黄土丘陵区小流域淤地坝泥沙沉积特征

李 勉，杨 二，李 平，鲍宏喆，李 莉，申震洲，焦 鹏



黄土丘陵区小流域淤地坝泥沙沉积特征

李 勉1，杨 二1，李 平2，鲍宏喆1，李 莉1，申震洲1，焦 鹏1

（1. 黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，郑州 450003； 2. 黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站，绥德 718000）

了解淤地坝泥沙沉积特征是坝地泥沙输移过程及规律研究的基础和前提。该文通过对黄土丘陵区小流域淤地坝不同位置泥沙沉积剖面中各沉积旋回层厚度及粒径组成变化的分析，研究了淤地坝次洪水沉积过程中泥沙的再分布特征。结果表明：坝地内次洪水泥沙沉积过程为非均匀分布，各沉积旋回层厚度在纵剖面和横剖面都存在一定差异，早期沉积层厚度的起伏变化要大于后期的起伏变化。坝地泥沙粒径组成以粉粒为主，黏粒、粉粒和沙粒的平均含量分别为4.66%、58.78%和36.56%。坝地泥沙沉积过程中，各旋回层中黏粒、粉粒和沙粒的平均含量变化较小，但在坝地不同位置，土壤粒径组成发生了一定程度的分选。从坝尾到坝前，土壤质地粗化度显著下降，土壤粒径组成呈逐步细化的趋势。

土壤；泥沙；淤地坝；沉积旋回；土壤质地；黄土丘陵区

0 引 言

淤地坝是黄土高原水土保持的主要工程治理措施之一，它在拦蓄泥沙、防治水土流失、减缓下游泥沙沉积方面发挥了重要作用。在拦蓄大量泥沙的同时，淤地坝也赋存了大量侵蚀产沙信息，为小流域土壤侵蚀过程研究提供了得天独厚的条件和可能。许多学者利用这些信息开展了小流域侵蚀产沙速率和泥沙来源等方面的研究，取得了许多重要成果[1-9]。陈永宗等提出了利用坝地淤积物岩性特征推算历次暴雨洪水和年侵蚀量的方法[1]。Zhang等基于坝地各沉积层的厚度，结合137Cs和孢粉等技术推算了流域不同时间的侵蚀产沙速率，还结合流域不同泥沙来源区表层土壤的分析，辨识出沉积泥沙的主要来源[2-3]。之后，其他学者也相继开展了这方面的研究[4-9]。部分学者还根据各沉积层厚度的变化分析了历史上暴雨的特征变化和对环境的影响[10-13]。国外学者在西班牙、南非、美国等地也开展了许多坝控流域侵蚀产沙速率及泥沙来源方面的研究，还分析了淤地坝对流域径流、产沙等的影响[14-21]。这些成果为流域治理提供了重要依据和参考。

淤地坝泥沙沉积厚度及粒径组成作为重要的赋存信息，在坝控流域侵蚀产沙研究中起着重要作用，前者是 正确估算侵蚀强度的主要依据和关键，后者是泥沙输移规律研究不可或缺的重要指标和参数。不少学者开展了此方面的研究工作，取得了许多重要成果[1, 22-30]。陈永宗等[1]通过对淤地坝沉积泥沙的分析，发现其粒度组成以粉砂为主，与黄土地层相近；不同场次洪水泥沙同级粒级含量互有差异，尤以沙粒和黏粒变化更大。坝地沉积泥沙剖面具有明显的分层特征，次洪水泥沙沉积层自下而上粒径呈由粗到细的变化[2-3,22-25]。不同场次洪水沉积物之间粒度变化明显，随淤积深度的增加，各级泥沙粒径变化范围增大[23-24]。沉积剖面中的粒径突变点和粗颗粒泥沙层对流域内大暴雨有一定的指示作用，对水沙动力条件变化和沟道比降影响的深入研究有重要参考价值[24-25]。泥沙由坝尾往坝前推进过程中，富黏层层位上移, 厚度增高[9,26-27]。在坝地不同空间位置剖面中，坝尾的泥沙粒径较坝前明显偏粗，沙粒平均含量自坝前到坝尾呈逐步增加趋势，而黏粒和粉粒的变化则相反[28]。坝地垂直剖面中土壤颗粒的分形维数变化微小，水平方向上坝中最小，坝前最大；坝前土壤质地粗化度最小，而坝中最大[29]。另外，受降雨、产流和坝内水流特征影响，坝地泥沙各沉积分层厚度不均匀[1,22,30]。坝前的沉积层数量往往多于坝尾，且坝前各沉积层的厚度变化也大于坝尾[27]。这些认识为区别不同场次洪水来沙、正确估算流域侵蚀产沙速率提供了重要指导和帮助。

