皇甫川流域泥沙来源的复合指纹示踪研究

Loess Plateau, one of the most serious soil erosion regions in China, is the main sediment source of the Yellow River. Information on suspended sediment is required to support the development of effective sediment control and soil and water conservation strategies. The present study selects macroelements, trace elements, radionuclides and magnetic properties as fingerprint tracers through field sampling and laboratory analysis for sediment sources identification in the Huangfuchuan catchment. A small catchment is selected as case study to investigate the characteristics of tracers in loess, arsenic rock and aeolian erosion regions. Sediment sources are assessed by making use of composite fingerprinting. Comparative analysis of different sediment properties in the same grain size from channel-bed and sediment source areas are undertaken to further assess sediment sources in the Huangfuchuan catchment. Sediment contribution from individual sources is quantified according to the discharge and sediment flux data at hydrological stations. Applying composite fingerprinting to assess sediment sources is helpful for better understanding the mechanism of soil erosion and sediment yield in the Loess Plateau. Furthermore, the study can provide scientific reference for soil and water conservation measures, comprehensive watershed management and water and sediment regulation.

黄土高原是我国土壤侵蚀最为严重的地区，也是黄河泥沙的主要来源区。准确获取流域泥沙来源、侵蚀关键区域等信息是合理实施水土保持措施的基础。本项目以黄土高原皇甫川流域为研究对象，通过野外采样分析，筛选流域不同侵蚀类型区土壤样品中的常量元素、微量元素、放射性核素及磁性特征等作为指纹因子；以典型小流域为例，分析黄土区、风蚀区和砒砂岩区的指纹因子特征，定量研究小流域泥沙来源；对比分析皇甫川流域相同级配河流底质泥沙与各来源地土壤指纹因子，计算不同源地泥沙贡献率及沿程变化，结合水文站实测资料反演流域泥沙来源空间分布特征，阐明皇甫川流域不同侵蚀产沙区的泥沙来源特征，揭示流域泥沙来源的主要成因。应用复合指纹识别法定量研究流域泥沙来源，有助于深入认识黄土高原流域土壤侵蚀产沙特征及规律，丰富和完善土壤侵蚀的研究理论和方法，为黄土高原的水土保持措施、流域综合治理与水沙调控提供科学依据。

土壤侵蚀是黄土高原面临的最严重的环境问题，识别区域侵蚀产沙强度与泥沙来源是有效开展流域水土保持的基础。本项目选取皇甫川流域杨家沟与小石拉他两个淤地坝控制小流域，通过淤地坝坡面及坝内泥沙采样、分析，获取淤地坝的沉积剖面，采用核素与降雨序列定年，计算淤地坝拦蓄泥沙总量。结果表明小石拉他淤地坝1958-1972年拦蓄泥沙16.5万吨，杨家沟淤地坝2007-2011年拦蓄泥沙3.38万吨，平均产沙模数为1.72万t/km2/a、1.16万t/km2/a。不同年代流域侵蚀产沙差异显著，小石拉他流域1959年的产沙量达到5.997万t，而1965年产沙量为0，杨家沟流域2011年侵蚀产沙量为0，而2007年为丰水年，产沙量为2.56万吨。.通过坡面源地表层样品与坝地泥沙样品测试，分析其机械组成、核素、磁性特征、常量、微量元素及碳氮同位素，筛选识别泥沙源地具有显著特征的指纹因子，通过混合模型计算泥沙来源。杨家沟小流域草地的泥沙贡献率为15.7%，裸露黄土为17.5%，裸岩地66.8%；小石拉他流域砂岩的贡献率为61.52%，草地为5.94%，裸地为32.54%。.采用WATEM/SEDEM模型模拟的小石拉他流域产沙量，模拟值与坝内淤积反演值基本一致。模型模拟的年产沙量变化范围764-59581吨，而通过坝库淤积反演得到的值为0-59990吨，模拟的年均值为1.12万t/yr，而实测的年均值为1.16万t/yr。.采用GIS与RS技术，改进RUSLE模型，以皇甫川流域为例进行校验，率定期1991-1999年皇甫站实测输沙量与模拟值拟合较好，纳什系数与相关系数均超过0.7，验证期2000-2009年的模拟结果相对较差。不同土地利用条件下，土壤侵蚀模数超过15000t/km2/a的区域主要发生于裸露的砒砂岩与植被覆盖较差的沙地；而土壤侵蚀模数小于2500t/km2/a的区域主要分布在地势平坦的河滩地与植被盖度好的高原区。根据修正RUSLE模型分析皇甫川流域淤地坝的拦沙效益发现，1991-2004年淤地坝平均年拦蓄泥沙约为0.32亿吨，是皇甫站同期年均输沙量0.22亿吨的1.45倍。.本研究通过淤地坝沉积泥沙反演及复合指纹示踪技术获取流域侵蚀产沙强度与泥沙来源，为开展流域水土保持治理提供前提。流域侵蚀输沙模拟结果为揭示皇甫川流域泥沙变化提供佐证。