三峽庫(kù)區(qū)腹地忠縣小流域近52 a泥沙輸移比估算研究

俱戰(zhàn)省 嚴(yán)冬春 文安邦 史忠林

(1.寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院， 寶雞 721013； 2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寶雞 721013；3.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041)

三峽庫(kù)區(qū)腹地忠縣小流域近52a泥沙輸移比估算研究

俱戰(zhàn)省1,2嚴(yán)冬春3文安邦3史忠林3

(1.寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院， 寶雞 721013； 2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寶雞 721013；3.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041)

為準(zhǔn)確定量估算三峽庫(kù)區(qū)腹地小流域近52 a泥沙輸移比，為庫(kù)區(qū)小流域水土保持效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，綜合采用RUSLE模型、塘庫(kù)淤積泥沙137Cs和210Pb定年技術(shù)分別對(duì)黃沖子和工農(nóng)溝小流域1963—2014年不同時(shí)段的泥沙輸移比進(jìn)行了估算。結(jié)果表明：黃沖子和工農(nóng)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(shù)分別為0.76、0.86；黃沖子和工農(nóng)溝小流域塘庫(kù)淤積泥沙的210PbexCRS模式(Constant rate of supply，CRS)的定年結(jié)果與137Cs時(shí)標(biāo)基本一致，不同時(shí)段產(chǎn)沙量的變異系數(shù)分別為0.28、0.19；黃沖子和工農(nóng)溝小流域1963—2014年的泥沙輸移比均值都為0.25，不同時(shí)段泥沙輸移比的變異系數(shù)分別為0.33、0.82，屬于中等程度變異。本研究結(jié)果明確了泥沙輸移比的估算不能割裂“時(shí)段性”這一學(xué)術(shù)認(rèn)識(shí)，并為泥沙輸移比的實(shí)際應(yīng)用提供了借鑒。

泥沙輸移比； 小流域；137Cs和210Pb； 時(shí)段； 三峽庫(kù)區(qū)

引言

泥沙輸移比(Sediment delivery ratio，SDR)自20世紀(jì)50年代被美國(guó)科學(xué)家BROWN提出以來(lái)[1]，由于其關(guān)系到侵蝕泥沙入河量，對(duì)下游防洪安全、水庫(kù)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(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家的關(guān)注[2-9]，但至今各學(xué)者對(duì)三峽庫(kù)區(qū)泥沙輸移比的定量研究較少，多數(shù)屬于定性研究，至多是半定量研究，對(duì)庫(kù)區(qū)近52a的泥沙輸移比變化研究也幾乎是空白。

