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淤地坝沉积泥沙解译小流域土壤侵蚀信息研究进展

来源:核心论文发表 所属分类:农业论文 点击:次 时间:2020-09-08 08:38

  摘 要:淤地坝作为重要的水土保持工程措施,在减少入河泥沙方面发挥重要作用。通过直接拦截滞留流域侵蚀泥沙,淤地坝泥沙赋存大量流域土壤侵蚀信息,庞大的淤地坝样本量以及悠久的淤地坝建设历史与淤地坝沉积泥沙旋回的发现与断代技术的不断完善为利用淤地坝泥沙研究流域侵蚀特征、侵蚀机理以及流域环境演变提供主要途径。通过查阅国内外淤地坝研究文献,归纳总结了基于淤地坝泥沙解译流域侵蚀速率、判别淤地坝泥沙来源以及反演流域侵蚀环境变化等侵蚀信息的相关研究,分析现阶段基于淤地坝沉积泥沙解译小流域侵蚀信息研究中存在的问题并探讨了今后研究发展的方向,以期能为进一步挖掘淤地坝泥沙赋存的土壤侵蚀信息提供参考。

淤地坝沉积泥沙解译小流域土壤侵蚀信息研究进展

  关键词:淤地坝;小流域;土壤侵蚀速率;泥沙来源;侵蚀环境

  土壤侵蚀是土壤在外力条件下发生的原位剥离、搬运和异地沉积事件,不仅造成土壤肥力降低、土地质量退化等原生环境问题,同时造成河道淤塞、河流水质污染等次生环境问题。因此水土保持工作尤为重要。淤地坝是重要的水土保持工程措施,不仅可直接拦截径流蓄水滞沙,且淤满即为良田,增加农地面积,显著提高农作物产量。淤地坝泥沙来自侵蚀性降雨事件的径流泥沙沉积,赋存大量流域侵蚀产沙信息。据统计,过去50a仅黄土高原建成淤地坝超过 100000座[1]。基于庞大的淤地坝样本数以及明显的淤地坝泥沙沉积二元特征[2],近年来科研工作者广泛关注基于淤地坝沉积泥沙解译小流域土壤侵蚀信息,在流域土壤侵蚀速率及其演变规律、流域泥沙来源及其时空变化以及人类活动对土壤侵蚀影响等方面开展重要研究并取得大量成果。本文就淤地坝沉积泥沙解译流域土壤侵蚀信息方面取得的成果进行总结归纳,以期为深入利用坝地沉积泥沙解译流域侵蚀信息提供参考。

  1 流域土壤侵蚀速率解译

  土壤侵蚀速率是指示土壤侵蚀程度,研究土壤侵蚀变化,引导水保措施配置的重要指标。流域土壤侵蚀速率受诸多因素共同影响。流域侵蚀环境的改变必然导致土壤侵蚀速率发生变化,深入研究流域长时间尺度侵蚀速率变化对流域侵蚀环境演变、水保措施配置、流域管理规划等具有重要意义。淤地坝运行期间,拦蓄泥沙来自流域各侵蚀降雨产沙事件的泥沙沉积,赋存了大量流域侵蚀产沙信息,刘立峰等[3-4]指出,流域各次侵蚀降雨事件的大部分产沙被流域出口淤地坝拦蓄,因此,坝地拦蓄泥沙量接近流域产沙量。基于淤地坝修建、运行资料,可以计算出运行期间流域多年平均产沙速率。李勇等[5]利用陕西省延安市碾庄沟流域淤地坝沉积泥沙信息估算出该流域1957— 2000年44a间平均产沙模数为25800t/(km2·a),并发现流域侵蚀速率呈现年代递减变化趋势。Zhao等[6] 基于陕西省绥德县埝堰沟流域淤地坝沉积泥沙估算该流域1960—1990年31a间平均产沙模数11970t/(km2 ·a),且流域侵蚀速率随侵蚀环境变化呈现相应的阶段性变化。Zhao等[7]基于黄土高原北部一小流域淤地坝沉积泥沙获取流域1958—1972年14a间土壤侵蚀速率信息,校正 WATEM SEDEM 模型并拓宽该模型应用范围。利用淤地坝获取流域详细侵蚀速率分为两步:第一步是获取淤地坝泥沙量,第二步建立坝地泥沙沉积时间序列。

