黃土丘陵區(qū)小流域壩地沉積泥沙顆粒分布特征

申震洲, 亢晨波, 張寧寧, 劉普靈

(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.榆林學(xué)院 陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 榆林 719000;3.中國科學(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

土壤侵蝕是全世界所面臨的頭號環(huán)境問題[1]。黃土丘陵區(qū)由于溝壑縱橫、溝深坡陡的復(fù)雜地形地貌條件，導(dǎo)致該地區(qū)水土流失范圍廣、面積大、土壤侵蝕嚴(yán)重，侵蝕的泥沙成為黃河泥沙的主要來源[2]，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)失衡，旱澇災(zāi)禍頻發(fā)。為保障黃河安全，改善生態(tài)環(huán)境，以小流域?yàn)榍治g單元進(jìn)行的小流域綜合治理措施成為黃土高原土壤侵蝕治理的重要手段[3]，而淤地壩是其中一項(xiàng)成效顯著的土壤侵蝕治理工程措施，它在攔泥、滯洪、淤沙造田等方面起著重要作用[4-5]。壩地系統(tǒng)所攔蓄泥沙顆粒賦存了大量土壤侵蝕產(chǎn)沙過程及侵蝕環(huán)境演替的相關(guān)信息，是研究小流域土壤侵蝕變化特征及反演侵蝕環(huán)境變化的良好載體，為研究小流域土壤侵蝕提供了新的途徑[6-7]。

淤地壩內(nèi)泥沙淤積特征受區(qū)域降雨特性、水動(dòng)力條件和研究小流域地形地貌特征等多種因素影響，因此壩前沉積物厚度和顆粒組成等在空間上存在很大的變異性，進(jìn)而影響典型剖面的選擇，并進(jìn)一步影響沉積量的估算和泥沙來源的追蹤和反演[8-9]。目前許多學(xué)者通過小流域淤地壩內(nèi)的沉積物顆粒分析開展了小流域土壤侵蝕過程、產(chǎn)沙來源等方面的研究，并取得了一些研究成果[10-13]。目前研究主要基于137Cs進(jìn)行時(shí)標(biāo)，然后根據(jù)旋回層厚度，建立泥沙沉積過程的時(shí)空序列，并結(jié)合歷次暴雨、洪水資料及流域內(nèi)的沉積泥沙量來分析流域內(nèi)的泥沙來源和產(chǎn)沙強(qiáng)度[14-16]。Zhang等[17]根據(jù)淤地壩沉積泥沙所形成的沉積旋回層厚度，并結(jié)合137Cs和孢粉等相關(guān)技術(shù)分析了小流域在不同時(shí)間內(nèi)的侵蝕產(chǎn)沙速率。然而由于建壩年代限制，并非所有壩地都可用137Cs示蹤斷代技術(shù)，但每一個(gè)沉積旋回都對應(yīng)著一次明顯的侵蝕性降雨事件，也相應(yīng)的會(huì)帶來一次泥沙的運(yùn)移和分選過程，因此研究分析壩地的沉積泥沙顆粒的機(jī)械組成顯得十分必要。彌智娟等[18]通過對壩地沉積泥沙的分析，發(fā)現(xiàn)壩地沉積泥沙粒級組成中粉粒占主導(dǎo)地位。一些學(xué)者通過對壩地內(nèi)不同分層沉積物的研究分析表明沉積泥沙具有分選性，壩前泥沙顆粒比壩尾的細(xì)[19-20]。然而有的則認(rèn)為與此相反，即壩前的顆粒比壩尾的粗，或無明顯差異[21]。

鑒于此，本文選用延安湫溝的一座2003年興建“悶葫蘆壩”為研究對象，分析研究小流域控制壩沉積泥沙垂直剖面泥沙粒徑組成變化及分形特征，探討新的侵蝕背景下小流域侵蝕泥沙再分布特征，以期能夠?yàn)殚_展和研究小流域土壤侵蝕及產(chǎn)沙過程提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究小流域位于陜西省延安市湫溝小流域，屬于燕溝流域的一條支溝，地理位置為36°29′96″N，109°31′11″E，海拔1 131 m；淤地壩控制面積為5.23 km2。該淤地壩始建于2003年，由于淤積時(shí)間較短，該淤地壩仍然處于有水狀態(tài)，且并未出現(xiàn)放水現(xiàn)象。因此，所有小流域侵蝕泥沙全部都被攔蓄在該淤地壩內(nèi)。該地區(qū)的氣候特征為半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為423 mm，主要集中在7—9月份，且多為暴雨。研究區(qū)的土壤侵蝕類型主要是水力侵蝕和重力侵蝕。流域內(nèi)土壤類型以黃綿土為主，主溝道最底層為裸露的基巖。

