王永吉, 楊明義,2, 張加瓊,2, 張風(fēng)寶,2, 趙恬茵

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊陵712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊陵712100)

水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶小流域淤地壩泥沙沉積特征

王永吉1, 楊明義1,2, 張加瓊1,2, 張風(fēng)寶1,2, 趙恬茵1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊陵712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊陵712100)

淤地壩泥沙沉積特征是小流域土壤侵蝕及壩地內(nèi)泥沙運(yùn)移沉積過程的信息載體。通過對(duì)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶典型壩地內(nèi)不同剖面中泥沙沉積旋回厚度及粒徑組成變化的分析，初步探討了壩地內(nèi)泥沙沉積空間分布特征及對(duì)小流域土壤侵蝕和泥沙運(yùn)移沉積過程的響應(yīng)。結(jié)果表明：壩地泥沙沉積旋回厚度從壩尾到壩前呈現(xiàn)不均勻變化，但沉積旋回厚度總體呈逐漸變薄的趨勢(shì)，沉積旋回中沙層厚度普遍大于粘層厚度；壩地內(nèi)不同剖面沉積旋回泥沙主要由細(xì)砂粒組成，其平均含量為59.8%，其次為粉砂粒(23.4%)，黏粒(11.2%)和粗砂粒(5.6%)含量較少；從壩前到壩尾各個(gè)剖面中沉積泥沙顆粒組成粗化度逐漸增大，且沉積旋回中沙層的粗化度變化大于粘層的變化。初步揭示了淤地壩沉積泥沙從壩尾到壩前的沉積規(guī)律，可以為以后相關(guān)工作的開展提供參考。

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶; 水土保持; 沉積旋回; 顆粒組成; 粗化度; 厚度

淤地壩是黃土高原防治水土流失的重要工程措施，它具有蓄水?dāng)r沙、淤沙造田、減緩溝道下切、穩(wěn)定溝坡及減少重力侵蝕等重要作用。淤地壩在攔蓄泥沙的同時(shí)，也賦存了大量的小流域次降雨侵蝕產(chǎn)沙信息，為反演小流域土壤侵蝕歷史演變提供了重要的信息載體。許多學(xué)者利用淤地壩內(nèi)的沉積物開展了小流域土壤侵蝕歷史、泥沙來源、壩地水分養(yǎng)分變化特征等方面的研究，取得了大量研究成果[1-11]，為小流域綜合治理和開發(fā)利用提供了重要的參考依據(jù)。

淤地壩沉積旋回厚度及顆粒組成作為小流域侵蝕歷史的重要信息載體，結(jié)合其他相關(guān)資料，對(duì)準(zhǔn)確估算小流域侵蝕強(qiáng)度和研究侵蝕泥沙的運(yùn)移沉積規(guī)律具有重要作用。相關(guān)學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，并取得了一些研究成果[7-12]。目前對(duì)淤地壩沉積物泥沙粒徑分布特征和厚度的研究大多針對(duì)單一剖面，而對(duì)壩地內(nèi)不同空間剖面泥沙顆粒組成的變化特征和沉積旋回厚度變化的研究相對(duì)較少。另外，水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶是黃土高原土壤侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域，也是侵蝕最為復(fù)雜的區(qū)域，壩地內(nèi)沉積泥沙特性是否賦存著特殊的多動(dòng)力綜合侵蝕信息，目前還未見報(bào)道。為此，本文以陜北地區(qū)六道溝小流域內(nèi)典型淤地壩為研究對(duì)象，分析壩地泥沙沉積旋回厚度和泥沙粒徑組成的空間分布變化特征，探究壩控小流域內(nèi)侵蝕泥沙在淤地壩內(nèi)的沉積再分布過程以及分布特征，為深入研究壩地內(nèi)侵蝕泥沙運(yùn)移、沉積過程和特征提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 小流域概況

