顏 艷，岳大鵬，李 奎，劉 鵬

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062）

淤地壩是綜合治理水土流失的措施之一，能有效減少入黃泥沙，同時也是研究土壤侵蝕模數(shù)的重要依據(jù)。目前對于淤地壩的研究多集中于泥沙來源及沉積速率方面［1－2］，對淤地壩攔沙減沙效應(yīng)研究主要集中于攔截泥沙總量和下游泥沙含量的變化［3］，以及利用河流中泥沙懸浮顆粒分析侵蝕和沉積的區(qū)域特性［4－5］。淤地壩是小流域的“沉沙池”，沉積泥沙中賦存了大量小流域侵蝕特征及侵蝕環(huán)境變化的信息，利用沉積物的粒度特征來識別解釋搬運和沉積作用的動力狀況，是研究沉積學(xué)的重要方法之一［6］，其粒度沉積特征為研究小流域土壤侵蝕提供了良好的載體。

陜西省子洲縣龐家溝流域的“黃土洼”，是現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的黃土高原地區(qū)時間序列最長的全沖、全淤型天然聚湫，有“淤地壩的鼻祖”之稱［7］。黃土洼天然淤地壩形成于明隆慶年間（公元1569年），至今發(fā)育約有440a的歷史，沒有溢洪道，具有良好的沉積層理，泥沙沉積層信息完整，這對研究黃土高原侵蝕演變的歷史，探究侵蝕環(huán)境變化的機理具有重要意義，而目前對黃土洼沉積層的研究很少［8］，對沉積特征也未涉及。本研究選擇龐家溝流域黃土洼天然淤地壩內(nèi)洪水沉積物作為研究對象，結(jié)合1953—2010年研究區(qū)的降水資料，分析了壩內(nèi)0—4m剖面洪水沉積物的粒度旋回特征與變化規(guī)律，探討黃土洼淤地壩的洪水信息、洪水動力，為反演小流域土壤侵蝕歷史及產(chǎn)沙過程，推算侵蝕量提供科學(xué)依據(jù)，對該區(qū)及類似區(qū)域水土保持措施的制定具有一定的參考意義。

1 研究區(qū)概況

黃土洼（37°19′N，109°59′E）位于陜西省榆林市子洲縣南部裴家灣鎮(zhèn)，北距子洲縣城50km，東距綏德縣城22.5km，處在無定河一級支流淮寧河中游的龐家溝上游。黃土洼所在的龐家溝流域?qū)儆邳S土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)，即典型的黃土丘陵區(qū)，地形破碎、溝壑縱橫，水土流失嚴(yán)重，黃土物質(zhì)分布廣泛而深厚。土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主，粉砂含量高，土質(zhì)疏松，抗沖抗蝕性極弱。研究區(qū)處于中緯度半干旱地區(qū)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫9.5℃，1月均溫－7.6℃，7月均溫24.2℃，多年平均降水量為480mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月份，約占全年降水量的65%，且多以暴雨的形式出現(xiàn)，水力侵蝕是該流域的主要侵蝕方式。

2 研究方法

2.1 野外樣品采集

2011年對陜北子洲縣黃土洼進行了多次的野外考察，于淤地壩壩前溝掌地較平坦處采集了A，B，C 3組樣品。研究剖面的一側(cè)是農(nóng)地，受到人為耕種的影響，另一側(cè)為野生的蘆葦蕩，沉積物未受人為擾動。為去掉人為因素對沉積物的影響，表面30cm土層未采樣。A和B兩組樣采用手搖鉆，共鉆采40次，每次鉆深10cm，以2cm間距進行分樣，各采集200個樣品，深度為4m；C樣采用探坑方式，以2cm間距采樣，共采集205個樣品，深度為4.1m。

2.2 樣品粒度與137Cs測試

（1）A剖面粒度測試流程。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，每個樣品稱取0.8g放入燒杯中，首先加入10%濃度的H2O2在電熱板上加熱使其充分反應(yīng)，去除樣品中的有機質(zhì)，當(dāng)氣泡完全排完后，取下冷卻，再加入10%濃度的HCl去除次生碳酸鹽類，反應(yīng)完后，注滿蒸餾水靜置72h，用導(dǎo)管抽取上部溶液，再注滿蒸餾水，重復(fù)幾次，直至溶液為中性。上機測試前加入分散劑，使顆粒充分分散。儀器是采用英國Malvern公司生產(chǎn)的 Mastersizer 2000，儀器測量粒度范圍為0.02～2 000μm，用標(biāo)樣進行測定，相對誤差小于2%。（2）C剖面137Cs測試流程。將用于137Cs測試的樣品烘干，去除大塊有機質(zhì)，再進行研磨，裝入測試樣品盒，密封10d后，用美國ORTEC公司生產(chǎn)的高純鍺低本地伽瑪能譜儀進行測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 淤地壩洪水沉積層年代的確定

