水利工程論文-示蹤技術在流域泥沙研究中的應用.doc

水利工程論文-示蹤技術在流域泥沙研究中的應用摘要：介紹并評價了流域產(chǎn)沙的估算及流域泥沙來源的確定方法，分別突出了核素示蹤技術與現(xiàn)代地球化學方法在流域沙帳、現(xiàn)代河流懸浮泥沙及歷史泥沙來源的確定等方面的優(yōu)勢。百年來流域泥沙來源的歷史信息可以通過核素示蹤技術與組合指紋法的結合重現(xiàn)。這為研究百年來侵蝕環(huán)境變化及其與土壤侵蝕、泥沙產(chǎn)量變化之間的關系提供了基礎?？梢赃M一步解釋歷史沉積泥沙中所包含的環(huán)境信息，為環(huán)境治理措施的選擇提供依據(jù)。關鍵詞：泥沙預算泥沙來源環(huán)境變化核素示蹤組合指紋法流域內(nèi)侵蝕掉的土壤只有很小一部分到達流域出口，而出口處泥沙則作為流域的輸沙量，流域內(nèi)的總侵蝕量與流域出口處輸沙量之間的關系可以用泥沙輸移比（SDR）來表示，即SDR定義為流域出口輸沙量與流域總侵蝕量之比。由于地表特質及環(huán)境的差異，從長期來看，國內(nèi)外不同流域的SDR是明顯不同的，如非洲幾乎所有河流的SDR均較小，一般在10%左右1，而中國黃土區(qū)各流域系統(tǒng)的SDR約等于12。流域侵蝕產(chǎn)生的泥沙在輸送過程中，可能在坡面、坡腳、田間、低洼地、河漫灘和河床等位置淤積，并呈臨時性或永久性的沉積，使流域產(chǎn)沙及泥沙來源的定量研究復雜化。研究流域侵蝕產(chǎn)沙和泥沙來源的時間變化對于流域治理重點的選擇具有重要意義。1流域侵蝕產(chǎn)沙定量研究傳統(tǒng)的通過監(jiān)測河道中某一特定位置的泥沙通量或計算一定時期內(nèi)湖泊（或水庫等沉積區(qū)）接受的泥沙體積得到的流域產(chǎn)沙量往往使流域侵蝕速率的估算過低，加上泥沙沿途沉積、再移動等動力學特性，使流域產(chǎn)沙量和河道傳輸泥沙的真實特征被掩蓋了。Dietrich和Dume3最早提出泥沙預算和運移路徑研究，從而為研究流域泥沙動力學提供了一比較精確的方法。這一方法能將泥沙在流域（或更小單元）內(nèi)的移動、輸送及儲存定量化，泥沙路徑的研究集中于泥沙通過一系列地貌單元的所有運動上4。如有關學者分別對美國威斯康辛州Coon溪、加利福尼亞州LoreTree溪及蘇聯(lián)歐洲部分Oka河上游侵蝕和泥沙輸送、沉積及下游產(chǎn)沙之間的關系研究結果為，各個河流的沙帳形式及各種損失的位置及重要性有很大的差異，流域出口泥沙分別占侵蝕產(chǎn)沙的53%55%不等5。泥沙預算需要識別和定量化泥沙來源、輸送過程及儲存環(huán)境，并確定三者之間的聯(lián)系，但通常很難在流域尺度獲得建立泥沙預算的所有必要的信息，而傳統(tǒng)的研究土壤侵蝕和泥沙沉積的方法在操作上存在著大量的困難，且取樣也受到時間和空間上的限制。近年來，137Cs法在估算流域的沙帳方面顯示出其優(yōu)點。137Cs法建立泥沙預算的理論基礎是：137Cs從大氣沉降至地表有確定的時間模式，半衰期為30.2年,137Cs與地表物質的緊密結合使其能有效地用于年代學和中長期土壤侵蝕示蹤等研究中。利用137Cs進行泥沙預算需要利用137Cs在環(huán)境中的示蹤劑的功能。137Cs在沉積環(huán)境中記年和估算沉積速率的原理是：137Cs的輸入有一確定的時間模式，因此137Cs在泥沙剖面中的垂直分布對應著這一時間模式，即剖面137Cs分布的最深處對應著沉降之初時的1950s，137Cs峰值對應沉降最多的年份1963年，1956年Chernobyl事件使北半球的部分地區(qū)的泥沙剖面中存在一較小的峰值。137Cs的剖面分布特征產(chǎn)生了這幾個記年時標，根據(jù)這幾個時間標尺可以計算不同時期沉積環(huán)境的泥沙平均沉積速率。137Cs計算土壤凈產(chǎn)沙量的原理是：測定研究區(qū)137Cs的含量和空間分布，并與該區(qū)的137Cs沉降背景值比較，建立土壤侵蝕、沉積137Cs含量之間的定量關系，可計算自1950年來土壤的平均凈侵蝕和沉積速率，即侵蝕強度的空間分布，然后通過區(qū)內(nèi)沉積和侵蝕面積的計算，得到研究區(qū)的土壤的凈侵蝕率。利用上述原理，可將137Cs進行泥沙估算68。Owens等8應用137Cs法研究英國對Start河流域時，認為農(nóng)耕地僅25的侵蝕量被輸送出去，他假設流域總侵蝕量等于湖泊沉積量、田間沉積量及河漫灘儲存量之和，得到該研究流域的沙帳為：土壤總侵蝕量為80tkm-2yr-1，其中田間沉積占總量的26、河漫灘沉積量占38、湖泊泥沙量為36。