1.2 土壤樣品采集和處理

1.2.1 樣點(diǎn)布設(shè)與土壤樣品采集 為了研究淤地壩降雨沉積過程，選擇延安市的湫溝小流域的湫溝大壩，由于淤積時(shí)間較短，該淤地壩仍然處于有水狀態(tài)。經(jīng)過前期調(diào)查，于2012年選擇淤地壩淤積泥沙最厚的點(diǎn)進(jìn)行淤積泥沙樣品的采集，采樣使用內(nèi)徑為42 mm的食品級不銹鋼空心管進(jìn)行水上采樣。在采樣的過程中，將空心管垂直打入，直到原始河床(即基巖位置)，隨后垂直取出，同時(shí)根據(jù)采樣點(diǎn)所處位置的水面深度，當(dāng)場對鋼管進(jìn)行焊接和截取，以確保采樣鋼管內(nèi)土柱樣品的完整性，密封帶回實(shí)驗(yàn)室。在采樣的過程中進(jìn)行GPS定位，記錄采樣點(diǎn)的位置信息。

1.2.2 土壤樣品處理 將帶回的空心管土柱樣品取出上部密封物體后，垂直放置，自然風(fēng)干，待空心管內(nèi)樣品成半干燥狀態(tài)后沿著管道中心線垂直剖開(該過程要特別小心，盡量減少對空心管內(nèi)土柱的影響)。將剖開的土柱樣品進(jìn)行0.5 cm/樣的切割取樣。隨后將土樣處理后裝入密封袋內(nèi)進(jìn)行保存，用于土壤顆粒組成的分析，并注明采樣時(shí)間以及采集的土樣所處的剖面深度。

1.3 土壤樣品分析

將土柱分割所得的土壤樣品平鋪在通風(fēng)口自然風(fēng)干、除去草石雜物、研磨、過篩(2 mm的篩子)。在100 ml的燒杯中加入2～4 g土壤樣品，并加入過氧化氫(H2O2)溶液和10%的鹽酸(HCL)溶液以消除對土樣中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽。最后給每個(gè)土壤樣品加入六偏磷酸鈉(NaPO3)6溶液，進(jìn)行分散處理。對處理的土樣使用Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行粒度分析，每個(gè)土樣重復(fù)測量兩次，結(jié)果取平均值。土壤粒徑分類采用1987年的中國制標(biāo)準(zhǔn)，分別為黏粒(<0.002 mm)、細(xì)粉粒(0.002～0.01 mm)、粗粉粒(0.01～0.05 mm)、細(xì)沙粒(0.05～0.25 mm)、粗沙粒(0.25～1 mm)。本文采用土壤分形維數(shù)和土壤質(zhì)地粗化度綜合描述顆粒分布特征。

土壤分形維數(shù)可表征土壤粒徑的大小組成，還能反映質(zhì)地的均一程度，分形維數(shù)隨著土壤黏粒和粉粒含量的增加，其值越來越大；隨著土壤粒徑組成中沙粒含量的增大而逐漸減小。計(jì)算公式如下：

式中:D表示土壤粒徑分形維數(shù);V(r

土壤質(zhì)地粗化度指的是壩地剖面沉積旋回層中土壤的沙粒含量(>0.05 mm)與黏粒含量和粉粒含量之和(<0.05 mm)的比值。粗化度越大，則粗顆粒泥沙在土壤粒級組成中的成分越多；粗化度越小，則土壤粒級組成中的粗顆粒含量越少，土壤受侵蝕程度越大。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的處理和制圖使用Excel 2010軟件完成，差異顯著性檢驗(yàn)使用SPSS 19.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 淤地壩沉積泥沙再分布特征

流域壩地侵蝕類型主要以水力侵蝕與重力侵蝕為主，每一場侵蝕性降雨都會(huì)形成一次泥沙搬運(yùn)沉積現(xiàn)象，同時(shí)形成一個(gè)泥沙沉積旋回層。從圖1A壩前沉積泥沙剖面中沙粒含量百分比隨深度變化的曲線來看，沙粒在壩前沉積泥沙垂直剖面上呈現(xiàn)高值低值交替出現(xiàn)的周期性變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為：粗細(xì)相間分布，由上到下依次呈現(xiàn)細(xì)、粗、細(xì)、粗的分布規(guī)律，并且粗細(xì)分布的厚度差異較大。這主要是由于歷次侵蝕性降雨的水動(dòng)力條件分選沉積作用而造成的，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。且由于降雨強(qiáng)度不同，流域內(nèi)的侵蝕產(chǎn)沙量也不盡相同，進(jìn)而導(dǎo)致剖面各沉積旋回層厚度的有所差異。