  1.1 估算淤地坝泥沙量

  估算淤地坝泥沙量是基于淤地坝泥沙获取小流域侵蚀速率的基础,淤地坝泥沙量根据时间划分有次降雨泥沙量、年泥沙量和总泥沙量。其中,沉积旋回的发现为获取次降雨泥沙量和年泥沙量提供可能。泥沙沉积过程中,颗粒沉积分选效应使得较粗较大颗粒先沉积,较细较小颗粒后沉积,形成下部颜色浅上部颜色深的沉积层,即沉积旋回。一个完整的沉积旋回对应坝地运行期间一次完整的侵蚀产沙事件即对应一次完整的侵蚀降雨事件。

  淤地坝沉积泥沙解译小流域土壤侵蚀信息研究进展相关期刊推荐:《水土保持应用技术》(双月刊)创刊于1984年,由辽宁省水土保持研究所主办。旨在传递国内外水土保护科技信息,介绍国内外水土保护先进技术、科研成果及与水土保护有关的农业、林业、牧业、水利、土壤、环境保护、生态平衡、国土整治等方面的科技资料,促进水土保护事业的发展,提高科学技术水平。

  目前最常用的淤地坝泥沙量计算方法是库容曲线法。淤地坝库容曲线是基于坝控流域地形图利用 AUTOCAD或 ArcGIS软件综合计算得出。首先利用 AUTOCAD或 ArcGIS软件将地形图矢量化,得到流 域 等 高 线 图,再 利 用 AUTOCAD 的 LIST 或 AREA 命令或者 ArcGIS的3D ANALYST TOOL 功 能 中 的 FUNCTIONALSURFACE—SURFACE VOLUME命令计算出经过淤地坝相邻等高线间的面积从而得到淤地坝高程—累积面积曲线,最后将相邻等高线围成的几何体处理为圆台体,基于圆台体体积公式 计 算 得 到 高 程—累 积 库 容 曲 线[8-10]。 安 正锋[8]在研究陕北府谷县黄家沟流域淤地坝泥沙来源时,基于1∶10000淤地坝地形图,利用 ArcGIS建立淤地坝库容曲线。魏霞等[9-10]以陕北子洲县小河沟流域淤地坝为研究对象,基于1∶10000淤地坝地形图,利用 AUTOCAD建立淤地坝库容曲线。通过测量各沉积旋廻层厚度,结合各沉积旋回相对高程以及容重,即可计算出各沉积旋回层泥沙量,累加各旋回泥沙量得到总泥沙量。利用淤地坝泥沙沉积时间序列得到各次侵蚀降雨泥沙量和年泥沙量。

  1.2 建立沉积时间序列

  淤地坝沉积时间序列建立是淤地坝泥沙解译流域侵蚀信息研究的重要环节,基于泥沙的沉积特征, 各次侵蚀降雨事件在淤地坝中基本都能形成相对应的沉积旋回,大量科学研究[2,6,11-14]表明明显的二元组成结构使得沉积旋回极易区分,为进一步辨识对应的侵蚀降雨事件提供基础。特定的泥沙沉积旋回对应特定的侵蚀降雨事件。降雨作为土壤侵蚀主要驱动力,较大降雨事件对应较大产沙事件。基于此,结合淤地坝运行期间降雨资料,对比淤地坝各旋回泥沙量,可建立较为准确的淤地坝泥沙沉积时间序列。方法如下:首先,基于坝地运行期间流域降雨资料,筛选出所有侵蚀性降雨事件。接着,在淤地坝沉积旋回中,筛选出n 个较大泥沙量的沉积旋回,一一比对侵蚀性降雨资料,基于“大雨对大沙”原则,获取该n 个沉积旋回的沉积时间,依据该n 个时间点将总沉积时间划分为(n+1)个时间段。最后,在各时间段内, 以此类推,逐一划分比对,建立淤地坝沉积时间序列。魏霞等[9]以陕北子洲县小河沟流域淤地坝泥沙为研究对象,首先筛选出沉积量较大的3个沉积旋回,基于“大雨对大沙”原则,根据侵蚀性降雨雨强、雨量以及降雨侵蚀力等降雨特征值,比对出坝地运行期间对应的较大3次侵蚀性降雨事件,接着利用3次降雨事件对应的时间节点将总沉积时间划分为4个阶段,在各个阶段中,逐个对比旋回泥沙量和侵蚀性降雨指标,同样基于“大雨对大沙”原则,以相同方法逐次区分,得到淤地坝泥沙沉积时间序列。Zhao等[6]以陕北王茂沟流域埝堰沟淤地坝为研究对象,同样基于大雨对大沙原则,首先根据泥沙量大小筛选出5个沉积旋回,根据侵蚀性降雨雨量以及降雨侵蚀力两个降雨特征值,筛选出对应的5次侵蚀性降雨事件,基于5次侵蚀性降雨事件将淤地坝沉积时间划分为6个阶段,结合降雨资料,详细比对,得出淤地坝沉积时间序列。