C剖面采用探坑采樣，沉積物沒有經(jīng)過人為壓縮，沉積信息保存完整，采樣深度最深，用于137Cs測定。A剖面為手搖鉆采樣，雖采樣方式使沉積物受到的一定的壓縮，但沉積物粒度的旋回特征依然存在，能夠與C剖面旋回信息對應(yīng)起來，可以用C剖面的137Cs斷年技術(shù)框定出A剖面沉積物的大概年齡，然后根據(jù)1953—2010年的降雨資料進一步細化。

全球范圍137Cs核素沉降始于1952年末，1954—1970年是137Cs核塵埃的主要沉降期，深度為410cm的剖面在290cm處首次出現(xiàn)了137Cs，可以斷定290 cm為1954年。137Cs在210cm處達到峰值（圖1），全球137Cs最大沉降在1963年，有研究表明［9］，137Cs沉降量與降水成正相關(guān)，1964年，黃土洼地區(qū)年降水、7—9月降水、24h降水均出現(xiàn)峰值，因此210cm處是1964年。1986年4月前蘇聯(lián)烏克蘭境內(nèi)切爾諾貝利核電站事故泄露的137Cs對我國存在一定的影響，并會形成一個次峰值［10］，但是1986年該區(qū)降雨處于谷值，1987年降水明顯增多，因此70cm處應(yīng)該為1987年。對于小流域沉積物來說，決定137Cs剖面分布更重要的因素可能是降雨或侵蝕土壤中的137Cs成分［11］。1994年年降水、7—9月降水、24h降水均處于峰值，將流域土壤中的137Cs帶入沉積物中，因此40cm深度處為1994年。按此沉積速度，可以推算出A剖面4m深度沉積物是在近百年內(nèi)形成的。

根據(jù)暴雨產(chǎn)沙原理可知，在黃土高原地區(qū)，流域的產(chǎn)沙量絕大多數(shù)是由汛期的幾場侵蝕性降雨形成，而且一般都是洪峰和沙峰同步，因此該區(qū)較大的降雨峰值對應(yīng)沉積物粒度較大的峰值，按照此原則，利用1953—2010年的降雨資料，將這58年中幾個較大的降雨峰值（1994，1978，1964和1959年）與A剖面泥沙中值粒度（Md）的較大峰值進行對應(yīng)，再在最大峰值之間選擇次峰進行對應(yīng)，因此，地面以下26—36 cm對應(yīng)1993—1995年，98—110cm 對應(yīng)1977—1978年，228—242cm對應(yīng)1963—1964年，268—290 cm對應(yīng)1955—1959年（圖1）。

圖1 黃土洼1953－2010年降水?dāng)?shù)據(jù)及A剖面粒度數(shù)據(jù)和C剖面137Cs測試數(shù)據(jù)

3.2 淤地壩洪水沉積旋回層劃分依據(jù)

在黃土丘陵區(qū)，每場洪水都會把一些泥沙帶入淤地壩，由于泥沙在沉降過程中的分選作用，往往是粗顆粒泥沙先沉積，其次為粉砂，最后為黏粒［12］，由此在淤地壩內(nèi)形成下粗上細的沉積旋回，隨著時間的推移，多個沉積旋回層疊加形成的剖面在垂直方向上記錄了相應(yīng)的沉積信息。依據(jù)沉積旋回層顆粒下粗上細、洪峰對沙峰的原則，根據(jù)剖面粒度分析中的平均粒徑、中值粒徑的走向、峰值的突變層位和＜0.005 mm細顆粒含量變化來劃分沉積層。在單次洪水形成的沉積層中，中值粒徑和平均粒徑只有一個較明顯的峰值，細顆粒層的出現(xiàn)表示洪水沉積結(jié)束，因此相鄰的兩個細顆粒層間是一次完整的洪水沉積層（圖2中的R1—R11）。雖然剖面顆粒粗細分層明顯，但是相鄰的兩個較明顯的細顆粒層中也出現(xiàn)兩個或多個峰值（一個主峰，一個或多個次峰，如圖2中的r1—r5），這可能是在一次洪水過程中，泥沙未完全沉積，短時期內(nèi)又有陣雨或暴雨等降水過程。本研究對較典型的洪水沉積層（厚度8cm以上，沉積層粗細顆粒分層明顯）進行劃分，對于厚度較小的沉積層圖中未標(biāo)示出來。