由于入坝洪水的来源、动力和取样位置对泥沙粒径组成和沉积层厚度都有重要影响，仅通过单一探坑沉积剖面分析的方法，在准确估算场次洪水侵蚀强度方面容易造成较大误差，在揭示坝地泥沙输移规律方面仍有较大的局限性。因此，开展坝地不同空间位置沉积泥沙旋回层厚度及其土壤粒径组成特征的对比性研究，有助于弥补上述方法研究的不足，更好地促进这一领域的研究。

本文选择黄土丘陵区小流域内一座典型“闷葫芦”坝为研究对象，通过对淤地坝内不同空间位置剖面各沉积层的取样与分析，研究了坝地次洪水泥沙沉积层厚度和粒径组成的变化过程，以期能更好地揭示坝地次洪水沉积过程中泥沙的再分布特征，为淤地坝泥沙沉积、运移过程及规律的深入研究提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 小流域概况

王茂沟流域是黄河中游黄土丘陵区具有完整坝系的一个典型代表，它位于陕西省绥德县韭园沟乡，是无定河左岸的一条2级支沟。该流域海拔高度940～1188 m，流域面积5.97 km2，其中沟间地占58.4%，沟谷地占41.6%，具有地形破碎、坡陡沟深、地貌类型复杂等特点。王茂沟流域多年平均降水量513 mm，降雨量年际变率大，年最大降雨量是年最小降水量的3.5倍；其中汛期（6-9月）降雨占年降水总量的70%以上，且多以暴雨形式出现，一次暴雨产沙量往往可占全年总产沙量的60%以上。土壤侵蚀以水力侵蚀和重力侵蚀为主，治理前王茂沟流域多年平均侵蚀模数18 000 t/km2·a。该流域地表覆盖物上部为马兰黄土（厚5～20 m，抗蚀能力差），下部为离石黄土，再下为基岩。

为探求黄土丘陵区水土流失治理方向和途径，黄河水利委员会绥德水土保持科学实验站于1953年选择了该区韭园沟内具有代表性的王茂沟小流域，按照“快速控制水土流失，使本流域的水沙尽量做到流而不失，变害为利，服务于生产”的指导思想，开展了淤地坝建设。其后又经过改扩建、调整、完善等阶段，到1992年已经形成了完整的坝系（图1）。目前，王茂沟流域淤地坝总数为23座，淤积泥沙总量为198.59万m3，在流域水土流失治理和群众生产生活中发挥了巨大作用。

图1 小流域淤地坝及取样点位置分布图

1.2 样点布设与取样

为研究淤地坝次洪水泥沙沉积过程，同时避免其他淤地坝泥沙输移的影响，本项研究选择了王茂沟一级支沟关地沟最上部的4号坝。关地沟4号坝是一座“闷葫芦”坝，建于1954年，1987年冲毁，2005年修复；坝中线长度357 m，宽度22~68 m，控制面积0.397 km2。取样时，沿坝前至坝尾的中线，等距离选取探坑取样点4个，挖深1.5～2.0 m，分层量测耕作层和各沉积层的厚度。坝地表层已耕作，深度在40 cm左右，取样时分为表层（0～20 cm）和底层2个样。耕作层以下按沉积旋回分层连续取样，根据沉积旋回层的颜色、特性（有无冻融层、是否夹带相同输移物品）、颗粒组成特征等判断划分出每个旋回层，同场次洪水取一个泥沙全样（包括沉积旋回层上部的胶泥层和下部的细沙及粗沙层）。有明显界限的、易于区分的划为不同旋回层，否则，视为一个旋回层。每个探坑剖面深度内有7～9个沉积旋回层。根据该流域实测的降水资料和以往的研究，这些沉积层发生的时间大致为1983-1987年。

为了解沉积泥沙旋回层的横剖面变化，取样时在坝前位置点的两侧再分别各挖取2个探坑，探坑间距约4 m，挖深1.5～2.0 m，分层量测了最上部7个旋回层的沉积厚度（图2）。

