黃土高原河谷演變與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律研究
——以陜西省子長縣為例

曾磊，黃玉華

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054; 2.長安大學(xué)，陜西西安 710064)

黃土高原河谷演變與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律研究
——以陜西省子長縣為例

曾磊1，2，黃玉華1

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054; 2.長安大學(xué)，陜西西安 710064)

我國黃土高原溝壑縱橫，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境脆弱。筆者選取陜北黃土高原延安市子長縣為例，通過1:5萬地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查，采用SPOT5高精度遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害解譯和數(shù)字高程模型DEM分析，系統(tǒng)研究了河流演變與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的特征和分布規(guī)律。結(jié)果表明河谷地貌的演化發(fā)育程度對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律具有明顯的控制作用。

關(guān)鍵詞:地質(zhì)災(zāi)害;河谷演變;黃土高原;陜西省子長縣

0 引言

黃土高原地區(qū)是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，自然地理和地質(zhì)環(huán)境背景特殊，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。借助新技術(shù)、新方法結(jié)合野外調(diào)查，揭示黃土高原河流演變與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律，對于我國黃土地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和新農(nóng)村建設(shè)具有重要意義。

陜西省延安市位于我國黃土高原中東部，區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害種類以滑坡、崩塌為主，地面塌陷、地裂縫和泥石流相對較少?；潞捅浪砸渣S土滑坡和黃土崩塌為主，主要分布在黃土梁峁溝壑區(qū)，泥石流主要分布在黃河谷地及其支流兩岸。地裂縫和地面塌陷則主要分布于煤礦采空區(qū)。本文采用全區(qū)高精度SPOT5影像數(shù)據(jù)以及數(shù)字高程模型DEM，結(jié)合野外地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查，系統(tǒng)研究了延安市子長縣黃土地區(qū)河谷演變與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及規(guī)律。

1 延安市子長縣地質(zhì)環(huán)境條件

延安市子長縣屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，由新到老沉積有Q3、Q2、Q1黃土(圖1)，部分斜坡表層覆蓋薄層黃土狀土，Q3黃土大部分沿斜坡順坡披蓋至谷底，成淡灰黃色黃土，顆粒粗，疏松，斷面平整，蟲孔等不發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育，厚5～10m，是區(qū)內(nèi)主要的易滑地層。Q2黃土淡灰黃色黃土，顆粒粗，斷面平整疏松，含大孔;間含數(shù)層古土壤，成壤較弱，含白色鈣質(zhì)結(jié)核，厚30～50m。Q1黃土淡黃色黃土，含第一、第二粉砂層，夾密集鈣質(zhì)結(jié)核層，密實(shí)，下部呈石質(zhì)黃土，厚度40～60m。區(qū)內(nèi)地勢由西北向東南傾斜，海拔930～1562m，峁梁起伏，溝壑縱橫，峁梁溝谷地約占總面積的94.6%。黃土下覆中生代基巖，主要為砂巖、頁巖、泥巖和灰?guī)r等，巖層產(chǎn)狀平緩，為一向西北緩傾、傾角(1－3)°的大型單斜翹曲構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，褶皺、斷裂構(gòu)造不發(fā)育，僅在局部地段分布有一些小的斷層及褶曲。

2 河谷發(fā)育特征

子長區(qū)內(nèi)河谷分布主要為貫穿境內(nèi)東西秀延河河谷及其支流溝谷，北部為無定河支流河谷。區(qū)內(nèi)黃土梁峁地貌分布面積約1924km2，占全區(qū)總面積的80%。加上流水作用的強(qiáng)烈侵蝕，地形破碎，形成梁、峁并存的地貌景觀。其特征是梁、峁周邊多發(fā)育“V”字型河谷，其切割深度數(shù)十余米至百余米不等，河谷兩側(cè)坡度陡峻，局部可達(dá)60°～70°，甚至近于直立;梁頂、峁頂則地勢平坦，地形坡度只有5°～10°。黃土梁峁與谷溝并存，伴隨發(fā)育的有細(xì)溝、淺溝、懸溝、沖溝、干溝和黃土溶洞等侵蝕潛蝕微地貌，組成黃土丘陵。梁、峁周邊水土流失嚴(yán)重，伴隨發(fā)育大量的滑坡、崩塌等黃土重力地貌［1］。

河谷的發(fā)育期根據(jù)其形態(tài)特征、水動力條件及侵蝕特征一共可分為三期:幼年期溝谷、中年期溝谷及老年期河谷。在DEM數(shù)據(jù)中(圖2)，三個(gè)不同發(fā)育期河谷分布特征明顯，幼年期溝谷多為支溝，壯年期河谷主要為秀延河上游及主要支流，溝谷較寬，老年河谷主要為秀延河中下游河谷段。

