西柳溝丘陵區(qū)土壤組成及對流域產(chǎn)沙的影響

王普慶 侯素珍

摘?要：為進(jìn)一步了解和認(rèn)識不同地貌單元組成土壤對流域產(chǎn)沙的影響，選擇西柳溝為典型流域，針對地表物質(zhì)分布開展現(xiàn)場調(diào)研取樣，分析西柳溝丘陵區(qū)坡面土壤組成以及不同土壤產(chǎn)沙對流域輸沙的影響。運(yùn)用泥沙動力學(xué)理論，利用河道斷面資料和泥沙參數(shù)，結(jié)合流域的洪水輸沙特性，求出相應(yīng)條件下西柳溝流域出口段河流懸沙上限粒徑值為0.12 mm。在一般洪水條件下，西柳溝丘陵地區(qū)粗骨土、栗鈣土進(jìn)入黃河的比例分別為18%、20%。

關(guān)鍵詞：西柳溝;土壤組成;顆粒分析;產(chǎn)沙

中圖分類號：P333;TV882.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.001

Abstract： In order to further understand the influence of different geomorphic units to the sediment yield of watersheds， Xiliugou was selected as a typical watershed for field survey on the distribution of superficial substances to analyze the slope soil grain sizes in the gullied Rolling loess area of Xiliugou and the influence of different soils to the sediment yield of watersheds. Based on the dynamic theory of sediment， the river section and sediment data， combined with the sediment transport characteristics in floodwater of the watershed， the maximum grain size of river suspended sediment is 0.12 mm under corresponding conditions through calculation. Under the normal conditions of flood flow of 3 300 m3/s with a sediment concentration of 600 kg/m3， about 20% of skeletal soil，18% Chestnut soil and 6.8% sand of the Xiliugou tributary are carried into the Yellow River by flood.

Key words： Xiliugou; soil grain size; grain analysis; sediment yield

西柳溝是鄂爾多斯高原上的“十大孔兌（孔兌為蒙語，即山洪溝）”之一，位于內(nèi)蒙古河套平原的中部，發(fā)源于鄂爾多斯市東勝區(qū)，是黃河的一級支流（見圖1），流域總面積1 356.43 km2。地勢南高北低，相對高差為500 m，上陡下緩，河道平均比降為0.36%。河道地形地貌從南向北呈現(xiàn)不同特征，南部（上游）為丘陵溝壑區(qū)，面積876.30 km2，水力侵蝕比較嚴(yán)重;中游為庫布齊沙漠風(fēng)沙區(qū)，面積280.70 km2;下游為沿黃平原區(qū)，面積為199.43 km2。這樣的地貌格局和地表物質(zhì)分布特征形成了特有的泥沙侵蝕和輸移模式：上游為水力作用下的高含沙水流主導(dǎo)區(qū);中游沙漠區(qū)河段為風(fēng)力作用主導(dǎo)區(qū)，區(qū)域內(nèi)泥沙通過風(fēng)力作用被搬運(yùn)至床面;下游為泥沙輸移與沉積區(qū)。

大量研究成果[1-2]表明，孔兌洪水泥沙對干流影響深遠(yuǎn)。同時，孔兌洪水驟漲驟落、含沙量高度集中輸移的特點(diǎn)，極易在干支流交匯處大量淤積形成沙壩阻塞黃河，帶來嚴(yán)重災(zāi)害。因此，正確認(rèn)知孔兌洪水泥沙的來源，科學(xué)合理地調(diào)控洪水和泥沙，實(shí)現(xiàn)洪水和泥沙資源化，對于流域綜合治理和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。

坡面和溝道來沙是河流泥沙的主要來源，經(jīng)過水土保持生態(tài)治理措施的實(shí)施，坡面土壤侵蝕已得到有效控制。依據(jù)部分小流域的土壤侵蝕資料分析[3]，從20世紀(jì)90年代到2010年，坡面和溝道侵蝕產(chǎn)沙比分別為70%、80%，溝道侵蝕作為流域產(chǎn)沙的主要來源呈增大趨勢，流域不同位置對流域產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)也不同。另外，人類活動相對頻繁的道路、排水溝等也是河流泥沙的重要來源和泥沙輸送的重要通道。盡管溝道侵蝕量在不斷增大，但坡面侵蝕依然是溝道侵蝕的初始來源地，研究坡面土壤組成及其對河流泥沙的貢獻(xiàn)一直是人們關(guān)注的主要問題，這對于調(diào)整土地利用方式及流域規(guī)劃是十分有意義的。