注：A1-A4分别为从坝尾到坝前（纵剖面）选取的探坑位置；B1-B5分别为从坝左岸到右岸（横剖面）选取的探坑位置。

1.3 样品分析

土壤颗粒组成分析在中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室完成，采用英国Malvern公司Mastersizer 2000激光粒度仪测量土壤粒径的体积百分比，取样速度为1 000次/s，单个样品的测定时间为5 min，仪器灵敏度高，测量范围为0.02～2000m，平均标准偏差不高于1.7%。完全符合1997年颁布的ISO13320激光衍射方法粒度分析国际标准。本文中土壤颗粒的划分按我国的标准，石砾的直径为>1 mm，沙粒为1～0.05 mm，粉粒为0.05～0.002 mm，黏粒为<0.002 mm。

2 结果与分析

2.1 坝地泥沙沉积再分布特征

通常情况下，在黄土丘陵区坝控小流域，每场洪水过程都会在淤地坝内形成一个泥沙沉积旋回层，由于泥沙沉降过程中的分选作用，往往是粗颗粒泥沙最先沉积，其次为粉粒，最后为黏粒，形成明显的分层结构[1-10]。沉积旋回层厚度主要受次降水的产沙量制约，一般而言，降雨越多，产流越多，产沙越多，旋回层厚度越大。在坝控流域内，当坡面-沟坡径流进入坝库后，由于水流运动方向、速度及挟沙力的变化，会造成洪水泥沙在坝库内的再分布。因而，在坝内不同空间位置，同一场次洪水泥沙沉积形成的旋回层厚度会有一定差异。

从图3a可以看出，各旋回层纵剖面的变化趋势不尽相同。第7旋回层（第6、7旋回层底面之间的部分）在坝尾（A1）的沉积厚度最大，坝中后部（A2）最小；第6旋回层在坝前（A4）的沉积厚度最大，坝尾最小；第5旋回层在坝尾的沉积厚度最大，坝中后最小，其它各旋回层沉积厚度的分布也不尽相同。所有探坑剖面的7个沉积旋回层中，最大厚度发生在坝前的有2个，坝中后的有1个，坝尾的有4个。这一方面说明了坝地泥沙沉积分布的不均匀性，另一方面也与其下面早期形成的沉积层的分布有关，上次沉积层较厚的地方下次沉积层则往往变薄，反之亦然。埋深越大的旋回层的起伏变化越大，越接近地表的起伏越小，说明先期沉积泥沙的空间分布的均匀性要小于后期的。随着沉积厚度的增加，后期沉积泥沙的淤积面有逐渐趋平的倾向。通过比较旋回层沉积厚度与起伏大小的关系发现，这种变化特点与洪水强度有一定关系，即：大水大沙下，淤积层厚度大，差异也大，水沙较小时，淤积厚度和差异减小。

除第6旋回层外，关地沟4号坝各旋回层横剖面的变化趋势比较一致，各探坑同一沉积层厚度差异较小，表现在坝左岸（B1）距离地表最近，表明淤地坝泥沙在沉积过程中，在坝左岸（B1、B2）的沉积厚度较大，其次是坝中部（A4），而坝右岸（B3、B4）的沉积厚度较薄（图3b）。第6旋回层是较大洪水产生的泥沙沉积层，沉积厚度也是7个沉积层中最大的，同时，由于受到其下部第7旋回层分布特征（左岸高于右岸25 cm）的影响，因而，在泥沙沉积过程中导致其在右岸的分布厚度大于左岸（相差11 cm），在一定程度上缩小了两侧的差异，这与坝地纵剖面的变化特征相似，即上次泥沙沉积较厚的地方下次沉积的泥沙则往往变薄, 后期沉积泥沙的淤积面有逐渐趋平的倾向。总的看来，沉积剖面中横剖面旋回层的起伏变化较小，分析认为，这主要与坝地横剖面宽度较窄（仅30 m）、测量点距离较近（各点相距仅4 m）有关。

沉积泥沙旋回层厚度和起伏程度的变化说明了淤地坝泥沙沉积过程的复杂性和不均匀性，由于影响因素众多（如不同降雨强度产沙量的差异、坝地内洪水流动方向及回流过程的变化、坝地两侧沟坡地形的差异等），其产生原因及变化规律还有待于通过更多淤地坝的调查和更为细致的观测或模拟试验来加以研究和揭示。

