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水利工程论文-示踪技术在流域泥沙研究中的应用.doc水利工程论文-示踪技术在流域泥沙研究中的应用.doc -- 2 元

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水利工程论文示踪技术在流域泥沙研究中的应用摘要介绍并评价了流域产沙的估算及流域泥沙来源的确定方法,分别突出了核素示踪技术与现代地球化学方法在流域沙帐、现代河流悬浮泥沙及历史泥沙来源的确定等方面的优势。百年来流域泥沙来源的历史信息可以通过核素示踪技术与组合指纹法的结合重现。这为研究百年来侵蚀环境变化及其与土壤侵蚀、泥沙产量变化之间的关系提供了基础。可以进一步解释历史沉积泥沙中所包含的环境信息,为环境治理措施的选择提供依据。关键词泥沙预算泥沙来源环境变化核素示踪组合指纹法流域内侵蚀掉的土壤只有很小一部分到达流域出口,而出口处泥沙则作为流域的输沙量,流域内的总侵蚀量与流域出口处输沙量之间的关系可以用泥沙输移比(SDR)来表示,即SDR定义为流域出口输沙量与流域总侵蚀量之比。由于地表特质及环境的差异,从长期来看,国内外不同流域的SDR是明显不同的,如非洲几乎所有河流的SDR均较小,一般在10左右[1],而中国黄土区各流域系统的SDR约等于1[2]。流域侵蚀产生的泥沙在输送过程中,可能在坡面、坡脚、田间、低洼地、河漫滩和河床等位置淤积,并呈临时性或永久性的沉积,使流域产沙及泥沙来源的定量研究复杂化。研究流域侵蚀产沙和泥沙来源的时间变化对于流域治理重点的选择具有重要意义。1流域侵蚀产沙定量研究传统的通过监测河道中某一特定位置的泥沙通量或计算一定时期内湖泊(或水库等沉积区)接受的泥沙体积得到的流域产沙量往往使流域侵蚀速率的估算过低,加上泥沙沿途沉积、再移动等动力学特性,使流域产沙量和河道传输泥沙的真实特征被掩盖了。Dietrich和Dume[3]最早提出泥沙预算和运移路径研究,从而为研究流域泥沙动力学提供了一比较精确的方法。这一方法能将泥沙在流域(或更小单元)内的移动、输送及储存定量化,泥沙路径的研究集中于泥沙通过一系列地貌单元的所有运动上[4]。如有关学者分别对美国威斯康辛州Coon溪、加利福尼亚州LoreTree溪及苏联欧洲部分Oka河上游侵蚀和泥沙输送、沉积及下游产沙之间的关系研究结果为,各个河流的沙帐形式及各种损失的位置及重要性有很大的差异,流域出口泥沙分别占侵蚀产沙的53~55不等[5]。泥沙预算需要识别和定量化泥沙来源、输送过程及储存环境,并确定三者之间的联系,但通常很难在流域尺度获得建立泥沙预算的所有必要的信息,而传统的研究土壤侵蚀和泥沙沉积的方法在操作上存在着大量的困难,且取样也受到时间和空间上的限制。近年来,137Cs法在估算流域的沙帐方面显示出其优点。137Cs法建立泥沙预算的理论基础是137Cs从大气沉降至地表有确定的时间模式,半衰期为30.2年,137Cs与地表物质的紧密结合使其能有效地用于年代学和中长期土壤侵蚀示踪等研究中。利用137Cs进行泥沙预算需要利用137Cs在环境中的示踪剂的功能。137Cs在沉积环境中记年和估算沉积速率的原理是137Cs的输入有一确定的时间模式,因此137Cs在泥沙剖面中的垂直分布对应着这一时间模式,即剖面137Cs分布的最深处对应着沉降之初时的1950s,137Cs峰值对应沉降最多的年份1963年,1956年Chernobyl事件使北半球的部分地区的泥沙剖面中存在一较小的峰值。137Cs的剖面分布特征产生了这几个记年时标,根据这几个时间标尺可以计算不同时期沉积环境的泥沙平均沉积速率。137Cs计算土壤净产沙量的原理是测定研究区137Cs的含量和空间分布,并与该区的137Cs沉降背景值比较,建立土壤侵蚀、沉积137Cs含量之间的定量关系,可计算自1950年来土壤的平均净侵蚀和沉积速率,即侵蚀强度的空间分布,然后通过区内沉积和侵蚀面积的计算,得到研究区的土壤的净侵蚀率。利用上述原理,可将137Cs进行泥沙估算[6~8]。Owens等[8]应用137Cs法研究英国对Start河流域时,认为农耕地仅25%的侵蚀量被输送出去,他假设流域总侵蚀量等于湖泊沉积量、田间沉积量及河漫滩储存量之和,得到该研究流域的沙帐为土壤总侵蚀量为80tkm2yr1,其中田间沉积占总量的26%、河漫滩沉积量占38%、湖泊泥沙量为36%。由此可见,137Cs法能方便地比较过去几十年来平均侵蚀量、产沙量及其之间的相互关系,为流域泥沙预算提供了一比较快速、简便的新方法但结果还比较粗略,运用137Cs法时应考虑137Cs在泥沙剖面的沉积后迁移、泥沙颗粒分选等因素并进行校正。