圖2 子長縣DEM數(shù)據(jù)河谷分布圖Fig.2 River valley Distribution in Zichang county shown in DEM

2.1 幼年期溝谷

幼年期溝谷主要包括子長縣內(nèi)的大部分二級河流如馬河川、中山川等上游部分、幾乎全部三級及以上支流支溝等，一級河流秀延河的上游李家岔鎮(zhèn)部分也為幼年期溝谷。

幼年期溝谷的主要特征是侵蝕作用以水流的垂直下切為主，切割深度幾米至數(shù)十米不等，多數(shù)在黃土層內(nèi)部，局部地段可下切至基巖(圖3)。此類河谷狹窄，溝谷橫斷面呈“V”字形，溝緣明顯，縱剖面坡降較大，谷坡坡度一般＞60°。由于河谷狹窄，岸坡高陡，臨空面大，導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性較差，崩塌、土溜等不良地質(zhì)現(xiàn)象多發(fā)。在徑流量充足的情況下，可能下切至含水層，水源得到補(bǔ)充，發(fā)展成為一些壯年期河流的上游部分。

圖3 玉家灣鄉(xiāng)橋溝村幼年期剖面Fig.3 Infancy profile of Qiaogou village of Yujia Tounm

2.2 壯年期河谷

子長縣壯年期河谷眾多，主要有區(qū)內(nèi)的一級河流秀延河安定鎮(zhèn)以東部分、北部的澗峪岔河、南部的永坪河、二級支流馬河川、中山川、吳家寨子河等的中、下游部分等［1］。

壯年期河谷發(fā)育著完好的排水系統(tǒng)，河谷一般20°～60°，溝谷寬100～600m，坡高50～200m，河谷橫斷面呈“U”字形或“V”字形。垂直下切較緩慢，而側(cè)向侵蝕突出，谷坡較陡，處于壯年期河谷凸岸的斜坡易發(fā)生變形失穩(wěn)(圖4)。河谷較為寬闊，尤其在河谷的交匯部位，是集鎮(zhèn)和大的村莊所在的區(qū)域，屬人口和建筑工程比較密集分布區(qū)，人類工程活動較強(qiáng)烈，人類活動觸發(fā)的滑坡崩塌較多。河流側(cè)蝕引起的自然災(zāi)害和人類活動引發(fā)的工程災(zāi)害兼有，且都為較大災(zāi)害。

2.3 老年期河谷

圖4 玉家灣鄉(xiāng)峁底村張家砭壯年早期溝谷剖面Fig.4 Profile of the early stage of mature gully in Maodi village Zhangjiabian in Yujiawan

老年期河谷多為大型的成型河谷，是流水長期侵蝕作用的結(jié)果，河谷寬闊，分水嶺不像壯年期那么陡峭。以秀延河縣城以東河段為代表。主要特征是河流的側(cè)向侵蝕和垂直下切都趨于緩和，河谷非常寬闊，形態(tài)基本固定，呈“U”字形，谷底較為平坦，縱、橫向都是緩坡，河漫灘發(fā)育，可見一到二級階地，河谷兩岸多數(shù)已出露基巖，谷坡一般較緩，坡度在15°～35°，溝谷寬度400～800m，切割深度＞200m。溝谷橫斷面呈“U”字形［1］。有此特征的河谷較少，區(qū)內(nèi)一級河流秀延河縣城所在地瓦窯堡鎮(zhèn)以東的河段基本符合此項(xiàng)特征(圖5)。老年期河谷自然侵蝕擴(kuò)張速度較慢，兩岸很少出現(xiàn)新的自然滑坡，多屬古滑坡和老滑坡。

3 地質(zhì)災(zāi)害特征及分布規(guī)律

圖5 瓦窯堡鎮(zhèn)秀延河河谷剖面Fig.5 Xiuyan river valley profile of Wayaopu town

子長縣地質(zhì)災(zāi)害分布的災(zāi)害種類和密度與河流及溝谷的演變有關(guān)。一般在溝谷形成早期，以垂直侵蝕作用為主，溝谷兩側(cè)崩塌、滑塌頻發(fā)。但是，由于早期溝谷內(nèi)人煙稀少，也無重要工程和基礎(chǔ)設(shè)施，一般不致災(zāi)。壯年期河流進(jìn)入以側(cè)蝕為主的階段，風(fēng)化、卸載作用強(qiáng)烈，處于河流侵蝕岸的斜坡易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。壯年晚期及老年期河谷，如秀延河瓦窯鎮(zhèn)以東部分兩岸斜坡，自然條件下坡體總體較穩(wěn)定，在風(fēng)化和卸載作用下，多形成剝落和局部不穩(wěn)定。但是，這類成型河谷區(qū)地形平坦開闊，人口、重要工程和基礎(chǔ)設(shè)施密集，人類不合理工程活動強(qiáng)烈，人為因素引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重［1］。

