颜 艳，岳大鹏，李 奎，刘 鹏

（陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安710062）

淤地坝是综合治理水土流失的措施之一，能有效减少入黄泥沙，同时也是研究土壤侵蚀模数的重要依据。目前对于淤地坝的研究多集中于泥沙来源及沉积速率方面［1－2］，对淤地坝拦沙减沙效应研究主要集中于拦截泥沙总量和下游泥沙含量的变化［3］，以及利用河流中泥沙悬浮颗粒分析侵蚀和沉积的区域特性［4－5］。淤地坝是小流域的“沉沙池”，沉积泥沙中赋存了大量小流域侵蚀特征及侵蚀环境变化的信息，利用沉积物的粒度特征来识别解释搬运和沉积作用的动力状况，是研究沉积学的重要方法之一［6］，其粒度沉积特征为研究小流域土壤侵蚀提供了良好的载体。

陕西省子洲县庞家沟流域的“黄土洼”，是现今发现的黄土高原地区时间序列最长的全冲、全淤型天然聚湫，有“淤地坝的鼻祖”之称［7］。黄土洼天然淤地坝形成于明隆庆年间（公元1569年），至今发育约有440a的历史，没有溢洪道，具有良好的沉积层理，泥沙沉积层信息完整，这对研究黄土高原侵蚀演变的历史，探究侵蚀环境变化的机理具有重要意义，而目前对黄土洼沉积层的研究很少［8］，对沉积特征也未涉及。本研究选择庞家沟流域黄土洼天然淤地坝内洪水沉积物作为研究对象，结合1953—2010年研究区的降水资料，分析了坝内0—4m剖面洪水沉积物的粒度旋回特征与变化规律，探讨黄土洼淤地坝的洪水信息、洪水动力，为反演小流域土壤侵蚀历史及产沙过程，推算侵蚀量提供科学依据，对该区及类似区域水土保持措施的制定具有一定的参考意义。

1 研究区概况

黄土洼（37°19′N，109°59′E）位于陕西省榆林市子洲县南部裴家湾镇，北距子洲县城50km，东距绥德县城22.5km，处在无定河一级支流淮宁河中游的庞家沟上游。黄土洼所在的庞家沟流域属于黄土丘陵沟壑区第Ⅰ副区，即典型的黄土丘陵区，地形破碎、沟壑纵横，水土流失严重，黄土物质分布广泛而深厚。土壤以黄土母质上发育的黄绵土为主，粉砂含量高，土质疏松，抗冲抗蚀性极弱。研究区处于中纬度半干旱地区，属于大陆性季风气候，四季分明，年平均气温9.5℃，1月均温－7.6℃，7月均温24.2℃，多年平均降水量为480mm，降水年内分配不均，主要集中在7—9月份，约占全年降水量的65%，且多以暴雨的形式出现，水力侵蚀是该流域的主要侵蚀方式。

2 研究方法

2.1 野外样品采集

2011年对陕北子洲县黄土洼进行了多次的野外考察，于淤地坝坝前沟掌地较平坦处采集了A，B，C 3组样品。研究剖面的一侧是农地，受到人为耕种的影响，另一侧为野生的芦苇荡，沉积物未受人为扰动。为去掉人为因素对沉积物的影响，表面30cm土层未采样。A和B两组样采用手摇钻，共钻采40次，每次钻深10cm，以2cm间距进行分样，各采集200个样品，深度为4m；C样采用探坑方式，以2cm间距采样，共采集205个样品，深度为4.1m。

2.2 样品粒度与137Cs测试

（1）A剖面粒度测试流程。样品经自然风干后，每个样品称取0.8g放入烧杯中，首先加入10%浓度的H2O2在电热板上加热使其充分反应，去除样品中的有机质，当气泡完全排完后，取下冷却，再加入10%浓度的HCl去除次生碳酸盐类，反应完后，注满蒸馏水静置72h，用导管抽取上部溶液，再注满蒸馏水，重复几次，直至溶液为中性。上机测试前加入分散剂，使颗粒充分分散。仪器是采用英国Malvern公司生产的 Mastersizer 2000，仪器测量粒度范围为0.02～2 000μm，用标样进行测定，相对误差小于2%。（2）C剖面137Cs测试流程。将用于137Cs测试的样品烘干，去除大块有机质，再进行研磨，装入测试样品盒，密封10d后，用美国ORTEC公司生产的高纯锗低本地伽玛能谱仪进行测试。

