流域產(chǎn)沙過程及泥沙來源指紋示蹤技術(shù)

流域產(chǎn)沙過程及泥沙來源指紋示蹤技術(shù)

土壤侵蝕、沉積物排放和河流及其來源污染是全球的生態(tài)環(huán)境問題。土壤侵蝕產(chǎn)生土地退化、生產(chǎn)力下降等一系列原位的生態(tài)經(jīng)濟問題(On-siteeffect),泥沙輸移導(dǎo)致水庫河道泥沙淤積、地表水體復(fù)合面源污染等次生生態(tài)環(huán)境問題(Off-siteeffect)。在流域侵蝕產(chǎn)沙系統(tǒng)中,侵蝕泥沙物源特性(類型、數(shù)量、特性、時空變異)決定了流域泥沙產(chǎn)出的質(zhì)、量及其在地表水體中的潛在生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。流域侵蝕產(chǎn)沙來源判別成為流域土壤侵蝕和泥沙輸移研究的重要方面,探尋流域侵蝕產(chǎn)沙來源構(gòu)成及泥沙運動輸移過程有助于針對性地提出管理措施,為流域水土流失綜合治理、河流泥沙減控和地表水環(huán)境保護提供重要的理論指導(dǎo)。泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)是綜合研究流域土壤侵蝕和泥沙輸移的新方法,基于流域侵蝕產(chǎn)沙過程劃分潛在物源類型,根據(jù)物源特性篩選具有診斷能力的“指紋”性質(zhì),通過定量轉(zhuǎn)換模型建立流域出口泥沙與內(nèi)部潛在物源間的“指紋”聯(lián)系,定量描述各潛在物源對流域出口產(chǎn)沙的相對貢獻。泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)基于以下3個前提:1)“指紋”因子濃度在流域內(nèi)部各潛在物源間存在顯著差異,具備診斷能力(diagnosticability);2)“指紋”性質(zhì)濃度在侵蝕泥沙中具有保存性(conservativeproperty),即不隨泥沙輸移、運動、沉積過程和環(huán)境變化而變異;3)基于流域侵蝕產(chǎn)沙物理過程的定量模型具備估算流域內(nèi)部各潛在物源對流域產(chǎn)沙相對貢獻的能力。泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)可為流域尺度侵蝕產(chǎn)沙的時(次降雨、月、季節(jié)、年)、空(地貌單元、土地利用單元、植被覆蓋單元、人類活動單元、溝谷、河岸)分布格局和侵蝕機制(面蝕、細溝侵蝕、沖溝侵蝕、河岸侵蝕)提供技術(shù)手段,為流域侵蝕產(chǎn)沙平衡計算、水土流失現(xiàn)狀調(diào)查和水土保持效益評價、流域水土流失及面源污染管理抉擇提供理論指導(dǎo)。1泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)基于流域侵蝕產(chǎn)沙過程(圖1)。土壤侵蝕過程包括雨滴濺蝕、面蝕、坡面細溝侵蝕、溝道侵蝕、河岸侵蝕等,泥沙輸移過程包括坡面泥沙輸移、溝道泥沙輸移和河道泥沙輸移過程。流域內(nèi)自然因素(地貌、地質(zhì)、氣候、土壤、植被等)及人類活動(土地利用、農(nóng)作物管理、開發(fā)建設(shè)活動等)構(gòu)成土壤侵蝕和泥沙輸移的驅(qū)動力,綜合作用構(gòu)建流域內(nèi)部泥沙物源的時空分布格局(2過程)及泥沙“指紋”性質(zhì)特有的分布水平(1過程)。土壤性質(zhì)同時決定了土壤侵蝕發(fā)生的范圍和強度,間接促成流域侵蝕產(chǎn)沙格局的形成。借助自然和人為因素的紐帶,根據(jù)土壤“指紋”性質(zhì)及其影響的自然和人為因素,劃分出潛在侵蝕物源區(qū),而“指紋”性質(zhì)在同一物源區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出濃度的相對一致性,在不同物源區(qū)間表現(xiàn)出濃度水平的顯著差異性。