基于小流域淤积信息的侵蚀产沙与侵蚀环境变化响应研究

淤地坝是严重水土流失治理的重要工程措施之一，淤地坝泥沙沉积过程中，记录了坝控流域侵蚀产沙过程信息。本研究采用流域降雨产汇流理论、土壤侵蚀动力学和泥沙动力学理论和方法，以典型淤地坝为对象，结合复合核素示踪技术，通过对典型淤地坝淤积控制断面的淤积剖面取样分析，研究淤地坝沉积泥沙旋廻特征，确定各沉积层的发生时间及其与暴雨事件的对应关系，阐明次降雨条件下的产沙特征；利用流域沟间地和沟谷地土壤核素分布特征，确定沉积泥沙来源，阐明土地利用变化对坝控流域土壤侵蚀产沙变化的影响；通过数值模拟，分析不同淤积高度对沟坡稳定性及重力侵蚀的影响，阐明淤地坝淤积高程变化对沟道侵蚀的影响；综合土地利用变化、沟道重力侵蚀演变对坝控流域侵蚀产沙变化的作用，揭示坝控流域侵蚀产沙与侵蚀环境变化的响应关系，为流域侵蚀环境调控提供科学依据，对推动土壤侵蚀预报和流域水土流失综合治理具有重要意义。

本研究采用野外调查与室内分析相结合，理论分析与数值模拟相结合的方法，通过淤地坝坝控流域淤积信息解译，对淤地坝坝控流域侵蚀产沙与侵蚀环境变化响应关系进行了深入研究。通过对典型淤地坝沉积泥沙采样和核素示踪分析，辨识了次暴雨的降雨特征值与淤地坝沉积量的关系，建立了坝控小流域次降雨侵蚀产沙模型；反演了典型次暴雨条件下淤地坝坝减轻沟蚀总量占总泥沙量的10％~21％。通过数值模拟，阐明了坡沟系统和小流域等尺度上重力侵蚀发生的空间分异规律及发生机理，随淤积抬升，侵蚀基准面逐渐抬升，坡沟系统最大位移、安全系数及滑塌概率皆呈指数函数分布规律，坡沟系统趋于稳定；从流域尺度而言，淤地坝增加了凹形的边坡整体几何形态，有效降低了坡面土体的应力集中，减少了塑性屈服区体积，减缓了重力侵蚀的发生。通过对流域坡面土壤示踪元素分析，结果表明，淤地坝坝控流域沉积泥沙的61％来自于沟间地，沟谷地的相对产沙比占39％。典型淤地坝坝控流域初建期、发展期和稳定期的年均侵蚀模数分别为11137 t/km2∙a、1412 t/km2∙a和1395 t/km2∙a，逐渐减小，说明，随着流域治理程度的提高，流域侵蚀产沙强度逐渐减小；对不同空间尺度流域侵蚀产沙状况的对比分析结果表明，淤积信息能够较为准确的反映坝控流域的实际土壤侵蚀变化状况，能够为无水文观测资料提取提供可靠依据。