流域產(chǎn)沙的沙量的估算需要科學(xué)合理的技術(shù)方法，本文主要介紹了核素示蹤技術(shù)與現(xiàn)代地球化學(xué)方法在流域產(chǎn)沙的沙量中的應(yīng)用與效果。

　　《中國水運(yùn)(學(xué)術(shù)版)》ChinaWaterTransport(月刊)曾用刊名：中國河運(yùn);內(nèi)河運(yùn)輸，2006年創(chuàng)刊，為現(xiàn)實(shí)交通跨越式發(fā)展戰(zhàn)略，特別是為從事管理、科研、教學(xué)和廣大一線工作者就水運(yùn)交通和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)鏈各領(lǐng)域的相關(guān)問題提供一個(gè)政策研討和理論交通流的新型平臺，它集理論研究的實(shí)用性和權(quán)威指導(dǎo)性于一體，以理論探討和學(xué)術(shù)研究為主，兼?zhèn)渥钚滦袠I(yè)信息報(bào)道，是一份重要的理論學(xué)術(shù)刊物，是宣傳黨和國家經(jīng)濟(jì)改革的方針政策、反映水運(yùn)行業(yè)改革發(fā)展走向和理論研究成果及實(shí)踐的一份重要讀物，是交通領(lǐng)域最重要、最權(quán)威、最有影響力、發(fā)行量最大的科技期刊。

　　介紹并評價(jià)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(shù)與現(xiàn)代地球化學(xué)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(shù)與組合指紋法的結(jié)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(guān)系提供了基礎(chǔ)�？梢赃M(jìn)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)。

　　流域內(nèi)侵蝕掉的土壤只有很小一部分到達(dá)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(guān)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(zhì)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1[2]。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(shí)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(fù)雜化。研究流 域侵蝕產(chǎn)沙和泥沙來源的時(shí)間變化對于流域治理重點(diǎn)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(jì)算一定時(shí)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(xué)特性，使流域產(chǎn)沙量和河道傳輸泥沙的真實(shí)特征被掩蓋了。Dietrich和Dume[3]最早提出泥沙預(yù)算和運(yùn)移路徑研究，從而為研究流域泥沙動力學(xué)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(yùn)動上[4]。如有關(guān)學(xué)者分別對美國威斯康辛州Coon溪、加利福尼亞州Lore Tree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(guān)系研究結(jié)果為，各個(gè)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(yù)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(yù)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(shí)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(diǎn)。

