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黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙特征示踪研究

作　者: 侯建才
导　师: 李占斌
学　校: 西安理工大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 137Cs 210Pbex示踪 淤地坝 侵蚀产沙时空分异 沉积旋迴 降雨侵蚀产沙模型
分类号: S157
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


本研究以黄土高原丘陵沟壑区典型小流域王茂沟流域为研究对象，运用土壤侵蚀理论、流域降雨径流泥沙理论、泥沙运动学理论和数理统计理论、137Cs和210Pbex示踪技术，采用实地观测及取样室内分析的方法，研究小流域各不同地貌部位、不同土地利用方式下的土壤侵蚀状况及流域次降雨侵蚀泥沙的沉积过程。利用淤地坝的淤积信息反演了淤地坝分层淤积量与侵蚀性降雨的响应关系，分析了流域侵蚀产沙强度演变的特征，揭示了小流域土壤侵蚀产沙的时空分异规律；利用137Cs示踪技术估算流域沟间地和沟谷地的相对来沙量，辨识了坝控流域次降雨产沙量与降雨特征之间的关系，建立小流域水土流失预报模型。本研究对评价流域生态环境恢复重建与综合治理效应，科学调整小流域综合治理规划设计方案、关键技术配置、措施优化布局等宏观决策，推动当地社会经济与生态环境建设协调发展具有重要的现实意义。本研究取得的主要结果如下：（1）证明了137Cs、210Pbex主要被土壤中细颗粒所吸附，揭示了该流域侵蚀泥沙输移过程中无颗粒分选的特征，阐明了珀137Cs、210Pbex示踪结果的可靠性。通过对不同粒径土壤颗粒中137Cs、210Pbex的含量分析，对草地、梯田、坡耕地土壤及淤地坝沉积泥沙样品的颗粒组成研究，结果表明：137Cs、210Pbex主要被土壤中的粘粒所吸附，随着土壤颗粒的变细，137Cs、210Pbex含量显著增加；草地、梯田、坡耕地土壤及淤地坝沉积泥沙样品的颗粒组成无明显差异，土壤侵蚀输移过程无分选性，适宜使用137Cs、210Pbex研究土壤侵蚀。（2）分析了不同利用方式土地的土壤剖面中137Cs、210Pbex的分布特征及含量变异，揭示了土壤剖面中137Cs、210Pbex的含量与地形因素坡长、坡度、坡向及不同土地利用类型的关系。结果表明，在扰动土（农耕地）土壤剖面中137Cs、210Pbex在耕层内基本呈均匀分布，耕层下部仅有少量的137Cs、210Pbex在未扰动土壤剖面中，137Cs在次表层（2～4cm）出现一个“富集层”，次表层以下随土壤深度的增加呈明显的指数下降趋势，210Pbex含量也由地表向下呈指数递减。坡地土壤剖面中137Cs、210Pbex的含量随坡长增加均呈波动变化趋势：在15°～26°范围内，与坡度呈指数负相关，随着坡度的增大，137Cs、210Pbex含量显著减少；坡向差异对137Cs、210Pbex含量的影响也很明显，137Cs、210Pbex含量南坡＞北坡＞东坡＞西坡。不同土地利用方式土壤按照。37Cs、210Pbex含量的多少，依次是草地＞林地＞坡耕地。（3）分析了地形对坡地土壤侵蚀强度的影响，阐明了不同土地利用方式的土壤侵蚀强度变化。研究表明，坡面土壤侵蚀强度沿坡面随坡长增加均呈波动变化趋势，坡上部和下部侵蚀量较大，中部次之；坡度与土壤侵蚀强度之间呈显著的指数正相关关系，在15°～26°范围内，随着坡度的增大，侵蚀强度显著增加；在该流域，坡向差异对土壤侵蚀强度的影响也很明显，不同坡向按照侵蚀强度的大小，依次是西坡＞东坡＞北坡＞南坡。不同土地利用方式按照侵蚀强度的大小，依次是坡耕地＞林地＞草地。