圖1 淤地壩壩前沉積泥沙沙粒含量變化特征(A)及沉積旋回厚度變化特征(B)

結(jié)合研究小流域降雨特性，根據(jù)壩前泥沙粗顆粒(沙粒)的周期變化特征[22]，從沙粒百分含量最小開始到沙粒百分含量逐漸增大到一定程度便開始突然減少為止即為一個(gè)完整的沉積旋回。因此，在本研究小流域淤地壩淤積期間，壩內(nèi)沉積泥沙共存在19個(gè)沉積旋回層(圖1B)。旋回層的沉積厚度表示單次洪水事件過后，沉積在淤地壩前的泥沙總厚度。在該研究中，不同旋回層的沉積厚度差異顯著，平均厚度為12.7 cm，其中，第3旋回層厚度最小(1.5 cm)，第17旋回層厚度最大值(37 cm)。不同旋回層的沉積厚度標(biāo)準(zhǔn)差為10.48，變異系數(shù)為0.82，屬于中等強(qiáng)度變異。從沉積厚度變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，泥沙沉積較厚的層次均分布在建壩初期，隨著沉積時(shí)間，除去第1、第4和第5旋回層，其他旋回層厚度均低于10 cm，即壩前沉積泥沙層厚度隨著沉積時(shí)間顯著降低。

2.2 小流域侵蝕沉積泥沙粒徑特征分析

2.2.1 不同旋回土壤粒徑的變化特征 由表1可知，壩地剖面沉積旋回層中各粒徑組成以粗粉粒含量最多，所占比例達(dá)到51.73%；其次為黏粒，所占比例為19.88%；粗沙粒含量最少，所占比例僅僅為0.25%。研究小流域壩地剖面各粒徑含量由大到小分別是粗粉粒(51.73%)、黏粒(19.88%)、細(xì)粉粒(17.30%)、細(xì)沙粒(10.85%)、粗沙粒(0.25%)；各粒徑變異系數(shù)由大到小依次為粗沙粒>細(xì)沙粒>細(xì)粉粒>黏粒>粗粉粒，其中粗砂粒變異系數(shù)可達(dá)387.04%，而黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒僅僅分別為28.93%，36.16%和13.36%，說明粉粒與黏粒在研究小流域的輸移、沉積過程中分選性較差。

表1 研究區(qū)壩地剖面沉積旋回層各粒徑的統(tǒng)計(jì)分析

進(jìn)一步從研究區(qū)壩地剖面不同沉積旋回層各粒徑的統(tǒng)計(jì)分析(圖2)可以看出，整個(gè)剖面共形成19個(gè)沉積旋回層，且每個(gè)旋回層中各級沉積泥沙在壩內(nèi)的空間分布變化較大，變化差異顯著(p<0.05)。各沉積層粒徑組成均以粗粉粒為主，所占比例在42.85%～62.60%；不同旋回層中，粗沙粒僅在3個(gè)旋回層中出現(xiàn)(第1，9,12旋回層)；細(xì)沙粒(3.86%～27.02%)、細(xì)粉粒(8.20%～24.22%)和黏粒(12.05%～27.01%)的體積分?jǐn)?shù)接近。而旋回層中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。分析表明，退耕還林具有降低土壤細(xì)顆粒物質(zhì)流失的作用，且年際變化顯著。

圖2 不同沉積旋回層粒徑的組成特征

2.2.2 不同旋回土壤粒徑分形維數(shù)的變化特征 由表2可以看出，該流域壩地剖面各沉積旋回層的土壤分形維數(shù)在2.60～2.78，平均值為2.70。其中第8旋回層分形維數(shù)最低(2.60)；第14旋回層最高(2.78)；分形維數(shù)的線性回歸的決定系數(shù)在0.91～0.96，相關(guān)性極好，說明所有的分形參數(shù)在計(jì)算上是可信的。但是不同旋回層次的分形維數(shù)隨著沉積深度有逐漸增大的趨勢，即隨著沉積時(shí)間不同旋回層次沉積泥沙顆粒的分形維數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，表明隨著退耕時(shí)間的增加，小流域侵蝕泥沙的細(xì)顆粒物質(zhì)含量增加。但整個(gè)剖面上泥沙粒徑的分形維數(shù)隨沉積深度并無顯著性差異，這表明該流域土壤質(zhì)量良好。