图3 关地沟4号坝相同沉积层深度变化图

2.2 坝地泥沙土壤粒径变化特征

2.2.1 不同场次洪水过程中土壤粒径的变化特征

从耕作层的泥沙粒径组成来看，坝尾（A1）和坝中后部（A2）的表层和底层土壤中，黏粒、粉粒和沙粒的含量均相差不大，坝中前部（A3）和坝前（A4）的差别较大，坝中前部（A3）耕作表层的黏粒含量大于底层含量，而沙粒含量却低于底层，坝前（A4）耕作底层的黏粒含量是表层的2倍多，而沙粒含量却相差不大（图4）。相同耕作方式下存在的这种差异，不会是耕作方式引起的，而与最初沉积泥沙的粒径组成有关。

就坝地不同空间位置而言，垂直剖面中各沉积层粒径构成均以粉粒为主，所占比例超过50%，各级粒径含量都呈锯齿状变化（图4）。由于坝地泥沙来源区比较固定，其土壤粒径组成变化不大，个别沉积层粒径构成的突变（如第6、7旋回层沙粒的平均含量分别为38.96%和38.28%，明显高于其它旋回层的含量）有可能与洪水性质有关，如产流量大时，水流挟沙力增大，从坡面和沟坡带入坝地的泥沙尤其是粗颗粒泥沙会增多，造成该次洪水沉积层的粗颗粒含量会较大，这一点也为其他学者的研究所证实[24-25]。此外，也与该坝地位置距离粗沙来源地的远近有关，距离越近越容易有更多的粗沙沉积，尤其是当产流量较小时[1, 22]，如第2旋回层的坝尾，其沙粒含量高达58.61%。因而，坝地内粗沙含量陡增沉积层的出现对大暴雨和洪水有一定的时标指示作用，如果结合降水、产沙等资料，并考虑其在坝地内所处的位置，有助于揭示坝地水沙动力变化过程与特征[24-25,28]。

从整个4号坝来看，耕作层以下7个旋回层土壤粒径含量（不同点位相同沉积层的均值）的统计分析表明，黏粒、粉粒和沙粒的变异系数非常小（都小于10%），均为弱变异性，说明各场次洪水泥沙粒径的组成没有明显差异，都以粉粒为主（表1）。这与张玮等[25]在王茂沟另一座淤地坝的研究结论相一致，即沉积泥沙主要以粉粒为主，且变异系数最小。此外，黄土丘陵区其他流域淤地坝的研究也表明，坝地沉积泥沙主要是以粉粒为主[1,23-24,30]。

表1 淤地坝沉积旋回层土壤粒径组成的统计值

Tab.1 Statistical values of soil particles in sediment cycles in check dam

2.2.2 土壤粒径空间变化特征

如图4所示，在关地沟4号坝不同空间位置，各沉积旋回层的泥沙粒径组成有一定的变化特征。对第6、7旋回层而言，其黏粒、粉粒含量的最大值都分别出现在坝尾和坝前，而沙粒含量的最大值出现在坝中前（第6旋回层）和坝中后（第7旋回层），最小值则都出现在坝前，说明这2场洪水沉积在坝中部的泥沙粒径相对较粗。第1～5旋回层黏粒、粉粒含量的最小值大都出现在坝尾，最大值出现在坝前的次数最多，而沙粒含量的最大值全部出现在坝尾，表明这5场洪水沉积在坝尾的泥沙粒径相对较粗。总的看来，由于坝地各沉积旋回层黏粒所占比例很小，其极值在坝内的空间分布变化较大；除第2旋回层外，其它旋回层粉粒与沙粒极值的空间分布则大致相反，即粉粒含量出现最大值时沙粒含量通常出现最小值，反之亦然。另外，结合各旋回层沉积厚度的空间变化，发现次旋回沉积厚度变大或小时，黏粒、粉粒和沙粒的含量并不随之增高或降低，表明次洪水泥沙沉积厚度与土壤颗粒组成之间没有相关性（>0.05）。

自坝尾到坝前，不同位置剖面中土壤颗粒组成变化很大。其中，黏粒体积分数最小值仅2.05%，最大值9.85%，平均值为4.36%～5.15%，坝中后位置平均含量最高，坝尾最低（表2）。粉粒所占比例最高，最大值超过70%，平均值为54.58%~62.17%，坝前平均含量最高，坝尾最低，从坝尾到坝前呈显著增加趋势（<0.05），增幅约14%（表2）。沙粒体积分数最大值为58.61%，最小值仅19.35%，平均值为33.46%～41.06%，坝尾平均含量最高，坝前最低，从坝尾到坝前呈显著下降趋势（<0.05），下降幅度近20%（表2）。