按照侵蚀程度划分，坡耕地属于极强度侵蚀，林地、草地属于中度侵蚀。（4）阐明了王茂沟小流域荒草覆盖、已退耕、还在耕种的峁顶和沟坡的土壤侵蚀强度变化特征。研究发现荒草覆盖的峁顶和沟坡的137Cs流失量明显低于开垦农地但已退耕的峁顶、沟坡，更低于还在耕种的峁顶、沟坡；按土壤侵蚀模数的大小，依次是耕地＞退耕地＞荒草覆盖地。峁顶、沟坡开垦为农耕地后，侵蚀量急剧增加。（5）应用210Pbex示踪方法计算了坡耕地多年平均侵蚀模数，并与137Cs估算结果进行了对比。根据测得的坡耕地土壤剖面中210Pbex的含量，计算了黄土高原丘陵沟壑区王茂沟小流域坡耕地的多年平均侵蚀模数。用210Pbex方法所得的侵蚀速率是过去110年的年平均值，而137Cs方法计算的侵蚀速率是50多年来的平均值，前者大于后者，说明自有137Cs沉降（1954年）以来，该流域土壤侵蚀程度有明显增加的趋势。这可能与解放后该流域人口增加、林草地开垦、耕地面积增加、人为活动加剧等有关。（6）揭示了王茂沟流域关地沟3号、4号淤地坝坝地沉积旋迪各层淤积物的颗粒级配特征及137Cs分布规律。通过分析试验得出：3号、4号淤地坝坝地淤积物的粒径主要分布在0.005mm～0.1mm之间，而且3号、4号淤地坝淤地坝的淤积物中土壤颗粒的级配不良，淤积物颗粒组成沿坝地剖面深度没有明显的变化：3号、4号淤地坝坝地沉积旋迴层淤积物中137Cs含量在坝地淤积层剖面中有着极其相似的分布规律，说明了137Cs技术记录特定环境历史事件的可行性。（7）辨识了次暴雨的降雨特征与淤地坝沉积量的关系，建立了坝控小流域次降雨侵蚀产沙模型。利用断面测量方法实测的王茂沟流域关地沟3号、4号淤地坝的坝地面积，根据1987年水毁后的出露断面和两侧沟谷坡度修正的淤地坝下部掩埋层的坝地面积，结合1959年以来3号、4号淤地坝各次降雨沉积旋迴层的厚度，计算了关地沟3号、4号坝各沉积旋迴层的沉积泥沙量；通过研究王茂沟流域关地沟3号、4号淤地坝的修建、运行历史，沉积旋迴层137Cs含量的变化及泥沙量，结合流域降雨资料的分析，利用137Cs的计年作用，依据“大雨大沙”的水沙响应原则，破译了关地沟3号、4号淤地坝沉积赋存的流域产沙记录，确定了3号、4号淤地坝各坝控流域1959～1987年间次暴雨的产沙量。通过次降雨特征：降雨量、最大30min降雨强度、降雨侵蚀力和相应降雨沉积旋迴淤积的泥沙量（即坝控流域的土壤侵蚀量）的多元回归分析，发现坝控流域次降雨侵蚀产沙量和次降雨侵蚀力相关程度最高。基于此，建立了王茂沟流域关地沟3号、4号淤地坝各坝控流域次降雨侵蚀产沙的预报模型，通过检验，模型具有较高精度，可以对小流域次降雨侵蚀产沙进行模拟和预报。（8）阐明了淤地坝坝控流域沟间地、沟谷地的相对产沙量。计算了王茂沟流域关地沟3号和4号淤地坝沉积泥沙、坝控流域沟间地梁峁坡农地耕作土的137Cs的平均含量，沟谷地产出的泥沙基本不含137Cs，利用配比公式计算了关地沟3号和4号淤地坝坝控流域沟间地、沟谷地的相对产沙量。结果表明：沟间地是泥沙的主要来源，关地沟3号淤地坝坝控流域，沟间地来沙70％；关地沟4号淤地坝坝控流域，沟间地来沙66％。淤地坝的建设对减轻流域沟蚀具有非常重要的作用。（9）利用淤地坝沉积旋迴与降雨的对应关系，揭示了淤地坝运行的初建期、发展期、完善期流域沉积速率、侵蚀产沙强度的演变趋势。根据王茂沟流域关地沟3号、4号淤地坝沉积旋迴与降雨事件的对应，分析了淤地坝不同运行时期的沉积速率、淤地坝不同运行时期坝控流域侵蚀产沙强度。结果表明，淤地坝在建设初期，坝地泥沙沉积速率很大，为流域29年平均值的1.98～2.50倍，其后呈逐渐减少趋势，但是不同流域面积之间存在一定差异；淤地坝运行的初建期、发展期、完善期，流域侵蚀产沙强度呈明显降低趋势。