  除较大泥沙量沉积旋回可以用作时间标志外,沉积泥沙核素活度峰值、流域历史时期特殊事件(泥沙中出现除草剂、重金属等标志物)等同样可以作为时间标志。土壤中的137Cs是核试验产物,来自吸附核素的粉尘大气沉降,从1954年首次在土壤中出现,到 1963年达到历史峰值,随后下降,到1986年出现小峰值[2,6]。淤地坝运行期较长,对应侵蚀性降雨场次繁多,仅仅依靠“大雨大沙”原则建立时间序列,过程繁杂无章,容易出现比对误差,基于此,相关科研人员[2,6,15-16]引入核素年际变化中的明显峰值特征,建立泥沙沉积时间序列,降低比对误差。首先利用核素沉降历史特征获取137Cs活度峰值旋回的沉积年份,再依据 “大雨对大沙”原则一一比对,判定各旋回沉积时间。 Zhao等[6]通过分析坝地沉积旋回137Cs活度变化,基于活度峰值旋回泥沙沉积于1963年,基于“大雨对大沙” 原则,得到埝堰沟流域淤地坝沉积时间序列。

  2 淤地坝沉积泥沙来源泥沙来源

  一直是流域土壤侵蚀研究的重点和难点。明晰流域各侵蚀产沙单元产沙比例,对流域土壤侵蚀研究、治理和防治至关重要。泥沙来源研究方法较多,随着新技术手段出现分为传统方法和指纹识别法,传统方法主要有小区监测法、实地调查法、模型法、水文资料分析法[2,17]。较早的泥沙来源研究以传统方法如小区监测法、实地调查法为主,围绕判定流域沟道治理和坡面治理的相对重要性,开展流域沟间地和沟谷地相对产沙比例研究。这类研究主要是通过定点观测流域坡面和沟道土壤侵蚀发生频率,得到各侵蚀产沙单元侵蚀产沙的主次关系,以指示坡面和沟道治理主次顺序。随后,科研工作者[2,17]采用模型法、水沙资料分析法、粒径分析法展开小流域泥沙来源研究。传统方法在流域泥沙来源定性和定量研究方面取得一定成果,但由于其操作及定量化程度的限制,传统方法在应用过程中存在较大局限性。首先, 定点观测或小区监测的点位选择直接关系到判定结果,对其准确性要求较高,增加传统方法局限性。其次,传统方法定点观测泥沙剥离环节,忽略泥沙搬运和沉积环节,降低判别结果的准确性。此外,基于监测和模拟方法的空间和成本等因素限制,以及土壤侵蚀空间分布变异问题,传统方法往往只适用于研究小流域泥沙来源。随着泥沙来源定量化程度要求提高, 指纹识别法开始用于泥沙来源研究。指纹识别法有单因子指纹识别法和复合指纹识别法。指纹识别法利用统计分析手段筛选最佳指纹识别因子,利用数值转换模型将潜在物源及泥沙的最佳指纹因子浓度转换为各潜在物源产沙比例。对比传统方法和指纹识别法,指纹识别法特别是复合指纹识别法占据更多优势,定量化程度提高,应用局限性大幅降低。