3.3 頻率曲線

沉積物頻率曲線特征是判斷沉積作用形式的重要手段之一，頻率曲線的峰態(tài)變化常反映沉積作用形式的變化［13］，峰態(tài)有單峰、雙峰和多峰型，不同的峰態(tài)反映了不同的沉積環(huán)境信息。單峰反映沉積物來源單一，形成時的動力條件相對穩(wěn)定，雙峰反映了多物源和復(fù)雜的動力環(huán)境條件［14］。對黃土洼A剖面的粒度頻率曲線（圖3）進行分析，發(fā)現(xiàn)該剖面的頻率曲線只有兩種類型，絕大多數(shù)是單峰型，200個樣品中只有2個是較明顯的雙峰型態(tài)，其他少數(shù)幾個是不明顯的雙峰型，即次峰較弱。在黃土洼地區(qū)，單峰形態(tài)中粒度組成高度集中于粉砂粒級（粒徑在0.005～0.05mm范圍內(nèi)），表明該區(qū)沉積作用主要是單一的流水沉積。頻率曲線的雙峰分布形態(tài)，表明有其他作用參與了流水的搬運沉積過程，在黃土高原為風(fēng)力搬運作用。雙峰中兩峰不對稱，次峰較弱，表明流水作用很強，風(fēng)力作用對其影響非常弱。由黃土洼淤地壩沉積物頻率曲線在各層的分布可知，黃土洼地區(qū)的沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，降水是影響研究區(qū)沉積物粒度的主要因素，沉積物的形成主要是水成沉積，風(fēng)力攜帶的沉積物較少。

3.4 粒度成分含量變化

黃土洼淤地壩沉積物粒度由黏粒（＜0.005mm），粉粒（0.005～0.05mm）和砂粒（0.05～0.5mm）構(gòu)成。剖面顆?？傮w較細，粒徑多為0.005～0.1mm，整個剖面粒度含量以粉砂為主，其中又以粗粉砂含量最高，平均含量為51.78%，其次為細粉砂和極細砂，平均含量分別為15.62%和12.83%，細砂、中砂含量最少，其含量分別為0.025%～2.95%和0%～0.037%，而且中砂只有少數(shù)幾層有，粗砂缺失。

由表1可以看出，組成黃土洼淤地壩沉積物的旋回層的粒度組分含量明顯的不同，整個剖面黏粒含量在8.38%～32.69%，粉粒含量在52.83%～77.84%，砂粒含量在0.003%～38.28%，說明不同的降雨條件下洪水的動力條件不一致，使沉積物粒度組分有所差別。粉粒的平均含量（67.33%）最多，剖面黏粒的平均含量（18.98%）次之，砂粒的平均含量（13.93%）最少，各粒徑組分在整個剖面的變異系數(shù)：砂粒＞黏粒＞粉粒，說明砂粒在搬運和沉積的過程中具有較差的分選性，這也反映了泥沙顆粒對沉積環(huán)境（暴雨）的指示作用。粒徑0.25～0.5mm范圍內(nèi)的中砂含量極少，主要分布在 R1，R5，R7，r2，r5層，對應(yīng)的深度分別為26～36cm，154～162cm，192～200cm，268～290cm和378～396cm，除在378～396cm深度處，因缺乏降水資料不確定外，在其他深度處24h最大降雨量均達到峰值。黃土高原坡面和溝道小流域，極強烈侵蝕的70%是由短歷時高強度的暴雨產(chǎn)生的［15］，該粒徑范圍的泥沙分布情況可反映侵蝕強度的大小。

圖2 黃土洼A剖面平均粒徑、中值粒徑和細顆粒變化曲線

圖3 黃土洼A剖面粒度頻率曲線特征

表1 研究區(qū)淤地壩沉積剖面土壤各粒徑含量的統(tǒng)計 %

3.5 粒度參數(shù)變化

粒度分析是研究沉積物的主要手段，對其進行分析，可以推斷物源信息、搬運動力和沉積環(huán)境。根據(jù)Φ＝－log2D（D——沉積物粒徑，μm），再采用Folk和 Ward［16］公式計算出粒度參數(shù) Mz（平均粒徑），Md（中值粒徑）和σ（標(biāo)準(zhǔn)偏差）。

中值粒徑與平均粒徑的變化趨勢基本一致，兩者具有相同的指示意義，代表沉積物粒度分布的集中趨勢，反映搬運營力的平均動能。黃土洼A剖面的平均粒徑主要集中在10.43～42.45μm范圍內(nèi)，平均值為22.86μm，極大值（42.45μm）出現(xiàn)在32cm處，表明其是由高能量的動力環(huán)境中沉積下來的粗顆粒物質(zhì)所組成。由圖1看出，26～36cm土層深度處，該處為1993—1995年，在1994年，黃土洼地區(qū)降雨量較大，年降水、7—9月降水、24h最大降水均達到了峰值，高強度的降水導(dǎo)致的洪水動能較大，對土壤的侵蝕力強。由于黃土土層疏松，一旦有地表徑流發(fā)生，會引起嚴(yán)重的土壤侵蝕。