3 结果与分析

3.1 淤地坝洪水沉积层年代的确定

C剖面采用探坑采样，沉积物没有经过人为压缩，沉积信息保存完整，采样深度最深，用于137Cs测定。A剖面为手摇钻采样，虽采样方式使沉积物受到的一定的压缩，但沉积物粒度的旋回特征依然存在，能够与C剖面旋回信息对应起来，可以用C剖面的137Cs断年技术框定出A剖面沉积物的大概年龄，然后根据1953—2010年的降雨资料进一步细化。

全球范围137Cs核素沉降始于1952年末，1954—1970年是137Cs核尘埃的主要沉降期，深度为410cm的剖面在290cm处首次出现了137Cs，可以断定290 cm为1954年。137Cs在210cm处达到峰值（图1），全球137Cs最大沉降在1963年，有研究表明［9］，137Cs沉降量与降水成正相关，1964年，黄土洼地区年降水、7—9月降水、24h降水均出现峰值，因此210cm处是1964年。1986年4月前苏联乌克兰境内切尔诺贝利核电站事故泄露的137Cs对我国存在一定的影响，并会形成一个次峰值［10］，但是1986年该区降雨处于谷值，1987年降水明显增多，因此70cm处应该为1987年。对于小流域沉积物来说，决定137Cs剖面分布更重要的因素可能是降雨或侵蚀土壤中的137Cs成分［11］。1994年年降水、7—9月降水、24h降水均处于峰值，将流域土壤中的137Cs带入沉积物中，因此40cm深度处为1994年。按此沉积速度，可以推算出A剖面4m深度沉积物是在近百年内形成的。

根据暴雨产沙原理可知，在黄土高原地区，流域的产沙量绝大多数是由汛期的几场侵蚀性降雨形成，而且一般都是洪峰和沙峰同步，因此该区较大的降雨峰值对应沉积物粒度较大的峰值，按照此原则，利用1953—2010年的降雨资料，将这58年中几个较大的降雨峰值（1994，1978，1964和1959年）与A剖面泥沙中值粒度（Md）的较大峰值进行对应，再在最大峰值之间选择次峰进行对应，因此，地面以下26—36 cm对应1993—1995年，98—110cm 对应1977—1978年，228—242cm对应1963—1964年，268—290 cm对应1955—1959年（图1）。

图1 黄土洼1953－2010年降水数据及A剖面粒度数据和C剖面137Cs测试数据

3.2 淤地坝洪水沉积旋回层划分依据

在黄土丘陵区，每场洪水都会把一些泥沙带入淤地坝，由于泥沙在沉降过程中的分选作用，往往是粗颗粒泥沙先沉积，其次为粉砂，最后为黏粒［12］，由此在淤地坝内形成下粗上细的沉积旋回，随着时间的推移，多个沉积旋回层叠加形成的剖面在垂直方向上记录了相应的沉积信息。依据沉积旋回层颗粒下粗上细、洪峰对沙峰的原则，根据剖面粒度分析中的平均粒径、中值粒径的走向、峰值的突变层位和＜0.005 mm细颗粒含量变化来划分沉积层。在单次洪水形成的沉积层中，中值粒径和平均粒径只有一个较明显的峰值，细颗粒层的出现表示洪水沉积结束，因此相邻的两个细颗粒层间是一次完整的洪水沉积层（图2中的R1—R11）。虽然剖面颗粒粗细分层明显，但是相邻的两个较明显的细颗粒层中也出现两个或多个峰值（一个主峰，一个或多个次峰，如图2中的r1—r5），这可能是在一次洪水过程中，泥沙未完全沉积，短时期内又有阵雨或暴雨等降水过程。本研究对较典型的洪水沉积层（厚度8cm以上，沉积层粗细颗粒分层明显）进行划分，对于厚度较小的沉积层图中未标示出来。

