chǎn)沙量有重要而長(zhǎng)期的影響。因而，在小流域侵蝕產(chǎn)沙治理措施方面，不能僅依靠單一的治理措施，而應(yīng)兩者兼顧，方能達(dá)到持續(xù)有效的作用。

4 存在問(wèn)題和未來(lái)研究方向

4.1 存在問(wèn)題

縱觀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，目前的研究仍多局限于單個(gè)壩庫(kù)，涉及同一流域多個(gè)壩庫(kù)的對(duì)比性研究尚未見報(bào)道。故而，在揭示流域侵蝕產(chǎn)沙速率和泥沙來(lái)源的普遍性規(guī)律方面還有許多問(wèn)題未能解決。小流域泥沙輸移比研究雖已取得很大進(jìn)展，但限于多數(shù)流域長(zhǎng)系列水沙實(shí)測(cè)資料的缺乏，對(duì)流域泥沙輸移比動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的研究甚少，這在一定程度上制約了對(duì)流域泥沙輸移變化過(guò)程及規(guī)律的深入認(rèn)識(shí)，影響了對(duì)各類水保措施治理效益的客觀評(píng)價(jià)。

4.2 未來(lái)研究方向

黃土高原淤地壩及天然“聚湫”賦存了大量環(huán)境變化信息，為定量研究小流域侵蝕產(chǎn)沙與環(huán)境演變過(guò)程及特征提供了得天獨(dú)厚的條件和可能。因而，依托其賦存的歷史產(chǎn)沙信息和流域水文泥沙長(zhǎng)系列觀測(cè)資料，利用各種新技術(shù)和新方法，深入開展小流域侵蝕產(chǎn)沙的定量化研究，有望解決傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的侵蝕產(chǎn)沙方式的演變過(guò)程與特征、泥沙輸移比研究中產(chǎn)沙量的定量化等難題。同時(shí)，隨著對(duì)全球氣候變化問(wèn)題的日益關(guān)注，充分挖掘和利用淤地壩賦存的環(huán)境變化信息，深入開展土壤侵蝕環(huán)境演變過(guò)程研究將日益受到人們的重視。

[1] 羅來(lái)興,祁延年.陜北無(wú)定河、清澗河黃土區(qū)域的侵蝕地形與侵蝕量[J].地理學(xué)報(bào),1955,21(1):35-44.

[2] 鄭寶明.黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩建設(shè)效益與存在問(wèn)題[J].水土保持通報(bào),2003,23(6):32-35.

[3] 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(guò)程研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(2):64-70.

[4] 孫秋來(lái),王宏興,馬軍旗.從淤地壩淤積調(diào)查推算坡面侵蝕狀況[J].山西水土保持科技,2004(1):28-30.

[5] 劉立峰,金綏慶,付明勝,等.基于壩地泥沙淤積信息的流域侵蝕產(chǎn)沙特征研究[J].山西水土保持科技,2015(1):10-13.

[6] 許炯心.無(wú)定河流域的人工沉積匯及其對(duì)泥沙輸移比的影響[J].地理研究,2010,29(3):397-407.

[7] 李勇,白玲玉.黃土高原淤地壩對(duì)陸地碳儲(chǔ)存的貢獻(xiàn)[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(2):1-4.

[8] 張艷杰,秦富倉(cāng),岳永杰.西黑岱流域淤地壩攔蓄泥沙和淤積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(6):581-583.

[9] Zhang X, Walling DE, Quine TA, 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.

[10] 張信寶,溫仲明,馮明義,等.應(yīng)用137Cs示蹤技術(shù)破譯黃土丘陵區(qū)小流域壩庫(kù)沉積賦存的產(chǎn)沙記錄[J].中國(guó)科學(xué)(D),2007,37(3):405-410.

[11] 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.

[12] Wang YF, Chen LD, Fu BJ, 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.

[13] 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.

[14] 俱戰(zhàn)省,文安邦,嚴(yán)冬春,等.基于137Cs,210Pb和CSLE的三峽庫(kù)區(qū)小流域土壤侵蝕評(píng)估[J].水土保持學(xué)報(bào),2015,29(3):75-80.

[15] 俱戰(zhàn)省,文安邦,嚴(yán)冬春,等.三峽庫(kù)區(qū)小流域修正通用土壤流失方程適用性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(5):121-131.

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

[17] 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.

[18] 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.

[19] 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.

[20] 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.

[21] 李奎.基于聚湫泥沙沉積分析與RUSLE模擬的黃土洼小流域土壤侵蝕研究[D].西安:陜西師范大學(xué),2014.

[22] 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.

[23] 李勉,姚文藝,史學(xué)建.淤地壩攔沙減蝕作用與泥沙沉積特征研究[J].水土保持研究,2005,12(5):107-111.

[24] 魏霞,李占斌,沈冰,等.陜北子洲縣典型淤地壩淤積過(guò)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.

[25] 張信寶,李少龍,王成華,等.黃土高原小流域泥沙來(lái)源的137Cs法研究[J].科學(xué)通報(bào),1989,34(3):210-213.