表2 小流域壩地剖面泥沙粒徑的分形維數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

為研究分形維數(shù)與土壤各粒級含量之間的關(guān)系，本文采用皮爾遜相關(guān)分析進(jìn)行分析(表3)，分析結(jié)果表明，黏粒與分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大為0.99；粗砂粒的相關(guān)系數(shù)最小為-0.12。分形維數(shù)與黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒和細(xì)砂粒含量在99%檢驗(yàn)水平上均呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系，而與粗砂粒不存在顯著的相關(guān)關(guān)系；且黏粒和細(xì)粉粒與分形維數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而粗粉粒和細(xì)砂粒與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，具有較高的黏粒和細(xì)粉粒含量(即細(xì)物質(zhì)顆粒含量)，較低的砂粒含量的旋回層具有較高的分形維數(shù)值。

表3 小流域壩地剖面泥沙粒徑的分形維數(shù)與各級粒徑相關(guān)分析

2.2.3 壩地土壤顆粒剖面粗化度的變化 壩地土壤顆粒組成主要以粗粉粒和細(xì)沙粒為主，說明徑流對小流域侵蝕泥沙顆粒具有一定的分選性。由于土壤侵蝕會(huì)引起粒徑的分選，因此采用粗化度可以用來說明沉積泥沙顆粒組成的變化。土壤質(zhì)地粗化度指的是壩地剖面沉積旋回層中土壤的沙粒含量(>0.05 mm)與黏粒含量和粉粒含量之和(<0.05 mm)的比值。粗化度越大，則粗顆粒泥沙在土壤粒級組成中的成分越多；粗化度越小，則土壤粒級組成中的粗顆粒含量越少，土壤受侵蝕程度越大。

研究結(jié)果表明(圖3)，該研究區(qū)小流域壩地沉積泥沙質(zhì)地粗化度分布范圍在0.04～0.37，平均值為0.16。且該壩地接近地表的剖面的質(zhì)地粗化度均較大，而靠近最底下基巖位置處的質(zhì)地粗化度都較小，即其泥沙顆粒粒徑組成呈現(xiàn)先細(xì)后變粗隨后又再次細(xì)化的趨勢。

圖3 壩地沉積泥沙質(zhì)地粗化度的剖面變化

3 討 論

在黃土丘陵區(qū)，每場降雨或洪水都會(huì)將壩控小流域溝坡、溝谷及溝間地的土壤沖刷后，經(jīng)過搬運(yùn)、沉積，最后淤積在壩地。經(jīng)過長期的研究與分析，進(jìn)入流域出口的泥沙在淤積的過程中有一個(gè)不變的定律：即粗顆粒泥沙較黏粒和粉粒先行沉積，淤積在旋回層最下層，其次是粉粒和黏粒，同時(shí)，在淤地壩垂直剖面形成一個(gè)個(gè)具有時(shí)標(biāo)功能的沉積旋回層[4]。而降雨量和降雨強(qiáng)度都會(huì)引起徑流量和水流流向的變化[23]。當(dāng)流域內(nèi)的水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)，其沖刷和搬運(yùn)能力也強(qiáng)，則更多的泥沙顆粒通過徑流被輸移至淤地壩進(jìn)而發(fā)生沉積，沉積的泥沙粒徑較粗，淤積層厚度大；水動(dòng)力條件較弱時(shí)，則小流域壩地沉積的泥沙顆粒粒徑較細(xì)，淤積層厚度相對較小，因此，每個(gè)沉積旋回層有明顯的粗細(xì)分層結(jié)構(gòu)。且由于降雨強(qiáng)度不同，流域內(nèi)的侵蝕產(chǎn)沙量也不盡相同，進(jìn)而導(dǎo)致剖面各沉積旋回層厚度的有所差異且各沉積旋回層厚度的差異顯著。但隨著小流域水土流失治理林草措施(退耕還林草)的實(shí)施，小流域內(nèi)土地利用和植被覆蓋逐年發(fā)生變化，研究表明退耕還林還草工程實(shí)施對土壤侵蝕具有明顯的減緩作用[24]，且在相同的植被蓋度等級下，耕地—林地轉(zhuǎn)化區(qū)和耕地—草地轉(zhuǎn)化區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)呈減少趨勢[25]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)壩前沉積泥沙層厚度隨著沉積時(shí)間顯著降低，一方面是由于隨著植被的恢復(fù)，其對泥沙的攔截作用增強(qiáng)，導(dǎo)致進(jìn)入溝道的泥沙量減少。另一方面是隨著泥沙的不斷淤積，原始溝道被泥沙所掩埋，在一定程度上減緩了溝道侵蝕。

