黃土丘陵溝壑區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙特征示蹤研究.pdf

1、本研究以黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型小流域王茂溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用土壤侵蝕理論、流域降雨徑流泥沙理論、泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論、<'137>Cs和<'210>Pb<,ex>示蹤技術(shù)，采用實(shí)地觀測(cè)及取樣室內(nèi)分析的方法，研究小流域各不同地貌部位、不同土地利用方式下的土壤侵蝕狀況及流域次降雨侵蝕泥沙的沉積過(guò)程。利用淤地壩的淤積信息反演了淤地壩分層淤積量與侵蝕性降雨的響應(yīng)關(guān)系，分析了流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度演變的特征，揭示了小流域土壤侵蝕產(chǎn)沙的時(shí)空分異

2、規(guī)律；利用<'137>Cs示蹤技術(shù)估算流域溝間地和溝谷地的相對(duì)來(lái)沙量，辨識(shí)了壩控流域次降雨產(chǎn)沙量與降雨特征之間的關(guān)系，建立小流域水土流失預(yù)報(bào)模型。本研究對(duì)評(píng)價(jià)流域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建與綜合治理效應(yīng)，科學(xué)調(diào)整小流域綜合治理規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)配置、措施優(yōu)化布局等宏觀決策，推動(dòng)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本研究取得的主要結(jié)果如下： (1)證明了<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>主要被土壤

3、中細(xì)顆粒所吸附，揭示了該流域侵蝕泥沙輸移過(guò)程中無(wú)顆粒分選的特征，闡明了<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>示蹤結(jié)果的可靠性。通過(guò)對(duì)不同粒徑土壤顆粒中<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>的含量分析，對(duì)草地、梯田、坡耕地土壤及淤地壩沉積泥沙樣品的顆粒組成研究，結(jié)果表明：<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>主要被土壤中的粘粒所吸附，隨著土壤顆粒的變細(xì)，<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>含量顯著增加；草

4、地、梯田、坡耕地土壤及淤地壩沉積泥沙樣品的顆粒組成無(wú)明顯差異，土壤侵蝕輸移過(guò)程無(wú)分選性，適宜使用<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>研究土壤侵蝕。 (2)分析了不同利用方式土地的土壤剖面中<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>的分布特征及含量變異，揭示了土壤剖面中<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>的含量與地形因素坡長(zhǎng)、坡度、坡向及不同土地利用類型的關(guān)系。結(jié)果表明，在擾動(dòng)土(農(nóng)耕地)土壤剖面中<'13

5、7>Cs、<'210>mPb<,ex>在耕層內(nèi)基本呈均勻分布，耕層下部?jī)H有少量的<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>在未擾動(dòng)土壤剖面中，<'137>Cs在次表層(2～4cm)出現(xiàn)一個(gè)“富集層”，次表層以下隨土壤深度的增加呈明顯的指數(shù)下降趨勢(shì)，<'210>mPb<,ex>含量也由地表向下呈指數(shù)遞減。坡地土壤剖面中<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>的含量隨坡長(zhǎng)增加均呈波動(dòng)變化趨勢(shì)；在15°～26°范圍內(nèi)，與坡度呈指數(shù)負(fù)

6、相關(guān)，隨著坡度的增大，<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>含量顯著減少；坡向差異對(duì)<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>含量的影響也很明顯，<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>含量南坡>北坡>東坡>西坡。不同土地利用方式土壤按照。<'137>Cs、<'210>mPb<,ex>含量的多少，依次是草地>林地>坡耕地。 (3)分析了地形對(duì)坡地土壤侵蝕強(qiáng)度的影響，闡明了不同土地利用方式的土壤侵蝕強(qiáng)度變化。研究

7、表明，坡面土壤侵蝕強(qiáng)度沿坡面隨坡長(zhǎng)增加均呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，坡上部和下部侵蝕量較大，中部次之；坡度與土壤侵蝕強(qiáng)度之間呈顯著的指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，在15°～26°范圍內(nèi)，隨著坡度的增大，侵蝕強(qiáng)度顯著增加；在該流域，坡向差異對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度的影響也很明顯，不同坡向按照侵蝕強(qiáng)度的大小，依次是西坡>東坡>北坡>南坡。不同土地利用方式按照侵蝕強(qiáng)度的大小，依次是坡耕地>林地>草地。按照侵蝕程度劃分，坡耕地屬于極強(qiáng)度侵蝕，林地、草地屬于中度侵蝕。 (4

8、)闡明了王茂溝小流域荒草覆蓋、已退耕、還在耕種的峁頂和溝坡的土壤侵蝕強(qiáng)度變化特征。研究發(fā)現(xiàn)荒草覆蓋的峁頂和溝坡的<'137>Cs流失量明顯低于開(kāi)墾農(nóng)地但已退耕的峁頂、溝坡，更低于還在耕種的峁頂、溝坡；按土壤侵蝕模數(shù)的大小，依次是耕地>退耕地>荒草覆蓋地。峁頂、溝坡開(kāi)墾為農(nóng)耕地后，侵蝕量急劇增加。 (5)應(yīng)用<'210>mPb<,ex>示蹤方法計(jì)算了坡耕地多年平均侵蝕模數(shù)，并與<'137>Cs、估算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)測(cè)得的坡耕地