研究區(qū)位于陜北神木縣六道溝小流域內(nèi)，該小流域地處毛烏素沙漠邊緣，水蝕、風(fēng)蝕、重力侵蝕全年交替疊加進(jìn)行，屬于黃土高原強(qiáng)烈侵蝕中心，小流域內(nèi)風(fēng)沙地貌和流水地貌交錯(cuò)插花分布，重力侵蝕造成的塌方隨處可見；年均氣溫7～9℃，年降雨量250～450 mm，其中70%～80%的降雨集中在6—9月[13]，降雨強(qiáng)度大,歷時(shí)短，多以大雨或暴雨的形式發(fā)生，加之重力侵蝕和風(fēng)蝕為水蝕提供了大量的松散泥沙，流域內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重，產(chǎn)沙量高。所選淤地壩位于六道溝小流域內(nèi)的老爺滿支溝，該壩建于1978年，長(zhǎng)270 m、寬86 m，壩體為公路。壩地前是農(nóng)地，壩尾為灌木雜草地。老爺滿溝道面積為0.56 km2，大于100 m的溝壑密度為5.32 km/km2，大于20 m的溝壑密度為14.24 km/km2，年侵蝕強(qiáng)度為11 250 t/km2，由于淤地壩位于老爺滿支溝的溝頭處，它幾乎攔截了支溝內(nèi)所有泥沙[14]。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與取樣

據(jù)調(diào)查老爺滿淤地壩建于1978年，壩體為公路，設(shè)計(jì)有溢洪道，但溢洪道從來沒有發(fā)揮過作用。采樣在2015年7月開展，沿壩前到壩尾的中線，結(jié)合壩地沉積物的淤積狀況分別挖6個(gè)直徑為2 m的土壤剖面，分別標(biāo)記為1號(hào)剖面、2號(hào)剖面、3號(hào)剖面、4號(hào)剖面、5號(hào)剖面、6號(hào)剖面。剖面在壩地內(nèi)的分布位置可以參考圖1。其中1號(hào)剖面距離淤地壩50 m，挖深7.55 m，已經(jīng)挖到溝道底部原始地表，2—6號(hào)剖面都挖2 m深。分別在挖好各個(gè)剖面上進(jìn)行采樣，采樣過程中利用沉積旋回的物理性質(zhì)差異(顏色，顆粒組成等)，判別沉積旋回的沙層和粘層，首先測(cè)定沙層和粘層的厚度，然后分別采樣，對(duì)于厚度比較大的粘層或者沙層，采集多個(gè)樣品，以保證沙層或者粘層的采樣的代表性，每個(gè)樣品采集1 kg左右。一次侵蝕產(chǎn)沙事件對(duì)應(yīng)一個(gè)沙層和一個(gè)粘層(侵蝕泥沙在淤地壩內(nèi)粗顆粒先沉降，細(xì)顆粒后沉降)，每個(gè)剖面采集的樣品數(shù)量、沙層數(shù)、粘層數(shù)及沉積旋回?cái)?shù)見表1。其中6號(hào)剖面采集20個(gè)樣品，但因?yàn)?號(hào)剖面位于壩尾，挖掘過程中有許多大塊的礫石，無法清晰區(qū)分粘層和沙層，即無法辨識(shí)沉積旋回，其余各個(gè)剖面的樣品采集情況見表1。

圖1 六道溝老爺滿流域采樣位置

剖面位置剖面離壩體距離/m采樣深度/m采樣總數(shù)/個(gè)沉積旋回總數(shù)/個(gè)剖面1507.5513242剖面2801.723310剖面31342.213612剖面41742.20399剖面52042.283811

1.3 樣品分析

壩地沉積泥沙顆粒組成測(cè)定在中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，使用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀，取樣速度為1 000次/s，測(cè)定時(shí)間為5 min/每個(gè)樣，儀器的測(cè)量范圍為0.002 mm～2 mm，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定2次，結(jié)果取其平均值。土壤顆粒的分級(jí)采用國(guó)際土壤顆粒分類制：黏粒(<0.002 mm)、粉砂粒(0.002～0.02 mm)、細(xì)砂粒(0.02～0.2 mm)、粗砂粒(0.2～2 mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 壩地沉積旋回厚度空間分布特征

根據(jù)泥沙沉積理論，每場(chǎng)侵蝕性降雨壩地內(nèi)沉積物剖面上都對(duì)應(yīng)一個(gè)典型的沉積旋回，即上部為顏色較深且顆粒較細(xì)的粘層，下部為顏色較淺且顆粒較粗的沙層，部分沉積旋回在沙層與粘層之間存在過渡層。表2為所研究淤地壩壩地不同位置2 m深剖面上粘層、沙層及沉積旋回的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

