西柳沟丘陵区土壤组成及对流域产沙的影响

王普庆 侯素珍

摘 要：为进一步了解和认识不同地貌单元组成土壤对流域产沙的影响，选择西柳沟为典型流域，针对地表物质分布开展现场调研取样，分析西柳沟丘陵区坡面土壤组成以及不同土壤产沙对流域输沙的影响。运用泥沙动力学理论，利用河道断面资料和泥沙参数，结合流域的洪水输沙特性，求出相应条件下西柳沟流域出口段河流悬沙上限粒径值为0.12 mm。在一般洪水条件下，西柳沟丘陵地区粗骨土、栗钙土进入黄河的比例分别为18%、20%。

关键词：西柳沟;土壤组成;颗粒分析;产沙

中图分类号：P333;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.001

Abstract： In order to further understand the influence of different geomorphic units to the sediment yield of watersheds， Xiliugou was selected as a typical watershed for field survey on the distribution of superficial substances to analyze the slope soil grain sizes in the gullied Rolling loess area of Xiliugou and the influence of different soils to the sediment yield of watersheds. Based on the dynamic theory of sediment， the river section and sediment data， combined with the sediment transport characteristics in floodwater of the watershed， the maximum grain size of river suspended sediment is 0.12 mm under corresponding conditions through calculation. Under the normal conditions of flood flow of 3 300 m3/s with a sediment concentration of 600 kg/m3， about 20% of skeletal soil，18% Chestnut soil and 6.8% sand of the Xiliugou tributary are carried into the Yellow River by flood.

Key words： Xiliugou; soil grain size; grain analysis; sediment yield

西柳溝是鄂尔多斯高原上的“十大孔兑（孔兑为蒙语，即山洪沟）”之一，位于内蒙古河套平原的中部，发源于鄂尔多斯市东胜区，是黄河的一级支流（见图1），流域总面积1 356.43 km2。地势南高北低，相对高差为500 m，上陡下缓，河道平均比降为0.36%。河道地形地貌从南向北呈现不同特征，南部（上游）为丘陵沟壑区，面积876.30 km2，水力侵蚀比较严重;中游为库布齐沙漠风沙区，面积280.70 km2;下游为沿黄平原区，面积为199.43 km2。这样的地貌格局和地表物质分布特征形成了特有的泥沙侵蚀和输移模式：上游为水力作用下的高含沙水流主导区;中游沙漠区河段为风力作用主导区，区域内泥沙通过风力作用被搬运至床面;下游为泥沙输移与沉积区。

大量研究成果[1-2]表明，孔兑洪水泥沙对干流影响深远。同时，孔兑洪水骤涨骤落、含沙量高度集中输移的特点，极易在干支流交汇处大量淤积形成沙坝阻塞黄河，带来严重灾害。因此，正确认知孔兑洪水泥沙的来源，科学合理地调控洪水和泥沙，实现洪水和泥沙资源化，对于流域综合治理和区域经济发展具有重要的意义。

坡面和沟道来沙是河流泥沙的主要来源，经过水土保持生态治理措施的实施，坡面土壤侵蚀已得到有效控制。依据部分小流域的土壤侵蚀资料分析[3]，从20世纪90年代到2010年，坡面和沟道侵蚀产沙比分别为70%、80%，沟道侵蚀作为流域产沙的主要来源呈增大趋势，流域不同位置对流域产沙的贡献也不同。另外，人类活动相对频繁的道路、排水沟等也是河流泥沙的重要来源和泥沙输送的重要通道。尽管沟道侵蚀量在不断增大，但坡面侵蚀依然是沟道侵蚀的初始来源地，研究坡面土壤组成及其对河流泥沙的贡献一直是人们关注的主要问题，这对于调整土地利用方式及流域规划是十分有意义的。

1 丘陵区不同土壤分布及粒配

西柳沟流域位于十大孔兑中部，水文气象、洪水泥沙和地质地貌资料比较齐全，流域地形地貌特征、表层土壤组成与其他孔兑也相似，在水力侵蚀和风力侵蚀等方面具有一定的代表性，故把西柳沟流域作为典型流域进行研究。

1.1 地表土壤分布

西柳沟流域地貌类型复杂多样，依据地貌发育的内外营力及地表形态特征，可以把西柳沟丘陵区划分为盖土砒砂岩区、盖沙砒砂岩区和裸露砒砂岩区3个地貌类型区。土壤主要是由砒砂岩衍生而形成的栗钙土、粗骨土、风沙土和其他类型土[4-5]。