土壤侵蝕學(xué)將泥沙輸移比定義為：在一定時(shí)段內(nèi)，流域產(chǎn)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(chǎn)沙量數(shù)據(jù)。目前，泥沙輸移比的估算方法主要通過(guò)直接計(jì)算法(實(shí)測(cè)調(diào)查法、地球化學(xué)法和模型法)和模型計(jì)算法(泥沙輸移比因子經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒎植际侥嗌齿斠票饶Ｐ秃湍嗌齿斠票鹊奈锢砟Ｐ?[10-14]。其中，后者往往針對(duì)具體的研究區(qū)域，且輸入的參數(shù)較難獲取，其應(yīng)用相對(duì)較少，但前者應(yīng)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(yīng)水文站實(shí)測(cè)輸沙量進(jìn)行比較，計(jì)算得到研究區(qū)泥沙輸移比。三峽庫(kù)區(qū)的泥沙輸移比研究始于20世紀(jì)80年代[12]，隨后為了滿足水庫(kù)安全運(yùn)行和效益發(fā)揮的需求，庫(kù)區(qū)泥沙輸移比的研究主要采用調(diào)查水庫(kù)(塘壩)泥沙淤積量和137Cs示蹤技術(shù)。JU等[16]和張一瀾等[17]利用137Cs示蹤技術(shù)估算的庫(kù)區(qū)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(guò)程上，更多的研究沒(méi)有詳盡考慮侵蝕量和產(chǎn)沙量的時(shí)段變化，也沒(méi)有嚴(yán)格按照泥沙輸移比的定義(計(jì)算侵蝕量和產(chǎn)沙量的時(shí)段要一致)。因?yàn)椴捎?37Cs計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)為多年平均值(50 a左右)，而小流域產(chǎn)沙量資料觀測(cè)年限短或者缺乏。許多研究采用的水文、泥沙實(shí)測(cè)資料只有20世紀(jì)60—70年代的觀測(cè)資料[18]；目前，特別是自2001年以來(lái)退耕還林工程的實(shí)施，庫(kù)區(qū)內(nèi)降水、下墊面均發(fā)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(kù)區(qū)腹部核心地帶(三峽庫(kù)區(qū)腹地)主要包括忠縣、萬(wàn)州區(qū)、開(kāi)縣、云陽(yáng)縣、奉節(jié)縣、巫山縣和巫溪縣[19]。從地理位置上看，庫(kù)區(qū)腹地是長(zhǎng)江流域中西部的結(jié)合地帶；該區(qū)域既是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，又是全國(guó)貧困集中區(qū)，還是三峽移民區(qū)。本研究以位于三峽庫(kù)區(qū)腹地重慶忠縣的黃沖子和工農(nóng)溝小流域?yàn)槔?，重點(diǎn)考慮在同一時(shí)段內(nèi)計(jì)算的泥沙輸移比?；贕IS和RUSLE模型計(jì)算1963—2014年逐年小流域土壤侵蝕量，綜合利用塘庫(kù)淤積泥沙的137Cs和210Pb定年技術(shù)，獲取相應(yīng)時(shí)段的小流域產(chǎn)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(kù)區(qū)腹地小流域水土保持效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch maps of study areas

黃沖子小流域(0.064 km2)和工農(nóng)溝小流域(0.085 km2)均位于三峽庫(kù)區(qū)腹地重慶忠縣石寶鎮(zhèn)(圖1)；該鎮(zhèn)瀕臨長(zhǎng)江北岸，是忠縣的東大門，屬亞熱帶季風(fēng)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(zhèn)山坪塘數(shù)量眾多，流域來(lái)沙全部或者大部沉積于塘庫(kù)內(nèi)，相當(dāng)于天然的大型沉沙池。黃沖子和工農(nóng)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(kù)平均長(zhǎng)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(nóng)溝塘庫(kù)東西長(zhǎng)39 m，南北寬36.8 m，水面面積為1 437 m2，最大水深3 m。2個(gè)塘庫(kù)均于1955年春季挖筑而成，塘庫(kù)泥沙淤積較厚，從未清淤。流域內(nèi)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(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上發(fā)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(chǎn)力性、快速風(fēng)化性和強(qiáng)侵蝕性等特點(diǎn)。研究對(duì)象均為流域出口建有塘庫(kù)的紫色土小流域，在庫(kù)區(qū)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(kù)高程270 m，相對(duì)高差55 m，地形相對(duì)平緩；工農(nóng)溝小流域頂部高程730 m，谷地塘庫(kù)高程620 m，相對(duì)高差110 m，地形陡峻。在2000年以前，黃沖子和工農(nóng)溝小流域農(nóng)地面積分別占各自流域總面積的72.2%(農(nóng)地小流域)和39.7%(林地小流域)。但隨著退耕還林工程的實(shí)施，黃沖子和工農(nóng)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(lái)看，本研究選擇的庫(kù)區(qū)腹地小流域具有一定的典型性。