  淤地坝蓄存了不同历史时期来自流域内不同侵蚀产沙单元的泥沙。结合淤地坝泥沙沉积时间序列和泥沙量数据,坝地泥沙来源分布不仅能直观反映详细的流域土壤侵蚀时空分布特征,同时能为推测流域气候变化以及不同来沙单元土壤植被及人为扰动程度等环境因子变化提供数据支撑,进一步揭示流域侵蚀环境演变规律。Chen等[18]利用复合指纹识别法判定淤地坝沉积泥沙来源的流域空间分布随时间变化特征;Zhang等[19]基于淤地坝沉积物,结合降雨资料,利用复合指纹识别技术研究极端暴雨条件下流域泥沙来源特征;张玮[20]利用复合指纹识别技术,基于淤地坝沉积泥沙,重点研究退耕前后流域泥沙来源变化特征;赵恬茵[21]基于坝地泥沙,利用复合指纹识别技术研究流域泥沙来源时空分布对流域内水保措施、农业活动等侵蚀环境变化的响应关系;王永吉[22]基于风蚀水蚀交错区流域出口淤地坝泥沙,利用复合指纹识别技术得到红泥沟壁及片沙覆盖区一直是淤地坝泥沙主要来源区;Nichols等[23]基于流域出口淤地坝沉积泥沙,利用复合指纹识别技术得出坡面产沙贡献率为85%。

  随着淤地坝泥沙来源的复合指纹识别技术的应用与发展,其他识别方法也开始应用于淤地坝泥沙来源研究,这类方法主要是通过对比淤地坝沉积泥沙和坝控流域潜在物源土壤中物理化学或者生物特性差异,判断泥沙来源地的主次关系。如张风宝等[24]基于王茂沟流域埝堰沟淤地坝沉积泥沙和坝控流域潜在物源土壤养分对比研究,发现流域沟壁是主要泥沙源地。张信宝等[25]基于陕北吴旗县淤地坝泥沙和流域坡面不同土地利用类型土壤中孢粉含量差异,基于孢粉示踪技术深入分析淤地坝泥沙来源及其演变特征。

  3 解译流域侵蚀环境信息

  流域侵蚀环境如降雨、植被等自然因素以及农耕、矿物开采等人为因素直接影响淤地坝泥沙沉积速率和沉积泥沙属性特征。基于淤地坝泥沙沉积时间序列、沉积速率以及沉积泥沙来源等方面研究深入,一些研究开始关注利用淤地坝泥沙解译流域侵蚀环境演变信息。淤地坝沉积泥沙时间序列的建立为解译流域侵蚀环境演变信息提供时间依据,而沉积量和沉积速率以及沉积泥沙来源为解译流域侵蚀环境演变信息提供空间依据。此外,淤地坝泥沙来源于流域特定侵蚀环境下的侵蚀区土壤,因此,流域侵蚀区土壤特性(物理、化学、生物)直接影响淤地坝沉积泥沙特性。

  3.1 沉积速率的环境信息解译

  淤地坝沉积速率受流域自然和人为因素共同影响。自然和人为因素的改变直接影响淤地坝泥沙沉积速率。即,沉积速率变化特征能够反映流域植被覆盖、土地利用以及其他人类活动变化。Zhao等[6]利用年泥沙量—年降雨量双累积曲线,通过分析淤地坝泥沙沉积速率的时间变化,发现流域土壤侵蚀速率呈现阶段变化特征,得出流域农业耕作、水保措施等人类活动的变化是形成泥沙沉积速率阶段性变化的主要原因。Wang等[26]通过分析退耕前后淤地坝泥沙沉积速率变化,发现退耕还林引起的植被覆盖增加和农业活 动 减 少 显 著 降 低 流 域 土 壤 侵 蚀 速 率。Zhao 等[7]利用地理信息技术,基于淤地坝沉积速率变化, 结合流域相应时间土地利用及植被覆盖度的变化,分析驱动流域侵蚀速率变化的环境因素,并为进一步建立和验证流域土壤侵蚀模型提供数据支撑。随着淤地坝泥沙沉积量及沉积速率反演流域侵蚀环境变化的研究深入,人们开始利用淤地坝沉积泥沙量和沉积速率定量辨析自然和人为因素对土壤侵蚀的相对贡献率。赵恬茵[21]基于淤地坝泥沙沉积速率阶段性特征,利用灰色关联方法,定量辨析出不同侵蚀阶段人类活动和自然因素对流域土壤侵蚀变化的相对贡献。一些研究[6,27]基于淤地坝年泥沙量—年降雨量双累积曲线的斜率变化,估算出不同侵蚀阶段人类活动对土壤侵蚀变化的贡献。