1?丘陵區(qū)不同土壤分布及粒配

西柳溝流域位于十大孔兌中部，水文氣象、洪水泥沙和地質(zhì)地貌資料比較齊全，流域地形地貌特征、表層土壤組成與其他孔兌也相似，在水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕等方面具有一定的代表性，故把西柳溝流域作為典型流域進(jìn)行研究。

1.1?地表土壤分布

西柳溝流域地貌類型復(fù)雜多樣，依據(jù)地貌發(fā)育的內(nèi)外營力及地表形態(tài)特征，可以把西柳溝丘陵區(qū)劃分為蓋土砒砂巖區(qū)、蓋沙砒砂巖區(qū)和裸露砒砂巖區(qū)3個地貌類型區(qū)。土壤主要是由砒砂巖衍生而形成的栗鈣土、粗骨土、風(fēng)沙土和其他類型土[4-5]。

圖2為依據(jù)遙感圖像解析的西柳溝表層土壤分布情況，自下而上分布有草原風(fēng)沙土、新積土、栗鈣土、淡栗鈣土、粗骨土、潮土6類土壤（見表1）。草原風(fēng)沙土位于西柳溝流域的中游和上游，占西柳溝流域面積的16%，其中上游部分為流域發(fā)源地，形似啞鈴，橫向長5.5～6.0 km;栗鈣土分布于流域干流兩側(cè)，占流域面積的53.7%，屬于水力侵蝕的主要區(qū)域;粗骨土分布于流域中上游兩側(cè)，呈南北長、東西窄的帶狀形態(tài)，覆蓋了西柳溝大部分支流的上游，再加上該區(qū)域植被覆蓋率較低，荒坡面積大，屬于水力侵蝕強(qiáng)度最大的地區(qū)。

1.2?不同土壤粒配

1.2.1?取樣位置和方式

大量研究成果[6-7]表明，侵蝕泥沙主要來源于溝谷地坡面、溝道。對于坡面沙樣選取，可以參考土壤分布圖預(yù)定的位置，并結(jié)合現(xiàn)場情況，根據(jù)洪水痕跡確認(rèn)溝坡和溝床坡面，由于土壤本身存在著空間分布的不均一性，因此為使沙樣更好地反映區(qū)域土壤性狀，采樣點(diǎn)選擇應(yīng)遵從影響土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展的主要條件的相似性原則、地貌部位相似性原則、侵蝕方式一致性原則，同時注意采樣點(diǎn)避開田邊、溝邊、路邊等。

取樣線路采用蛇形分布，布點(diǎn)做到盡量均勻和隨機(jī)。采用混合樣品采集布點(diǎn)方法，以塊地為單位多點(diǎn)取樣，然后再混合成一個混合樣品，取樣深度為0～20 cm。

1.2.2?土壤粒配

考慮不同地表土壤組成，按照取樣位置和方式的要求，分別在西柳溝東岸的支溝艾來五庫溝、昌漢溝及西岸的馬利昌漢溝等處取樣，編號依次為D1～D7（見圖2）。圖3為各沙樣粒配組成曲線，其中風(fēng)沙土組成最粗，中值粒徑為1.10 mm（見表2），其次為編號D4的栗鈣土，中值粒徑為0.42 mm，最細(xì)的為編號D7的粗骨土，中值粒徑為0.09 mm，土壤粒徑組成并不完全取決于其分類組成，而是與其所處的地理位置和土層深度有關(guān)。將丘陵區(qū)同一類型土壤的沙樣合并后得到不同土壤的分組粒徑含量（見表3），總體看，風(fēng)沙土粒配組成最粗，栗鈣土次之，粗骨土相對較細(xì)。丘陵區(qū)內(nèi)栗鈣土、粗骨土、草原風(fēng)沙土三者合計(jì)占95.3%，是主要的水力侵蝕區(qū)，也是對流域產(chǎn)沙影響最大的區(qū)域，是本文研究的重點(diǎn)。

2?孔兌洪水特性

“十大孔兌”雖然為季節(jié)性河流，但是其地貌格局和地表物質(zhì)分布組成對高含沙水流的形成和風(fēng)水兩相的侵蝕—泥沙搬運(yùn)作用影響很大，因此形成了特有的泥沙侵蝕和輸移模式。