1.2 樣品采集與測(cè)試

1.2.1塘庫(kù)泥沙沉積樣芯

由于黃沖子和工農(nóng)溝塘庫(kù)均為山坪塘，所以其底部平整，沉積面基本水平且比較??；2014年5月下旬采用內(nèi)徑11 cm、長(zhǎng)3 m的PVC管，通過(guò)錘擊垂直打入的方式，分別在2個(gè)塘庫(kù)水面中央位置各采集1個(gè)沉積泥沙樣芯，基本可以代表塘庫(kù)泥沙淤積的平均厚度，也可以盡可能減少對(duì)泥沙淤積量的計(jì)算誤差(圖1)。黃沖子塘庫(kù)和工農(nóng)溝塘庫(kù)泥沙沉積樣芯分別長(zhǎng)162 cm和90 cm，為保證每個(gè)樣品質(zhì)量能夠滿足核素測(cè)試所需的250 g，將沉積樣芯按6 cm等厚分層，共計(jì)42個(gè)塘庫(kù)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(kù)沉積柱芯每層泥沙干容重，并經(jīng)研磨、過(guò)篩(2 mm)，稱量后供測(cè)試用。137Cs和210Pb含量測(cè)試采用美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的高純鍺探頭γ能譜儀。測(cè)試時(shí)間不小于42 000 s，在95%的置信度下測(cè)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(gè)土樣后混合，同時(shí)記錄中間樣點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)，保證樣點(diǎn)基本可以代表整個(gè)流域的土壤可蝕性實(shí)際情況。黃沖子和工農(nóng)溝小流域分別采集土壤混合樣品30個(gè)，共計(jì)60個(gè)表層混合土樣(圖1)。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、剔除植物根系、研磨、過(guò)篩(2 mm)后，采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的MasterSizer2000型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定。土壤有機(jī)碳通過(guò)德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)的常量元素分析儀測(cè)定，測(cè)試質(zhì)量60～80 mg。

1.3 模型建立與數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用修正通用土壤流失方程(Revised universal soil loss equation, RUSLE)估算庫(kù)區(qū)小流域土壤侵蝕模數(shù)，其方程表達(dá)式為

A=RKLSCP

(1)

式中A——土壤侵蝕模數(shù)，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(zhǎng)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(fā)現(xiàn)降雨總動(dòng)能E與最大30 min雨強(qiáng)I30的乘積與土壤侵蝕量的相關(guān)關(guān)系最好，于是確定EI30作為降雨侵蝕力的指標(biāo)。蔡崇法等[21]選取三峽庫(kù)區(qū)降雨過(guò)程記錄詳細(xì)的41場(chǎng)特征降雨，分別采用基于月降雨數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)易算法和EI30計(jì)算降雨侵蝕力因子R，研究表明兩種方法的計(jì)算結(jié)果基本一致(相對(duì)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(nóng)溝小流域沒(méi)有次降雨資料。為此，本研究依據(jù)研究區(qū)國(guó)家氣象站1963—2012年逐月降雨數(shù)據(jù)，利用基于月降雨數(shù)據(jù)的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易算法計(jì)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(gè)流域因子R一致。

(2)土壤可蝕性因子K

史東梅等[22]選用國(guó)內(nèi)外研究中常見(jiàn)的5種估算方法計(jì)算三峽庫(kù)區(qū)紫色土土壤可蝕性因子K；結(jié)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(biāo)準(zhǔn)值最為接近，且對(duì)土壤理化性質(zhì)變化具有一定敏感性，因此在三峽庫(kù)區(qū)進(jìn)行土壤流失量預(yù)測(cè)時(shí)，可采用EPIC模型法進(jìn)行K值估算。本研究采用該方法，即利用土壤有機(jī)碳和顆粒組成因子進(jìn)行K因子計(jì)算。黃沖子和工農(nóng)溝小流域K因子均值為0.048、0.046 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。

(3)坡長(zhǎng)坡度因子LS

張宏鳴等[23]基于坡面水文學(xué)和土壤侵蝕學(xué)，利用Visual C#編程環(huán)境設(shè)計(jì)了LS_TOOL工具，該工具同時(shí)提供了基于RUSLE和中國(guó)土壤侵蝕方程(China soil loss equation，CSLE)的LS因子計(jì)算模型及流向算法的選擇；LS_TOOL在第四次(2010年)全國(guó)土壤侵蝕普查中已經(jīng)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(zhǎng)雖然與三峽庫(kù)區(qū)的實(shí)際坡度坡長(zhǎng)值有一定差距，但是該值也能較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際值。本研究在此基礎(chǔ)上，依據(jù)LIU等[26-27]對(duì)坡度坡長(zhǎng)的修正公式，采用LS_TOOL工具提取研究區(qū)小流域LS因子，獲取的黃沖子和工農(nóng)溝小流域LS因子更符合研究區(qū)實(shí)際情況。

