黄河乌兰布和沙漠段不同区域入黄沙物质粒度特征及其来源分析

郭建英，李锦荣，陈新闯，董 智，田世民，田秀民

（1.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020；2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；3.山东农业大学 林学院，山东 泰安 271018；4.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

1 研究背景

黄河河道淤积一直是制约黄河流域生态保护和高质量发展的首要因素，其中风沙入黄是河道淤积的主要因素之一，尤其黄河上游宁蒙河段是风沙入黄的主要发生区域，河东沙地、乌兰布和沙漠和库布奇沙漠中易被搬运侵蚀的沙物质直接或间接输入黄河河道，其中石嘴山—巴彦高勒段的年均风沙入黄量高达9.31×106t/a，严重制约黄河流域可持续发展及区域生态安全［1-2］。乌兰布和沙漠黄河段分布有较大面积的新月形流动沙丘，且沙丘逐年向黄河移动，在移动过程中致使大量风积沙输送到黄河，每年输送约2800万～6000万吨，是单位长度内输沙量较高的区域之一［3］。对于乌兰布和沙漠的研究一直是区域生态治理的重点和热点，研究集中于区域土地利用变化、生物群落特征、入黄沙量的估算、风沙活动特征、沙丘治理方法等［4-16］，均对区域生态监测和治理提供了一定的理论基础。目前针对该地区及黄河流域的生态系统的动态监测技术及综合治理已经纳入中国今后发展和研究的重点领域。首要任务就是研究黄河沿岸沙物质特征、输移机制及来源特征，以便准确开展生态监测和生态治理。

沙物质在风力作用下，其机械组成、矿物和化学成分等均不断地发生变化［17］。沙物质不仅记录着风力堆积的过程信息，同时记录着沙丘、河道泥沙形成发育过程中的沉积环境信息，如区域地形形成、演化及地球化学变化等，沉积物中各元素的分布、迁移规律［18-21］，除受元素本身理化性质影响而具有不同特性外，还因其在风化、迁移和沉积过程中受气候环境等变化而产生地球化学行为的差异，这些条件决定了沉积物中化学元素和化合物的分布及其地球化学特征，据此可以讨论它们的沉积环境及其与环境因素的关系，在分析物源方面都有积极的作用［17］。沙物质的粒度特征受搬运介质、搬运方式、沉积环境等因素的控制，而这些正是探究黄河入黄沙物质搬运迁移的重要内容，进而估算黄河沿岸新月形沙丘的移动机制和速率，且通过对沙物质粒度特征的辨识阐明沙物质来源，以便从根源防沙治沙［22］。沙物质的粒度特征及其变化总是被作为风沙研究的重要切入点并且效果明显［23］。基于此，本文综合黄河乌兰布和沙漠段河道两侧土地利用类型特点，开展黄河沿岸不同区域入黄沙物质的粒度特征分析并探究其来源，以期为区域生态治理和生态修复提供一定的理论基础。

2 入黄沙物质粒度试验和特征表示方法

2.1 研究区概况 乌兰布和沙漠沿黄段位于内蒙古乌海市乌达区与巴彦淖尔市磴口县之间，39°35'N—40°19'N、106°46'E—107°02'E，右与鄂尔多斯杭锦旗相邻。研究区位于黄河乌兰布和沙漠刘拐沙头段内（图1），该区域黄河的左岸为乌兰布和沙漠，右岸为荒漠草原，气候干燥，雨量稀少，年平均降水量142.7 mm，年平均气温8.0℃，风沙频繁，地表风蚀强烈，在大风的作用下大量风沙侵入黄河河道。年平均风速3.7 m/s，大风和风沙一年四季均有出现，以3—5月份最多，风向多为西风及西南风，多年平均大风日数10～32 d，多年平均扬沙日数75～79 d，沙尘暴日数19～22 d，属于典型的中温带大陆性干旱季风气候。

图1 研究区示意图

2.2 土壤样品采集 对乌兰布和沙漠刘拐子沙头选取典型断面进行取样，取样断面位置见图1，黄河左岸到右岸的取样顺序依次为沙丘、左岸河漫滩草地、左侧河道、右侧河道、右岸河漫滩草地、荒漠草原及上游的宁夏惠农区河道，取地表0～10 cm的沉积物（图2），每个类型取样点平行取3个样品，通过对样品粒度进行室内测试，对比分析黄河上游河段（进入沙漠穿越区之前）与黄河沙漠穿越段横断面的沙粒级配及粒度特征参数。