從遙感解譯的657個(gè)災(zāi)害點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)可知，幼年期溝谷分布461處，壯年期河谷分布148處，老年期河谷分布48處。

4 河谷演變與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

黃土高原地區(qū)河谷的演變過程是黃土地層在水流侵蝕、重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕的作用下完成的，其中起主要作用的是水流侵蝕和重力侵蝕。同時(shí)，在黃土地層不斷被侵蝕、切割的過程中，不可避免的引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，對人類的生存和發(fā)展帶來了不利因素。

4.1 河谷演變模式

在黃土高原地區(qū)河谷發(fā)育的早期，黃土高原是一個(gè)廣袤的夷平面(圖6)?？梢钥春艹?，在Q3黃土順坡披蓋直至谷底，而Q2地層成基本水平狀，說明溝谷在Q3堆積的同時(shí)有強(qiáng)下蝕作用，逐漸形成現(xiàn)在的坡型。

圖6 子長縣溝峁示意圖Fig.6 Schematic diagram of ditchs and loess hills in zichang county

古夷平面由于水流侵蝕的作用，逐漸出現(xiàn)毛溝、細(xì)溝。水流的進(jìn)一步下侵和側(cè)蝕，毛溝、細(xì)溝發(fā)展成為相互聯(lián)系的溝壑。溝壑侵蝕作用的加強(qiáng)，不斷的改變溝道的形態(tài)，形成了黃土高原現(xiàn)在的溝壑縱橫，支離破碎的地形地貌。在這個(gè)緩慢的侵蝕作用的同時(shí)，亦伴生堆積作用，這兩種作用的相互消長和強(qiáng)弱的交替形成了溝壑侵蝕演變的全過程(圖7)。在這個(gè)地質(zhì)過程也是河谷演變的過程，河谷從毛溝、細(xì)溝－幼年期溝谷－壯年期河谷－老年期河谷的演變中伴隨著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育和發(fā)生。

圖7 黃土高原河谷演變過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the evolution of river valleys in the loess plateau

4.2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律

幼年期河谷主要是因?yàn)榧?xì)溝、淺溝發(fā)育的深度和寬度都很小，一般不具備發(fā)生滑坡、崩塌的條件(圖8)。沖溝的溝底較窄，滑坡不發(fā)育，崩塌頻發(fā)，干溝內(nèi)則既有滑坡，也有崩塌，常以崩塌為主。由于幼年期溝谷狹小，一般無人居住，也無重要工程設(shè)施，所以，幼年期溝谷內(nèi)發(fā)生的崩塌一般不致災(zāi)［1］。

圖8 黃土高原幼年溝谷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育形態(tài)Fig.8 Geological hazard morphological development of the infancy river valleys in the loess plateau

壯年期河谷匯集了幼年期溝谷的水量，增強(qiáng)了水動力條件，河水在河道中縱橫捭闔，垂直下切作用減弱，側(cè)向侵蝕作用較強(qiáng)，一般都發(fā)育了良好的排水系統(tǒng)。河流的側(cè)向侵蝕拓寬了河道，沖刷了坡腳，增大了河谷斜坡的臨空面，為黃土滑坡和崩塌重力侵蝕創(chuàng)造了有利條件。谷坡變形失穩(wěn)主要為黃土滑坡。從遙感影像中可以看出其特點(diǎn)是滑坡分布較多，規(guī)模以中小型為主;崩塌則以小型為主。遙感解譯發(fā)現(xiàn)，在河流凹岸，多發(fā)育有滑坡地貌，甚至是大型的滑坡(圖9)。滑坡發(fā)生后，滑體堵塞河道，阻擋河流，遭受流水的沖刷與侵蝕，滑體漸漸沖刷殆盡或只剩下一部分。如今多表現(xiàn)為較陡的滑坡后壁和其下殘留的部分滑體，滑坡大多目前已趨穩(wěn)定，其上居住村民或?yàn)楦鬓r(nóng)田。但高陡的滑坡后壁黃土斜坡變形強(qiáng)烈，大部分為不穩(wěn)定斜坡。河流的側(cè)蝕和人類強(qiáng)烈的工程活動也對老滑坡以及谷坡的穩(wěn)定構(gòu)成威脅［1］。