物源“指紋”因子的診斷特性(3過程),構(gòu)成泥沙來源“指紋”示蹤的前提1。有效的降雨事件導(dǎo)致土壤侵蝕,泥沙隨徑流運動輸移(5過程)。土壤生物地球化學(xué)性質(zhì)的保存特性使得侵蝕泥沙繼承和保存了土壤物源具有的生物地球化學(xué)屬性,構(gòu)成“指紋”因子,形成泥沙來源“指紋”示蹤的前提2(4過程)。借助“指紋”因子繼承和診斷特性,選取特定“指紋”因子回溯流域侵蝕產(chǎn)沙的潛在物源,運用轉(zhuǎn)換模型定量計算各潛在物源對流域侵蝕產(chǎn)沙的相對貢獻比,實現(xiàn)泥沙來源“指紋”示蹤的前提3(6過程)。泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)實施框架見圖2。通過劃分的特定流域物源類型,選取特定的“指紋”因子。泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)應(yīng)用主要基于2方面:1)基于塘庫、河漫灘沉積泥沙的來源示蹤,結(jié)合沉積泥沙斷代和通量測量技術(shù),估算沉積泥沙量及時間,反推流域內(nèi)部各潛在物源對淤沙模數(shù)的貢獻;2)鑒于細顆粒為河流輸送的主體,且其比表面積大,易于吸附污染物,對河流水體質(zhì)量影響深遠?；诖谓涤晔录暮恿鲬乙瀑|(zhì)泥沙通量監(jiān)測及物源“指紋”判別,定量描述單次降雨事件中各潛在物源對河流懸移質(zhì)泥沙產(chǎn)出的貢獻。表1概括了當前泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)的主要應(yīng)用。表1(續(xù))2流域潛在物源單元流域侵蝕產(chǎn)沙過程決定了泥沙潛在來源的種類和數(shù)量。流域侵蝕產(chǎn)沙潛在物源主要分為空間物源和類型物源2種?？臻g物源以地理空間上的水文響應(yīng)單元和以空間地質(zhì)分異為基礎(chǔ)的小流域單元和地質(zhì)亞區(qū),或以土壤侵蝕空間分布為依據(jù),將流域范圍劃分為坡面物源、溝道和河道物源;以侵蝕發(fā)生的剖面分布為依據(jù)把表層物源(surfacesource)和底層物源(subsurfacesource)作為物源單元。以面蝕和細溝侵蝕為主的坡面侵蝕速率相對緩慢,坡面侵蝕物源以表層物源為主,溝道侵蝕和河岸侵蝕受徑流沖刷明顯,侵蝕量大,侵蝕物源以底層物源為主。此外,對坡面侵蝕按照地貌、土壤、植被覆蓋、土地利用(耕地、林地、草地、荒地、道路等)細化分區(qū),對深入了解流域坡面侵蝕時空特征,探明特定時空條件土地利用方式對水土流失的影響,以及土地利用調(diào)整和流域規(guī)劃具有重要意義;侵蝕泥沙發(fā)生沉積,而沉積泥沙又被再侵蝕,與原位侵蝕土壤形成初級物源(primarysource)相對比,河床侵蝕泥沙為二次物源(secondarysource);在包含城市的流域內(nèi),棄渣、堆料和塵埃也構(gòu)成城市河流懸移質(zhì)泥沙的潛在物源。流域潛在物源的識別和分類需要綜合考慮“指紋”因子分布水平、時空尺度、成本和分析水平等因素。小流域空間尺度相對較小,物源分布簡單,影響因素少,適宜以物源類型劃分。大流域空間尺度廣,物源類型多且空間分布復(fù)雜,影響因素多,存在采樣質(zhì)和量的矛盾,即當流域面積增大而采樣數(shù)不變時,每個采樣點的空間代表性降低,但是采樣數(shù)增加時,數(shù)據(jù)分析精確度又降低。大流域適宜采用空間物源劃分以簡化流域潛在物源數(shù)量,減少采樣數(shù),降低復(fù)雜度,規(guī)避不確定性。3“沉積物”因子及其診斷能力3.1泥沙對地形的變化不同的土壤種類具有特定的顏色、粒度和礦物形態(tài)等物理性質(zhì)。泥沙顏色示蹤適用于小流域,D.L.Grimshaw等根據(jù)隨河流水文條件變化的泥沙顏色示蹤河流懸移質(zhì)的初級物源和次級物源構(gòu)成。王曉將泥沙粒徑分組,建立了黃土高原砒砂巖區(qū)侵蝕物源和淤地壩泥沙粒徑的質(zhì)量平衡模型,計算了產(chǎn)沙貢獻,表明黃土高原溝谷地是主要的侵蝕物源區(qū)。