图2为依据遥感图像解析的西柳沟表层土壤分布情况，自下而上分布有草原风沙土、新积土、栗钙土、淡栗钙土、粗骨土、潮土6类土壤（见表1）。草原风沙土位于西柳沟流域的中游和上游，占西柳沟流域面积的16%，其中上游部分为流域发源地，形似哑铃，横向长5.5～6.0 km;栗钙土分布于流域干流两侧，占流域面积的53.7%，属于水力侵蚀的主要区域;粗骨土分布于流域中上游两侧，呈南北长、东西窄的带状形态，覆盖了西柳沟大部分支流的上游，再加上该区域植被覆盖率较低，荒坡面积大，属于水力侵蚀强度最大的地区。

1.2 不同土壤粒配

1.2.1 取样位置和方式

大量研究成果[6-7]表明，侵蚀泥沙主要来源于沟谷地坡面、沟道。对于坡面沙样选取，可以参考土壤分布图预定的位置，并结合现场情况，根据洪水痕迹确认沟坡和沟床坡面，由于土壤本身存在着空间分布的不均一性，因此为使沙样更好地反映区域土壤性状，采样点选择应遵从影响土壤侵蚀发生、发展的主要条件的相似性原则、地貌部位相似性原则、侵蚀方式一致性原则，同时注意采样点避开田边、沟边、路边等。

取样线路采用蛇形分布，布点做到尽量均匀和随机。采用混合样品采集布点方法，以块地为单位多点取样，然后再混合成一个混合样品，取样深度为0～20 cm。

1.2.2 土壤粒配

考虑不同地表土壤组成，按照取样位置和方式的要求，分别在西柳沟东岸的支沟艾来五库沟、昌汉沟及西岸的马利昌汉沟等处取样，编号依次为D1～D7（见图2）。图3为各沙样粒配组成曲线，其中风沙土组成最粗，中值粒径为1.10 mm（见表2），其次为编号D4的栗钙土，中值粒径为0.42 mm，最细的为编号D7的粗骨土，中值粒径为0.09 mm，土壤粒径组成并不完全取决于其分类组成，而是与其所处的地理位置和土层深度有关。将丘陵区同一类型土壤的沙样合并后得到不同土壤的分组粒径含量（见表3），总体看，风沙土粒配组成最粗，栗钙土次之，粗骨土相对较细。丘陵区内栗钙土、粗骨土、草原风沙土三者合计占95.3%，是主要的水力侵蚀区，也是对流域产沙影响最大的区域，是本文研究的重点。

2 孔兑洪水特性

“十大孔兑”虽然为季节性河流，但是其地貌格局和地表物质分布组成对高含沙水流的形成和风水两相的侵蚀—泥沙搬运作用影响很大，因此形成了特有的泥沙侵蚀和输移模式。

在洪水泥沙方面，文献[8]统计了西柳沟龙头拐站1960—1990年洪水流量和沙量的多年变化，在这31 a中，最大洪峰流量为6 940 m3/s，最大含沙量为1 550 kg/m3，其中有12 a的最大含沙量超过1 000 kg/m3，场次洪水平均含沙量为580 kg/m3。文献[8]对于西柳沟部分场次洪水特征值进行了统计，而且多数场次洪水过程历时较短（不超过24 h）。

为分析洪水泥沙组成，借助发源于砒砂岩地区的皇甫川洪水泥沙测验资料，点绘了皇甫川洪水泥沙悬沙中值粒径与含沙量的关系（见图4），可看出洪水挟带的泥沙粒径随含沙量的增大而增大[9]，中值粒径可以达到0.3 mm。

在孔兑河床淤积物组成方面，根据西柳沟河床淤积物沙样粒配分析，结果显示床沙组成沿程细化[1]。上游河段床沙组成偏粗，随着河床的不断淤积抬升，到下游平原河段则细颗粒泥沙偏多，泥沙中值粒径从上游的2 mm减小到下游的0.157 mm，这显然是高含沙洪水沿程淤积分选的结果。综合以上分析，孔兑洪水具有洪峰流量大、含沙量高、历时短的基本特征。在悬沙组成方面，粒径随含沙量的增大而增大，在河床淤积物组成方面表现为沿程细化。

3 流域泥沙来源分析

3.1 泥沙来源研究现状

砒砂岩不同侵蚀类型区小流域泥沙来源的研究主要体现在两方面：一为物源说，即泥沙的来源问题;二是贡献率问題，即水力和风力侵蚀沙量占比及对黄河的影响。王晓[10]对砒砂岩不同侵蚀类型区小流域泥沙来源的分析表明，泥沙主要来源于沟谷地;杨明义等[11]应用137Cs研究了安塞纸坊沟流域的泥沙来源，表明小流域泥沙主要来源于沟谷;张胜利[12]认为只有风蚀、水蚀交错地区才是强烈侵蚀产生粗泥沙的中心;史学建等[13]对比分析了黄河中游皇甫川等流域河流粗泥沙含量和平均粒径的年内变化规律，认为流域内基岩产沙对河流泥沙贡献不大，悬移质中的粗泥沙主要来源于风沙区。