3.3 频率曲线

沉积物频率曲线特征是判断沉积作用形式的重要手段之一，频率曲线的峰态变化常反映沉积作用形式的变化［13］，峰态有单峰、双峰和多峰型，不同的峰态反映了不同的沉积环境信息。单峰反映沉积物来源单一，形成时的动力条件相对稳定，双峰反映了多物源和复杂的动力环境条件［14］。对黄土洼A剖面的粒度频率曲线（图3）进行分析，发现该剖面的频率曲线只有两种类型，绝大多数是单峰型，200个样品中只有2个是较明显的双峰型态，其他少数几个是不明显的双峰型，即次峰较弱。在黄土洼地区，单峰形态中粒度组成高度集中于粉砂粒级（粒径在0.005～0.05mm范围内），表明该区沉积作用主要是单一的流水沉积。频率曲线的双峰分布形态，表明有其他作用参与了流水的搬运沉积过程，在黄土高原为风力搬运作用。双峰中两峰不对称，次峰较弱，表明流水作用很强，风力作用对其影响非常弱。由黄土洼淤地坝沉积物频率曲线在各层的分布可知，黄土洼地区的沉积环境相对稳定，降水是影响研究区沉积物粒度的主要因素，沉积物的形成主要是水成沉积，风力携带的沉积物较少。

3.4 粒度成分含量变化

黄土洼淤地坝沉积物粒度由黏粒（＜0.005mm），粉粒（0.005～0.05mm）和砂粒（0.05～0.5mm）构成。剖面颗粒总体较细，粒径多为0.005～0.1mm，整个剖面粒度含量以粉砂为主，其中又以粗粉砂含量最高，平均含量为51.78%，其次为细粉砂和极细砂，平均含量分别为15.62%和12.83%，细砂、中砂含量最少，其含量分别为0.025%～2.95%和0%～0.037%，而且中砂只有少数几层有，粗砂缺失。

由表1可以看出，组成黄土洼淤地坝沉积物的旋回层的粒度组分含量明显的不同，整个剖面黏粒含量在8.38%～32.69%，粉粒含量在52.83%～77.84%，砂粒含量在0.003%～38.28%，说明不同的降雨条件下洪水的动力条件不一致，使沉积物粒度组分有所差别。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，各粒径组分在整个剖面的变异系数：砂粒＞黏粒＞粉粒，说明砂粒在搬运和沉积的过程中具有较差的分选性，这也反映了泥沙颗粒对沉积环境（暴雨）的指示作用。粒径0.25～0.5mm范围内的中砂含量极少，主要分布在 R1，R5，R7，r2，r5层，对应的深度分别为26～36cm，154～162cm，192～200cm，268～290cm和378～396cm，除在378～396cm深度处，因缺乏降水资料不确定外，在其他深度处24h最大降雨量均达到峰值。黄土高原坡面和沟道小流域，极强烈侵蚀的70%是由短历时高强度的暴雨产生的［15］，该粒径范围的泥沙分布情况可反映侵蚀强度的大小。

图2 黄土洼A剖面平均粒径、中值粒径和细颗粒变化曲线

图3 黄土洼A剖面粒度频率曲线特征

表1 研究区淤地坝沉积剖面土壤各粒径含量的统计 %

3.5 粒度参数变化

粒度分析是研究沉积物的主要手段，对其进行分析，可以推断物源信息、搬运动力和沉积环境。根据Φ＝－log2D（D——沉积物粒径，μm），再采用Folk和 Ward［16］公式计算出粒度参数 Mz（平均粒径），Md（中值粒径）和σ（标准偏差）。

