黄土高原小流域泥沙来源与粒径变化研究

摘要

黄土高原沟壑纵横，土壤侵蚀严重，沟-坡侵蚀贡献和侵蚀特征是黄土高原土壤侵蚀研究的重要内容。关于黄土高原沟间地与沟谷地产沙的问题有过很多探讨和争议，已有一些研究注意到了坡面植被改变对沟蚀和流域土壤侵蚀的重要影响，但对于退耕还林(草)背景下的坡沟关系变化研究还未见深入探讨。淤地坝是广泛分布在黄土高原小流域沟道的拦沙防洪措施，沉积泥沙记录和反映了源地侵蚀产沙过程的部分信息，因此可以作为反演源地历史侵蚀变化的载体，便于对无资料区侵蚀产沙开展土壤侵蚀研究。本研究主要以坝控小流域为研究对象，探讨坝控小流域的粒径分布特征以及泥沙来源。研究内容包括两部分：首先以黄土高原5个典型小流域为研究对象，通过对坡面、沟道以及坝地沉积物野外采样和室内分析，探讨了小流域泥沙在侵蚀源地(坡面、沟道)和沉积区(淤地坝)粒径分布变化规律与特征，解析了泥沙颗粒在小流域尺度的搬运特点，结果对于深入理解小流域坡-沟-坝地侵蚀搬运机理有一定指导意义。其次，重点以瓦树塌小流域为研究对象，通过在源地和坝地取样，结合流域水文资料，建立淤地坝沉积旋回所对应的产沙时间序列，计算坝地的淤积体积与产沙量，借助复合指纹示踪技术计算每个沉积旋回所对应的坡沟产沙贡献比，探讨“退耕还林草”背景下小流域泥沙来源及其变化规律，以及粒径分布与泥沙来源之间的响应关系，为小流域综合治理提供重要依据。主要结果如下： (1)小流域泥沙在源-汇搬运侵蚀的过程粒径组成在持续发生变化，并且在五个流域变化规律均不相同。例如在瓦树塌流域，粉粒含量在坡-沟-坝地中的分布呈增大趋势；但是在胡家湾流域，粉粒含量却持续减小。研究表明泥沙在坡-沟-坝地搬运沉积的过程中发生了分选作用，但由于泥沙粒径分选作用与影响因素较为复杂，导致了不同泥沙粒径的分选作用在五个流域也不相同。此外，由于粉粒在土壤侵蚀过程中比较容易被分散，因此粉粒含量较高的土壤比高粘粒含量的土壤更容易侵蚀，在侵蚀土壤中占比也相对较高。 (2)在瓦树塌流域、沙堰沟流域和念子沟等流域，坝地中粉粒含量与源地中粒的含量的比值大于1，说明在研究区，粉粒是比较容易被搬运和侵蚀的土壤颗粒。这主要是因为在侵蚀性降雨发生时，粉粒更容易被径流悬浮和搬运并且沉积在淤地坝。坡面土壤转变成坝地土壤是一个泥沙输移分选作用的过程，且粉粒较容易发生富集。在胡家湾流域中坝中砂粒含量与源地含量的比值远大于1，这说明在胡家湾，砂粒更容易搬运和侵蚀。泥沙中值粒径在自北向南则有由粗变细的趋势，其次，研究区土壤粒径在五个小流域没有显著差异且主要集中于粉粒(0.002-0.05mm)，这一特点表示了研究区土壤具有高度的均一性。 (3)依据不同沉积旋回的厚度与土壤容重，基于地理信息技术，计算了瓦树塌小流域从2010-2016年的侵蚀模数与年均产沙量。结果表明瓦树塌淤地坝控制面积4.17km2，采样层厚度为7.16m，自2010至2016年累积淤积体积为2.03×105m3，累积淤积量为2.14×105t。2010年至2016年间，该流域的年侵蚀模数依次为3195t/km2/yr、1515t/km2/yr、2200t/km2/yr、6139t/km2/yr、14196t/km2/yr、14623t/km2/yr和3235t/km2/yr；年产沙量分别分别为1.69×104t、0.65×104t、1.21×104t、2.89×104t、5.03×104t、8.10×104t以及1.52×104t，年均侵蚀模数为7517t/km2/yr。平均每层沉积旋回的侵蚀模数为0.20×104t/km2。2010-2016年瓦树塌小流域年产沙量呈上升趋势且年侵蚀模数与降雨侵蚀力有密切相关性。 (4)对瓦树塌小流域源地(坡面和沟道)和剖面样品进行地化元素测定，对总共23种地化元素进行保守性评估，非参数检验和多元逐步判别，确定了最佳指纹因子组合为Mg、Al、Co和Bi，成功识别了瓦树塌小流域23层沉积旋回的泥沙来源，累计判别率达到了93.9%，模型的GOF为0.86，说明模拟效果是有效合理的。研究结果表明地球化学元素能有效的辨别地质差异明显的小流域泥沙来源，此外，也验证了复合指纹技术在坡沟产沙关系研究方面的适用性。 (5)沟道是研究区小流域的主要泥沙来源，平均产沙贡献率为65%，产沙量为1.40×105t，而坡面的相对泥沙贡献率为35%，产沙量为7.40×104t，并且沟道产沙贡献率从2010-2016年呈逐渐上升趋势，坡面产沙呈下降趋势。说明在研究区“退耕还林草”背景下，植被覆盖及其时空变化显著影响水文过程和土壤侵蚀过程，导致坡面产沙减少，而沟道侵蚀比例增加，小流域坡沟产沙贡献比发生了改变。 (6)在坡面上，不同的土地利用对沉积泥沙的贡献有所不同，坡耕地对泥沙的贡献最大占22%，其次为撂荒草地和撂荒林地分别贡献了12%和1%，其中林地产沙仅仅出现在一次降雨事件中。结果表明坡耕地仍是小流域坡面最容易侵蚀的部位，而林地和草地能有效减少土壤侵蚀。说明土地利用格局是影响泥沙来源重要因素，实施坡耕地改为梯田建设可能是一种可行的治理策略，此外自然撂荒也是流域土壤侵蚀控制的有效策略。 (7)通过比较不同粒径泥沙颗粒在坡-沟-坝地的变化规律，发现在瓦树塌流域沟道与淤地坝沉积物的土壤粒径的分布趋势非常相似，泥沙来源结果表明沉积泥沙中绝大多数泥沙来自于沟道，由此表明粒径分布变化对小流域不同地貌单元的泥沙贡献具有一定的指示作用。此外，瓦树塌流域淤地坝沉积剖面存在粒径变异的转折点(4.60m)，说明在该点水沙动力条件发生了变化。