图2 研究区沉积物取样断面示意图

2.3 土壤粒度分析 粒度分析己成为风沙地貌学研究中的重要手段之一，其主要目的是确定沉积物中大小颗粒的相对含量。根据试验样品特性不同，粒度分析方法主要有筛分法、沉降法、激光粒度仪3种。根据样品性质、试验条件等因素，本研究采用激光粒度仪。对于试验数据的处理方面，沉积物粒径大小的表示方法：一种是采用真数，颗粒直径以mm表示，优点是比较直观；另一种是运用对数（以2为基数），以Φ值表示颗粒直径，使用的Φ值是克鲁宾（Krumdein）根据伍登-温德华（Udden-Wenworthseale）粒级标准［11］，优点是分界等距，便于统计运算和作图。

2.4 土壤粒度级配特征 沉积物的粒度组成又称为机械组成或颗粒级配，指沉积物中不同粒径大小的颗粒所占的比例，一般以体积百分比表示。不同的沉积环境和沉积动力机制所形成的沉积物一般具有各自不同的粒度组成。因此，依据沉积物的粒度组成可以对沉积物进行命名分类、追溯沉积物来源方向、成因动力条件及搬运过程或沉积过程的变化等。对于粒级的划分标准，因目的、工作性质的不同而不完全一致。由于研究区内表层沉积物既有沙漠沙又有河道沉积物（图1），因此，在粒径百分含量分析中采用中国土壤粒径分级标准，Φ值计算分析采用温德华粒度分级，见表1。

表1 研究区土壤粒径分级制

2.5 粒度参数特征 根据试验输出数据中的分布百分比，经统计分析得到沉积物的粒度参数，常用的粒度参数主要有平均粒径（Mz）、分选系数（δ）、偏度（Sk）和峰态（Kg），以上参数值能从不同方面反映粒度分布的总休特征（表2）。平均粒径（Mz）代表粒度分布的集中趋势，表示沉积物颗粒的粗细程度，反映搬运作用营力的平均动能。据其也可了解物质来源及沉积环境的变化情况。标准离差（δ）表示沉积物的分选程度，常用于分析沉积环境的动力条件和沉积物的物质来源。标准离差值越大，分选越差。偏度（Sk）是用以度量频率曲线的不对称程度，即表示非正态性特征的。偏度可以判别分布的对称性，并表明平均值与中值的相对位置。若正偏，则此沉积物的粒度分布为粗偏即分布中主要粒度集中在粗粒部分；如为负偏，则沉积物为细偏，即分布中主要粒度集中在细粒部分。峰态（Kg）也称尖度，是度量粒度分布的尾部和中部展开度的比例，即用其分布曲线与正态分布曲线相比，可用以衡量其峰的宽窄尖锐程度。它是衡量频率曲线尖峰凸起程度的参数。依据峰态可以判断沉积环境及追溯沉积物物源。若沉积物分布曲线是宽峰或马鞍状或是多峰曲线，即Kg值很低，则表明沉积物没有经过改造直接进入新环境，且新环境对它的改造又不明显。因此，它代表几种物质（或总体）直接混合而成，若沉积物中出现极端峰态（极高或极低），说明该沉积物中的某些组分己经在之前分选能力较好的环境中得到了很好的分选，然后才被搬运到现在的沉积环境中，并与这儿的其他沉积物混合。

表2 Folk和Wald（1957）粒度参数分级标准

2.6 土壤粒径多重分形参数 取激光粒度仪测量区间I=［0.02，2000］，依据给定的尺寸（ξ）将所研究的序列分为N个连续等距小片段，为常数（Φi及Φi+1均为机测粒径范围），设第i个小片段序列总长为Li，为使用多重分形方法分析区间I的粒径分布特征，须使各子区间长度一致，故取（Φ1为机测粒径范围首值），则出现量纲为1的新区间T=［0，5］，含100个等距子区间Ti=［Li，Li+1］，则每个子区间的分形体分布概率为pi(ξ)，按pi(ξ)大小划分为满足下面幂函数的子集［24-25］：