淤積在壩前的泥沙經(jīng)過了分選，相應(yīng)的泥沙顆粒的組成也發(fā)生了變化，因此小流域壩地沉積物中泥沙顆粒粒徑組成對土壤侵蝕過程的演變具有一定的指示作用，本文的研究結(jié)果表明，該地區(qū)小流域淤地壩垂直剖面層中沉積泥沙不同粒徑的變異程度互不相同，變異性由大到小分別為粗沙粒(387.04%)>細(xì)沙粒(66.95%)>細(xì)粉粒(36.16%)>黏粒(28.93%)>粗粉粒(13.36%)。分析認(rèn)為，沙粒和黏粒的變異性大小可能與其含量的大小有重要的關(guān)系。大于0.05 mm的粗顆粒泥沙的變異性與降雨、洪水特性、泥沙的來源，以及壩地所處的流域空間位置等因素密切相關(guān)，而由于黏粒的含量最大，因而變異性最小。當(dāng)某次降雨強(qiáng)度較大時(shí)，徑流對表層土壤的沖刷能力增強(qiáng)，從溝邊與溝底進(jìn)入流域內(nèi)的泥沙顆粒特別是粗顆粒泥沙含量便會(huì)增多。造成壩地該次沉積泥沙粒徑組成中粗顆粒泥沙含量顯著增多，這一點(diǎn)與李勉等[8]的研究結(jié)果相符。

從粗粉粒含量隨剖面變化的曲線可以看出，深度越大，粗顆粒泥沙粒徑的變異程度越大，究其原因是由于淤地壩在建成之時(shí)，由于流域內(nèi)河道比降較大，水動(dòng)力條件較為復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致沉積物泥沙顆粒粒徑的變異程度較大。隨著時(shí)間的推移，由于該淤地壩淤積的泥沙量和淤積面積的逐漸增大，致使流域內(nèi)的水動(dòng)力條件逐漸變得平穩(wěn)，泥沙粒徑的變異程度呈顯著減小。且該流域壩地剖面各沉積旋回層的土壤分形維數(shù)在2.60～2.78，整個(gè)剖面上泥沙粒徑的分形維數(shù)隨有逐漸增大的趨勢，即隨著沉積時(shí)間不同旋回層次沉積泥沙顆粒的分形維數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，表明隨著退耕時(shí)間的增加，小流域侵蝕泥沙的細(xì)顆粒物質(zhì)含量和分形維數(shù)均增大，這與董莉麗等[26]的研究結(jié)論一致。

進(jìn)一步分析其質(zhì)地粗化度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著剖面深度增大，其值變小，泥沙粒徑組成逐步細(xì)化，可能與周邊人為營造的樹木有關(guān)，因?yàn)橹脖徊粌H可以有效的防止水土流失，還可以攔截地表徑流，減小徑流流速，削減洪峰，致使沖刷過程中產(chǎn)生的泥沙減少，植被根系過濾了較粗的顆粒，致使進(jìn)入流域內(nèi)的粗顆粒泥沙量減少。

4 結(jié) 論

(1) 小流域壩地沉積泥沙剖面粒徑呈現(xiàn)高值低值交替出現(xiàn)的周期性變化規(guī)律：即粗細(xì)相間分布，由上到下依次呈現(xiàn)細(xì)、粗、細(xì)、粗的分布規(guī)律，且粗細(xì)分布的厚度差異較大，總體上沉積泥沙層厚度隨著沉積時(shí)間顯著降低。

(2) 淤地壩沉積泥沙粒徑主要以粗粉粒(0.01～0.05 mm)為主，平均百分含量為51.73%，且壩地剖面各分層的分形維數(shù)分布范圍在2.60～2.78，其中黏粒和細(xì)粉粒與分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而粗粉粒和細(xì)砂粒與分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著退耕時(shí)間的增加，小流域侵蝕泥沙中的細(xì)顆粒物質(zhì)含量增加。

(3) 小流域壩地沉積泥沙質(zhì)地粗化度在0.04～0.37，平均值為0.16。在接近地表的剖面的質(zhì)地粗化度都較大，而靠近最底下基巖位置處的質(zhì)地粗化度都較小。