从表2可以看出，黏粒除坝中后位置外，不同位置变异系数较大，粉粒变异系数普遍较小，沙粒变异系数介于黏粒和粉粒的变异系数之间。对比表2与表1，可以看出，坝地不同位置不同粒径的变异程度都大于其在整个坝地的平均变异程度，说明每个剖面中不同沉积旋回的泥沙粒径组成变化较大。如果不考虑坝地位置的差异，就整座4号坝来看，黏粒、粉粒和沙粒的平均含量分别为4.66%、58.78%和36.56%，变异系数分别为30.26%、9.38%和17.12%（表3）。按照变异程度强弱的划分，坝地沉积泥沙中黏粒和沙粒均为中等变异，粉粒为弱变异。这与坝地泥沙主要以粉粒为主、黏粒含量所占比例太小有关。

表2 淤地坝不同位置剖面中土壤粒径组成的统计值

Tab.2 Statistical values of soil particles from sediment with different spatial locations in check dam

表3 淤地坝沉积层不同泥沙粒径含量的统计值

Tab.3 Statistical values of soil particles in sediment cycles with different profiles in check dam

为分析坝地不同空间位置泥沙粒径的差异，比较了各取样点7个泥沙沉积层的中值粒径（D50）。经计算，关地沟4号坝坝尾、坝中后、坝中前和坝前泥沙的中值粒径分别为0.046、0.043、0.042和0.040 mm，表明从坝尾到坝前其粒径组成有逐步变细的趋势，也即在单个坝内的泥沙沉积过程中，大部分粗颗粒泥沙沉积在坝尾，越到坝前粗颗粒泥沙沉积的越少（表2）。这一特征与毕银丽等[26]在安塞坊塌沟和大东沟小流域淤地坝的研究结论是一致的。此外，一些学者还分析了坝尾沉积泥沙沙性较大、粒径较粗的原因，认为与其首先拦截粗颗粒，以及受重力和水流挟沙力的综合影响，大颗粒被输送的距离较短有关[1,22,27]。

为更好地揭示坝地自坝尾到坝前泥沙粒径的粗化程度，计算了坝地不同位置土壤粗化度（沙粒含量与粉粒和黏粒含量之和的比值），土壤粗化度值越大，粗颗粒在土壤机械组成中越多，反之越少。

关地沟4号坝土壤粗化度变化范围为0.50～0.70，平均值为0.58，按照粗化度大小，依次是：坝尾>坝中后>坝中前>坝前。从坝尾到坝前，土壤粗化度呈显著下降趋势（<0.05）（图5）。惠波等[29]研究得出王茂沟坝地土壤粗化度在0.27～0.58，平均值为0.44，坝前＜坝后＜坝中，与我们的结论不同，这可能与惠波等的分层采样方法不同有关，后者是按照10 cm的深度分层，而不是按照泥沙沉积旋回进行分层。

图5 淤地坝不同位置土壤粗化度的变化趋势

3 结 论

通过对黄土丘陵区小流域典型淤地坝泥沙沉积层厚度和粒径组成的测量与分析，得出了坝地洪水泥沙沉积的再分布特征：

1）坝地次洪水泥沙运移、沉积过程为非均匀分布，早期泥沙沉积层厚度起伏变化较大，随着沉积厚度的增加，后期沉积泥沙的淤积面有逐渐趋平的倾向。大水大沙下，坝地淤积层厚度大，差异也大，水沙较小时，淤积厚度和差异较小。泥沙沉积厚度与土壤颗粒组成之间没有相关性。

2）坝地泥沙以粉粒为主（平均含量为58.78%），其次为沙粒（平均为36.56%），黏粒含量最小（仅4.66%）。在坝地不同位置的垂直剖面中，各沉积旋回层的黏粒、粉粒和沙粒含量的变化较小，表明各场次洪水泥沙粒径组成没有明显变化。个别沉积层粒径构成的突变与洪水性质有关，对大暴雨和洪水有一定的时标指示作用，结合降水、产沙、地形等资料，有助于揭示坝地水沙动力变化过程与特征。

3）在坝地不同空间位置，泥沙颗粒组成发生了一定程度的分选，坝尾的粗颗粒泥沙含量显著大于坝中和坝前。从坝尾到坝前，土壤质地粗化度显著下降，土壤粒径组成呈逐步细化的趋势。