在洪水泥沙方面，文獻(xiàn)[8]統(tǒng)計(jì)了西柳溝龍頭拐站1960—1990年洪水流量和沙量的多年變化，在這31 a中，最大洪峰流量為6 940 m3/s，最大含沙量為1 550 kg/m3，其中有12 a的最大含沙量超過1 000 kg/m3，場次洪水平均含沙量為580 kg/m3。文獻(xiàn)[8]對于西柳溝部分場次洪水特征值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，而且多數(shù)場次洪水過程歷時較短（不超過24 h）。

為分析洪水泥沙組成，借助發(fā)源于砒砂巖地區(qū)的皇甫川洪水泥沙測驗(yàn)資料，點(diǎn)繪了皇甫川洪水泥沙懸沙中值粒徑與含沙量的關(guān)系（見圖4），可看出洪水挾帶的泥沙粒徑隨含沙量的增大而增大[9]，中值粒徑可以達(dá)到0.3 mm。

在孔兌河床淤積物組成方面，根據(jù)西柳溝河床淤積物沙樣粒配分析，結(jié)果顯示床沙組成沿程細(xì)化[1]。上游河段床沙組成偏粗，隨著河床的不斷淤積抬升，到下游平原河段則細(xì)顆粒泥沙偏多，泥沙中值粒徑從上游的2 mm減小到下游的0.157 mm，這顯然是高含沙洪水沿程淤積分選的結(jié)果。綜合以上分析，孔兌洪水具有洪峰流量大、含沙量高、歷時短的基本特征。在懸沙組成方面，粒徑隨含沙量的增大而增大，在河床淤積物組成方面表現(xiàn)為沿程細(xì)化。

3?流域泥沙來源分析

3.1?泥沙來源研究現(xiàn)狀

砒砂巖不同侵蝕類型區(qū)小流域泥沙來源的研究主要體現(xiàn)在兩方面：一為物源說，即泥沙的來源問題;二是貢獻(xiàn)率問題，即水力和風(fēng)力侵蝕沙量占比及對黃河的影響。王曉[10]對砒砂巖不同侵蝕類型區(qū)小流域泥沙來源的分析表明，泥沙主要來源于溝谷地;楊明義等[11]應(yīng)用137Cs研究了安塞紙坊溝流域的泥沙來源，表明小流域泥沙主要來源于溝谷;張勝利[12]認(rèn)為只有風(fēng)蝕、水蝕交錯地區(qū)才是強(qiáng)烈侵蝕產(chǎn)生粗泥沙的中心;史學(xué)建等[13]對比分析了黃河中游皇甫川等流域河流粗泥沙含量和平均粒徑的年內(nèi)變化規(guī)律，認(rèn)為流域內(nèi)基巖產(chǎn)沙對河流泥沙貢獻(xiàn)不大，懸移質(zhì)中的粗泥沙主要來源于風(fēng)沙區(qū)。

關(guān)于孔兌泥沙入黃貢獻(xiàn)率的研究成果相對有限，文獻(xiàn)[1，13]從不同的角度較全面地分析闡述了小流域泥沙來源。文獻(xiàn)[1]利用床沙礦物成分分析、斷面分析等方法來推算西柳溝與孔兌總輸沙量，從而得到孔兌輸沙量中沙漠沙的占比，整體上十大孔兌沙漠沙的貢獻(xiàn)率接近20%，其他80%則來自丘陵地區(qū)的溝道、坡地等。文獻(xiàn)[14]利用137Cs估算出流域內(nèi)各類用地單元的平均侵蝕模數(shù)，再與相應(yīng)的面積相乘，得到整個小流域的多年平均侵蝕量，從而獲得流域泥沙的主要來源，結(jié)果表明對流域產(chǎn)沙貢獻(xiàn)最大的是荒坡地和沙地，兩者占比達(dá)76%，與文獻(xiàn)[1]得出的結(jié)論接近。綜上所述，西柳溝流域泥沙來源約20%來自中游的庫布齊沙漠，其余來沙則來源于荒坡、溝道等，然而針對不同土壤的坡面產(chǎn)沙對黃河干流的影響目前尚無具體的結(jié)論性成果。

