典型淤地坝淤积过程辨识及其主要影响因素研究

本项目在系统分析国内外已有研究成果的基础上，以黄土高原典型流域典型淤地坝为研究对象，利用坝地淤积物所包含的自然环境和人类活动的历史变化信息，采用野外布点采样、实地观测与室内实验分析的方法，结合多核素复合示踪技术和粒度分析等方法提取典型坝坝地分层淤积信息，基于该分层淤积信息和黄土高原暴雨径流泥沙理论，研究淤地坝淤积过程的动态变化规律及其与水文气象因素、水土保持措施之间的响应关系，项目预期溯源分层淤积泥沙所对应的暴雨或特大暴雨，量化水文气象因素(降雨径流特征)、水土保持措施对淤积过程的影响，建立包含降雨径流过程和水土保持措施影响的淤积过程模型。同时，根据坝地分层土样的粒度分布信息，探讨淤地坝淤积年限内坝控流域是否存在沙化趋势，进而评价已有水土保措施的合理性。本项目对黄土高原大规模的淤地坝建设与规划可提供重要科学依据和实践指导，对改善黄土高原的生态环境和实现该区的可持续发展具有重要意义。

本项目在对陕北黄土高原淤地坝进行全面调查的基础上，分别在陕北子洲县的小河沟流域、陕北靖边县的红河则小流域、陕北绥德县的王茂沟小流域选取典型淤地坝，开展资料收集和野外的取样工作。收集了典型淤地坝坝控流域淤积年限内的降雨径流泥沙资料、水文气象资料、淤地坝设计规划资料、坝控流域水土保持措施和流域地形图等资料。量取各典型淤地坝坝体尺寸、坝地淤积物的已淤地面积和有效剩余拦泥高度；采用钻孔或挖剖面方法收集分层淤积土样，并测量分层淤积厚度和淤积层数。通过室内试验对土样的含水量、干容重、颗粒级配和137Cs、210Pbex的放射性比活度等进行了测定，提取淤地坝的分层淤积信息。依据黄土高原暴雨径流泥沙理论，溯源了分层淤积泥沙所对应的暴雨或特大暴雨，分析了次侵蚀性降雨的降雨量、平均降雨强度、降雨侵蚀力、最大30分钟降雨强度等侵蚀性降雨指标与分层淤积泥沙的耦合关系，建立了以上各因子与分层泥沙淤积量的单因子函数关系式和多因子函数关系式，此项研究结果对于无水文资料地区的气象资料的反演具有重要的意义。利用分形理论计算出各分层土样颗粒级配的分形维数，根据土壤沙粒含量越高分形维数越小，粉粒和黏粒含量越高，分形维数越大这一结论，对典型淤地坝淤积年限内坝控流域是否存在沙化趋势进行探讨，进而对坝控流域淤积年限内已有水土保持措施的合理性给予评价。结果表明，对于石畔峁坝和关帝沟3号坝，随着淤积年限的增大，坝地分层淤积土样的分形维数逐渐减小，因此该典型坝坝控流域淤积年限内存在沙化趋势，已有水土保持措施配置不合理。利用USLE模型对石畔峁淤地坝坝控流域内不同水土保持措施进行了优化配置，结果表明典型淤地坝坝控流域的多年平均侵蚀模数为8502t/(km2.a)，达到了极强度侵蚀标准，不合理的土地利用方式是造成该流域土壤侵蚀严重的主要原因。典型淤地坝坝控流域水土保持措施的最优配置方案为：3°以内的平坦地作为耕地；4°~7°之间的缓坡地作为草地；11°~25°之间的坡地作为梯田；其余坡地作为林地，在最优配置下，淤积年限内各年份的土壤侵蚀模数都有很大程度的下降，此研究结果对于典型淤地坝坝控流域水土保持措施合理性评价提供了一种新思路。