　　137Cs法建立泥沙預(yù)算的理論基礎(chǔ)是：137Cs從大氣沉降至地表有確定 的時(shí)間模式，半衰期為30.2年, 137Cs與地表物質(zhì)的緊密結(jié)合使其能有效地 用于年 代學(xué)和中長期土壤侵蝕示蹤等研究中。利用137Cs進(jìn)行泥沙預(yù)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(shí)間模式，因此137Cs在泥沙剖面中的垂直分布對應(yīng)著這一時(shí)間模式，即剖面137Cs分布的最深處對應(yīng)著沉降之初時(shí)的1950s，137Cs峰值對應(yīng)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(gè)記年時(shí)標(biāo)，根據(jù)這幾個(gè)時(shí)間標(biāo)尺可以計(jì)算不同時(shí)期沉積環(huán)境的泥沙平均沉積速率。137C s計(jì)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(guān)系，可計(jì)算自1950年來土壤的平均凈侵蝕和沉積速率， 即侵蝕強(qiáng)度的空間分布，然后通過區(qū)內(nèi)沉積和侵蝕面積的計(jì)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(jìn)行泥沙估算[6～8]。Owens等[8]應(yīng)用137Cs法研究英國對Start河流域時(shí)，認(rèn)為農(nóng)耕地僅25%的侵蝕量被輸送出去，他假設(shè)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(guān)系，為流域泥沙預(yù)算提供了一比較快速、簡便的新方法;但結(jié)果還比較粗略，運(yùn)用137Cs法時(shí)應(yīng)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(jìn)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(xué)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(shù)，這些監(jiān)測技術(shù)包括：潛在泥沙來源區(qū)的目測評價(jià)[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]��、剖面測 量計(jì)[13]、光電侵蝕針體系[14]等。另外，河流含沙量可以用單個(gè)子流域 的泥沙相對貢獻(xiàn)來確定[15]。然而 ，利用上述方法雖然是最有效和接近實(shí)際的手段，但往往會因人為因素、客觀條件及經(jīng)費(fèi)的限制 ，難以保證長時(shí)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(jié)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(xué)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(xué)記錄，確定泥沙源地的類型及其空間分布。應(yīng)用的參數(shù)包括以下幾種類型：礦物磁性參數(shù)、地球化學(xué)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(jī)質(zhì)參數(shù)(如有機(jī)炭、有機(jī)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(shù)，它是利用核素的穩(wěn)定性、與土壤顆粒的緊密結(jié)合性、生物的低吸收性等特性加以應(yīng)用的。下面對示蹤法研究泥沙來源的進(jìn)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(shù)，國內(nèi)田均良等人[16]在國內(nèi)首次將REE示蹤法應(yīng)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(shí)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(dú)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0～20cm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30 ～40cm內(nèi)[20,21]，而不同的地質(zhì)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(yīng)用單一核素或兩種、三種核素復(fù)合示蹤泥沙來源。70年代初，Ritchie等人[22]用137Cs法計(jì)算了Mississippi河北部三個(gè)小流域中不同土地利用類型侵蝕泥沙進(jìn)入水庫的泥沙量;其后，Lou ghran[23]、Walling[24]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(yīng)用7Be和137Cs兩種核素復(fù)合示蹤確定和預(yù)測集水區(qū)的泥沙來源，但他沒有將其定量化;Olley等[26]認(rèn)為不同泥沙來源區(qū)具有不同的226Ra/232Th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(gè)來源的相對貢獻(xiàn)率;Wallbrink[28]等在Burch的基礎(chǔ)上，將210Pbex也應(yīng)用進(jìn)去，以區(qū)分片蝕和溝蝕為主的兩個(gè)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(shí)際應(yīng)用;后來，Wallbrink[29]應(yīng)用137Cs和210Pbex研究了Murrubidgee河中游的泥沙源地和各自的貢獻(xiàn)率，他還根據(jù)泥沙密度及泥沙量與河道長度的關(guān)系，泥沙來源及核素含量的變化，推斷河道中細(xì)粒物質(zhì)的滯留時(shí)間及懸浮泥沙分離的過程;Wallbrink[30]還提出了用7Be、137Cs和210Pbex復(fù)合示蹤研究不同土壤侵蝕方式(面蝕、淺細(xì)溝侵蝕、深細(xì)溝侵蝕及溝蝕)下泥沙起源的土壤剖面深度。多核素復(fù)合示蹤研究泥沙來源的精度應(yīng)該比單核素高，但其存在研究范圍受到局限及與其他方法一樣，還存在如何進(jìn)行泥沙輸移分選作用的校正等問題，這些問題在實(shí)際應(yīng)用都值得注意和進(jìn)一步研究。國內(nèi)張信寶于80年代末應(yīng)用137Cs法定性地研究了山西羊道溝小流域各地貌單元侵蝕強(qiáng)度的相對強(qiáng)弱，他將溝壑區(qū)137Cs對溝口壩庫淤泥中137Cs的貢獻(xiàn)率視為零，利用簡單的配比公式，半定量地得到梁峁坡和溝壑區(qū)泥沙對溝口泥沙的相對貢獻(xiàn)率[31]。其后楊明義[32]、文安邦等[33]都利用137Cs定量研究小流域泥沙來源。單一核素示蹤得到的結(jié)果相對來說比較粗糙，利用多種放射性核素復(fù)合示蹤研究小流域內(nèi)各地貌單元的產(chǎn)沙量，國內(nèi)還沒有人進(jìn)行研究過。

　　2.3 指紋法確定泥沙來源

　　最初指紋法的應(yīng)用是基于對單一診斷指紋(參數(shù))的定性解釋。但單一診斷參數(shù)在應(yīng)用中存在以下兩個(gè)問題：一是單一參數(shù)往往難以完全獲得，另一個(gè)是非源地泥沙的混合將影響結(jié)果的精度。因此，在最近十來年中，人們傾向于用幾個(gè)診斷特性復(fù)合的組合指紋法，可以減少非源地泥沙混合的影響和區(qū)分范圍更大的泥沙潛在來源。

　　組合指紋法確定泥沙來源的基本步驟是[34]：(1)測定可能的泥沙源地土壤中的各種地化特性，用Kruskall�瞱allis檢驗(yàn)評價(jià)各單個(gè)指紋特性區(qū)分源地的能力(即計(jì)算各種 地化特性的權(quán)重)，選擇源地之間呈顯著差異的指紋特性;(2)應(yīng)用逐步判別分析統(tǒng)計(jì)程序，確定源地指紋特性的最佳組合;(3)應(yīng)用多元混合模型，定量計(jì)算各泥沙源地的相對貢獻(xiàn)率。模型由一組線性方程組成，通常用最小二乘法來解(即使方程的殘差平方和最小)，方程可以表示為式中Res為線性方程的殘差平方和，Cssi為泥沙樣品中示蹤特性i的濃度,Csi為s源地示蹤特性i的濃度，P�璼為s源地的相對貢獻(xiàn)率。��

　　當(dāng)然，方程(1)只是最基本的表達(dá)式，可以根據(jù)需要進(jìn)行泥沙的粒度、有機(jī)質(zhì)含量等的校正。

　　利用組合指紋法的原理，Coffins[35]、Walling等[36]研究了英國幾條河流中懸浮泥沙的來源。Collins等通過采集不同季節(jié)和洪水事件的不同時(shí)刻的懸浮泥沙樣，確定Exe河和Severn河流域三大主要地質(zhì)地層區(qū)對泥沙貢獻(xiàn)的空間定量變化。Walling等研究了1994～1997年這一時(shí)段內(nèi)Ouse河及其主 要支流Wharfe河懸浮泥沙的來源，他通過建立不同支流的指紋特性，確定了不同土地利用類 型的表層土與河岸侵蝕、不同地質(zhì)地層區(qū)對各支流泥沙的貢獻(xiàn)，同時(shí)還得到各支流對干流泥 沙的貢獻(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能定量解決大流域內(nèi)泥沙的起源信息;缺點(diǎn)是河流泥沙樣的采集(特別是人工采集)很難代表流域內(nèi)泥沙的整個(gè)變化過程，特別是洪水時(shí)期河流泥沙特性顯著變化，正確確定采樣的次數(shù)和采樣時(shí)間間隔是個(gè)非常關(guān)鍵的問題。

　　2.4 泥沙來源歷史變化及其包含的環(huán)境信息

　　過去不同時(shí)期內(nèi)泥沙的來源包含著許多自然環(huán)境和人為環(huán)境的歷史變化信息，而過去時(shí)段內(nèi)的泥沙來源又不可能用上述現(xiàn)場取河水泥沙樣的辦法來確定，同時(shí)長時(shí)期的泥沙連續(xù)監(jiān)測、測量也是不可能的。因此，能否找到穩(wěn)定的泥沙沉積物，利用儲存在沉積物中的信息確定泥沙沉積的年代和泥沙來源的時(shí)間變化是解決這一問題的關(guān)鍵。在河道系統(tǒng)中輸送的泥沙一般有兩個(gè)重要的沉積地點(diǎn)： 河漫灘和河床。一般來說，細(xì)粒泥沙在河床中儲存的時(shí)間很短，很可能不到一年時(shí)間又重新被啟動、運(yùn)移，而河漫灘上沉積的泥沙儲存的時(shí)間卻長的多，可以達(dá)100～1000年。Owens等 [37]比較了蘇格蘭Tweed河主要河道系統(tǒng)中泥沙在河漫灘和河床中細(xì)粒泥沙的沉積量后發(fā)現(xiàn)，兩者的沉積量分別占年細(xì)泥沙輸移量的40%和4%，而Walling等[38]認(rèn)為英國Ouse河和Wharfe河的溢岸泥沙分別為39%和49%，而兩者的河床中儲存的泥沙只占總量的10%和8%。由此可見，河漫灘沉積為河道泥沙輸送損失的一個(gè)重要場所，且沉積以后相對穩(wěn)定，研究河漫灘沉積物的來源可以明確河流泥沙來源的歷史變化。

　　過去泥沙來源的信息可以用組合指紋法和核素示蹤法相結(jié)合來確定，即利用137C s、210Pbex等核素確定泥沙沉積的年代，然后利用指紋法確定不同時(shí)期沉 積的泥沙來源。如Owens等[39]測定了Ouse河及其三個(gè)主要支流泥沙剖面中137Cs和210Pbex的剖面分布特征，根據(jù)137Cs和210Pbex的記年原理，確定泥沙的沉積年代和自1963年以來30余年來和自19世紀(jì)末20 世紀(jì)初以來100年的泥沙沉積速率，雖然河漫灘橫斷面沉積速率的空間變化較大，但表現(xiàn)出 隨離河床距離的增大而減小的趨勢，某一橫斷面的沉積速率可以用其平均值來表示。Owens 發(fā)現(xiàn)同一地點(diǎn)30年與100年的平均沉積速率非常近似，表明過去100年來和懸浮泥沙通量沒有發(fā)生重大變化;然后在流域內(nèi)適當(dāng)取樣，測定土樣和泥沙樣的各種物理和化學(xué)特性，依照前面所述的組合指紋法，用數(shù)學(xué)混合模型求解，得到19世紀(jì)末20世紀(jì)初至1960年的泥沙主要來自表層土，最近幾十年來底層土和河道侵蝕產(chǎn)生的泥沙貢獻(xiàn)率增大的結(jié)論。因此根據(jù)泥沙來源的歷史變化，可以推斷流域內(nèi)的土地質(zhì)亞區(qū)在不同時(shí)期對各河流泥沙的貢獻(xiàn)率也可定量地表達(dá)出來，結(jié)合各地質(zhì)亞區(qū)在流域內(nèi)的利用及土地管理措施的歷史變化，而通過對流域土地利用與管理歷史的調(diào)查，可以評價(jià)環(huán)境變化對流域產(chǎn)沙的影響。