由此可見，137Cs法能方便地比較過去幾十年來平均侵蝕量、產(chǎn)沙量及其之間的相互關系，為流域泥沙預算提供了一比較快速、簡便的新方法；但結果還比較粗略，運用137Cs法時應考慮137Cs在泥沙剖面的沉積后遷移、泥沙顆粒分選等因素并進行校正。2泥沙來源的歷史變化2.1泥沙來源的確定方法小流域泥沙來源的研究方法可以概括為：傳統(tǒng)方法、現(xiàn)代地球化學方法及現(xiàn)代的核素示蹤法。傳統(tǒng)的泥沙來源確定是用一系列直接監(jiān)測技術，這些監(jiān)測技術包括：潛在泥沙來源區(qū)的目測評價9，調(diào)查侵蝕痕跡10；用航片和數(shù)字地形圖、GIS軟件分析泥沙來源11；侵蝕針12量計13、光電侵蝕針體系14等。另外，河流含沙量可以用單個子流域的泥沙相對貢獻來確定15。然而，利用上述方法雖然是最有效和接近實際的手段，但往往會因人為因素、客觀條件及經(jīng)費的限制，難以保證長時間采用和空間所有代表性的資料和數(shù)據(jù)的完整采集，因而得到的結果不具有連續(xù)性，一般不能為重現(xiàn)泥沙的起源提供有益的歷史記錄。現(xiàn)代地球化學方法（又稱指紋法），即利用保存在泥沙剖面中的各種地球化學記錄，確定泥沙源地的類型及其空間分布。應用的參數(shù)包括以下幾種類型：礦物磁性參數(shù)、地球化學組成參數(shù)（如Fe、Ca、Cr、Cu、K、Mg、Na、Ni、Sr、Zn、Mn、Al及P的各種形式等）、有機質參數(shù)（如有機炭、有機氮等）、放射性同位素參數(shù)（137Cs、62a、210ex等）和物理參數(shù)（如顆粒粒徑）。核素示蹤方法是近幾十年來才開始使用的一門新技術，它是利用核素的穩(wěn)定性、與土壤顆粒的緊密結合性、生物的低吸收性等特性加以應用的。下面對示蹤法研究泥沙來源的進展略加評述。2.2核素示蹤法研究泥沙來源現(xiàn)代核素示蹤方法包括穩(wěn)定性稀土元素（REE）示蹤法和放射性核素示蹤法。REE示蹤法是80年代中后期發(fā)展起來的一門新技術，國內(nèi)田均良等人16在國內(nèi)首次將REE示蹤法應用于黃土區(qū)土壤侵蝕垂直分布的研究，石輝17利用人工模擬降雨發(fā)現(xiàn)，REE示蹤法可以較好地示蹤小流域泥沙來源，能夠有效地說明小流域侵蝕產(chǎn)沙的時空分布規(guī)律。常用的放射性示蹤核素主要包括7Be，137Cs，210Pb和226Ra/232Th，這些核素在土壤剖面中具有獨特的垂直分布特征及分布深度，如7Be土壤表層的滲透深度一般為幾毫米18，最大不超過二十毫米19，210Pbex主要分布在表層020cm內(nèi)，且在土壤剖面中隨深度呈指數(shù)形式減少，137Cs一般主要分布在表層3040cm內(nèi)20,21，而不同的地質區(qū)則具有不同的226Ra和232Th含量。因此，根據(jù)核素的分布特征可以應用單一核素或兩種、三種核素復合示蹤泥沙來源。70年代初，Ritchie等人22用137Cs法計算了Mississippi河北部三個小流域中不同土地利用類型侵蝕泥沙進入水庫的泥沙量；其后，Loughran23、Walling24等都用137Cs法研究了小流域泥沙來源。1988年，Burch等人25基于7Be和137Cs在土壤剖面中不同的分布特征，提出了應用7Be和137Cs兩種核素復合示蹤確定和預測集水區(qū)的泥沙來源，但他沒有將其定量化；Olley等26認為不同泥沙來源區(qū)具有不同的226Ra232Th比值，若河流泥沙中該比值發(fā)生了變化，則說明其泥沙來源也發(fā)生了變化；He等27則利用210Pbex、137Cs和226Ra三種核素的數(shù)值混合模型，定量說明了Culm河泥沙的三個來源的相對貢獻率；Wallbrink28等在Burch的基礎上，將210Pbex也應用進去，以區(qū)分片蝕和溝蝕為主的兩個土壤侵蝕過程及其產(chǎn)沙量，但這些大多限于定性地提出這些方法，而未加以實際應用；后來，Wallbrink29應用137Cs和210Pbex研究了Murrubidgee河中游的泥沙源地和各自的貢獻率，他還根據(jù)泥沙密度及泥沙量與河道長度的關系，泥沙來源及核素含量的變化，推斷河道中細粒物質的滯留時間及懸浮泥沙分離的過程；Wallbrink30還提出了用7Be、137Cs和210Pbex復合示蹤研究不同土壤侵蝕方式（面蝕、淺細溝侵蝕、深細溝侵蝕及溝蝕）下泥沙起源的土壤剖面深度。多核素復合示蹤研究泥沙來源的精度應該比單核素高，但其存在研究范圍受到