目录

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第一章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究进展

1.2.1土壤侵蚀过程研究进展

1.2.2侵蚀泥沙来源研究

1.2.3黄土粒径组成分析研究

第二章 研究内容及方法

2.1研究内容

2.2 材料与方法

2.2.1淤地坝选取原则

2.2.2 研究区域

2.2.3样品采集

2.2.4样品分析

2.2.5数据分析

2.2.6技术路线

第三章 小流域侵蚀泥沙粒径变化研究

3.1粘粒、粉粒和沙粒含量在坡-沟-坝地分布对比分析

3.2各级泥沙粒径范围在坡-沟-坝地的变化规律

3.3侵蚀泥沙中富集颗粒的对比分析

3.4小流域粒径组成区域分布特征

3.5淤地坝沉积泥沙粒径特征的剖面分布

3.6本章小结

第四章 复合指纹技术示踪泥沙来源

4.1.1指纹过程

4.1.2降雨资料的分析与处理

4.1.3沉积旋回与侵蚀性降雨的对应原则

4.1.4建立淤地坝沉积泥沙的时间序列

4.1.5瓦树塌淤地坝淤积信息概述

4.2泥沙来源判别

4.3泥沙来源解析

4.3.1地球化学元素作为指纹因子在小流域的适用性

4.3.2泥沙来源与土壤粒径分布之间的响应关系

4.3.3植被恢复对泥沙来源的时空变化特征的影响

4.3.4土地利用对泥沙来源的影响

4.4坝控流域侵蚀产沙年际变化规律

4.5降雨侵蚀力对侵蚀产沙的影响

4.6本章小结

第五章 主要结论与不足

5.1主要结论

5.2研究中的不足之处

参考文献

致谢

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