水利工程論文-示蹤技術(shù)在流域泥沙研究中的應(yīng)用.doc

水利工程論文-示蹤技術(shù)在流域泥沙研究中的應(yīng)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(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)。關(guān)鍵詞：泥沙預(yù)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(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(fù)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(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Dume3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(guān)系研究結(jié)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(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間模式，因此137Cs在泥沙剖面中的垂直分布對應(yīng)著這一時間模式，即剖面137Cs分布的最深處對應(yīng)著沉降之初時的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)生了這幾個記年時標(biāo)，根據(jù)這幾個時間標(biāo)尺可以計(jì)算不同時期沉積環(huán)境的泥沙平均沉積速率。137Cs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68。Owens等8應(yīng)用137Cs法研究英國對Start河流域時，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(jì)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(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?，F(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(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，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(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(xiàn)率；Wallbrink28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，Wallbrink29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)的滯留時間及懸浮泥沙分離的過程；Wallbrink30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