黃土溝道重力侵蝕地貌因素分析

楊吉山，鄭明國，姚文藝，王玲玲

(1.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003; 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

重力是山地地貌發(fā)育的重要營力，重力侵蝕是溝道中泥沙的重要來源[1-2]。黃土高原地形破碎、高差大，溝道中水力和重力侵蝕過程非常強烈，特別是重力侵蝕的發(fā)生頻率很高。重力侵蝕是內(nèi)力和外力共同作用的結(jié)果，影響重力侵蝕的因素有很多，包括地質(zhì)地貌條件、降雨、巖土風(fēng)化、黃土節(jié)理、植被、人類活動等。野外觀測表明，地貌是重力侵蝕發(fā)生的基礎(chǔ)條件之一，重力侵蝕發(fā)生的強度與溝道的發(fā)育階段、溝坡坡度及高度、坡面結(jié)構(gòu)等有比較密切的關(guān)系。本研究以黃土高原丘陵溝壑區(qū)橋溝小流域為研究區(qū)域，依據(jù)野外實際觀測資料和DEM數(shù)據(jù)，對影響黃土溝道重力侵蝕的地貌因素進行初步討論。

1 研究區(qū)重力侵蝕概況

橋溝小流域位于陜西綏德縣境內(nèi)(37°29′36″N、110°17′43″E)，流域面積約0.45 km2，是無定河的二級支溝，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)。橋溝小流域主要由一條主溝和兩條較大的支溝組成，其中主溝長1.4 km、第一支溝長870 m、第二支溝長805 m。流域內(nèi)有馬蘭黃土和離石黃土兩種黃土類型，上層是馬蘭黃土，下層有離石黃土在局部溝道底部出露。橋溝小流域是黃河水利委員會在黃土高原丘一區(qū)設(shè)立的水土流失試驗研究基地所在，建有大型徑流觀測場8個、雨量站4個，并分別在第一支溝、第二支溝和主溝道口設(shè)立有泥沙、徑流觀測斷面(圖1)。

圖1 橋溝小流域溝道及測站分布

自2009年起對橋溝小流域重力侵蝕現(xiàn)象進行了連續(xù)的實地觀測。橋溝小流域重力侵蝕發(fā)生的規(guī)律性主要表現(xiàn)在：①在一般條件下，流域內(nèi)主要以小型重力侵蝕為主，包括瀉溜及小型的崩落、崩塌、滑塌等，規(guī)模較大的滑坡和滑塌發(fā)生頻率很低；②小型重力侵蝕主要發(fā)生在坡度陡峻的坡面上，特別是在局部實測坡度大于55°的坡面上；③小型重力侵蝕主要發(fā)生在原狀黃土風(fēng)化層的厚度范圍內(nèi)，一般深度較淺；④大部分重力侵蝕發(fā)生在降雨過程中及降雨后的一段時間內(nèi)，降雨是主要的觸發(fā)因素；⑤重力侵蝕顯著地增加了溝道中泥沙的供給量，對流域產(chǎn)沙有比較大的影響?？偟目磥?，小型重力侵蝕是溝坡上表層土體剝蝕的重要形式，坡度、土體風(fēng)化和降雨是它們發(fā)生的最主要影響因素。

2 坡溝系統(tǒng)的垂直分帶性

橋溝小流域由坡面和溝道兩大地貌單元組成，其中坡面又可分為溝間地和溝谷地[3]。溝間地頂部為梁峁頂，坡度平緩，約0～10°；峁坡上段一般為坡度10°～20°的凸形坡，下部為30°左右的直形坡；峁坡與溝坡之間存在一個明顯的地形轉(zhuǎn)折，通常稱為溝緣線，溝緣線以下是溝坡部分，坡度大部分在40°以上。