2泥沙来源的历史变化2.1泥沙来源的确定方法小流域泥沙来源的研究方法可以概括为传统方法、现代地球化学方法及现代的核素示踪法。传统的泥沙来源确定是用一系列直接监测技术,这些监测技术包括潜在泥沙来源区的目测评价[9],调查侵蚀痕迹[10]用航片和数字地形图、GIS软件分析泥沙来源[11]侵蚀针[12量计[13]、光电侵蚀针体系[14]等。另外,河流含沙量可以用单个子流域的泥沙相对贡献来确定[15]。然而,利用上述方法虽然是最有效和接近实际的手段,但往往会因人为因素、客观条件及经费的限制,难以保证长时间采用和空间所有代表性的资料和数据的完整采集,因而得到的结果不具有连续性,一般不能为重现泥沙的起源提供有益的历史记录。现代地球化学方法(又称指纹法),即利用保存在泥沙剖面中的各种地球化学记录,确定泥沙源地的类型及其空间分布。应用的参数包括以下几种类型矿物磁性参数、地球化学组成参数(如Fe、Ca、Cr、Cu、K、Mg、Na、Ni、Sr、Zn、Mn、Al及P的各种形式等)、有机质参数(如有机炭、有机氮等)、放射性同位素参数(137Cs、62a、210ex等)和物理参数(如颗粒粒径)。核素示踪方法是近几十年来才开始使用的一门新技术,它是利用核素的稳定性、与土壤颗粒的紧密结合性、生物的低吸收性等特性加以应用的。下面对示踪法研究泥沙来源的进展略加评述。2.2核素示踪法研究泥沙来源现代核素示踪方法包括稳定性稀土元素(REE)示踪法和放射性核素示踪法。REE示踪法是80年代中后期发展起来的一门新技术,国内田均良等人[16]在国内首次将REE示踪法应用于黄土区土壤侵蚀垂直分布的研究,石辉[17]利用人工模拟降雨发现,REE示踪法可以较好地示踪小流域泥沙来源,能够有效地说明小流域侵蚀产沙的时空分布规律。常用的放射性示踪核素主要包括7Be,137Cs,210Pb和226Ra/232Th,这些核素在土壤剖面中具有独特的垂直分布特征及分布深度,如7Be土壤表层的渗透深度一般为几毫米[18],最大不超过二十毫米[19],210Pbex主要分布在表层0~20cm内,且在土壤剖面中随深度呈指数形式减少,137Cs一般主要分布在表层30~40cm内[20,21],而不同的地质区则具有不同的226Ra和232Th含量。因此,根据核素的分布特征可以应用单一核素或两种、三种核素复合示踪泥沙来源。70年代初,Ritchie等人[22]用137Cs法计算了Mississippi河北部三个小流域中不同土地利用类型侵蚀泥沙进入水库的泥沙量其后,Loughran[23]、Walling[24]等都用137Cs法研究了小流域泥沙来源。1988年,Burch等人[25]基于7Be和137Cs在土壤剖面中不同的分布特征,提出了应用7Be和137Cs两种核素复合示踪确定和预测集水区的泥沙来源,但他没有将其定量化Olley等[26]认为不同泥沙来源区具有不同的226Ra/232Th比值,若河流泥沙中该比值发生了变化,则说明其泥沙来源也发生了变化He等[27]则利用210Pbex、137Cs和226Ra三种核素的数值混合模型,定量说明了Culm河泥沙的三个来源的相对贡献率Wallbrink[28]等在Burch的基础上,将210Pbex也应用进去,以区分片蚀和沟蚀为主的两个土壤侵蚀过程及其产沙量,但这些大多限于定性地提出这些方法,而未加以实际应用后来,Wallbrink[29]应用137Cs和210Pbex研究了Murrubidgee河中游的泥沙源地和各自的贡献率,他还根据泥沙密度及泥沙量与河道长度的关系,泥沙来源及核素含量的变化,推断河道中细粒物质的滞留时间及悬浮泥沙分离的过程Wallbrink[30]还提出了用7Be、137Cs和210Pbex复合示踪研究不同土壤侵蚀方式(面蚀、浅细沟侵蚀、深细沟侵蚀及沟蚀)下泥沙起源的土壤剖面深度。多核素复合示踪研究泥沙来源的精度应该比单核素高,但其存在研究范围受到局限及与其他方法一样,还存在如何进行泥沙输移分选作用的校正等问题,这些问题在实际应用都值得注意和进一步研究。国内张信宝于80年代末应用137Cs法定性地研究了山西羊道沟小流域各地貌单元侵蚀强度的相对强弱,他将沟壑区137Cs对沟口坝库淤泥中137Cs的贡献率视为零,利用简单的配比公式,半定量地得到梁峁坡和沟壑区泥沙对沟口泥沙的相对贡献率[31]。其后杨明义[32]、
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