物理“指紋”因子保存性差,隨泥沙的運移和沉積過程容易產(chǎn)生變化。泥沙顏色不穩(wěn)定,易受泥沙含水量和化學(xué)反應(yīng)影響,而泥沙輸送過程具有顆粒分選作用,細顆粒泥沙存在團聚和分散作用。3.2人類活動標記土壤含有豐富的地球化學(xué)組成(K、Ca、Na、Mg、P、Fe、Al、Cr、Cu、Zn、Mn、Sr、Cr、Cd、Pb、Co、Ni、Si等),其含量取決于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、成土母巖和土壤發(fā)育過程,同時烙下氣候、水文、植被和人類活動印記。土壤地球化學(xué)組成比較穩(wěn)定,泥沙地球化學(xué)元素繼承了物源的屬性,顯性取決于物源的比配。流域侵蝕產(chǎn)沙的地球化學(xué)元素特征反映了不同空間分布的支流單元和地質(zhì)亞區(qū)、地形地貌區(qū)的物源搭配,記錄了流域各個自然環(huán)境亞區(qū)和人類活動單元的侵蝕產(chǎn)沙狀況。地球化學(xué)元素含量受母巖影響最直接,可用于各類母巖發(fā)育土壤類型區(qū)泥沙物源判別。成土過程特定氣候環(huán)境下風(fēng)化、淋溶、侵蝕、生物活動、土地利用和植被覆蓋則導(dǎo)致相同母巖區(qū)土壤地球化學(xué)組成亦存在差異,元素的形態(tài)特征能反映出特定過程(溫度、水分、氧化還原等)的影響。地球化學(xué)元素是地形地貌、土地利用、植被覆蓋物源的有效示蹤劑。人為作用導(dǎo)致某些元素增加或減少,這些元素成為反映人類活動物源單元的示蹤劑。3.3不同土壤條件下泥沙物源的變化核素(137Cs、210Pbex、7Be、226Ra和232Th、REE)在流域侵蝕產(chǎn)沙物源判別中應(yīng)用廣泛。137Cs、210Pbex和7Be是大氣放射性核素,隨干濕沉降強烈吸附在土壤顆粒上后穩(wěn)定存在,在土壤中具有固定的分布深度和剖面分布特征,與區(qū)域地質(zhì)條件和土壤類型無關(guān),是判別不同分布深度物源的理想物質(zhì)。在農(nóng)耕地中,人為耕作混合使大氣沉降核素在土壤犁耕層中均勻分布,成為鑒別耕地和林地、草地等不同土地利用/植被覆蓋物源的理想手段。土壤天然放射性核素226Ra和232Th取決于母質(zhì)和土壤發(fā)育過程,在不同土壤剖面和不同地質(zhì)區(qū)土壤中的含量不同,是不同土壤剖面產(chǎn)沙、地質(zhì)亞區(qū)和土壤發(fā)育區(qū)物源的診斷因子。稀土元素REE(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)本身不具放射性,可通過人工施放到土壤中示蹤土壤顆粒侵蝕遷移過程。示蹤元素經(jīng)中子照射發(fā)生核反應(yīng)激活,可根據(jù)放射性核素放出射線的能量和強度對待測元素進行定量分析。P.W.Knaus等用REE測定了沼澤地的侵蝕和沉積速率。核素示蹤技術(shù)廣泛運用在我國黃土高原和長江上游地區(qū)并取得大量成果,為流域水土流失治理提供理論支撐。黃土高原溝谷縱橫,溝間地和溝谷地為主要的地貌類型區(qū)。溝間地以面蝕和細溝侵蝕等坡面侵蝕為主,侵蝕產(chǎn)沙含有137Cs;溝谷地多為裸坡,侵蝕方式主要為沖溝侵蝕和重力侵蝕,產(chǎn)沙基本不含137Cs。楊明義等用137Cs示蹤黃土高原小流域產(chǎn)沙溝間表層物源和溝谷底層物源的貢獻比,結(jié)果表明溝谷地是流域侵蝕產(chǎn)沙的主要來源。文安邦等用137Cs示蹤黃土高原淤地壩泥沙物源組成所得結(jié)果相似。馮明義等用137Cs示蹤結(jié)果表明,黃土高原溝間地退耕還林后溝間地的侵蝕產(chǎn)沙量減少,而溝谷地的侵蝕量增加。李少龍等用226Ra研究了黃土高原堆積黃土和基巖侵蝕對流域產(chǎn)沙的相對貢獻,表明基巖侵蝕是流域產(chǎn)沙來源。