在自峁頂至溝底的各個地貌單元上，由于坡度的變化，占主導(dǎo)作用的侵蝕力有明顯的差別，表現(xiàn)出顯著的垂直分帶性。承繼成[4]、陳永宗等[5]學(xué)者曾對這種土壤侵蝕的垂直分帶現(xiàn)象進行過分類和研究，并對溝坡部分的重力侵蝕現(xiàn)象十分重視。例如，陳永宗等[5]將谷間地劃分為水力侵蝕帶并進一步劃分為4個亞帶，將溝谷地劃分為水力、重力共同作用帶并進一步劃分為5個亞帶。具體到橋溝小流域，峁頂由于坡度小、植被條件好，土壤侵蝕以濺蝕、片蝕為主，程度比較輕微；梁峁坡部分草本植被覆蓋條件較好，以面狀水流侵蝕為主，細溝、淺溝侵蝕比較輕微；溝坡部分由于坡度大、植被稀疏，水力侵蝕和重力侵蝕都很強烈，是重力侵蝕發(fā)生的主要坡段。野外觀測表明，溝坡部分是次一級地貌形態(tài)發(fā)育最豐富的部分，常見到淺溝和細溝平行分布在溝坡上，溝頭陡坎、陡崖、陷穴、泥沙堆積形成的短小坡面及各種重力侵蝕留下的痕跡等都分布在溝坡上。

3 溝道發(fā)育階段對重力侵蝕的影響

黃土溝道的發(fā)育階段可以分為細溝、淺溝、切溝、沖溝、干溝、河溝等[5]。根據(jù)對黃土高原溝道的分類，橋溝主溝和第二支溝屬于沖溝，第一支溝屬于大型切溝。從溝道的橫斷面形狀看，3條溝道在深度、寬度及溝坡坡度等方面有顯著的差別(圖2)。第一支溝具有V形橫斷面形態(tài)，下切深度達40～50 m，溝底寬度僅1～2 m，溝坡坡度平均值達65°，有許多近于垂直的陡壁；主溝道及第二支溝溝道底部較寬闊，溝坡坡度一般在40°～50°，近于垂直的陡坎主要出現(xiàn)在溝緣線附近的溝頭部位。

圖2 不同發(fā)育階段溝道橫斷面形態(tài)示意

重力侵蝕在溝道的發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用，且在發(fā)育的不同階段溝道發(fā)展的主要方向和強度不同，重力侵蝕的特點也不同。切溝階段是溝道快速下切和溝頭溯源侵蝕的時期，溝道窄深，溝坡陡峻，因而溝壁崩塌頻繁，重力侵蝕十分強烈。在橋溝第一支溝中可以觀察到大量的重力侵蝕現(xiàn)象，并且規(guī)模相對較大。沖溝階段，隨著溝道深度逐漸接近侵蝕基準面及溝頭接近流域分界線，溝道的長度和深度增長受限，溝道發(fā)育的方向以逐漸拓寬為主，溝坡坡度逐漸減小，重力侵蝕相對變?nèi)?。在橋溝第二支溝及主溝溝坡上可以觀測到數(shù)量眾多的重力侵蝕現(xiàn)象，但一般規(guī)模較小，規(guī)模較大的重力侵蝕發(fā)生頻率較低?？傊?，重力侵蝕是溝谷地貌發(fā)育的重要營力，在溝道發(fā)育的過程中，重力侵蝕經(jīng)歷了由弱變強又轉(zhuǎn)弱的變化，重力侵蝕強度的變化與溝道發(fā)育的強烈程度相一致。

溝道中重力侵蝕強度直接影響溝道的產(chǎn)沙量。例如，蔡強國[6]在羊道溝的實地調(diào)查表明，重力侵蝕產(chǎn)沙量在溝谷發(fā)育的不同階段有明顯差異；韓鵬等[7]通過室內(nèi)試驗分析了淺溝和細溝發(fā)育過程中重力侵蝕的產(chǎn)沙作用，表明重力侵蝕對總產(chǎn)沙的貢獻可達60%以上。在自然溝道中，重力侵蝕與水力侵蝕產(chǎn)沙往往混合在一起，很難將二者區(qū)分開來，但重力侵蝕的發(fā)生能夠顯著地增加溝道中水流的含沙量，且增加高含沙水流出現(xiàn)頻率，在這方面王興奎等[8]及許炯心[3]等學(xué)者進行了比較翔實的分析。2007—2009年橋溝15次降雨量及主溝、第一支溝和第二支溝最大含沙量數(shù)據(jù)見圖3。如果把含沙量400 kg/m3定為高含沙水流的下限，那么在這15次徑流過程中，主溝道出現(xiàn)了5次高含沙水流(占33%)，第一支溝出現(xiàn)了10次(占67%)，第二支溝出現(xiàn)了6次(占40%)。第一支溝出現(xiàn)高含沙水流的概率明顯高于第二支溝及主溝，高含沙水流出現(xiàn)的概率基本能夠反映3條溝道中重力侵蝕的強弱順序。野外觀測可見，第一支溝內(nèi)?？梢姷酱罅康闹亓η治g堆積物，這些泥沙在汛期逐漸被搬運出溝道，為高含沙水流的形成提供了物質(zhì)來源。

