西夏王陵4號陵沖溝發(fā)育過程特征及其影響因素

康 超 諶文武 崔 凱 孫光吉 程 佳

內容摘要：以我國西北干旱、半干旱區(qū)的西夏王陵4號陵上的沖溝為代表，在現(xiàn)場勘察和測量的基礎上，選取沖溝的特征值。對其進行統(tǒng)計分析，結合遺址體上沖溝的形成過程，分析沖溝的形成原因以及影響因素，探討沖溝在干旱、半干旱區(qū)發(fā)育的特殊性，為將來深入研究奠定基礎。

關鍵詞：沖溝；土遺址；溝頭寬；溝深；寬深比

中圖分類號：K854.3文獻標識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0071-04

一前言

國內外許多學者針對土壤沖蝕進行過大量系統(tǒng)地研究，主要內容涉及沖溝侵蝕的形態(tài)學特征與土地利用類型、植被覆蓋率的關系，以及侵蝕的臨界條件和侵蝕量與沖溝的特征值之間的關系。針對土遺址上沖溝的研究目前尚不多見。

我國干旱、半干旱區(qū)分布著大量的土遺址，但是，它們在內、外營力的作用下發(fā)育眾多病害，沖溝便是主要病害之一。遺址土體的水理性質、力學性質與自然堆積物不盡相同，以及遺址體上沖溝特殊的產流和侵蝕方式，使得土遺址上的沖溝與農業(yè)區(qū)的沖溝存在著很大的差異。因此，對其進行研究具有特殊的意義。本文以西夏王陵4號陵為代表，在現(xiàn)場勘察和測量的基礎上，選取代表沖溝特性的特征值，對其進行統(tǒng)計分析，并結合遺址體上沖溝的形成過程，分析沖溝的形成原因以及影響因素。

西夏王陵4號陵位于賀蘭山中段東麓的山腳下，坐北朝南，為較為典型的山川溝谷地貌，海拔高度1108m～1215m，地形落差較大。遺址區(qū)現(xiàn)存角臺、闕臺、碑亭、門闕、獻殿，陵臺和神墻等夯土建筑遺址(圖1)。遺址體病害發(fā)育。沖溝為主要病害之一，對遺址體的賦存有很大的影響。

二西夏王陵4號陵沖溝分類和發(fā)育特征

通過對西夏王陵4號陵沖溝的統(tǒng)計分析，選擇和提出可以代表土遺址沖溝特性的數(shù)值，作為表征沖溝性質的特征值(表1)。然后根據沖溝的特征值，結合沖溝形成原因，將土遺址沖溝分為兩種類型：第1類沖溝，水流侵蝕裂隙(縫)發(fā)展成的沖溝；第2類沖溝，墻體上產生的徑流，沿墻體低洼區(qū)匯水后，沖刷墻面形成的沖溝。

從表1中可以看出，西夏王陵4號陵第1類沖溝的溝頭寬較小。溝長較大，面積也較第2類沖溝小，寬深比較小。

第1類沖溝的平均溝頭寬較小，平均溝長較大，面積較小。這主要是裂隙(縫)的存在，為水流提供了通道，水流易于匯流，沖刷裂隙(縫)，沖溝易于發(fā)育，且發(fā)展速度較快。第1類沖溝的平均溝底寬較小。這主要也是由于第1類沖溝是沿著裂隙(縫)發(fā)育的，為沖溝的發(fā)育提供了通道，利于其垂向發(fā)育，同時也約束了沖溝的橫向發(fā)育。從表1可以看出，第1類沖溝的寬深比明顯小于第2類沖溝，即在相同的溝頭寬下，第2類沖溝較深。

三土遺址上沖溝的形態(tài)特征

通過對西夏王陵4號陵的現(xiàn)場調查分析發(fā)現(xiàn)，裂隙(縫)的存在，加上集中式降雨和風力的侵蝕作用，使第1類沖溝(圖2a)具有溝頭窄、沖深大、溝壁陡直、面積較小等特點，裂隙(縫)對第2類沖溝的走向有很好的控制作用；第2類沖溝(圖2b)面積大、沖深淺、頂部開闊，匯水面積大于第一類沖溝。

從表2可以看出，除南立面以外，其他各個面上主要以第2類沖溝為主。通過分析發(fā)現(xiàn)，南立面上第一類沖溝的溝槽走向與該區(qū)的結構面的發(fā)育優(yōu)勢方向吻合較好，加上日照時間較長，易于發(fā)生裂隙(縫)，進而影響第1類沖溝的發(fā)育。

四沖溝的發(fā)育過程

沖溝在垂直方向上可以劃分為溝底、溝坡、溝緣等三部分，在水平方向上可以劃分為上部、中部、下部(圖3)。溝底是指沖溝的底部，間歇性流水流經的部分；溝坡是指沖溝兩側溝床與溝壁間傾斜的坡地；溝緣是指溝坡與溝岸的轉折處。

沖溝的上部主要是徑流的匯集，流量不大，水較淺，因此，沖刷能力較弱，沖深也較淺，主要表現(xiàn)在片蝕。中部的沖刷是最強的，主要過水斷面面積減小，加上流量自上而下增加。水流的侵蝕能力較強，因此沖深最深。而下部主要表現(xiàn)為中上游侵蝕物的堆積。