关于孔兑泥沙入黄贡献率的研究成果相对有限，文献[1，13]从不同的角度较全面地分析阐述了小流域泥沙来源。文献[1]利用床沙矿物成分分析、断面分析等方法来推算西柳沟与孔兑总输沙量，从而得到孔兑输沙量中沙漠沙的占比，整体上十大孔兑沙漠沙的贡献率接近20%，其他80%则来自丘陵地区的沟道、坡地等。文献[14]利用137Cs估算出流域内各类用地单元的平均侵蚀模数，再与相应的面积相乘，得到整个小流域的多年平均侵蚀量，从而获得流域泥沙的主要来源，结果表明对流域产沙贡献最大的是荒坡地和沙地，两者占比达76%，与文献[1]得出的结论接近。综上所述，西柳沟流域泥沙来源约20%来自中游的库布齐沙漠，其余来沙则来源于荒坡、沟道等，然而针对不同土壤的坡面产沙对黄河干流的影响目前尚无具体的结论性成果。

3.2 泥沙输移理论分析

考虑到孔兑下游属于平原地区宽浅河道，符合多沙河流输水输沙的基本规律，依据泥沙动力学相关理论，应用多沙河流输沙平衡计算方法[15]，可推求流域产沙后进入黄河干流的沙量。式（1）为维持河流悬沙不淤的最小流速公式，该式经大量水槽试验及渠道、河道实测资料验证，表明该式用于计算明渠高含沙水流挟沙力有一定普遍意义，由于验证资料包含侵蚀强烈的黄土丘陵地区，因此可用于孔兑地区河道高含沙水流。应用此式，结合河道断面水力要素和泥沙参数，可求出相应条件下悬沙上限粒径，进一步估算孔兑进入黄河干流的泥沙量。

当河流处于输沙平衡状态时，水流含沙量与水流挟沙力相同。依据西柳沟平原区河段的过流断面情况，应用式（1）～式（5）可得到不同含沙量条件时洪水流量与悬沙粒径的关系（见图5）。参照平原河段设防标准为20 a一遇的洪水流量（约3 300 m3/s）及多年平均含沙量（600 kg/m3），与上述水沙条件对应的悬沙上限粒径值为0.12 mm（见图5），即大于该粒径的悬沙将会在河床上沉积[16]。按照该粒径计算，结合表3粒配资料，得到西柳沟孔兑约有15%的粗骨土、17%的栗钙土、6.8%的风沙土进入黄河。

结合西柳沟历史洪水情况，将流量2 000 m3/s和7 000 m3/s分别作为中小洪水和极端特大洪水情况考虑，对应洪水含沙量变化范围通常为300～1 000 kg/m3。由图5可以查取孔兑流域出口断面的粒径，其中，中小洪水时孔兑出口断面的粒径为0.113～0.115 mm，与该粒径对应的粗骨土、栗钙土、风沙土含量分别为13.5%、16.0%、7.5%;特大洪水时，孔兑出口断面的粒径为0.128～0.14 mm，对应的粗骨土、栗钙土、风沙土含量分别为22%、25%、8.2%。将两类洪水产沙的情况平均后可得到粗骨土、栗钙土、风沙土含量分别约为18%、20%、7.9%。因此，一般情况下，西柳沟丘陵地区在水力侵蚀条件下，占比份额较大的粗骨土和栗钙土进入黄河的沙量大约不超过侵蚀总量的20%。

4 结 语

泥沙从侵蚀到沉积是一个复杂的过程，通过对西柳沟流域实地查勘、取样、测试、分析计算，针对不同地貌单元的土壤组成，分析计算了西柳沟流域不同地貌单元的粒配组成。结合流域的洪水输沙特性及泥沙动力学理论，应用河道断面资料和泥沙参数，求出相应条件下河流悬沙的上限粒径，在洪水流量为3 300 m3/s、含沙量为600 kg/m3时，对应悬沙上限粒径值为0.12 mm。西柳沟约有15%的粗骨土、17%的栗钙土和6.8%的风沙由洪水挟带进入黄河。在其他洪水条件下，西柳沟丘陵地区粗骨土、栗钙土进入黄河的含量分别约为18%、20%。

西柳沟流域是典型的风水两相作用地区，由于流域内地形地貌复杂，支流众多，再加上缺乏系统的洪水水文泥沙资料，因此目前条件下精确定量计算流域产沙情况比较困难。本文旨在通过不同的思路探讨孔兑泥沙来源，并为其他类似条件下的泥沙输移计算提供理论参考和技术途径。

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【责任编辑 翟戌亮】