式中：ξ为粒径范围；i为［1，100］内的整数；p为概率；α为奇异指数。若具有奇异性指数为α的单元个数为Nα（ξ），则Nα（ξ）与ξ呈幂指数关系：

式中：N为片段数；ƒ（α）即为具有奇异性指数α的分形子集的分形维数，也称多重分形谱，用于度量研究对象的粗糙程度、复杂程度、不规则度、不均匀程度。因不同的ξ所产生不同的α和ƒ（α），便构成了一个刻画多重分形性质的多重分形谱。

为定义α～ƒ（α）的关系，引入配分函数：

式中：q为实数且在［-10，10］内取整并以1为步长；χq（α）为配分函数。如果式（3）后面的等式成立，则可从lnχq（α）～lnξ得到：

式中：τq为质量指数。对τq、q作勒让德变换，可得到粒径分布的Dq（广义维数谱）：

本文只讨论q=0，1时的特殊情况。当q=0时，D0代表粒径分布的宽度（容量维数），数值越大则表示粒径分布的范围越宽；当q=1时，D1反映了颗粒分布测度的集中度（信息维数），它可以表征粒径分布的不均匀程度，D1越大说明粒径分布越不均匀，且各分布区域的体积百分比在各尺度上呈非均匀分布；D1/D0可表征粒径分布的离散程度，数值越小则离散程度越大［26-27］。

3 结果与分析

3.1 粒级百分含量 沙漠地表沉积物的沙粒粒度组成可以直观地反映风成沙的主要粒径组成以及不同粒径组沙粒的相对含量。研究区沉积物粒级配分析结果表明（图3）：研究区内左岸沙丘以0.1～0.25 mm的细砂粒为主，占87.03%；左岸的河漫滩草地以0.1～0.25 mm的细砂粒为主，占76.87%；右岸的荒漠草原以0.1～0.25 mm的细砂粒为主，占33.93%；河道以0.002～0.05 mm粉粒为主，占53.5%～85.0%；右岸的河漫滩草地以0.002～0.05 mm粉粒为主，占53.28%。研究区左侧河漫滩草地粒径级配与沙丘的粒径级配基本相似，右侧河道与上游河道（惠农区）的粒径级配基本相似，左侧河道的细沙含量比右侧河道及上游河道百分比含量明显增加，分别为58.4倍和19.7倍；左侧河道极细沙含量比右侧河道及上游河道百分比含量明显增加，分别为12.3倍和7.7倍；左侧河道的粉粒含量比右侧河道及上游河道百分比含量明显减少，分别减少37.1%和32.2%。

图3 研究区不同类型区沉积物机械组成百分比

通过对研究区刘拐子沙头段黄河横断面样品的粒度测试，绘制不同类型区沉积物的频率曲线（图4）。由图4可知，不同类型地貌沉积物自然分布频率曲线除荒漠草原为双峰型，其他均属单峰型，峰值粒径范围为2.2Φ～6.8Φ，其中沙丘的峰值粒径为2.2Φ，距离沙丘最近的河漫滩草地的峰值粒径为2.5Φ，二者基本相近且峰型尖锐，分选较好；上游惠农区的河道泥沙与刘拐子沙头右侧河道泥沙的峰值粒径均为6.8Φ，峰型较为平缓且基本相同，河道左侧的泥沙峰值粒径为4.1Φ，峰型较陡，分选相对较好，其峰值粒径介于2.2Φ～6.8Φ之间，该区域河道两侧沉积泥沙粒径具有明显的差别，是由于河道两侧风沙环境不同，左侧河道在大风的作用下，沙丘中的粉砂和极细砂进入有关。