  3.2 泥沙属性特征的环境信息解译

  流域产沙系统中,流域侵蚀物源区土壤特性直接影响淤地坝沉积泥沙特性。侵蚀区土壤特性与其下垫面环境如土地利用、植被、农业活动等显著相关。不同物源间差异显著和不显著的土壤属性(物理属性、化学属性以及生物属性等)在外力作用下经过剥离、搬运和沉积转变为沉积泥沙特性,通过分析泥沙中各理化因子以及生物因子随时间变化特征,在一定程度上解译流域环境信息。陈敬安等[28]通过研究不同时间尺度下沉积物粒度变化发现,沉积物粒径大小能很好指示流域降雨环境。张风宝等[24]发现淤地坝沉积泥沙有机质和全氮含量呈现阶段性变化特征,主要受政府土地承包制度 及 其 引 起 的 土 地 利 用 变 化 的 影 响。周 玮 莹等[29]通过分析不同流域及流域出口淤地坝沉积泥沙有机碳、全氮和全磷的化学计量特征,反演流域侵蚀环境变化。张信宝等[25]利用淤地坝沉积泥沙孢粉浓度和种类变化,得到流域植被类型演变特征。

  4 不足与展望

  淤地坝在流域水土流失治理中发挥着重要作用, 是重要的水土保持工程措施,同时淤地坝泥沙记载流域详细侵蚀信息,是反演流域侵蚀环境时空变化的主要载体,同时为研究流域侵蚀机理以及建立侵蚀模型提供基础支撑。近年来,淤地坝泥沙相关研究取得大量成果,但研究过程中仍然存在部分问题。首先,时间序列建立主要是基于“大雨对大沙”原则进行人工比对,存在较大主观性,137Cs以及孢粉定代技术在应用上同样存在一定限制,因此发掘引用更多新技术以提高时间序列准确性显得尤为重要。其次,淤地坝泥沙来源研究对解译流域侵蚀信息时空演变方面具有重要意义,现阶段国内外泥沙来源研究主要利用复合指纹识别技术,对于较长时间尺度内流域内部土地利用类型和地貌类型可能存在较大变化,因此利用复合指纹识别技术判定淤地坝泥沙来源时,流域内典型土壤样品获取十分重要,需结合流域相关资料仔细考证。此外,目前利用淤地坝泥沙解译流域侵蚀信息, 主要集中在研究流域侵蚀速率、泥沙来源以及自然和人为因素产沙比例等方面,在结合此类信息深入挖掘流域侵蚀环境时空演变特征的研究相对较少,需要引入新的技术手段开展深化研究。最后,基于淤地坝泥沙解译流域侵蚀信息相关研究多见于以流域单个淤地坝为研究对象,为降低结果的不确定性,需要在更大空间尺度范围内深入对比研究多个淤地坝泥沙附载侵蚀信息。

  随着更多的技术手段不断引入,利用淤地坝泥沙解译流域侵蚀信息研究得到深入发展,有利于进一步认识流域侵蚀产沙机理,突破流域泥沙来源研究瓶颈,拓宽淤地坝沉积泥沙环境学意义,在时空尺度范围内反演流域侵蚀环境变化特征。——论文作者:赵恬茵1,3,王志兵1,吴媛媛2,傅良同1,3,高礼安1,3

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