(4)植被覆蓋因子C和水土保持措施因子P

根據(jù)研究區(qū)航片資料并通過(guò)實(shí)地調(diào)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(shù)據(jù)分別代表1963—2000年和2001—2014年這兩個(gè)時(shí)期內(nèi)的平均土地利用狀況。由于流域面積很小，因此本文通過(guò)野外實(shí)地測(cè)量獲取植被覆蓋度。1963—2000年黃沖子小流域農(nóng)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(nóng)溝小流域目前均為林地，覆蓋度大于80%；借鑒中國(guó)水土保持情況普查的最新成果以及庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)資料對(duì)不同土地利用類型的因子C進(jìn)行賦值[21]。采用三峽庫(kù)區(qū)小流域?qū)崪y(cè)的工程措施數(shù)據(jù)和耕作習(xí)慣來(lái)計(jì)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(duì)因子C和因子P的賦值更加符合中國(guó)侵蝕環(huán)境下水土保持措施的實(shí)際情況。

1.4137Cs和210Pb定年方法

1.4.1137Cs時(shí)標(biāo)計(jì)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(xiàn)在1963年[31]，塘庫(kù)沉積物中137Cs的垂直分布與大氣沉降137Cs的時(shí)間分布有關(guān)。

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(gè)系統(tǒng)中，210Pbex通量恒定而沉積速率隨時(shí)間變化，則可以通過(guò)沉積柱中210Pbex比活度的積分得到年代-深度的關(guān)系[32]。其計(jì)算公式為

(2)

式中t——沉積物年齡，a

λ——210Pb的衰變常數(shù)，取0.031 1/a

C0——塘庫(kù)沉積柱中210Pbex輸入量，Bq/cm2

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

沉積物質(zhì)量深度是指某一深度以上單位面積的沉積物質(zhì)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(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究以某一深度以上的土層質(zhì)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(zhì)量深度(g/cm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小流域土壤侵蝕量變化分析

由于沒(méi)有收集到研究區(qū)2013年和2014年降雨數(shù)據(jù)，所以本文以2001—2012年平均因子R值分別作為研究區(qū)2013年和2014年的因子R值，將其代入式(1)計(jì)算得到黃沖子和工農(nóng)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(dāng)年因子R值進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，1963—2014年黃沖子和工農(nóng)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(xiàn)在1982年，分別為621.76、479.43 t；最小值也均出現(xiàn)在2010年，分別僅為39.11、15.67 t。近52 a間黃沖子和工農(nóng)溝小流域土壤侵蝕量的變異系數(shù)分別為0.76、0.86，年際波動(dòng)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(gè)時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖(圖2)。黃沖子和工農(nóng)溝小流域1963—2000年土壤侵蝕強(qiáng)度均大于2001—2014年，后一個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)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(chǎn)流的作用，說(shuō)明在庫(kù)區(qū)實(shí)施的退耕還林工程生態(tài)效益良好。