圖3 最大含沙量與降雨量的關(guān)系

4 坡度對重力侵蝕的影響

根據(jù)野外實地觀測，橋溝小流域坡面坡度可以分為以下4類：①20°以下的低坡度坡面，主要分布在溝道底部、梁峁坡頂及地形的鞍部，是流域內(nèi)地形比較緩和的區(qū)域，除溝道底部外，一般以面狀侵蝕為主，很少出現(xiàn)淺溝，基本上沒有重力侵蝕發(fā)生；②20°～32°的坡面，主要分布在梁峁坡的中、下部位，一般為30°左右的直形坡，由于草本植被覆蓋度比較高，坡面形態(tài)比較完整，紋溝、細溝等溝道侵蝕不明顯，重力侵蝕很少發(fā)生；③32°～42°的坡積物堆積坡面，主要出現(xiàn)在陡坡或陡坎的底部，是水力和重力侵蝕產(chǎn)生的松散土體堆積在坡腳處經(jīng)流水作用改造后形成的；④42°以上的陡峭坡面，主要包括大部分溝坡和溝頭部位形成的陡坎，由于坡度大，所以是重力侵蝕發(fā)生的主要部位，重力侵蝕發(fā)生頻率高。

坡度是對土壤侵蝕影響最直接的因素，不少研究表明黃土坡面存在臨界坡度[9-11]。實際觀測表明，橋溝流域存在兩個坡度臨界：一個是30°左右的梁峁坡，另一個是40°左右的坡積物堆積坡。對這兩類坡面我們分別隨機測量了20個樣本，其坡度概率分布見圖4。由圖4可知，梁峁坡和坡積物堆積坡面的坡度分布在不同的范圍內(nèi)，并分別以30°和40°左右出現(xiàn)概率最高。陳永宗等[5]在研究中曾經(jīng)提出綏德區(qū)域存在28°左右的臨界坡度，這一坡度與我們在橋溝流域觀測到的臨界坡度相近；但 40°左右的坡積物坡面還沒有見到有文獻提及，筆者認為這個坡度與黃土的動休止角有關(guān)。

圖4 梁峁坡及坡積物堆積坡坡度概率分布

利用橋溝流域分辨率為1 m 的DEM數(shù)據(jù)(通過三維激光掃描獲得)，可以得到流域內(nèi)地形坡度的分布，不同坡度坡面的面積及所占比例如表1所示。據(jù)野外實地觀測，33°～42°的坡積物坡面有規(guī)律地分布在42°以上的陡坡坡腳處，坡長一般在10 m以內(nèi)，連續(xù)性較好，說明重力侵蝕產(chǎn)生的泥沙在坡腳堆積成40°左右的坡面是普遍存在的現(xiàn)象。另外，在梁峁坡上植樹過程中，水平整地翻挖出來的黃土堆積體也會形成狹長的33°～42°坡面，可見在當(dāng)?shù)刈匀粭l件下，松散土體堆積物容易形成40°左右的坡面。

表1 橋溝小流域不同坡度坡面分布情況

橋溝小流域溝道的典型斷面形態(tài)如圖2中第二支溝所顯示的那樣，上部是坡度較緩的梁峁頂和梁峁坡，至溝緣線部位一般是溝頭發(fā)育形成的陡坎。溝頭部位的陡坎高度一般為1.5～8.0 m，坡度近于垂直。這樣的高差雖然不易導(dǎo)致大型的重力侵蝕，但是由于這些部位暴露、坡度大、應(yīng)力集中，所以容易形成土體裂縫，土體風(fēng)化侵蝕的速度和程度明顯大于其他部位。因此，溝頭陡坎是重力侵蝕的重要部位，特別是瀉溜、小型崩落、滑塌、崩塌等發(fā)生頻率較高。重力侵蝕產(chǎn)物與水力侵蝕產(chǎn)物共同形成了陡坎下部的堆積物群，也形成了坡腳40°左右的堆積物坡面。