[26] 李少龍,蘇春江,白立新,等.小流域泥沙來(lái)源的226Ra分析法[J].山地研究,1995,13(3):199-202.

[27] 文安邦,張信寶,沃林DE.黃土丘陵區(qū)小流域泥沙來(lái)源及其動(dòng)態(tài)變化的137Cs法研究[J].地理學(xué)報(bào),1998,53(S1):124-133.

[28] 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.

[29] 張信寶,賀秀斌,文安邦,等.川中丘陵區(qū)小流域泥沙來(lái)源的137Cs和210Pb雙同位素法研究[J].科學(xué)通報(bào),2004,49(15):1537-1542.

[30] Plata Bedmar A, Cobo Rayan R, Sanz Montero E, et al. Influence of the Puentes reservoir operation procedure on the sediment accumulation rate between 1954—1994[C]∥Commission Internationale des Grands Barrages, Proc.19 th Congress Grands Barrages, Florence, Italy, 1997, Q.74, R.52.

[31] 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.

[32] 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(lái)源的解釋[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(20):143-149.

[33] 高進(jìn)長(zhǎng),朱虹,龍翼,等.川中丘陵區(qū)小流域土地利用變化和泥沙來(lái)源示蹤的δ13C技術(shù)[J].山地學(xué)報(bào),2015,33(5):521-527.

[34] Laceby JP, Olley J, Pietsch TJ, et al. Identifying subsoil sediment sources with carbon and nitrogen stable isotope ratios[J]. Hydrological Processes, 2015,29(8):1956-1971.

[35] 楊明義,徐龍江.黃土高原小流域泥沙來(lái)源的復(fù)合指紋識(shí)別法分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(2):30-34.

[36] 郭進(jìn),文安邦,嚴(yán)冬春,等.復(fù)合指紋識(shí)別技術(shù)定量示蹤流域泥沙來(lái)源[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(2):94-104.

[37] Collins AL, Walling DE. Selecting fingerprinting properties for discriminating potential suspended sediment sources in river basins[J]. Journal of Hydrology, 2002,261(1/4):218-244.

[38] Lamba J, Thompson AM, Karthikeyan KG, et al. Sources of fine sediment stored in agricultural lowland streams, Midwest, USA[J]. Geomorphology, 2015,236:44-53.

[39] Nosratia K, Goversb G, Semmensc B X, et al. A mixing model to incorporate uncertainty in sediment fingerprinting[J]. Geoderma, 2014,217/218:173-180.

[40] 許炯心,孫季.水土保持措施對(duì)流域泥沙輸移比的影響[J].水科學(xué)進(jìn)展,2004,15(1):29-34.

[41] 許炯心.水土保持措施對(duì)無(wú)定河流域溝道—河道系統(tǒng)泥沙收支平衡的影響[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2009,7(4):7-13.

[42] 陳浩,蔡強(qiáng)國(guó),陳金榮,等.黃土丘陵溝壑區(qū)人類活動(dòng)對(duì)流域系統(tǒng)侵蝕、輸移和沉積的影響[J].地理研究,2001,20(1):68-75.

[43] 劉卉芳,曹文洪,秦偉,等.淤地壩在流域水土保持措施中的貢獻(xiàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2011,(1):55-58,64.

[44] 朱恒峰,康慕誼,趙文武,等.水利水保措施對(duì)延河流域侵蝕、泥沙輸移和沉積的影響[J].水土保持研究,2007,14(4):1-4.

[45] 張鸞,師長(zhǎng)興,張灝.岔巴溝流域淤地壩對(duì)泥沙存貯—釋放的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010,26(2):64-69.

[46] 馬三保.小流域治理措施對(duì)泥沙輸移比的影響[J].人民黃河,2013,35(1):78-80.

[47] 黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院.坡溝系統(tǒng)侵蝕耦合機(jī)制之泥沙輸移比研究[R].黃河水利科學(xué)研究院,2015.

[48] 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.

[49] 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.

ApplicationofInformationRecordedinCheckDamsforSoilErosionandSedimentYieldStudies

LI Mian1, YANG Er1, LI Ping2, LI Li1

(1.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,KeyLaboratoryofSoilandWaterLossProcessandControlontheLoessPlateauoftheMinistryofWaterResources,Zhengzhou450003,China; 2.SuideSoilandWaterConservationScientificExperimentalStation,YellowRiverConservancyCommission,Suide,Shaanxi718000,China)

Check dams stored a lot of sediment and recorded much information for past environmental changes on the Loess Plateau. Studies on erosion rate, sediment source and sediment delivery ratio in small watersheds based on the information in check dams are summarized, the existing problems are analyzed, and future research topics are also pointed out, so that the recorded information in check dams can be better used for future researches on soil erosion and environmental evolution process on the Loess Plateau.

check dam; erosion rate; sediment source; sediment delivery ratio; Loess Plateau

2016-02-24

：2016-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金“基于淤地壩賦存信息的小流域侵蝕與泥沙輸移特征研究”(41371284)

李勉(1968—),男,河南焦作人,博士,教授級(jí)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。E-mail:hnli-mian@163.com

S157

：A

：1005-3409(2017)03-0357-06