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基于聚湫泥沙沉积分析与RUSLE模拟的黄土洼小流域土壤侵蚀研究

李奎  
【摘要】:长期以来,黄土高原是世界上土壤侵蚀最强烈的地区之一,严重的土壤侵蚀不仅恶化了生态环境,制约了经济社会可持续发展。黄土高原由无数个小流域组成,每一个小流域都是独立的侵蚀产沙单元,因此研究小流域侵蚀产沙规律及泥沙来源是探索土壤流失规律和评价流域治理效益的一个重要途径和内容。历史时期不同时间长度的降雨资料与淤地坝泥沙沉积信息可揭示黄土高原小流域土壤侵蚀演变规律,推进黄土高原小流域土壤侵蚀过程与侵蚀环境演变的研究,可为黄土高原土壤侵蚀治理提供基础数据和决策依据。 本研究以陕北黄土高原黄土洼小流域及流域内的天然淤地坝为研究对象,通过对黄土洼小流域资料收集及在黄土洼天然淤地坝内采集土壤和4.1m剖面泥沙旋回样品,对黄土洼天然淤地坝的泥沙特征进行分析;利用137Cs的时标功能,结合收集到的研究区对应时期的降雨资料与特征型泥沙旋回的相关性进行了分析,建立研究剖面时间坐标序列,并探讨泥沙特征、泥沙沉积速率与降雨的响应关系。通过调查黄土洼小流域植被、地貌和土壤,提取了黄土洼小流域RUSLE模型的因子,运用RUSLE模型对黄土洼小流域土壤侵蚀进行模拟,并对模拟精度、空间侵蚀和流域水土保持效益进行了评价;最后利用特征型泥沙沉积旋回层、降雨资料和RUSLE模型探讨了黄土高原小流域泥沙来源以及侵蚀产沙量与降雨的响应关系。主要结论如下: (1)通过137Cs技术对黄土洼天然淤地坝4.1m剖面的年代测定,黄土洼淤地坝剖面深度270cm、210cm、150cm口70cm处的沉积物堆积时间分别为1959年、1964年、1977年和1986年。在确定的4.1m剖面旋回时间坐标系列下,对特征型泥沙旋回层粒径组分、粒径大小与其对应的暴雨进行的相关性分析,研究发现,当黄土洼天然淤地坝中泥沙沉积旋回层中砂粒百分含量增加,沉积层中粘粒含量减少,最大粒径出现极值,则指示该沉积层是侵蚀性暴雨洪水沉积层。 (2)黄土洼天然淤地坝近52年来(1959-2011年)泥沙沉积速率出现了“先增后减”的趋势,年平均沉积速率约为0.052m,主要受暴雨和年降水波动等因素的影响。1960-1999年的40年间,年代间的年平均降雨侵蚀力也逐渐减小,这也使黄土洼天然淤地坝近40年间的沉积速率逐渐减小。 (3)黄土洼天然淤地坝内近11年的泥沙淤积量为2.14×105t,淤地坝及周围区域年平均土壤侵蚀模数8116.14t/(km2.a)。使用RUSLE模型模拟的淤地坝及周围丘陵沟壑侵蚀区土壤侵蚀模拟精度为87.5%,模拟结果可以用于水土保持分析;黄土洼小流域强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀区域占流域总面积的53.18%,这也是本区侵蚀模数相对较高的原因之一。天然坝地内的泥沙主要来源于沟坡、沟间地、坡度大于15°粱峁耕种区和坡度大于20°坝地边缘的坡脚区域;下游侵蚀区泥沙主要来源于沟坡、沟沿线下的沟间地和坡度大于20°的耕种区。 (4)黄土洼小流域在20世纪初实施水土保持措施后,流域内模拟土壤侵蚀量降低了30.44%,水保措施效果明显;黄土洼天然淤地坝将上游丘陵沟壑区的泥沙全部拦截,对黄土洼小流域水土保持贡献最大,其多年平均贡献率约为77%。


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