張信寶等采用137Cs診斷云南蔣家溝泥石流細粒物質(zhì)的表層土壤和裸坡地2種物源構(gòu)成,結(jié)果表明裸坡地對泥石流貢獻達到87.52%。張信寶等采用137Cs和210Pb分析了川中丘陵區(qū)鹽亭縣武家溝小流域塘庫沉積泥沙的陡坡林地、緩坡農(nóng)臺地和裸坡地(代表不同的地形、植被和土地利用)3種物源的貢獻,計算得出農(nóng)臺地和裸坡是主要侵蝕產(chǎn)沙區(qū)。3.4土壤侵蝕、運移過程和微粒級分配特點廣泛分布于土壤中的鐵元素及其化合物伴隨一定環(huán)境條件、自然過程和人類活動過程生成氧化物或絡(luò)合物,即磁性礦物,其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在土壤中保存性能強。土壤礦物磁性特征在大尺度空間受地質(zhì)構(gòu)造、成巖過程和區(qū)域氣候、植被、水文、生物等條件決定的成土過程的影響;在小尺度區(qū)域內(nèi)受土壤類型、植被、土地利用和微地貌差異影響。磁性礦物的土壤各粒級分配也存在差異,原生磁性礦物富集在粗粒級中,次生礦物集中在細粒級顆粒中。土壤侵蝕、搬運、沉積過程的分異作用導(dǎo)致土壤礦物磁性反映出坡面侵蝕空間分布特征。礦物磁性在土壤剖面中具有顯著分布差異,表土易受環(huán)境條件和人類活動的影響,磁性特征較強,而底層土的礦物磁性特征較穩(wěn)定。20世紀70年代,R.Thompson等首次將磁參數(shù)用于河流懸移質(zhì)源判別。G.G.Caitcheon提出適用于2種物源判別的礦物磁性診斷模型。賈松偉等用磁性參數(shù)診斷了泥石流物源區(qū)不同空間分布物源和土地利用物源對流域侵蝕產(chǎn)沙的貢獻,表明滑坡體松散堆積物是泥石流產(chǎn)生的主要物源。3.5土地管理措施對土壤有機組分的影響土壤有機組分是元素(C、N)在土壤、植物、水和大氣間循環(huán)過程的重要形態(tài),是全球碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成物質(zhì)。地球土壤有機組分同時存在植物枝葉腐爛輸入和微生物分解輸出的過程,因此,影響這2個過程的所有因素(土壤性質(zhì):質(zhì)地、濕度和水分;土地管理措施:施農(nóng)家肥、植物收割、耕作等)都將直接或間接地影響有機組分在土壤中的含量。土壤有機組分(TOC、TON、TOP、C/N、孢粉)和穩(wěn)定同位素比率(δ13C、δ15N)反映物源區(qū)所具有的植被類型、土地利用和土地管理措施特點。有機組分只分布在土壤表層,耕作導(dǎo)致耕地表層土壤有機組分濃度降低,有機質(zhì)組分在各土地利用物源(耕地和林地、草地)中差異顯著。耕作措施破壞了農(nóng)耕地的土壤團聚體,增大了易分解有機組分的暴露度而促使其分解,導(dǎo)致穩(wěn)定同位素比率δ13C和δ15N轉(zhuǎn)化。張信寶等分析了黃土高原土壤和淤地壩沉積序列中孢粉濃度,表明草地土壤中的孢粉數(shù)量和種類都高于坡耕地,用孢粉濃度辨別每一洪水沉積旋逥,還原流域侵蝕歷史,發(fā)現(xiàn)古代洪水沉積旋回中孢粉平均濃度高于現(xiàn)代沉積旋回,表明古代的植被覆蓋程度好于現(xiàn)代。3.6泥沙斷代用試劑在耕地和林地分布的流域,結(jié)合人類活動歷史,持久性化學(xué)試劑(六六六、DDT等)的使用為流域塘庫淤積泥沙斷代提供了途徑。持久性化學(xué)試劑因其有毒性、難分解、在環(huán)境中長期保存的特點曾在20世紀末被禁止使用。結(jié)合農(nóng)林活動中使用持久性化學(xué)試劑的時間節(jié)點,通過分析殘存在流域塘庫淤積泥沙層中持久性化學(xué)試劑量,反演塘庫泥沙淤積序列,可估算流域侵蝕產(chǎn)沙及泥沙輸移量。4復(fù)合“指紋”充填材料組合的確定和應(yīng)用泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)的關(guān)鍵是用定量模型將“指紋”濃度轉(zhuǎn)換為潛在沙源產(chǎn)沙比例。