根據西夏王陵4號陵上沖溝平面結構和分類結果，結合沖溝的形成原因，將沖溝的發(fā)育過程分為四個階段(詳見表3)。

五影響因素

(1)土體性質

土體性質的不同，導致其抗侵蝕的能力不同，進而影響沖溝的發(fā)育。

①水理性質

為了查明4號陵遺址的基本物理性質，對所取10組樣品，開展了崩解試驗，試驗結果見表4。

對調查數(shù)據整理發(fā)現(xiàn)，試樣1、2、3、8、10取樣區(qū)段上沖溝的平均深度較大，這說明了土體水理性質對其上沖溝的發(fā)育有很大的影響。

②易溶鹽含量

當易溶鹽含量越大時，這些鹽分在土體總所占的比例越大。如果這些鹽分在其中承擔土骨架的作用，當這些鹽分遇水溶解，土體強度降低，易于崩解，進而影響沖溝的發(fā)育。

③力學性質

不同的力學強度，土體的抗侵蝕能力也同，C、φ值越大，土體抗侵蝕能力越強，沖溝在土體上越不易發(fā)育。西夏王陵4號陵的夯土的力學參數(shù)見表5。

④其他因素

除上述因素外，土遺址的夯筑形式、夯土層的厚度、夯土的顆粒組成和級配等，對沖溝的發(fā)育都有一定的影響。

(2)風向和風速

風作為常規(guī)的一種外營力，對土遺址上沖溝的發(fā)育有著一定的影響，尤其在干旱半干旱的西北地區(qū)，干旱半干旱的氣候特征導致該區(qū)常年以多風天氣為主。

該區(qū)終年多風，風向以西北和偏南為主(圖4)，多大風，極大風速28.8m/s。從表2可以看出，對于第1類沖溝來說，南、西立面的沖溝較東、北立面的深，相同的土體條件和風速下，墻體迎風面的沖深較大。而對于第2類沖溝來說，南、西立面的沖深較小，這主要是由于在西北、偏南風和集中降雨下，強烈的雨滴濺蝕，對土體有一定的壓實，使得土體的抗侵蝕能力提高，因而，沖溝的溝深較小。

(3)裂隙(縫)

存在的裂隙(縫)，就為墻體上的徑流提供了通道，于是就比較容易地導致其兩邊的土體崩墜，最后發(fā)育成沖溝。西夏王陵的沖溝中，第1類沖溝的沖深大于第2類沖溝，主要是由于墻體之間存在裂隙(縫)，導致第1類沖溝在其基礎上迅速發(fā)育。因此，裂隙(縫)對發(fā)育在墻體上的沖溝的發(fā)育過程和程度有很大的影響。

(4)氣溫條件

該區(qū)多年平均氣溫8.5℃，年較差32.4℃，日溫差12-15℃，1月最冷，平均-9.0℃，7月最高，平均23.4℃。年端最高氣溫39.3℃，極端最低氣溫-30.6℃。在強烈的溫差以及其他內外營力的長期作用下，引起裂隙(縫)的形成，為第1類沖溝的發(fā)育提供了條件。

(5)降雨類型

不同的降雨類型對沖溝的發(fā)育也有著十分重要的影響。暴雨，除了產生的徑流對土體有侵蝕作用外，雨滴的濺蝕也是一個重要的因素。從圖5可以看出，該地區(qū)降雨主要集中在夏季，占全年總降雨量的70％以上，且多以集中式暴雨方式降水為主，這樣便為沖溝的發(fā)育提供了條件。

(6)地震

地震作用對土遺址有一定的破壞作用，對土遺址上裂隙的發(fā)育有一定的影響。4號陵位處賀蘭山東麓斷裂帶，此斷裂帶更是新構造運動活躍區(qū)域。據不完全統(tǒng)計，此帶在近1000年內共發(fā)生破壞性地震9次，小震難以計數(shù)，其中最大震級8級。

(7)集水面積

集水面積越大，產流量越大。沖溝的中游，沖溝寬度減小，水深增大，加上水量增大，侵蝕能力增強，利于沖溝的發(fā)育。

六結論與討論

(1)我國干旱、半干旱區(qū)遺址土體的水理性質和力學性質與自然堆積物不盡相同，以及遺址體上沖溝特殊的產流和侵蝕方式，使得對土遺址上的沖溝的研究具有特殊的意義。

(2)對西夏王陵4號陵土遺址上沖溝進行分析，選出溝深、溝頭寬、寬深比和匯水面積作為度量沖溝的特征值。并根據其形成原因將其分為兩種類型：一種水流沿裂隙(縫)發(fā)展成的沖溝；另一種是在墻體上產生的徑流，沿墻體低洼區(qū)匯水后，沖刷墻面形成沖溝。

(3)影響西北干旱區(qū)土遺址上沖溝發(fā)育的主要因素有土體性質、風向、氣溫條件、裂隙(縫)、降雨類型、地震和集水面積等。

(4)雖然在土壤侵蝕方面取得了大量成果，但是得出的侵蝕方程大多為經驗方程，且其只適用于農業(yè)生產區(qū)。因此針對土遺址上沖溝的侵蝕研究還需繼續(xù)進行，得出一個侵蝕量與其影響因素之間的多因子關系式和侵蝕模型。