表2 各個(gè)剖面沉積旋回粘層、沙層及總厚度的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

由表2可知，整體而言，沉積旋回沙層厚度大于粘層，沉積旋回厚度在不同剖面上呈不均勻變化，但沙層的厚度普遍大于粘層的厚度，這與該流域土壤中黏粒含量少有關(guān)。粘層和沙層平均厚度從壩前到壩尾呈增大趨勢(shì)，6號(hào)剖面出現(xiàn)大量礫石，不能明顯區(qū)分沙層和粘層。說明從壩尾到壩前洪水對(duì)泥沙有良好的分選性，隨著洪水搬運(yùn)能力的減小，組成沙層的大顆粒物質(zhì)從壩尾到壩前逐漸沉積，越靠近壩前沉積量越小，細(xì)顆粒泥沙亦相同。

綜合表1和表2可知，沉積旋回厚度從壩前到壩尾呈增大趨勢(shì)。一方面是因?yàn)閴蔚貜膲挝驳綁吻皽系乐饾u變寬，相同的泥沙量在壩尾處的沉積厚度要大于壩前的沉積厚度，另一方面因?yàn)閺膲挝驳綁吻昂樗徇\(yùn)能力降低，洪水中所攜帶的泥沙減少，沉積的泥沙量相對(duì)壩尾較少，因此沉積旋回的平均厚度從壩尾到壩前呈減小趨勢(shì)。結(jié)合表1，因?yàn)樵谙嗤牟蓸由疃认?2 m)，剖面1的沉積旋回個(gè)數(shù)為16個(gè)，剖面2為10個(gè)，剖面3為12個(gè)，剖面4為9個(gè)，剖面5為11個(gè)，其中剖面2的采樣深度因挖掘過程中遇到大塊石頭，無法繼續(xù)挖掘而較其他剖面淺，剖面4因受支溝影響，沉積旋回個(gè)數(shù)較少?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同的采樣深度下壩前剖面的沉積旋回個(gè)數(shù)較壩尾剖面多，因此記錄的降雨侵蝕事件更完整。在小流域內(nèi)高強(qiáng)度，短歷時(shí)的暴雨事件在壩尾剖面的沉積旋回中可能沒有記錄，但是在壩前剖面可以找到相應(yīng)的沉積旋回。因此壩前剖面記錄的小流域侵蝕產(chǎn)沙事件更完整全面，可以為其他學(xué)者在以后研究工作中在選擇淤地壩剖面位置時(shí)提供一定的參考。

2.2 壩地沉積旋回顆粒組成時(shí)間變化特征

對(duì)主剖面沉積旋回的粘層和沙層的顆粒組成百分比進(jìn)行加權(quán)合并(按厚度)，作為一個(gè)完整的沉積旋回分析，沉積旋回顆粒組成見圖2。

圖2 主剖面沉積旋回顆粒變化

由圖2可知，主剖面沉積泥沙中黏粒百分含量和粉砂粒百分含量具有較好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，細(xì)砂粒百分含量和黏粒、粉砂粒百分含量具有較好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.97，說明洪水對(duì)沉積泥沙顆粒良好的分選作用，某個(gè)沉積旋回中細(xì)顆粒泥沙百分含量高，那么粗顆粒泥沙的百分含量相對(duì)低，反之亦然。沉積泥沙的主要組成成分是細(xì)砂粒，其平均百分含量達(dá)到57.39%，其次為粉砂粒28.29%，黏粒13.78%，粗砂粒0.68%。

剖面1沉積旋回的顆粒組成從第1沉積旋回到第42沉積旋回呈不規(guī)則變化，規(guī)律不明顯。個(gè)別沉積旋回顆粒組成發(fā)生突變，沉積旋回中粗砂粒變化過程中有6處(第5，11，15，31，35，40沉積旋回)明顯的峰值，而且沉積旋回的厚度較大，這可能與小流域內(nèi)大暴雨事件有關(guān)，如產(chǎn)流量大時(shí)，洪水搬運(yùn)能力增大，從壩控小流域坡面帶入壩地的粗顆粒泥沙會(huì)增多，造成該次侵蝕事件沉積旋回的粗顆粒含量會(huì)較大，這一結(jié)論與其他學(xué)者的研究結(jié)果相同[2,15]。對(duì)小流域的強(qiáng)烈侵蝕事件有很好的標(biāo)記作用，結(jié)合該地區(qū)的降雨資料，對(duì)沉積旋回的斷代分析有很好的輔助作用，也說明了洪水對(duì)泥沙顆粒良好的分選作用。

2.3 沉積旋回顆粒組成及粗化度的空間變化特征

在整個(gè)采樣過程中，每個(gè)沉積旋回按照“粘層+沙層”采樣。然后分別對(duì)每個(gè)剖面沉積旋回的粘層和沙層進(jìn)行顆粒組成分析，對(duì)沉積泥沙顆粒組成變化特征進(jìn)行研究。利用各個(gè)剖面沉積旋回沙層和粘層的顆粒分析結(jié)果見圖3。