單“指紋”技術(shù),即建立一種“指紋”因子在泥沙和2種物源間的質(zhì)量平衡模型,附加一個限定條件求得2種物源對流域產(chǎn)沙的相對貢獻。單因子示蹤在國內(nèi)應(yīng)用的較多,但具有不確定性?！爸讣y”濃度分布受流域環(huán)境因素(地貌、土壤、植被、氣候、土地利用、管理措施等)影響具有明顯的地域差異,因此,單“指紋”示蹤具有時空局限性。物源數(shù)量增多使“指紋”因子濃度不能在物源間表現(xiàn)出顯著分異性,即單“指紋”因子已不具備多物源診斷能力。土壤侵蝕、泥沙輸送路徑和方式的不確定,降低了單“指紋”示蹤能力?！爸讣y”在泥沙中保存性能的差異和“指紋”判別能力的差異使得不同元素示蹤的結(jié)果差異較大,可比性較差。研究時間尺度的縮短、采樣的不確定性、實驗室分析誤差等因素都降低了單因子判別結(jié)果的準確度和可信度。泥沙來源復(fù)合“指紋”示蹤技術(shù)(compositefingerprinting)選擇由多因子“指紋”組合代替了單“指紋”因子。統(tǒng)計分析方法為檢驗“指紋”因子的示蹤能力、減少數(shù)據(jù)冗余度、建立最優(yōu)“指紋”因子組合提供了方法保證。多元變量模型認定每個因子具有同等沙源示蹤能力,從泥沙“指紋”濃度到沙源貢獻比的定量轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)。A.L.Collins等為檢驗單“指紋”示蹤和多參數(shù)復(fù)合“指紋”示蹤水平的差異,分別用單“指紋”因子和經(jīng)統(tǒng)計分析建立的復(fù)合“指紋”體系在英國和非洲的8個流域進行了沙源分析,為減小地域性影響,所選流域分別代表了不同的巖性、土壤類型、地貌等環(huán)境變量和不同空間尺度。結(jié)果表明,由同類“指紋”因子構(gòu)成的組合對沙源識別能力優(yōu)于單“指紋”,但穩(wěn)定性差,而來自不同類別的“指紋”因子的組合具有最佳的沙源示蹤能力。張信寶等用137Cs和210Pb示蹤川中丘陵區(qū)鹽亭縣武家溝小流域塘庫淤積泥沙的陡坡林地、緩坡農(nóng)臺地和裸坡地3種來源的相對產(chǎn)沙量,結(jié)果表明,農(nóng)臺地是流域產(chǎn)沙的主要來源。楊明義等在國內(nèi)首次采用統(tǒng)計分析法篩選出由全N、低頻磁化率、Cu、137Cs和226Ra構(gòu)成的因子組合示蹤黃土高原次降雨產(chǎn)沙的坡地果園、坡耕地、主溝道和支溝道4種物源的相對貢獻,結(jié)果表明,坡地果園是侵蝕產(chǎn)沙的主要來源,“指紋”判別成為量化主溝道的重力侵蝕的重要手段。但是,泥沙復(fù)合“指紋”示蹤技術(shù)仍存在一定局限性。泥沙物源劃分假定研究主體能詳盡分析流域潛在侵蝕產(chǎn)沙分區(qū),并將流域劃分為主觀認定的幾類物源。這種主體判斷和實際情況的差異具有不確定性,影響研究結(jié)果的客觀實際程度和對實踐的指導(dǎo)意義。采樣具有不確定性,通過采取有限數(shù)量的樣品計算得到的“指紋”濃度平均值是否能夠代表流域真實“指紋”濃度空間分布需要驗證。泥沙輸移影響“指紋”濃度。泥沙運動、輸送是顆粒分選過程,“指紋”濃度在不同粒級泥沙中存在分配比,泥沙和物源顆粒組成的差異造成“指紋”濃度的差異。泥沙輸送過程有機質(zhì)含量的變化也會影響“指紋”濃度在泥沙和物源的分布差異。此外,對于泥沙輸移過程復(fù)雜的流域,其他因素也會影響“指紋”濃度在泥沙中的保存特性,如不充分考慮這些因素的影響結(jié)果就會對研究結(jié)果造成不同程度的偏差。復(fù)合“指紋”示蹤假設(shè)“指紋”在物源內(nèi)部分布均勻且具有同等判別能力,而實際各判別因子的示蹤水平并不一致,各種“指紋”因子的識別水平有待檢驗,在混合模型中也應(yīng)該考慮對示蹤水平差異的校正。5流域潛在侵蝕物源診斷與“指紋”因子篩選的改進方法針對當前泥沙來源“指紋”示蹤技術(shù)的局限性,技術(shù)的改進和優(yōu)化主要集中在以下幾方面:1)建立與研究時空尺度適應(yīng)的流域潛在沙源確定準