本文仅研究了一座典型坝地泥沙沉积层厚度和粒径分布的变化特征，要更好地认识坝地泥沙沉积过程与再分布规律，还有待于更多对比性研究的开展和深化。

[1] 陈永宗，朱同新，张勋昌，等. 晋西离石县王家沟流域坝地淤积物岩性特征分析[C] //山西省水土保持研究所，等.中国-加拿大晋西黄土高原土壤侵蚀实验规律研究文集. 北京：水利电力出版社，1990，126－133. Chen Yongzong, Zhu Tongxin, Zhang Xunchang, et al. An analysis on the features of the dam-sediment in Wangjiagou catchment, Lishi County, Shanxi Province[C] //Institute of soil and water conservation in Shanxi Province et. al. China-Canada soil erosion experiment research on west Shanxi Loess Plateau. Beijing: Resources and Electric Power Press, 1990. pp. 126－133. (in Chinese with English Abstract)

[2] Zhang X, Walling D E, Quine T A, et al. Use of reservoir deposits and caesium-137 measurements to investigate the erosional response of a small drainage basin in the rolling loess plateau region of China[J]. Land degradation and development, 1997, 18(1): 1－16.

[3] Zhang X, Walling D E, He X, et al. Use of landslide-dammed lake deposits and pollen tracing techniques to investigate the erosional response of a small drainage basin in the Loess Plateau, China, to land use change during the late 16th century[J]. Catena, 2009, 79(3): 205－213.

[4] 文安邦，张信宝，沃林D E. 黄土丘陵区小流域泥沙来源及其动态变化的137Cs法研究[J]. 地理学报，1998，53(增刊1)：124－133. Wen Anbang, Zhang Xinbao, Walling D E. A study on soil erosion rates and sediment sources using caesium-137 technique in a small drainage of the Loess Hills[J]. Acta Geographica Sinica, 1998, 53(Supp.1): 124－133. (in Chinese with English Abstract)

[5] 李勉，杨剑锋，侯建才，等. 黄土丘陵区小流域淤地坝记录的泥沙沉积过程研究[J]. 农业工程学报，2008，24(2)：64－70. Li Mian, Yang Jianfeng, Hou Jiancai, et al. Sediment deposition process for a silt dam in a small watershed in Loess Hilly Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(2): 64－69. (in Chinese with English Abstract)

[6] 张风宝，薛凯，杨明义，等. 坝地沉积旋回泥沙养分变化及其对小流域泥沙来源的解释[J]. 农业工程学报，2012，28(20)：143－149. Zhang Fengbao, Xue Kai, Yang Mingyi, et al. Variations of sediment nutrient in check dam and its implication for small catchment sediment resources[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 143－149. (in Chinese with English Abstract)

[7] 薛凯，杨明义，张风宝，等. 利用淤地坝泥沙沉积旋廻反演小流域侵蚀历史[J]. 核农学报，2011，25(1)：115－120. Xue Kai, Yang Mingyi, Zhang Fengbao, et al. Investigating soil erosion history of a small watershed using sediment couplet in a dam[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2011, 25(1): 115－120. (in Chinese with English Abstract)

[8] Zhao Guangju, Klik Andreas, Mu Xingmin, et al. Sediment yield estimation in a small watershed on the northern Loess Plateau, China[J]. Geomorphology, 2015, 241: 343－352.

[9] Li Y, Poesen J, Yang J, et al. Evaluating gully erosion using137Cs and137Cs/210Pb ratio in a reservoir catchments[J]. Soil and Tillage Research , 2003, 69(1-2): 107－115.

[10] 魏霞，李占斌，沈冰，等. 陕北子洲县典型淤地坝淤积过程和降雨关系的研究[J]. 农业工程学报，2006，22(9)：80－84. Wei Xia, Li Zhanbin, Shen Bing, et al. Depositing process of check dams on loess plateau in Northern Shaanxi Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(9): 80－ 84. (in Chinese with English Abstract)

[11] 李勇，白玲玉. 黄土高原淤地坝对陆地碳贮存的贡献[J]. 水土保持学报，2003，17(2)：1－4. Li Yong, Bai Lingyu. Variations of sediment and organic storage by check-dams of Chinese Loess Plateau[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(2): 1－4(in Chinese with English Abstract)

[12] Li Xungui, Wei, Xia, Wei Ning. Correlating check dam sedimentation and rainstorm characteristics on the Loess Plateau, China[J]. Geomorphology, 2016, 265: 84－97

[13] Zhang Luan, Shi Changxing, Zhang Hao. Effects of check- dams on sediment storage-release in ChabagouWatershed [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 64－69

[14] Romero-Díaz A, Alonso-Sarriá F and Martínez-Loris M. Erosion rates obtained from check-dam sedimentation (SE Spain). A multi-method comparison[J]. Catena, 2007, 71(1): 172－178.

