1953－2010年黃土洼天然淤地壩內(nèi)洪水沉積物粒度旋回特征

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(shí)也是研究土壤侵蝕模數(shù)的重要依據(jù)。目前對(duì)于淤地壩的研究多集中于泥沙來(lái)源及沉積速率方面［1－2］，對(duì)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(lái)識(shí)別解釋搬運(yùn)和沉積作用的動(dòng)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(shí)間序列最長(zhǎng)的全沖、全淤型天然聚湫，有“淤地壩的鼻祖”之稱(chēng)［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(méi)有溢洪道，具有良好的沉積層理，泥沙沉積層信息完整，這對(duì)研究黃土高原侵蝕演變的歷史，探究侵蝕環(huán)境變化的機(jī)理具有重要意義，而目前對(duì)黃土洼沉積層的研究很少［8］，對(duì)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(duì)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(dòng)力，為反演小流域土壤侵蝕歷史及產(chǎn)沙過(guò)程，推算侵蝕量提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)該區(qū)及類(lèi)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(xiāo)，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(wú)定河一級(jí)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(duì)陜北子洲縣黃土洼進(jìn)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(dòng)。為去掉人為因素對(duì)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(jìn)行分樣，各采集200個(gè)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(gè)樣品，深度為4.1m。

2.2 樣品粒度與137Cs測(cè)試

（1）A剖面粒度測(cè)試流程。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，每個(gè)樣品稱(chēng)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(jī)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(lèi)，反應(yīng)完后，注滿(mǎn)蒸餾水靜置72h，用導(dǎo)管抽取上部溶液，再注滿(mǎn)蒸餾水，重復(fù)幾次，直至溶液為中性。上機(jī)測(cè)試前加入分散劑，使顆粒充分分散。儀器是采用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的 Mastersizer 2000，儀器測(cè)量粒度范圍為0.02～2 000μm，用標(biāo)樣進(jìn)行測(cè)定，相對(duì)誤差小于2%。（2）C剖面137Cs測(cè)試流程。將用于137Cs測(cè)試的樣品烘干，去除大塊有機(jī)質(zhì)，再進(jìn)行研磨，裝入測(cè)試樣品盒，密封10d后，用美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的高純鍺低本地伽瑪能譜儀進(jìn)行測(cè)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(méi)有經(jīng)過(guò)人為壓縮，沉積信息保存完整，采樣深度最深，用于137Cs測(cè)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(duì)應(yīng)起來(lái)，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(jìn)一步細(xì)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(dá)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(duì)我國(guó)存在一定的影響，并會(huì)形成一個(gè)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(duì)于小流域沉積物來(lái)說(shuō)，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(chǎng)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(duì)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(gè)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(jìn)行對(duì)應(yīng)，再在最大峰值之間選擇次峰進(jìn)行對(duì)應(yīng)，因此，地面以下26—36 cm對(duì)應(yīng)1993—1995年，98—110cm 對(duì)應(yīng)1977—1978年，228—242cm對(duì)應(yīng)1963—1964年，268—290 cm對(duì)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(cè)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(chǎng)洪水都會(huì)把一些泥沙帶入淤地壩，由于泥沙在沉降過(guò)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(xì)的沉積旋回，隨著時(shí)間的推移，多個(gè)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(xì)、洪峰對(duì)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(xì)顆粒含量變化來(lái)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(gè)較明顯的峰值，細(xì)顆粒層的出現(xiàn)表示洪水沉積結(jié)束，因此相鄰的兩個(gè)細(xì)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(xì)分層明顯，但是相鄰的兩個(gè)較明顯的細(xì)顆粒層中也出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)峰值（一個(gè)主峰，一個(gè)或多個(gè)次峰，如圖2中的r1—r5），這可能是在一次洪水過(guò)程中，泥沙未完全沉積，短時(shí)期內(nèi)又有陣雨或暴雨等降水過(guò)程。本研究對(duì)較典型的洪水沉積層（厚度8cm以上，沉積層粗細(xì)顆粒分層明顯）進(jìn)行劃分，對(duì)于厚度較小的沉積層圖中未標(biāo)示出來(lái)。

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(lái)源單一，形成時(shí)的動(dòng)力條件相對(duì)穩(wěn)定，雙峰反映了多物源和復(fù)雜的動(dòng)力環(huán)境條件［14］。對(duì)黃土洼A剖面的粒度頻率曲線（圖3）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該剖面的頻率曲線只有兩種類(lèi)型，絕大多數(shù)是單峰型，200個(gè)樣品中只有2個(gè)是較明顯的雙峰型態(tài)，其他少數(shù)幾個(gè)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(jí)（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(yùn)沉積過(guò)程，在黃土高原為風(fēng)力搬運(yùn)作用。雙峰中兩峰不對(duì)稱(chēng)，次峰較弱，表明流水作用很強(qiáng)，風(fēng)力作用對(duì)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(duì)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(xì)，粒徑多為0.005～0.1mm，整個(gè)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(xì)粉砂和極細(xì)砂，平均含量分別為15.62%和12.83%，細(xì)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(gè)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(shuō)明不同的降雨條件下洪水的動(dòng)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(gè)剖面的變異系數(shù)：砂粒＞黏粒＞粉粒，說(shuō)明砂粒在搬運(yùn)和沉積的過(guò)程中具有較差的分選性，這也反映了泥沙顆粒對(duì)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(duì)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(dá)到峰值。黃土高原坡面和溝道小流域，極強(qiáng)烈侵蝕的70%是由短歷時(shí)高強(qiáng)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(qiáng)度的大小。

圖2 黃土洼A剖面平均粒徑、中值粒徑和細(xì)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(jì) %

