示蹤技術在流域泥沙研究中的應用

1、示蹤技術在流域泥沙研究中的應用2.3指紋法確定泥沙來源最初指紋法的應用是基于對單一診斷指紋參數(shù)的定性解釋。但單一診斷參數(shù)在應用中存在以下兩個問題：一是單一參數(shù)往往難以完全獲得，另一個是非源地泥沙的混合將影響結果的精度。因此，在最近十來年中，人們傾向于用幾個診斷特性復合的組合指紋法，可以減少非源地泥沙混合的影響和區(qū)分范圍更大的泥沙潛在來源。當然，方程(1)只是最根本的表達式，可以根據(jù)需要進展泥沙的粒度、有機質含量等的校正。利用組合指紋法的原理，ffins35、alling等36研究了英國幾條河流中懸浮泥沙的來源。llins等通過采集不同季節(jié)和洪水事件的不同時刻的懸浮泥沙樣，確定Exe河和Seve

2、rn河流域三大主要地質地層區(qū)對泥沙奉獻的空間定量變化。alling等研究了19941997年這一時段內use河及其主要支流harfe河懸浮泥沙的來源，他通過建立不同支流的指紋特性，確定了不同土地利用類型的表層土與河岸侵蝕、不同地質地層區(qū)對各支流泥沙的奉獻，同時還得到各支流對干流泥沙的奉獻。這種方法的優(yōu)點是能定量解決大流域內泥沙的起源信息；缺點是河流泥沙樣的采集特別是人工采集很難代表流域內泥沙的整個變化過程，特別是洪水時期河流泥沙特性顯著變化，正確確定采樣的次數(shù)和采樣時間間隔是個非常關鍵的問題。2.4泥沙來源歷史變化及其包含的環(huán)境信息過去不同時期內泥沙的來源包含著許多自然環(huán)境和人為環(huán)境的歷史變化

3、信息，而過去時段內的泥沙來源又不可能用上述現(xiàn)場取河水泥沙樣的方法來確定，同時長時期的泥沙連續(xù)監(jiān)測、測量也是不可能的。因此，能否找到穩(wěn)定的泥沙沉積物，利用儲存在沉積物中的信息確定泥沙沉積的年代和泥沙來源的時間變化是解決這一問題的關鍵。在河道系統(tǒng)中輸送的泥沙一般有兩個重要的沉積地點：河漫灘和河床。一般來說，細粒泥沙在河床中儲存的時間很短，很可能不到一年時間又重新被啟動、運移，而河漫灘上沉積的泥沙儲存的時間卻長的多，可以達1001000年。ens等37比擬了蘇格蘭Teed河主要河道系統(tǒng)中泥沙在河漫灘和河床中細粒泥沙的沉積量后發(fā)現(xiàn)，兩者的沉積量分別占年細泥沙輸移量的40和4，而alling等38認為英

4、國use河和harfe河的溢岸泥沙分別為39和49，而兩者的河床中儲存的泥沙只占總量的10和8。由此可見，河漫灘沉積為河道泥沙輸送損失的一個重要場所，且沉積以后相對穩(wěn)定，研究河漫灘沉積物的來源可以明確河流泥沙來源的歷史變化。過去泥沙來源的信息可以用組合指紋法和核素示蹤法相結合來確定，即利用137s、210Pbex等核素確定泥沙沉積的年代，然后利用指紋法確定不同時期沉積的泥沙來源。如ens等39測定了use河及其三個主要支流泥沙剖面中137s和210Pbex的剖面分布特征，根據(jù)137s和210Pbex的記年原理，確定泥沙的沉積年代和自1963年以來30余年來和自19世紀末20世紀初以來100年的

5、泥沙沉積速率，雖然河漫灘橫斷面沉積速率的空間變化較大，但表現(xiàn)出隨離河床間隔 的增大而減小的趨勢，某一橫斷面的沉積速率可以用其平均值來表示。ens發(fā)現(xiàn)同一地點30年與100年的平均沉積速率非常近似，說明過去100年來和懸浮泥沙通量沒有發(fā)生重大變化；然后在流域內適當取樣，測定土樣和泥沙樣的各種物理和化學特性，按照前面所述的組合指紋法，用數(shù)學混合模型求解，得到19世紀末20世紀初至1960年的泥沙主要來自表層土，最近幾十年來底層土和河道侵蝕產生的泥沙奉獻率增大的結論。因此根據(jù)泥沙來源的歷史變化，可以推斷流域內的土地質亞區(qū)在不同時期對各河流泥沙的奉獻率也可定量地表達出來，結合各地質亞區(qū)在流域內的利用及

6、土地管理措施的歷史變化，而通過對流域土地利用與管理歷史的調查，可以評價環(huán)境變化對流域產沙的影響。llins等40也對英國的其他河流的泥沙信息作了相似的研究。他利用137s的記年結果，估算了河漫灘的平均沉積速率并將此結果加以外推，同時利用組合指紋法得到了Exe河和Severn河流域55年和100年來各個年代各種地質亞區(qū)對相對泥沙奉獻率的動態(tài)變化，這種變化受內因如極端水文事件和外因如土地利用變化的控制。沉積泥沙源地類型及空間變化所包含的豐富的環(huán)境信息，為預測和建立合理的水保設施提供了科學基矗但上述方法也存在一些問題：如ens的研究中認為百年來河流泥沙通量沒有變化，由于泥沙輸送過程的復雜性，并不能說

7、明上游侵蝕速率沒有發(fā)生重大變化；30年與100年來沉積速率相似也許因為兩個時間段并不是排擠的，100年也包括了1963年以來的30余年，某一短時期內由于單個洪水事件沉積速率突然變化，多年平均沉積速率并不能反映；另外，llins的沉積速率外推結果也存在一定的問題，雖然能比擬細致地反映泥沙來源的歷史變化，但由于沉積速率的外推結果不一定準確，由此得到的年代的精度值得商榷。同樣，湖泊沉積物通常因保存著自然變化、人類擾動等的信息而成為環(huán)境變化的歷史記錄者。入湖泥沙的沉積速率用核素記年方法確定，并推算流域的產沙量，以此評價人類擾動作用的影響。3新方法需解決的問題及應用前景長時間尺度的環(huán)境變化對土壤侵蝕、泥

8、沙產量的影響可以用第四紀研究方法來解決，但百年來或最近幾十年來環(huán)境變化的侵蝕效應，卻難以用第四紀研究方法解決。210Pbex、137s核素示蹤技術與組合指紋法能明確近代泥沙在流域中的分配狀況、重建泥沙通量及泥沙來源的歷史信息，為侵蝕環(huán)境治理重點的選擇提供科學根據(jù)。但目前還需進步核素示蹤技術的精度，如應注意核素分布的空間分異性，正確采樣并確保樣品具有統(tǒng)計學意義；利用核素建立泥沙剖面的年代時，要考慮各種因素引起的誤差，并用幾種確定年代學方法互相驗證；泥沙沉積速率的計算應考慮顆粒校正和壓實校正；可以用核素示蹤泥沙來源與組合指紋法確定泥沙來源相結合，進步可信度；進一步分析流域侵蝕環(huán)境變化與泥沙來源、產沙量變化之間的關系，建立影響因子如土地利用變化、氣候變化、構造運動等與結果之間的半定量關系，分析各因子的相對重要性，對現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境建立的決策具有重要的意義。我國黃土區(qū)由于其特殊的降雨、地貌條件，從長期來看，流域侵蝕與產沙根本到達平衡，泥沙輸移比約等