圖3 各個(gè)剖面沉積旋回粘層、沙層的顆粒組成變化特征

從圖3A可以看出，各個(gè)沉積旋回粘層的黏粒和粉砂粒的百分含量從壩前到壩尾逐漸減小，但是細(xì)砂粒的百分含量從壩前到壩尾的變化規(guī)律是逐漸增大。粗砂粒在前4個(gè)剖面含量很少，幾乎可以忽略不計(jì)，在5號(hào)剖面中開始有少量粗砂粒。其中4號(hào)剖面沉積旋回顆粒組成較其他幾個(gè)剖面比較異常，可能是由于4號(hào)剖面位于支溝口，支溝內(nèi)的泥沙對(duì)4號(hào)剖面的沉積泥沙造成了一定的影響。可見洪水運(yùn)移能力對(duì)細(xì)砂粒和粗砂粒沉積有重要影響，從壩尾到壩前隨著洪水搬運(yùn)能力的逐漸降低，洪水中的粗顆粒泥沙(細(xì)砂粒和粗砂粒)逐漸沉積，越靠近壩前，洪水的搬運(yùn)能力越小，洪水中攜帶的粗顆粒泥沙越少，因此沉積旋回中的粗顆粒泥沙百分含量越小，細(xì)顆粒泥沙(黏粒和粉砂粒)的沉積規(guī)律相反。綜上可得出：沉積泥沙的顆粒粒徑越大，被搬運(yùn)的距離越短，越靠近壩前，沉積量越少。泥沙的顆粒粒徑越小，被搬運(yùn)的距離越遠(yuǎn)，越靠近壩前沉積量越多。這一結(jié)果與畢銀麗等[6]在安塞坊塌溝和大東溝小流域淤地壩的研究結(jié)論一致。

從圖3B可知，5個(gè)剖面的沉積旋回沙層顆粒主要由細(xì)砂粒和粗砂粒構(gòu)成，黏粒和粉砂粒的含量很少。從壩前到壩尾沉積旋回沙層中的細(xì)砂粒的含量最大，在所有沉積旋回沙層中平均百分含量為65.18%，黏粒和粉砂粒百分含量的變化在不同剖面的沉積旋回變化不顯著，含量也相對(duì)較少，在5個(gè)剖面沉積旋回的沙層黏粒平均百分含量≤10%，4號(hào)剖面受到支溝的影響，沉積旋回沙層中顆粒組成較異常。從壩前到壩尾，粗砂粒的含量變化最明顯，其百分含量逐漸增大。在1，2，3，4，5號(hào)剖面沉積旋回中沙層的平均百分含量分別為1.4%，3.8%，12.8%，1.17%，21.10%，除去4號(hào)剖面，1，2，3，5號(hào)剖面沉積旋回沙層中粗砂粒百分含量增加顯著，可見洪水中粗顆粒泥沙從壩尾到壩前隨著洪水搬運(yùn)能力的降低，粗顆粒泥沙會(huì)首先沉積，越靠近壩前，粗顆粒泥沙在沉積旋回中的含量越少，細(xì)顆粒泥沙含量越來越大，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果[16-17]一致。

從壩前到壩尾，沉積旋回粘層和沙層的粗化度(細(xì)砂粒和粗砂粒的百分含量與黏粒和粉砂粒百分含量的比值)逐漸增大，從壩前到壩尾沉積旋回沙層的粗化度明顯增加。1，2，3，4，5號(hào)剖面沉積旋回沙層的平均粗化度分別為2.77，3.82，3.84，3.02，3.56,粘層的粗化度分別為：0.90，1.94，1.80，0.53，2.00。4號(hào)剖面粗化度異常主要是由于支溝洪水泥沙在4號(hào)剖面位置發(fā)生沉積所引起的。沉積旋回沙層和粘層的粗化度從壩前到壩尾逐漸增加，說明沉積泥沙的顆粒組成中粗顆粒泥沙所占的比例逐漸增加，可見隨著洪水從壩尾到壩前運(yùn)移能力的減小，洪水中的粗顆粒泥沙逐漸沉降，越靠近壩前，洪水中所攜帶的粗顆粒泥沙越少，沉積下來的粗顆粒泥沙越少，細(xì)顆粒泥沙越多，沉積泥沙的顆粒粗化度越小。