9、土壤剖面中<'210>mPb<,ex>的含量，計(jì)算了黃土高原丘陵溝壑區(qū)王茂溝小流域坡耕地的多年平均侵蝕模數(shù)。用<'210>mPb<,ex>方法所得的侵蝕速率是過(guò)去110年的年平均值，而<'137>Cs、方法計(jì)算的侵蝕速率是50多年來(lái)的平均值，前者大于后者，說(shuō)明自有<'137>Cs沉降(1954年)以來(lái)，該流域土壤侵蝕程度有明顯增加的趨勢(shì)。這可能與解放后該流域人口增加、林草地開(kāi)墾、耕地面積增加、人為活動(dòng)加劇等有關(guān)。 (6)揭示了王

10、茂溝流域關(guān)地溝3號(hào)、4號(hào)淤地壩壩地沉積旋迴各層淤積物的顆粒級(jí)配特征及<'137>Cs分布規(guī)律。通過(guò)分析試驗(yàn)得出：3號(hào)、4號(hào)淤地壩壩地淤積物的粒徑主要分布在0.005mm～0.1mm之間，而且3號(hào)、4號(hào)淤地壩淤地壩的淤積物中土壤顆粒的級(jí)配不良，淤積物顆粒組成沿壩地剖面深度沒(méi)有明顯的變化；3號(hào)、4號(hào)淤地壩壩地沉積旋遛層淤積物中<'137>Cs含量在壩地淤積層剖面中有著極其相似的分布規(guī)律，說(shuō)明了<'137>Cs技術(shù)記錄特定環(huán)境歷史事件的可行性

11、。 (7)辨識(shí)了次暴雨的降雨特征與淤地壩沉積量的關(guān)系，建立了壩控小流域次降雨侵蝕產(chǎn)沙模型。利用斷面測(cè)量方法實(shí)測(cè)的王茂溝流域關(guān)地溝3號(hào)、4號(hào)淤地壩的壩地面積，根據(jù)1987年水毀后的出露斷面和兩側(cè)溝谷坡度修正的淤地壩下部掩埋層的壩地面積，結(jié)合1959年以來(lái)3號(hào)、4號(hào)淤地壩各次降雨沉積旋迴層的厚度，計(jì)算了關(guān)地溝3號(hào)、4號(hào)壩各沉積旋迴層的沉積泥沙量；通過(guò)研究王茂溝流域關(guān)地溝3號(hào)、4號(hào)淤地壩的修建、運(yùn)行歷史，沉積旋迴層<'137>Cs含量

12、的變化及泥沙量，結(jié)合流域降雨資料的分析，利用<'137>Cs的計(jì)年作用，依據(jù)“大雨大沙”的水沙響應(yīng)原則，破譯了關(guān)地溝3號(hào)、4號(hào)淤地壩沉積賦存的流域產(chǎn)沙記錄，確定了3號(hào)、4號(hào)淤地壩各壩控流域1959～1987年間次暴雨的產(chǎn)沙量。通過(guò)次降雨特征：降雨量、最大30min降雨強(qiáng)度、降雨侵蝕力和相應(yīng)降雨沉積旋迥淤積的泥沙量(即壩控流域的土壤侵蝕量)的多元回歸分析，發(fā)現(xiàn)壩控流域次降雨侵蝕產(chǎn)沙量和次降雨侵蝕力相關(guān)程度最高?；诖?，建立了王茂溝流域關(guān)地

13、溝3號(hào)、4號(hào)淤地壩各壩控流域次降雨侵蝕產(chǎn)沙的預(yù)報(bào)模型，通過(guò)檢驗(yàn)，模型具有較高精度，可以對(duì)小流域次降雨侵蝕產(chǎn)沙進(jìn)行模擬和預(yù)報(bào)。 (8)闡明了淤地壩壩控流域溝間地、溝谷地的相對(duì)產(chǎn)沙量。計(jì)算了王茂溝流域關(guān)地溝3號(hào)和4號(hào)淤地壩沉積泥沙、壩控流域溝間地梁峁坡農(nóng)地耕作土的<'137>Cs、的平均含量，溝谷地產(chǎn)出的泥沙基本不含<'137>Cs，利用配比公式計(jì)算了關(guān)地溝3號(hào)和4號(hào)淤地壩壩控流域溝間地、溝谷地的相對(duì)產(chǎn)沙量。結(jié)果表明：溝間地是泥沙的

14、主要來(lái)源，關(guān)地溝3號(hào)淤地壩壩控流域，溝間地來(lái)沙70％；關(guān)地溝4號(hào)淤地壩壩控流域，溝間地來(lái)沙66％。淤地壩的建設(shè)對(duì)減輕流域溝蝕具有非常重要的作用。 (9)利用淤地壩沉積旋迴與降雨的對(duì)應(yīng)關(guān)系，揭示了淤地壩運(yùn)行的初建期、發(fā)展期、完善期流域沉積速率、侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度的演變趨勢(shì)。根據(jù)王茂溝流域關(guān)地溝3號(hào)、4號(hào)淤地壩沉積旋迴與降雨事件的對(duì)應(yīng)，分析了淤地壩不同運(yùn)行時(shí)期的沉積速率、淤地壩不同運(yùn)行時(shí)期壩控流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度。結(jié)果表明，淤地壩在建設(shè)初期，