中值粒径与平均粒径的变化趋势基本一致，两者具有相同的指示意义，代表沉积物粒度分布的集中趋势，反映搬运营力的平均动能。黄土洼A剖面的平均粒径主要集中在10.43～42.45μm范围内，平均值为22.86μm，极大值（42.45μm）出现在32cm处，表明其是由高能量的动力环境中沉积下来的粗颗粒物质所组成。由图1看出，26～36cm土层深度处，该处为1993—1995年，在1994年，黄土洼地区降雨量较大，年降水、7—9月降水、24h最大降水均达到了峰值，高强度的降水导致的洪水动能较大，对土壤的侵蚀力强。由于黄土土层疏松，一旦有地表径流发生，会引起严重的土壤侵蚀。

标准偏差（σ）是分选性的指标，反映沉积物颗粒的分选程度，分选好坏与沉积环境的水动力条件和沉积物物源有密切关系，σ值越小，分选越好。A剖面沉积物σ值在1.34～1.84范围内，平均值为1.61，根据Folk和Ward［16］对标准偏差的分级标准，各层沉积物分选均较差。研究区沉积物物源较单一，主要为水成沉积，沉积物分选差是水动力条件不稳定引起的。当降水较多形成洪水时，流速发生剧烈变化，粗细颗粒往往未能发生分选，导致分选较差。

3.6 洪积物粒度沉积旋回层记录的洪水信息

淤地坝拦截侵蚀性降雨产生泥沙，在沉降过程中由于分选作用形成泥沙沉积旋回层。在淤地坝A剖面290cm深度内（1954年以来），可划出较明显的32个沉积旋回层。黄土洼聚湫沉积物是坡面流水侵蚀在聚湫内的沉积，其侵蚀性降雨主要发生在7—9月，由图1可知1954—2010年7—9月的降水出现了18个峰值。在黄土高原地区，汛期会出现几场侵蚀性降雨，产生几次产沙洪水，而淤地坝坝地每一层淤积泥沙量是与一次侵蚀性降雨相对应的［17］，因此，黄土洼地区7—9月几场侵蚀性降雨形成的洪水，对沉积物粒度的影响较大，能够形成记录次降雨侵蚀的沉积层次。在黄土高原地区，流域的产沙量绝大多数是由年内几场大暴雨形成的［18］，较大的来水量对应较大的沙量。提取了1954—2010年内日降雨量≥50mm的暴雨，共34次（图4），暴雨次数远大于沉积旋回次数。一般来说，每场侵蚀性降雨都会形成泥沙沉积，同一次洪水沉积层内部没有分层界线，不同期次的洪水常有分层界线，特别是时间间隔较长的洪水沉积物［19］。但是，并不是每次洪水形成的沉积层与下一次洪水形成的沉积层的界限都很明显，当两次暴雨在发生的时间上很接近时，由于前一次暴雨侵蚀产生的泥沙未完全沉积，后一次降雨产生粗颗粒与之混合，所以两次暴雨也可能形成一个较明显的沉积层。因此，A剖面（4m）百年内形成的沉积物，其中共出现了42次明显沉积旋回层，至少记录了42次暴雨洪水事件。

图4 黄土洼地区1954年以来≥50mm日降雨量变化

4 结论

（1）黄土洼天然淤地坝沉积物具有良好的沉积层理，不同沉积层间粒度变化明显，反映了近百年内年该区土壤侵蚀情况，也记录了过去沉积环境和侵蚀产沙过程的相关信息，对该区及类似区域水土保持措施的制定提供了一定的参考价值。

（2）黄土洼地区的沉积环境相对稳定，沉积物物源比较单一，主要为水成沉积，风力对其影响不大，影响沉积物粒度的主要因素是降水，主要集中在7—9月，由以暴雨侵蚀为主。

（3）一次侵蚀性暴雨，并不一定对应一个泥沙沉积旋回层，也可能是两次或多次侵蚀性降水形成的，剖面4m沉积物粒度旋回，至少可以记录近百年内42次较大的暴雨洪水事件。

（4）黄土洼淤地坝发育约有440a的历史，由于统计与技术的局限性，研究区1953年前的降雨资料缺乏，可以利用沉积物粒度旋回特征来反演440a来该流域的洪水事件，此外，降水因素对沉积物粒度的具体影响需要进一步的研究。

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