[15] Bellina N, Vanackera V, Wesemaela V B, et al. Natural and anthropogenic controls on soil erosion in the Internal Betic Cordillera (southeast Spain) [J]. Catena, 2011, 87(2): 190－200.

[16] Nichols M H, Nearing M A, Polyakov V O, et al. A sediment budget for a small semiarid watershed in southeastern Arizona, USA[J]. Geomorphology, 2013, 180－181(1): 137－145.

[17] Boardman J, Foster I D L. The potential significance of the breaching of small farm dams in the Sneeuberg region, South Africa[J]. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11(8): 1456－1465.

[18] Simms A D, Colin W, Brian G J, et al. Use of210Pb and137Cs to simultaneously constrain ages and sources of post-dam sediments in the Cordeaux reservoir, Sydney, Australia[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2008, 99(7): 1111－1120.

[19] Polyakov V O, Nichols M H, McClaran M P, et al. Effect of check dams on runoff, sediment yield, and retention on small semiarid watersheds[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 69(5): 414－421.

[20] Carolina Boix-Fayos, Vente J D, Martínez-Mena M, et al. The impact of land use change and check-dams on catchment sediment yield[J]. Hydrological Processes, 2008, 22(25): 4922－4935.

[21] Virginia Díaz, Jorge Mongil, Joaquín Navarro. Topographical surveying for improved assessment of sediment retention in check dams applied to a Mediterranean badlands restoration site (Central Spain)[J]. Journal of Soils and Sediments, 2014, 14(12): 2045－2056

[22] 王治国，胡振华，段喜明，等. 黄土残塬区沟坝地淤积土壤特征比较研究[J]. 水土保持学报，1999，5(4)：22－27. Wang Zhiguo, Hu Zhenhua, Duan Ximing, et al. Comparative research on soil characteristics of damland in broken loess plateau region. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation[J], 1999, 5(4): 22－27. (in Chinese with English Abstract)

[23] 颜艳，岳大鹏，李奎，等. 1953-2010年黄土洼天然淤地坝内洪水沉积物粒度旋回特征[J]. 水土保持通报，2014，34(6)：349－354.Yan Yan,Yue Dapeng, Li Kui, et al. Grain size cycle characteristics of flood sediments at Loess depression check dam during 1953-2010[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation. 2014, 34(6): 349－354. (in Chinese with English Abstract)

[24] 汪亚峰，傅伯杰，陈利顶，等. 黄土高原小流域淤地坝泥沙粒度的剖面分布[J]. 应用生态学报，2009，20(10)：2461－2467.Wang Yafeng, Fu Bojie, Cheng Liding, et al. Profile distribution of sedim ent particle sizes at a check dam in a small watershed of Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(10): 2461－2467. (in Chinese with English Abstract)

[25] 张玮，杨明义，张风宝，等. 黄丘区小流域坝地沉积泥沙粒径剖面分布特征[J]. 水土保持研究，2015，22(2)：17－21. Zhang Wei, Yang Mingyi, Zhang Fengbao, et al. Profile distribution of particle size of sediment at a check dam in a small watershed of the Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2015, 22(2): 17－21. (in Chinese with English Abstract)

[26] 毕银丽，王百群，郭胜利，等. 黄土丘陵区坝地系统土壤养分特征及其与侵蚀环境的关系Ⅱ: 坝系土壤粒径分布及各粒径的养分状况[J]. 水土保持学报，1997，3(4)：37－43. Bi Yinli, Wang Baiqun, Guo Shengli, et al. Characteristic of soil nutrient in dam system and its relation with erosion environment in the Loess Hilly Region: Particles distribution and its nutrient condition in dam system soil[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1997, 3(4): 37－43. (in Chinese with English Abstract)

[27] 王云强，张兴昌，韩凤朋. 黄土高原淤地坝土壤性质剖面变化规律及其功能探讨[J]. 环境科学，2008，29(4)：1020－1026. Wang Yunqiang, Zhang Xingchang, Han Fengpeng. Profile variability of soil properties in check dam on the Loess Plateau and its functions[J]. Environmental Science, 2008, 29(4): 1020－1026. (in Chinese with English Abstract)

[28] Wang Y F, Chen L D, Fu B J, et al. Check dam sediments: an important indicator of the effects of environmental changes on soil erosion in the Loess Plateau in China[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186: 4275－4287.