5 重力侵蝕產(chǎn)沙量估算

坡面既是侵蝕泥沙的來源，又是水沙向下運移的通道。泥沙隨水流沿坡面自上向下運移的過程中，可能經(jīng)過多次侵蝕搬運—沉積—再侵蝕搬運的交替和循環(huán)過程。坡面上泥沙侵蝕和沉積的轉(zhuǎn)換取決于水流的挾沙能力與泥沙供應(yīng)的對比關(guān)系，在挾沙能力大于泥沙供應(yīng)能力的坡段發(fā)生侵蝕，在挾沙能力不足的坡段發(fā)生沉積。在影響坡面水流挾沙能力的因素中，坡降為徑流提供能量，顯然是十分重要的因素，且從長期來看坡度也是坡面趨勢性調(diào)整的主要方向。

如圖2中第二支溝坡面形態(tài)結(jié)構(gòu)，坡面上水沙向下運移輸送的過程中，依次經(jīng)過梁峁坡—陡坎或陡坡—坡積物堆積坡—溝坡下部—溝底等地貌單元。據(jù)野外實地觀測，梁峁坡以面狀侵蝕為主，坡面形態(tài)比較完整，在草本植被的保護下梁峁坡形態(tài)能夠長期保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生局部快速的泥沙侵蝕或堆積，說明梁峁坡處于侵蝕和搬運的均衡狀態(tài)。溝坡上陡坎或陡坡部位是重力侵蝕和水力侵蝕產(chǎn)沙的活躍部位，產(chǎn)生的泥沙經(jīng)過坡積物堆積坡面向下輸送。坡積物堆積坡面的坡度明顯大于梁峁坡的坡度，從泥沙輸送能力方面考慮，前者對泥沙的輸送能力明顯大于后者。

Julien等[12]通過因次分析法建立了坡面流挾沙力公式。在降雨強度較大，坡面水流的切應(yīng)力明顯比坡面上泥沙顆粒的臨界啟動應(yīng)力大的條件下，坡面水流輸沙能力可用下式表示

qs=αSβqγiδ

式中：qs為單寬輸沙率，kg/(m·s)；S為坡面坡度，(°)；q為單寬流量，m3/(m·s)；i為降雨強度，mm/min；α、β、γ、δ為系數(shù)，其中β在1.2～1.9間取值。

如果較粗略地認為其他因素相同，僅考慮坡面坡度對輸沙能力的影響，取β=1.5，那么通過上述公式可知40°坡面輸沙能力是30°坡面輸沙能力的1.75倍。即陡坎或陡坡部位提供的泥沙可能占整個坡面總產(chǎn)沙量的42%以上。龔時旸等[13]根據(jù)子洲縣團山溝、綏德團圓溝和韭園溝、離石王家溝的試驗和觀測資料得出結(jié)論，溝谷地占溝道總侵蝕量的比例分別為38.2%、56.7%、49.9%、52.9%，計算結(jié)果與本次研究的結(jié)論比較一致。

6 結(jié) 語

(1)溝道的地貌特征是重力侵蝕的重要影響因素，黃土溝道中土壤侵蝕具有明顯的垂直分帶性，重力侵蝕主要發(fā)生在溝坡。

(2)溝道中重力侵蝕的強弱與溝道的發(fā)育階段有密切的關(guān)系，年輕并處于快速發(fā)育階段的溝道中的重力侵蝕強度大，而趨于成熟的溝道中的重力侵蝕強度弱，可以根據(jù)溝道的發(fā)育階段大致判斷重力侵蝕的強度。

(3)在地貌因素中，坡度是影響重力侵蝕的最顯著的因素。橋溝流域存在<20°、20～32°、32～42°、>42°四類坡面，其中30°左右是梁峁坡的臨界坡面，40°左右是坡積物堆積坡的典型坡度，42°以上可以作為溝坡的判定界限。

(4)對比不同坡度坡面水流輸沙能力，可以估算橋溝流域典型坡面上重力侵蝕產(chǎn)沙占全坡面總產(chǎn)沙量的42%左右。

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