黄土高原多沙粗沙区典型坝控流域泥沙来源研究

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黄土高原是黄河泥沙的重要来源地,其中粗泥沙的源头治理是黄河中游水土保持工作的重中之重。淤地坝作为黄土高原重要的水土保持措施,在拦蓄侵蚀泥沙的同时,还记录了小流域沉积泥沙的产沙过程和来源信息,通过这些信息可对小流域侵蚀产沙特征和泥沙来源进行研究,对资料缺乏区域的土壤侵蚀研究有重大意义。本文以皇甫川罕将沟流域为例,通过对草地、坡耕地、沟壁和坝地沉积剖面土壤样品采集以及室内测定分析,分析了研究时段内流域侵蚀性降雨等相关信息,以及泥沙源地和剖面沉积泥沙的理化性质;基于历史降雨资料、实测淤积厚度、以及粉砂粘粒径分布,建立了坝地沉积旋迥层的时间序列,研究了该流域的侵蚀产沙特征及产沙强度变化;采用复合指纹识别技术进行了坝控流域泥沙源地贡献率的定量计算,可为流域水土流失综合治理、水土保持措施合理配置等提供重要科学依据。主要结论如下:(1)罕将沟流域的降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力年内分布极为不均,不同剖面深度的沉积泥沙粒径差异明显。2007~2016年侵蚀性降雨量呈上升趋势,多年月平均降雨侵蚀力在7月最大,为486.19(MJ·mm)/(hm2·h)。6~9月的降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力分别占全年总量的72.8%、80.1%和85.5%,雨旱两季差异明显。砂粒(>0.05mm)为源地和淤积剖面泥沙的主要粒径,不同剖面深度的沉积泥沙粒径差异明显。随着时间推移,该坝控流域内沉积泥沙的粒径有细化趋势。(2)基于历史降雨资料、实测淤积厚度、以及粉砂粘粒径分布建立了罕将沟淤地坝的侵蚀产沙时间坐标,分析了小流域的侵蚀产沙特征及产沙强度变化。2007~2017年,该淤地坝共拦蓄泥沙99.20×104t,多年平均侵蚀模数为16889.65t/(km2.a),属剧烈侵蚀区。随着淤积的进行,流域年侵蚀模数呈下降趋势。次侵蚀产沙量与次侵蚀性降雨量、年侵蚀产沙量与年侵蚀性降雨量间均呈显著相关关系(P<0.05)。该流域在中雨(20~25mm)和大雨(25~50mm)的相似降雨条件下,其侵蚀模数随着淤积的进行具有减小的趋势。(3)基于草地、坡耕地、沟壁以及沉积剖面泥沙样品理化指标的测定分析,采用复合指纹识别技术解析了该流域的泥沙来源。该流域泥沙来源的最佳指纹因子组合为Cr+As+Mo+Cd,正确判别率达90.7%。沟壁是淤地坝淤积泥沙的主要贡献源,贡献率达65.8%,其次坡耕地,贡献率为29.0%,草地的泥沙贡献率最小,为5.2%。(4)利用所得的各源地的泥沙贡献率,分析了研究时段内各泥沙源地的侵蚀产沙量变化。2007~2017年,草地、坡耕地和沟壁的多年平均侵蚀模数分别为1053.80 t/(km2·a)、4904.66 t/(km2.a)和10931 t/(km2.a)。随着旋廻层深度的增加各源地次产沙量均呈上升趋势。随着淤积的进行,中雨(10~25mm)和大雨(25~50mm)的相似降雨条件下泥沙源地的产沙量均呈下降趋势,且大雨(25~50mm)下降更为明显。
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