图4 不同类型地貌沉积物自然分布频率曲线

3.2 粒度参数特征 根据对研究区内不同地貌类型区粒度数据汁算的粒度参数结果发现（图5），黄河刘拐子沙头段不同地貌沉积物地表颗粒的平均粒径Mz的平均值为4.44Φ，介于2.32Φ～6.55Φ之间，变异较大，数值为40.4%，其中沙丘与河道左侧河漫滩草地平均粒径值在2Φ～3Φ之间（细沙）、荒漠草原平均粒径值在3Φ～4Φ之间（极细沙）、其他地貌平均粒径值在4Φ～8Φ之间（粉沙），左侧河道的平均粒径4.63Φ，明显小于右侧河道平均粒径6.85Φ及上游河道平均粒径6.55Φ；沉积物的分选系数δ平均值为1.40Φ，介于0.41Φ～2.60Φ之间，变异较大，数值为55.1%。其中沙丘颗粒的分选系数为0.41Φ（分选很好），河道左侧河漫滩草地颗粒分选系数为0.55Φ（分选较好），荒漠草原颗粒分选系数为2.60Φ（分选很差），其他地貌类型颗粒分选系数介于1.00Φ～2.00Φ之间（分选较差）；沉积物的偏度值Sk均值为0.18，变化范围在-0.04～0.46之间，变异极大，数值为112.1%，其中沙丘、河道左侧河漫滩草地、右侧河道、上游河道沉积物颗粒的偏度值介于-0.1～0.1之间（近对称），其他地貌类型颗粒偏度值介于0.3～1.0之间（极正偏）；地表颗粒的峰态值Kg均值为1.17，变化范围是0.95～1.47，变异较小，数值为18.7%，其中沙丘、河道左侧河漫滩草地、右侧河道沉积物颗粒的峰态值介于0.90～1.11（中等），其他地貌类型颗粒峰态值介于1.11～1.56（尖窄）。

图5 研究区不同地貌沉积物沙粒粒度参数

通过对刘拐子沙头河道横断面不同地貌部位沉积物粒度参数分布特征分析的结果发现：河道两侧由远到近沉积物的平均粒径逐步变小，且左侧河道的平均粒径粗于河道右侧；沙丘与河道左侧河漫滩草地沉积物的分选较好，其他地貌类型沉积物的分选很差或者极差；沙丘、河道左侧河漫滩草地、右侧河道、上游河道沉积物为近对称分布，其他地貌类型沉积物颗粒为极正偏分布；沙丘、河道左侧河漫滩草地、右侧河道沉积物颗粒为中等峰态，其他地貌类型峰态为尖窄。这一结果说明尽管研究区不同地貌之间存在巨大差异，但由于风沙环境的影响，相邻地貌之间形成较为类似的颗粒分布。

3.3 多重分形 由表3可知，各地貌类型D0最小的是沙丘为0.437，最大的是右侧河道为0.821，即右侧河道粒径分布范围最宽，沙丘最窄，这可能由于风力对风沙土的分选所致，沙丘裸露缺乏植被覆盖，遭受风蚀强烈，使得细粒土壤被大量吹蚀，粒径分布范围于集中粗粒土壤，因此沙丘土壤粒径分布范围最窄。D1最小的是右岸荒漠草原为2.970，最大是右侧河道为4.386，即右侧河道粒径分布最不均匀，而荒漠草原最均匀。D1/D0最小的是荒漠草原为4.959，最大的是沙丘为8.412，即荒漠草原粒径分布离散程度最大，沙丘离散程度最小。这可能由于荒漠草原植被对风沙流中被吹蚀物质的有所拦截，使其均匀地降落在植被周围，增加了土壤颗粒的均匀程度，同时也增加了土壤颗粒的离散程度。

表3 不同类型地貌沉积物多重分形参数

4 讨论

粗泥沙是导致黄河河道淤积、“悬河”发育以及洪水灾害的根源，王海兵等通过对黄河宁蒙段河床钻孔的粒径对比分析，证实了该河段的淤积物主要是粒径大于0.1 mm的沙漠沙，即风成沙是宁蒙河段的重要泥沙来源［28］，从黄河乌兰布和沙漠段入黄泥沙的源头上来讲，本文研究得出的结果与前人研究的结果相一致。前人多集中于从河道纵断面通过钻孔取样，分析河道泥沙的沉积过程，进一步关联分析河道水沙的运移过程［29］。本文侧重点是从河道的横断面的土地利用变化来分析风沙输移对河道的影响及其范围。在人类活动和自然环境变化的综合作用下土地利用（景观格局）发生了剧烈的变化，在流域尺度上带来了诸多负面的生态效应，引起地表水文及风速的改变，特别是风沙区其明显影响沙丘形态、沙物质组成、植被类型等，造成区域生态系统结构和功能的变化，进而影响沙丘侵蚀速率及入黄风沙量，对区域生态安全构成威胁［8，20，30-34］。入黄沙量除受风力、风向的影响之外，下垫面特征及沙物质粒度组成是主要影响因素［6］。沙漠地区下垫面特征、沙物质特征与该地区的风沙活动相互影响，互为因果［35］。