[29] 惠波，李鹏，张维，等. 王茂沟流域淤地坝系土壤颗粒与有机碳分布特征研究[J]. 水土保持研究，2015，22(4)：1－5.Hui Bo, Li Peng, Zhang Wei, et al. Distribution characteristics of soil particles and organic carbon on check-dam system in Wangmaogou watershed[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2015, 22(4): 1－5. (in Chinese with English Abstract)

[30] 李勋贵，李占斌，魏霞. 黄土高原淤地坝坝地淤积物两个重要物理特性指标研究[J]. 水土保持研究，2007，14(2)：218－220，223.Li Xungui, Li Zhanbin, Wei Xia. Two key physical characteristics indexes of farmland sediment for check dams in Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2007, 14(2): 218－220, 223. (in Chinese with English Abstract)

Characteristics of sediment deposition in check dam in small watershed in Loess Hilly Area

Li Mian1, Yang Er1, Li Ping2, Bao Hongzhe1, Li Li1, Shen Zhenzhou1, Jiao Peng1

(1.450003,;2.718000,)

As one of engineering measures for conserving soil and water, many check dams have been constructed on the Loess Plateau and played important roles in holding back eroded soil just like sediment ponds. Meanwhile, a lot of information on the erosion and sediment yield is recorded and preserved in the check dams. Understanding the sedimentary characteristics is an essential prerequisite for studying the sediment transport processes and laws for a watershed with check dams. A typical check dam without spillway located in the top of a branch gully in the Wangmaogou watershed in the Loess Hilly Area was selected for this study. In the check dam, 8 open test pits with a depth of 1.5-2.0 m were dug in the longitudinal section and cross section. The boundaries between sedimentation cycles were obvious, and the thickness of each sedimentary cycle and plough layer was measured. A total of 108 soil samples were collected from the 8 open test pits in the check dam. The plough layer was divided into upper (0-20 cm) and lower layers (below the depth of 20 cm). The soil samples were analyzed with the laser diffraction technique using a Mastersizer 2000 laser particle size analyzer, and the soil particle size fractions were determined. Based on the investigation on the sedimentary cycle thickness and particle size composition changes in different deposition profiles in the check dam in the study watershed, the redistribution characteristics of sediment deposition of each flood in the dam were studied. The results showed that the sediment deposition process in the dam had non-uniform distribution, and the differences of the sedimentary cycle thickness in both the longitudinal section and the cross section were obvious, and the fluctuation of early sedimentary cycle thickness was larger than that in the late years. When the rainstorm and sediment yield were large, the sediment thickness was larger and the difference was also large. On the contrary, the sediment thickness and the difference were relatively small. Thus, there was no relationship between the sediment thickness and the soil particle composition in the check dam. The average contents of clay, silt and sand were 4.66%, 58.78% and 36.56%, respectively, and the silt was the main sand size. The change of clay, silt and sand content in each vertical section in the dam was little, but in different locations in the check dam, the size classification occurred. From the tail to the head of the check dam, soil coarsening degree decreased significantly, and the soil particle size composition showed a gradual trend of fining. The mutations of particle size composition occurred in several sedimentary cycles, which had the indicative function on the occurrence of big rainstorm and flood. Combined with precipitation, sediment, topography in this watershed, it can help to reveal the dynamic processes of the flood. To better understand the sediment deposition process and distribution, more research is needed.

soils; sediments; check dam; sedimentary cycle; soil texture; Loess Hilly Area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.022

S157.2

A

1002-6819(2017)-03-0161-07

2016-05-12

2016-09-26

国家自然科学基金（41371284）

李 勉，男，河南焦作人，教授级高级工程师，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究. 郑州黄河水利科学研究院，450003。Email：hnli-mian@163.com

李 勉，杨 二，李 平，鲍宏喆，李 莉，申震洲，焦 鹏.黄土丘陵区小流域淤地坝泥沙沉积特征[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：161－167. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.022 http://www.tcsae.org

Li Mian, Yang Er, Li Ping, Bao Hongzhe, Li Li, Shen Zhenzhou, Jiao Peng.Characteristics of sediment deposition in check dam in small watershed in Loess Hilly Area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 161－167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.022 http://www.tcsae.org