對(duì)粘層和沙層的顆粒組成百分比進(jìn)行加權(quán)合并(按厚度)，作為一個(gè)完整的沉積旋回進(jìn)行分析，沉積旋回的顆粒組成及粗化度見圖4。

圖4 各剖面沉積旋回顆粒組成及粗化度變化

由圖4可知，從壩前到壩尾，細(xì)顆粒泥沙(黏粒和粉砂粒)在沉積旋回中的含量逐漸減少，粗顆粒泥沙(細(xì)砂粒和粗砂粒)的含量逐漸增多。沉積泥沙的粗化度從壩前到壩尾呈增大趨勢(shì)(剖面4由于位于支溝口，支溝泥沙對(duì)其影響較大，顆粒組成與主溝道其他幾個(gè)剖面不同，顆粒組成和粗化度異常)。粗化度的變化范圍為1.31～2.75，平均值為1.98，惠波等[18]在王茂溝壩地測(cè)得的土壤粗化度為0.27～0.58，較平均值0.44大，可能是本研究區(qū)內(nèi)有片沙覆蓋，靠近毛烏素沙地導(dǎo)致的，具體情況需要進(jìn)一步研究。沉積旋回整體變化趨勢(shì)和粘層、沙層的變化趨勢(shì)基本一致，可見洪水對(duì)壩地內(nèi)沉積泥沙良好的分選作用。

3 結(jié) 論

通過對(duì)陜北地區(qū)六道溝流域老爺滿支溝淤地壩內(nèi)不同位置沉積旋回的顆粒組成和厚度變化的研究，可以發(fā)現(xiàn)小流域內(nèi)同一次洪水?dāng)y帶的泥沙在壩地內(nèi)不同位置的沉積厚度不均勻，整體上呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化，沙層、粘層及沉積旋回總厚度從壩前到壩尾有增大趨勢(shì)；壩地內(nèi)沉積泥沙的顆粒組成從壩前到壩尾逐漸粗化。從壩前到壩尾，各個(gè)沉積旋回的粗化度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),沙層的粗化度變化大于粘層的變化；壩地沉積泥沙的主要組成成分為細(xì)砂粒，在沉積旋回中的平均百分含量為59.77%、其次為粉砂粒(23.41%)、黏粒(11.21%)、粗砂粒(5.62%)。個(gè)別沉積旋回的顆粒組成發(fā)生突變，對(duì)小流域的強(qiáng)烈侵蝕事件有很好的標(biāo)記作用，對(duì)大暴雨和洪水有一定的時(shí)標(biāo)指示作用，結(jié)合降水、產(chǎn)沙、地形等資料，對(duì)沉積旋回的斷代分析有很好的輔助作用。

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CharacteristicsofSedimentinCheckDamofSmallWatershedinWind-WaterErosionCrossRegion

WANG Yongji1, YANG Mingyi1，2, ZHANG Jiaqiong1,2, ZHANG Fengbao1,2, ZHAO Tianyin1

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Check dam and sediment deposition characteristics play the important role in studying the progress of eroded sediment migration and characteristics. In this paper, we analyzed the thickness and grain composition of sediment in different soil profiles in check dam in wind-water erosion cross region, we discussed the spatial distribution characteristics of sediment, and its response to soil erosion and sediment transport process. The results show that the sediment presents a non-uniform change from the tail to the front of the dam, but the layers of sedimentary cycle gradually becomes thin as a whole, the thickness of the sandy layer is generally greater than that of the clayey layer; the sediment in different location of dam is mainly composed of the fine sand, the average content of fine sand is 59.77%, followed by silt (23.41%), clay (11.21%), coarse sand (5.62%); deposition of sediment particles gradually become coarse from the tail to the front of the dam, and coarsening degree becomes greater, the coarsening degree of sand horizon is bigger than that of the clayey layer.

wind-water erosion cross region on the Loess Plateau; soil and water conservation; sedimentary cycle; grain composition; coarsening degree; thickness of sedimentary cycle

2016-11-18

：2016-11-29

國(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41671281,41571130082,41371283);黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(A314021403-C2);西北農(nóng)林科技大學(xué)科技創(chuàng)新一般項(xiàng)目(2452015095)

王永吉(1991—),男,山西忻州人,碩士研究生,主要從事土壤侵蝕方面研究。E-mail:1425147492@qq.com

楊明義(1970—),男,山東萊州人,博士,研究員,主要從事土壤侵蝕核示蹤研究。E-mail:ymyzly@163.com

S157

：A

：1005-3409(2017)02-0001-05