全文目录


摘要  3-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-40
  1.1 研究的背景及意义  14-17
  1.2 国内外研究进展  17-36
    1.2.1 土壤侵蚀定量研究进展  17-28
    1.2.2 环境放射性同位素示踪土壤侵蚀的研究进展  28-32
    1.2.3 淤地坝减蚀作用研究进展  32-36
  1.3 论文的研究目的  36
  1.4 研究内容  36-37
  1.5 研究技术路线  37-38
  1.6 论文主要创新点  38-40
2 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)示踪土壤侵蚀的原理和方法  40-48
  2.1 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)放射性核素示踪原理  40-42
    2.1.1 人为放射性核素~(137)Cs的来源与地球化学特性  40-41
    2.1.2 天然核素~(210)Pb_(ex)的来源与地球化学特性  41-42
    2.1.3 ~(137)Cs、~(210)Pb_(cx)示踪土壤侵蚀的基本原理  42
  2.2 放射性核素示踪土壤侵蚀的研究方法  42-48
    2.2.1 野外调查与采样  42-43
    2.2.2 土样的测试与分析  43-48
3 王茂沟流域土壤中核素~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)的分布特征  48-64
  3.1 王茂沟流域概况  48-49
    3.1.1 自然概况  48-49
    3.1.2 水土保持治理现状  49
  3.2 土壤颗粒中~(137)Cs、~(210)PB_(EX)的分布特征及土壤、泥沙颗粒分析  49-52
    3.2.1 样品的采集、分析测定  50
    3.2.2 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)示踪核素在土壤颗粒中的分布  50-51
    3.2.3 土壤、泥沙颗粒组成分析  51-52
  3.3 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)示踪核素在土壤剖面中的分布特征  52-54
    3.3.1 样品的采集、分析测定  52
    3.3.2 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)在扰动土土壤剖面中的分布特征  52-53
    3.3.3 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)在未扰动土壤剖面中的分布特征  53-54
  3.4 王茂沟流域坡面核素含量的分异特征  54-62
    3.4.1 样品的采集、分析测定  55
    3.4.2 坡面上~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)含量随坡长的变化特征  55-58
    3.4.3 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)含量随坡度的变化特征  58-60
    3.4.4 不同坡向~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)含量分异特征  60-62
  3.5 不同土地利用方式土壤核素含量的分异特征  62
  3.6 小结  62-64
4 王茂沟流域土壤侵蚀产沙的~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)示踪  64-92
  4.1 王茂沟流域土壤侵蚀产沙的~(137)Cs示踪  64-81
    4.1.1 ~(131)Cs示踪核素测定土壤侵蚀速率的数学模型  64-72
    4.1.2 王茂沟流域土壤侵蚀产沙分布特征  72-81
  4.2 王茂沟流域土壤侵蚀产沙的~(210)Pb_(ex)示踪  81-89
    4.2.1 ~(137)Cs示踪研究小流域土壤侵蚀的局限性  81-83
    4.2.2 ~(210)Pb_(ex)示踪研究土壤侵蚀与沉积的数学模型  83-85
    4.2.3 ~(210)Pb_(ex)示踪研究土壤侵蚀的定量数学模型  85-87
    4.2.4 王茂沟流域土壤侵蚀的~(210)Pb_(ex)示踪  87-89
  4.3 ~(137)Cs、~(210)Pb_(ex)复合示踪研究土壤侵蚀  89-90
  4.4 小结  90-92
5 王茂沟流域淤地坝作用及淤积信息分析  92-110
  5.1 王茂沟流域淤地坝的发展过程与作用  92-97
    5.1.1 坝系的发展进程  92-93
    5.1.2 王茂沟流域淤地坝作用分析  93-97
  5.2 淤地坝沉积旋迴层样品的采集  97-100
    5.2.1 典型淤地坝的选取  97-98
    5.2.2 洪水泥沙沉积旋迴层的划分及土样的采集  98-100
  5.3 淤地坝剖面泥沙沉积旋迴的颗粒变化分析  100-107
    5.3.1 淤地坝剖面泥沙沉积旋迴层淤积物颗粒分析方法  100-101
    5.3.2 淤地坝泥沙沉积旋迴淤积物的颗粒分析  101-107
    5.3.3 淤地坝泥沙沉积旋迴淤积物的颗粒分布特征  107
  5.4 淤地坝剖面泥沙沉积旋迴的~(137)Cs含量的分布特征  107-108
    5.4.1 关地沟3号坝淤地坝泥沙沉积旋迴~(137)Cs含量的分布特征  107
    5.4.2 关地沟4号坝淤地坝泥沙沉积旋迴~(137)Cs含量的分布特征  107-108
  5.5 小结  108-110
6 小流域土壤侵蚀产沙强度演变特征研究  110-130
  6.1 淤地坝次暴雨沉积旋迴淤积量的计算  110-111
    6.1.1 王茂沟3号坝次降雨沉积旋迴淤积量的计算  110
    6.1.2 王茂沟4号坝次降雨沉积旋迴淤积量的计算  110-111
  6.2 淤地坝泥沙沉积旋迴与侵蚀性降雨的响应  111-116
    6.2.1 侵蚀性降雨特性与降雨资料的分析  111-113
    6.2.2 淤地坝泥沙沉积旋迴与侵蚀性降雨的对应原则  113-114
    6.2.3 淤地坝垂直剖面中~(137)Cs分布特征与沉积计年  114
    6.2.4 淤地坝泥沙沉积旋迴与降雨事件的对应  114-116
  6.3 小流域次降雨侵蚀产沙模型  116-122
    6.3.1 关地沟3号坝坝控流域的侵蚀产沙模型  117-119
    6.3.2 关地沟4号坝坝控流域的侵蚀产沙模型  119-122
  6.4 小流域侵蚀产沙来源示踪  122-124
    6.4.1 小流域泥沙来源研究方法  122-123
    6.4.2 小流域泥沙来源分析  123-124
  6.5 淤地坝坝控流域侵蚀产沙强度变化趋势分析  124-127
    6.5.1 关地沟小流域侵蚀沉积速率变化趋势  124-125
    6.5.2 关地沟3号坝坝控流域侵蚀产沙变化趋势  125-126
    6.5.3 关地沟4号坝坝控流域侵蚀产沙变化趋势  126-127
  6.6 小结  127-130
7 结论与建议  130-134
  7.1 结论  130-132
  7.2 建议  132-134
致谢  134-136
参考文献  136-156
附录  156-157

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中图分类: > 农业科学 > 农业基础科学 > 土壤学 > 水土保持
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