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

圖3 塘庫(kù)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(chǎn)沙量變化分析

2.2.1137Cs和210Pb定年結(jié)果

黃沖子塘庫(kù)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(zhì)量深度68.67～74.07 g/cm2；210PbexCRS模式的定年結(jié)果表明質(zhì)量深度68.67～74.07 g/cm2處對(duì)應(yīng)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(xiàn)的層位，因此210PbexCRS模式得出的質(zhì)量深度68.67～74.07 g/cm2沉積泥沙的年代與137Cs時(shí)標(biāo)對(duì)應(yīng)的年代基本一致。同理，工農(nóng)溝塘庫(kù)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(xiàn)在94.38～103.44 g/cm2層位(圖3b)，采用210PbexCRS模式在該質(zhì)量深度處的定年結(jié)果為1957—1964年(表1)，也是1963年137Cs峰值出現(xiàn)的層位。通過(guò)137Cs和210Pb定年結(jié)果的交叉驗(yàn)證，說(shuō)明在庫(kù)區(qū)小流域采用的210PbexCRS模式定年結(jié)果準(zhǔn)確可靠。由前述可知，黃沖子和工農(nóng)溝塘庫(kù)泥沙沉積樣芯分別長(zhǎng)162、90 cm，以1963年泥沙沉積層為時(shí)間起點(diǎn)，2個(gè)塘庫(kù)對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)19個(gè)和12個(gè)泥沙沉積層，依據(jù)210Pb定年方法即式(2)，黃沖子和工農(nóng)溝小流域1963—2014年按塘庫(kù)泥沙沉積時(shí)間分別被劃分為19個(gè)和12個(gè)時(shí)段(表1)。

表1 黃沖子和工農(nóng)溝小流域不同時(shí)段產(chǎn)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(xiàn)的層位(1963年)。

2.2.2小流域不同時(shí)段產(chǎn)沙量

黃沖子和工農(nóng)溝塘庫(kù)均為人工挖筑而成，塘庫(kù)形狀近似規(guī)則的錐臺(tái)體。根據(jù)當(dāng)?shù)靥翈?kù)工程實(shí)踐，取塘庫(kù)的邊坡坡度為30°，再根據(jù)塘庫(kù)水面面積、水深、沉積泥沙厚度和實(shí)測(cè)干容重值計(jì)算塘庫(kù)每層泥沙淤積量。

DENDY[33]研究表明暴雨期間水庫(kù)的攔沙效率比較接近水庫(kù)的實(shí)際攔沙效率，并實(shí)測(cè)得到11個(gè)水庫(kù)攔沙效率(82.0%～98.5%)，平均值為90.6%。巨莉[34]通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外塘(水)庫(kù)的攔沙效率，結(jié)果表明塘庫(kù)攔沙效率取90%符合小型水庫(kù)工程實(shí)際情況。本研究根據(jù)前人研究成果和2個(gè)塘庫(kù)實(shí)際情況，取黃沖子和工農(nóng)溝塘庫(kù)攔沙效率均為90%。由于塘庫(kù)可作為小流域的侵蝕基準(zhǔn)面，流域內(nèi)所有的侵蝕都發(fā)生在塘庫(kù)以外的區(qū)域，所以采用不同時(shí)段的塘庫(kù)泥沙淤積量除以塘庫(kù)攔沙效率得到相應(yīng)時(shí)段的小流域產(chǎn)沙量(表1)。

黃沖子小流域產(chǎn)沙量最大值和最小值分別發(fā)生在1963—1965年和2010—2012年；工農(nóng)溝小流域產(chǎn)沙量最大值和最小值分別發(fā)生在2001—2006年和2010—2014年。黃沖子和工農(nóng)溝小流域不同時(shí)段產(chǎn)沙量的變異系數(shù)分別為0.28、0.19。1963—2014年黃沖子小流域產(chǎn)沙量整體呈下降趨勢(shì)(R2= 0.766)，工農(nóng)溝小流域1963—2014年產(chǎn)沙量變化趨勢(shì)不明顯(R2=0.022)，但2001—2014年小流域產(chǎn)沙量減少趨勢(shì)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(shí)段泥沙輸移比估算

本研究嚴(yán)格按照土壤侵蝕學(xué)中泥沙輸移比的定義，估算黃沖子和工農(nóng)溝小流域不同時(shí)段的泥沙輸移比。以1991—1993年時(shí)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(shí)段的產(chǎn)沙量為92.98 t(表1)，因此同一時(shí)段內(nèi)，流域產(chǎn)沙量與流域侵蝕量的比值即泥沙輸移比為0.23。其它各時(shí)段的泥沙輸移比計(jì)算方法與上述算法相似。