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(duì)其進(jìn)行分析，可以推斷物源信息、搬運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shì)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(shì)，反映搬運(yùn)營(yíng)力的平均動(dòng)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(dòng)力環(huán)境中沉積下來(lái)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(dá)到了峰值，高強(qiáng)度的降水導(dǎo)致的洪水動(dòng)能較大，對(duì)土壤的侵蝕力強(qiáng)。由于黃土土層疏松，一旦有地表徑流發(fā)生，會(huì)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(dòng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的分級(jí)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(dòng)力條件不穩(wěn)定引起的。當(dāng)降水較多形成洪水時(shí)，流速發(fā)生劇烈變化，粗細(xì)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(guò)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(lái)），可劃出較明顯的32個(gè)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(gè)峰值。在黃土高原地區(qū)，汛期會(huì)出現(xiàn)幾場(chǎng)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(duì)應(yīng)的［17］，因此，黃土洼地區(qū)7—9月幾場(chǎng)侵蝕性降雨形成的洪水，對(duì)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(chǎng)大暴雨形成的［18］，較大的來(lái)水量對(duì)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(yuǎn)大于沉積旋回次數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，每場(chǎng)侵蝕性降雨都會(huì)形成泥沙沉積，同一次洪水沉積層內(nèi)部沒(méi)有分層界線，不同期次的洪水常有分層界線，特別是時(shí)間間隔較長(zhǎng)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(shí)間上很接近時(shí)，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?xún)纱伪┯暌部赡苄纬梢粋€(gè)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(lái)≥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(guò)去沉積環(huán)境和侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的相關(guān)信息，對(duì)該區(qū)及類(lèi)似區(qū)域水土保持措施的制定提供了一定的參考價(jià)值。

（2）黃土洼地區(qū)的沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，沉積物物源比較單一，主要為水成沉積，風(fēng)力對(duì)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(duì)應(yīng)一個(gè)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(jì)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(lái)反演440a來(lái)該流域的洪水事件，此外，降水因素對(duì)沉積物粒度的具體影響需要進(jìn)一步的研究。

［1］ 李勉.小流域侵蝕與產(chǎn)沙關(guān)系的137Cs、210Pbex示蹤研究［D］.陜西 楊陵：中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所，2002.

［2］ 李少龍，蘇春江，白立新，等.小流域泥沙來(lái)源的226Ra分析法［J］.山地研究，1995，13（3）：199-202.

［3］ 冉大川，郭寶群，馬勇.基于淤地壩建設(shè)的黃河中游泥沙粒徑變化分析［J］.人民黃河，2005，27（11）：28-30.

［4］ Ankers C，Walling D E，Smith R P.The influence of catchment characteristics on suspended sediment properties［M］∥The Interactions between Sediments and Water.Springer Netherlands，2003：159-167.

［5］ 李勉，姚文藝，史學(xué)建.淤地壩攔沙減蝕作用與泥沙沉積特征研究［J］.水土保持研究，2005，12（5）：107-111.

［6］ 王建，柏春廣.一種新的粒度指標(biāo)：沉積物粒度分維值及其環(huán)境意義［J］.沉積學(xué)報(bào)，2003，21（2）：234-239.

［7］ 安鎖堂，淤地壩鼻祖：天然湫灘［J］.陜西水利，2004（2）：48-49.

［8］ 龍翼，張信寶，李敏，等.陜北子洲黃土丘陵區(qū)古聚湫洪水沉積層的確定及其產(chǎn)沙模數(shù)的研究［J］.科學(xué)通報(bào)，2009，54（1）：73-78.

［9］ Alonso-Hernández C M，Cartas-Aguila H，Diaz-Asencio M，et al.Atmospheric deposition of137Cs between 1994 and 2002at Cienfuegos，Cuba［J］.Journal of Environmental Radioactivity，2006，88（2）：199-204.

［10］ 張信寶.有關(guān)湖泊沉積137Cs深度分布資料解譯的探討［J］.山地學(xué)報(bào)，2005，23（3）：294-299.

［11］ 王文博，蔡運(yùn)龍，王紅亞.結(jié)合粒度和137Cs對(duì)小流域水庫(kù)沉積物的定年：以黔中喀斯特地區(qū)克酬水庫(kù)為例［J］.湖泊科學(xué)，2008，20（3）：306-314.

［12］ 李勉，楊劍鋒，侯建才，等.黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩記錄的泥沙沉積過(guò)程研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（2）：64-69.

［13］ 蔣慶豐，劉興起，沈吉.烏倫古湖沉積物粒度特征及其古氣候環(huán)境意義［J］.沉積學(xué)報(bào)，2006，24（6）：877-882.

［14］ 安福元，馬海州，樊啟順，等.粒度在沉積物物源判別中的運(yùn)用［J］.鹽湖研究，2012，20（2）：67-69.

［15］ 焦菊英，王萬(wàn)中.黃土高原不同類(lèi)型暴雨的降水侵蝕特征［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，1999，13（1）：34-42.

［16］ Folk R L，Ward W C.Brazos River bar：A study in the significance of grain size parameters［J］.Journal of Sedimentary Research，1957，27（1）：3-26.

［17］ 魏霞，李占斌，李鵬，等.黃土高原典型淤地壩淤積機(jī)理研究［J］.水土保持通報(bào)，2006，26（6）：10-13.

［18］ Hofmann L，Ries R E，Gilly J E.Relationship of runoff and soil loss to ground covers of native and reclaimed grazing land［J］.Agronomy Journal，1983，75（4）：599-602.

［19］ 趙景波，郁耀闖，周旗.渭河渭南段高漫灘沉積記錄的洪水研究［J］.地質(zhì)論評(píng)，2009，55（2）：231-241.