老年期河谷通過遙感圖像的解譯可以看出兩岸很少出現(xiàn)新的自然滑坡，多屬古滑坡和老滑坡(圖10)。由于河谷寬闊，是縣城城區(qū)和重要集鎮(zhèn)所在的區(qū)域，屬人口和工程的密集分布區(qū)，人類工程活動強(qiáng)烈。新農(nóng)村建設(shè)場地的選址、城鎮(zhèn)建設(shè)的向外擴(kuò)張以及工程建設(shè)一般都在老年期河谷兩側(cè)，部分選址在古滑坡的滑體上，人類活動的加劇以及生活生產(chǎn)用水影響使古滑坡復(fù)活的情況時(shí)有發(fā)生。因此人類活動觸發(fā)的崩塌以及古老滑坡復(fù)活較多［1］。

圖9 黃土高原壯年河溝地質(zhì)災(zāi)害分布Fig.9 Geological hazard distribution of the mature river valleys in the loess plateau

圖10 黃土高原老年河谷地質(zhì)災(zāi)害分布Fig.1 0Geological hazard distribution of the old river valleys in the loess plateau

5 結(jié)論及建議

通過黃土高原河流溝谷發(fā)育各階段的地質(zhì)環(huán)境研究，以及地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律和形成機(jī)理研究，可以得出在河谷演變的不同階段，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育具有以下特點(diǎn):

(1)在幼年期階段，由于溝谷狹窄，岸坡高陡，臨空面大，導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性較差，滑坡、崩塌多發(fā)，但由于人類工程活動較少，所以危害較少。

(2)在壯年期階段，溝谷漸寬，水量增大，河流的側(cè)向侵蝕增強(qiáng)，沖刷了坡腳，增大了河溝斜坡的臨空面，為黃土滑坡和崩塌重力侵蝕創(chuàng)造了有利條件。在這些河溝地段，人類工程活動加強(qiáng)，居民點(diǎn)聚集，更容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，為重大危險(xiǎn)區(qū)。

(3)老年期溝谷為大型的成型河谷，河流的側(cè)向侵蝕和垂直下切趨于緩和，河谷寬闊，谷底平緩，河漫灘發(fā)育，河谷兩側(cè)多數(shù)出露基巖，是區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的斜坡地段之一。

由于近年來，黃土高原區(qū)資源的大量開發(fā)，人類工程活動逐漸向幼年期溝谷發(fā)展，特別是油氣的開采，修建了大量簡易公路，削坡和斬坡破壞了黃土邊坡的穩(wěn)定，在雨季極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，此類工程活動，應(yīng)引起有關(guān)部門的關(guān)注。新農(nóng)村建設(shè)場地選址也要規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害隱患，通過地質(zhì)災(zāi)害評估，并采取必要的防治措施，以保證人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。

［1］黃玉華，武文英，曾磊，等.陜西省延安市子長縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報(bào)告［R］.西安地質(zhì)調(diào)查中心，2008.

Abstract:Crisscrossing gullies，frequent geological hazards and vulnerable ecological environment problems occur in the Loess Plateau of China.In this paper，the authors took the Zichang County in Yan＇an City of the northern Loess Plateau of Shaanxi Province as an example，based on 1∶50000 investigation of geological hazards，as well as highprecision remote sensing image data SPOT5 and DEM data，their analyzed the evolution of valley and characteristics of geological hazards and distribution.Study shows that the river valley and the evolutional stage of landforms play a controlling role in geological disasters.

Key words:geologic hazards;valley evolution;Loess Plateau;Zichang county;Shaanxi province

Valley evolution and geologic hazard occurrences in the Loess Plateau of China——a case study:Zichang County in the northern loess plateau of Shanxi Province

ZENG Lei1，2，HUANG Yu－h(huán)ua1
(1.Xi’an Centre of China Geological Survey，Xi’an，710054，China; 2.Chang’an University，Xi’an，710064，China)

1003－8035(2010)03－0067－06

642

A

2010－01－29;

2010－04－18

國土資源大調(diào)查項(xiàng)目:陜西省延安市1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查(1212010640402)

曾磊(1981—)，男，在職碩士，從事第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)及地質(zhì)災(zāi)害研究。

E－mail:zenglei0719@yahoo.com.cn