2.3.2不同時(shí)段泥沙輸移比變化特征

通過(guò)上述小流域不同時(shí)段的泥沙輸移比估算可知：近52 a以來(lái)，黃沖子小流域各時(shí)段泥沙輸移比介于0.10～0.34之間，其變異系數(shù)為0.33；而工農(nóng)溝小流域各時(shí)段泥沙輸移比變化范圍為0.07～0.86，變異系數(shù)高達(dá)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(guān)(全民煉鋼后期)。黃沖子小流域2001—2004年和工農(nóng)溝小流域2001—2006年泥沙輸移比分別為0.34、0.86，大于其它時(shí)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(dòng)干擾地表強(qiáng)烈等有關(guān)。

圖4 不同時(shí)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(shí)段黃沖子小流域以農(nóng)地為主，土壤侵蝕模數(shù)分別為1 843.12、1 730.78 t/(km2· a)；自2001年庫(kù)區(qū)小流域?qū)嵤┩烁€林工程以來(lái)，黃沖子小流域2010—2012年泥沙輸移比為0.22，土壤侵蝕模數(shù)為800.55 t/(km2· a)，說(shuō)明小流域水土保持治理后，泥沙輸移比有所下降，該結(jié)論與長(zhǎng)江上游其它地區(qū)基本一致[10]。為了深入理解泥沙輸移比的變化特征和應(yīng)用價(jià)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(jìn)行分析。黃沖子小流域1963—2000年產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)溝小流域1963—2000年產(chǎn)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(chǎn)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(shì)，表明泥沙輸移比在實(shí)際應(yīng)用中具有不確定性。2001—2014年工農(nóng)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(nóng)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(kù)有關(guān)。但是黃沖子小流域和工農(nóng)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(kù)區(qū)泥沙輸移比介于0.12～0.97之間，庫(kù)區(qū)均值為0.48；其中，中、西部的平行嶺谷區(qū)泥沙輸移比為低值區(qū)，變化范圍為0.12～0.30。巨莉[34]估算三峽庫(kù)區(qū)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(kù)區(qū)中部平行嶺谷區(qū)，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(nóng)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(shù)時(shí)段的泥沙輸移比也都小于0.3。本文計(jì)算的庫(kù)區(qū)小流域泥沙輸移比與最新研究成果基本一致，說(shuō)明在三峽庫(kù)區(qū)綜合利用RUSLE模型和137Cs技術(shù)估算的小流域泥沙輸移比科學(xué)合理，具有潛在的使用價(jià)值。

許炯心等[36]研究表明，小流域經(jīng)過(guò)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?qū)嵤┩烁€林工程以來(lái)，黃沖子小流域產(chǎn)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(shuō)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(shí)段的泥沙輸移比來(lái)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(shù)值大小不能簡(jiǎn)單表征流域水土保持治理效果的優(yōu)劣。時(shí)段的選擇對(duì)泥沙輸移比的估算非常重要，特別是應(yīng)用其進(jìn)行水土保持效益評(píng)價(jià)時(shí)。時(shí)段太長(zhǎng)沒(méi)有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值，時(shí)段太短代表性不夠，一般至少不少于兩個(gè)水文系列年[11]。

4 結(jié)論

(1)黃沖子小流域和工農(nóng)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(shù)分別為0.76、0.86，年際波動(dòng)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(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

(2)塘庫(kù)淤積泥沙的210PbexCRS模式定年結(jié)果準(zhǔn)確可靠。根據(jù)137Cs和210PbexCRS模式定年結(jié)果，黃沖子小流域和工農(nóng)溝小流域不同時(shí)段產(chǎn)沙量的變異系數(shù)分別為0.28、0.19。黃沖子小流域1963—2014年產(chǎn)沙量下降趨勢(shì)明顯(R2=0.766)，工農(nóng)溝小流域2001—2014年產(chǎn)沙量呈減少趨勢(shì)(R2=0.978)。

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

(4)時(shí)段的科學(xué)選擇對(duì)泥沙輸移比的估算影響很大，特別是將泥沙輸移比應(yīng)用到小流域水土保持效益評(píng)價(jià)時(shí)。

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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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0402301)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB452704)和寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目(ZK16063)

俱戰(zhàn)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(yán)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