黄河乌兰布和沙漠段主要土地利用类型为草地和未利用地（沙漠）为主，生态系统较单一，且植被覆盖度较低，极易发生风蚀，风积沙直接入黄是入黄沙物质的主要来源。本研究对黄河两岸沙物质进行系统分析，研究区不同地貌之间存在巨大差异，但由于风沙环境的影响，相邻地貌之间形成较为类似的颗粒分布。黄河左岸靠近乌兰布和沙漠，河漫滩草地及河道内均以细砂粒为主，且越靠近河道平均粒径越小。乌兰布和沙漠风沙流中沙物质绝大数都是局地物质［11］，随着输送距离的增加，由于风速的降低及下垫面特征的改变，使得细砂粒逐渐沉降堆积，较大部分沉降在沙丘后荒漠草原及河道内，是造成黄河泥沙粒径变粗的主要因素［3］。而本研究发现右侧河道与上游河道（惠农区）的粒径级配基本相似，乌兰布和沙漠的风沙运移特征对黄河右岸影响较小，因为经过黄河的风沙流中存在较多粒径较小的粉尘物，会被输送到远处［11］。因此对于黄河入黄沙量的治理应集中于黄河左岸，且重点集中于对下垫面的治理。下垫面格局的优化和植被覆盖度的提高能够显著改变区域风沙流结构，降低区域输沙量［1］。刘芳等［36］对乌兰布和沙漠不同下垫面的风沙流输沙量的研究表明，当地表植被盖度达到40%以上时，可有效阻止地表风蚀。陈新闯等［37］研究乌兰布和沙漠不同下垫面冬季沙尘通量，提出梭梭林、白刺能明显起到降低风蚀的作用。本研究也得出乌兰布和沙漠不同河道段的土壤粒径分布具有一定差异，荒漠草原粒径分布离散程度最大且分布最均匀。因此对于削减黄河乌兰布和沙漠段的入黄风沙量，可通过改变黄河左岸土地利用格局，尤其乌兰布和沙漠和黄河中间的荒漠草原地带，应建立有效的风沙防护体系，构建以植被为主体的防沙保土带，使工程措施与生物措施相结合、固沙措施与阻沙措施相结合，提升植被覆盖度，增加下垫面粗糙度，以及通过林灌草合理配置，拦截运动的沙粒来缓解气流对地表的侵蚀作用。

5 结论

（1）受乌兰布和沙漠风沙活动的影响，左岸的河漫滩草地以0.1～0.25 mm的细砂粒为主，占76.87%，与研究区内左岸沙丘细砂粒所占比例87.03%相近，主要受乌兰布和沙漠风沙侵入河道的影响；而右岸的河漫滩草地以0.002～0.05 mm粉粒为主，占53.28%，与上游河道（惠农区）粉粒所占比例78.8%相近，主要与上游来沙在该区域的淤积有关。

（2）研究区不同地貌沉积物地表颗粒的平均粒径Mz的平均值为4.44Ф，介于2.32Ф～6.55Ф之间，变异较大，数值为40.4%，其中沙丘与河道左侧河漫滩草地平均粒径值在2Ф～3Ф之间（细沙）、荒漠草原平均粒径值在3Ф～4Ф之间（极细沙）、其他地貌平均粒径值在4Ф～8Ф之间（粉沙），河道两侧由远到近沉积物的平均粒径逐步变小，且左侧河道的平均粒径粗于河道右侧。

（3）各地貌类型D0最小的是乌兰布和沙漠沙丘为0.437，最大的是右侧河道为0.821，即右侧河道粒径分布范围最宽，沙丘最窄，且左侧河道D0为0.460，与沙丘的D0值几乎相近。总体上该区域受左岸乌兰布和沙漠的影响，河道左侧的河漫滩草地的沙物质主要来源于乌兰布和沙漠，右侧河道主要受上游泥沙在该区域的淤积有关，受乌兰布和沙漠的影响较小。