　　Collins等[40]也對英國的其他河流的泥沙信息作了相似的研究。他利用137Cs的記年結(jié)果，估算了河漫灘的平均沉積速率并將此結(jié)果加以外推，同時(shí)利用組合指紋法得到了Exe河和Severn河流域55年和100年來各個(gè)年代各種地質(zhì)亞區(qū)對相對泥沙貢獻(xiàn)率的動態(tài)變化，這種變化受內(nèi)因(如極端水文事件)和外因(如土地利用變化)的控制。沉積泥沙源地類型及空間變化所包含的豐富的環(huán)境信息，為預(yù)測和建立合理的水保設(shè)施提供了科學(xué)基礎(chǔ)。但上述方法也存在一些問題：如Owens的研究中認(rèn)為百年來河流泥沙通量沒有變化，由于泥沙輸送過程的復(fù)雜性，并不能說明上游侵蝕速率沒有發(fā)生重大變化;30年與100年來沉積速率相似也許因?yàn)閮蓚�(gè)時(shí)間段并不是排斥的，100年也包括了1963年以來的30余年，某一短時(shí)期內(nèi)由于單個(gè)洪水事件沉積速率突然變化，多年平均沉積速率并不能反映;另外，Collins的沉積速率外推結(jié)果也存在一定的問題，雖然能比較細(xì)致地反映泥沙來源的歷史變化，但由于沉積速率的外推結(jié)果不一定準(zhǔn)確，由此得到的年代的精度值得商榷。

　　同樣，湖泊沉積物通常因保存著自然變化、人類擾動等的信息而成為環(huán)境變化的歷史記錄者。入湖泥沙的沉積速率用核素記年方法確定，并推算流域的產(chǎn)沙量，以此評價(jià)人類擾動作用的影響。

　　3 新方法需解決的問題及應(yīng)用前景

　　長時(shí)間尺度的環(huán)境變化對土壤侵蝕、泥沙產(chǎn)量的影響可以用第四紀(jì)研究方法來解決，但百年來或最近幾十年來環(huán)境變化的侵蝕效應(yīng)，卻難以用第四紀(jì)研究方法解決。210Pbex、137Cs核素示蹤技術(shù)與組合指紋法能明確近代泥沙在流域中的分配狀況、重建泥沙通量及泥沙來源的歷史信息，為侵蝕環(huán)境治理重點(diǎn)的選擇提供科學(xué)依據(jù)。但目前還需提高核素示蹤技術(shù)的精度，如應(yīng)注意核素分布的空間分 異性，正確采樣并確保樣品具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;利用核素建立泥沙剖面的年代時(shí)，要考慮各種因素引起的誤差，并用幾種確定年代學(xué)方法互相驗(yàn)證;泥沙沉積速率的計(jì)算應(yīng)考慮顆粒校正和壓實(shí)校正;可以用核素示蹤泥沙來源與組合指紋法確定泥沙來源相結(jié)合，提高可信度;進(jìn)一步分析流域侵蝕環(huán)境變化與泥沙來源、產(chǎn)沙量變化之間的關(guān)系，建立影響因子(如土地利用變化、氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動等)與 結(jié)果之間的半定量關(guān)系，分析各因子的相對重要性，對現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境建設(shè)的決策具有重要的意義。

　　我國黃土區(qū)由于其特殊的降雨、地貌條件，從長期來看，流域侵蝕與產(chǎn)沙基本達(dá)到平衡 ，泥沙輸移比約等于1[2]，于千溝萬壑中建立的淤地壩，在攔沙淤地方面發(fā)揮了重大作用，雖然很多小型壩被沖毀，但大多數(shù)骨干壩依然完整，壩庫沉積物相對穩(wěn)定，可以利用壩庫這一穩(wěn)定的沉積環(huán)境， 研究流域產(chǎn)沙、泥沙來源與侵蝕環(huán)境變化之間的關(guān)系，預(yù)測流域的侵蝕、產(chǎn)沙與侵蝕環(huán)境變化，評價(jià)流域整治效應(yīng)。

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