標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）是分選性的指標(biāo)，反映沉積物顆粒的分選程度，分選好壞與沉積環(huán)境的水動力條件和沉積物物源有密切關(guān)系，σ值越小，分選越好。A剖面沉積物σ值在1.34～1.84范圍內(nèi)，平均值為1.61，根據(jù)Folk和Ward［16］對標(biāo)準(zhǔn)偏差的分級標(biāo)準(zhǔn)，各層沉積物分選均較差。研究區(qū)沉積物物源較單一，主要為水成沉積，沉積物分選差是水動力條件不穩(wěn)定引起的。當(dāng)降水較多形成洪水時，流速發(fā)生劇烈變化，粗細顆粒往往未能發(fā)生分選，導(dǎo)致分選較差。

3.6 洪積物粒度沉積旋回層記錄的洪水信息

淤地壩攔截侵蝕性降雨產(chǎn)生泥沙，在沉降過程中由于分選作用形成泥沙沉積旋回層。在淤地壩A剖面290cm深度內(nèi)（1954年以來），可劃出較明顯的32個沉積旋回層。黃土洼聚湫沉積物是坡面流水侵蝕在聚湫內(nèi)的沉積，其侵蝕性降雨主要發(fā)生在7—9月，由圖1可知1954—2010年7—9月的降水出現(xiàn)了18個峰值。在黃土高原地區(qū)，汛期會出現(xiàn)幾場侵蝕性降雨，產(chǎn)生幾次產(chǎn)沙洪水，而淤地壩壩地每一層淤積泥沙量是與一次侵蝕性降雨相對應(yīng)的［17］，因此，黃土洼地區(qū)7—9月幾場侵蝕性降雨形成的洪水，對沉積物粒度的影響較大，能夠形成記錄次降雨侵蝕的沉積層次。在黃土高原地區(qū)，流域的產(chǎn)沙量絕大多數(shù)是由年內(nèi)幾場大暴雨形成的［18］，較大的來水量對應(yīng)較大的沙量。提取了1954—2010年內(nèi)日降雨量≥50mm的暴雨，共34次（圖4），暴雨次數(shù)遠大于沉積旋回次數(shù)。一般來說，每場侵蝕性降雨都會形成泥沙沉積，同一次洪水沉積層內(nèi)部沒有分層界線，不同期次的洪水常有分層界線，特別是時間間隔較長的洪水沉積物［19］。但是，并不是每次洪水形成的沉積層與下一次洪水形成的沉積層的界限都很明顯，當(dāng)兩次暴雨在發(fā)生的時間上很接近時，由于前一次暴雨侵蝕產(chǎn)生的泥沙未完全沉積，后一次降雨產(chǎn)生粗顆粒與之混合，所以兩次暴雨也可能形成一個較明顯的沉積層。因此，A剖面（4m）百年內(nèi)形成的沉積物，其中共出現(xiàn)了42次明顯沉積旋回層，至少記錄了42次暴雨洪水事件。

圖4 黃土洼地區(qū)1954年以來≥50mm日降雨量變化

4 結(jié)論

（1）黃土洼天然淤地壩沉積物具有良好的沉積層理，不同沉積層間粒度變化明顯，反映了近百年內(nèi)年該區(qū)土壤侵蝕情況，也記錄了過去沉積環(huán)境和侵蝕產(chǎn)沙過程的相關(guān)信息，對該區(qū)及類似區(qū)域水土保持措施的制定提供了一定的參考價值。

（2）黃土洼地區(qū)的沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，沉積物物源比較單一，主要為水成沉積，風(fēng)力對其影響不大，影響沉積物粒度的主要因素是降水，主要集中在7—9月，由以暴雨侵蝕為主。

（3）一次侵蝕性暴雨，并不一定對應(yīng)一個泥沙沉積旋回層，也可能是兩次或多次侵蝕性降水形成的，剖面4m沉積物粒度旋回，至少可以記錄近百年內(nèi)42次較大的暴雨洪水事件。

（4）黃土洼淤地壩發(fā)育約有440a的歷史，由于統(tǒng)計與技術(shù)的局限性，研究區(qū)1953年前的降雨資料缺乏，可以利用沉積物粒度旋回特征來反演440a來該流域的洪水事件，此外，降水因素對沉積物粒度的具體影響需要進一步的研究。

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