3.2?泥沙輸移理論分析

考慮到孔兌下游屬于平原地區(qū)寬淺河道，符合多沙河流輸水輸沙的基本規(guī)律，依據(jù)泥沙動力學(xué)相關(guān)理論，應(yīng)用多沙河流輸沙平衡計(jì)算方法[15]，可推求流域產(chǎn)沙后進(jìn)入黃河干流的沙量。式（1）為維持河流懸沙不淤的最小流速公式，該式經(jīng)大量水槽試驗(yàn)及渠道、河道實(shí)測資料驗(yàn)證，表明該式用于計(jì)算明渠高含沙水流挾沙力有一定普遍意義，由于驗(yàn)證資料包含侵蝕強(qiáng)烈的黃土丘陵地區(qū)，因此可用于孔兌地區(qū)河道高含沙水流。應(yīng)用此式，結(jié)合河道斷面水力要素和泥沙參數(shù)，可求出相應(yīng)條件下懸沙上限粒徑，進(jìn)一步估算孔兌進(jìn)入黃河干流的泥沙量。

當(dāng)河流處于輸沙平衡狀態(tài)時，水流含沙量與水流挾沙力相同。依據(jù)西柳溝平原區(qū)河段的過流斷面情況，應(yīng)用式（1）～式（5）可得到不同含沙量條件時洪水流量與懸沙粒徑的關(guān)系（見圖5）。參照平原河段設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇的洪水流量（約3 300 m3/s）及多年平均含沙量（600 kg/m3），與上述水沙條件對應(yīng)的懸沙上限粒徑值為0.12 mm（見圖5），即大于該粒徑的懸沙將會在河床上沉積[16]。按照該粒徑計(jì)算，結(jié)合表3粒配資料，得到西柳溝孔兌約有15%的粗骨土、17%的栗鈣土、6.8%的風(fēng)沙土進(jìn)入黃河。

結(jié)合西柳溝歷史洪水情況，將流量2 000 m3/s和7 000 m3/s分別作為中小洪水和極端特大洪水情況考慮，對應(yīng)洪水含沙量變化范圍通常為300～1 000 kg/m3。由圖5可以查取孔兌流域出口斷面的粒徑，其中，中小洪水時孔兌出口斷面的粒徑為0.113～0.115 mm，與該粒徑對應(yīng)的粗骨土、栗鈣土、風(fēng)沙土含量分別為13.5%、16.0%、7.5%;特大洪水時，孔兌出口斷面的粒徑為0.128～0.14 mm，對應(yīng)的粗骨土、栗鈣土、風(fēng)沙土含量分別為22%、25%、8.2%。將兩類洪水產(chǎn)沙的情況平均后可得到粗骨土、栗鈣土、風(fēng)沙土含量分別約為18%、20%、7.9%。因此，一般情況下，西柳溝丘陵地區(qū)在水力侵蝕條件下，占比份額較大的粗骨土和栗鈣土進(jìn)入黃河的沙量大約不超過侵蝕總量的20%。

4?結(jié)?語

泥沙從侵蝕到沉積是一個復(fù)雜的過程，通過對西柳溝流域?qū)嵉夭榭?、取樣、測試、分析計(jì)算，針對不同地貌單元的土壤組成，分析計(jì)算了西柳溝流域不同地貌單元的粒配組成。結(jié)合流域的洪水輸沙特性及泥沙動力學(xué)理論，應(yīng)用河道斷面資料和泥沙參數(shù)，求出相應(yīng)條件下河流懸沙的上限粒徑，在洪水流量為3 300 m3/s、含沙量為600 kg/m3時，對應(yīng)懸沙上限粒徑值為0.12 mm。西柳溝約有15%的粗骨土、17%的栗鈣土和6.8%的風(fēng)沙由洪水挾帶進(jìn)入黃河。在其他洪水條件下，西柳溝丘陵地區(qū)粗骨土、栗鈣土進(jìn)入黃河的含量分別約為18%、20%。

西柳溝流域是典型的風(fēng)水兩相作用地區(qū)，由于流域內(nèi)地形地貌復(fù)雜，支流眾多，再加上缺乏系統(tǒng)的洪水水文泥沙資料，因此目前條件下精確定量計(jì)算流域產(chǎn)沙情況比較困難。本文旨在通過不同的思路探討孔兌泥沙來源，并為其他類似條件下的泥沙輸移計(jì)算提供理論參考和技術(shù)途徑。

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