淺析黃土高原溝道壤中流及其形成機理

董起廣 杜宜春 雷娜

摘 要：針對黃土高原治溝造地過程中發(fā)現(xiàn)的壤中流現(xiàn)象，結合相關產(chǎn)流理論及當?shù)刈匀坏乩項l件對溝道壤中流的產(chǎn)生極其形成機理進行了初步分析，探討了該地區(qū)壤中流的形成條件，為治溝造地工程的實施提供參考。

關鍵詞：黃土高原；治溝造地；壤中流

0 引言

黃土高原是我國土壤侵蝕量最高、水土流失最嚴重的區(qū)域之一，為改善當?shù)丨h(huán)境，黨和政府先后實施了一系列工程措施。其中，重大工程主要有退耕還林還草工程、治溝造地工程[1]，有效遏制了黃土高原土壤侵蝕。而在治溝造地工程實施過程中，有學者提出，受黃土高原溝道特殊的地形地貌和獨特的小流域水文環(huán)境條件影響，部分溝道存在明顯的壤中流現(xiàn)象[2]。

通過總結發(fā)現(xiàn)，多數(shù)關于壤中流的研究都集中在南方的紅壤地區(qū)[3-5]，在北方半干旱-半濕潤地區(qū)，關于壤中流的研究嚴重滯后。而壤中流作為水文循環(huán)的要素之一，可以影響流域產(chǎn)匯流特征以及溶質(zhì)和物質(zhì)的運移，對其合理的利用可以增加黃土高原灌溉水田的面積，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提升治溝造地工程效益產(chǎn)出，對水資源的合理利用，緩解農(nóng)業(yè)面源污染的危害具有重要意義，在治溝造地中具有重要價值。但如果對施工過程中出現(xiàn)的壤中流不及時排導，會在土壤中積聚，引發(fā)濕陷和山體滑坡等災害，影響工程的施工和安全。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)的九龍泉溝，區(qū)內(nèi)溝道南北長9.8 km，河道海拔自南向北由1170 m降至1093 m。研究區(qū)屬于溫帶季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，降水較少；夏季炎熱多雨，降雨集中，時空分布不均，多年平均降水量573 mm，7、8兩月降水量最多，占年降水量的40%。

2 壤中流的發(fā)現(xiàn)

通常情況下，黃土高原水資源匱乏，且土層深厚，質(zhì)地均勻，結構松散，極易形成土壤水庫，難以形成壤中流。通過治溝造地前的基礎普探工作，發(fā)現(xiàn)在部分溝道地區(qū)水資源相對充沛，土層壤粘相間，溝道澇漬問題突出，存在不同程度的壤中流現(xiàn)象。

經(jīng)過大量的普探工作及調(diào)研研究，發(fā)現(xiàn)在延安寶塔區(qū)九龍泉溝、陽灣溝等小流域中，一般在雨季期間，降水結束后，易形成兩個較為突出的流量過程，前面一個是主峰，主要由地表徑流形成，其后還有一個小的流量過程，即為壤中水出流過程，其峰值往往滯后于主峰數(shù)日甚至1-2個月。在坡腳古土壤層附近或基巖裸露處，常常有水分的側滲現(xiàn)象，此處土壤將維持一段時間的濕潤狀態(tài)。

在黃土高原地區(qū)，每年雨季都會發(fā)生滑坡、泥石流、塌陷等自然災害，誘發(fā)這些地質(zhì)災害的最主要因素就是降雨及其產(chǎn)生的壤中流。在降雨作用下，土體中的水分向下滲透，上部土體的滲透系數(shù)大于下部土體的滲透系數(shù)，形成了相對隔水層，并在隔水層形成了壤中流，從而導致了土體滑動面沿隔水層產(chǎn)生滑坡、泥石流現(xiàn)象。同時，在溝道的溝谷當中，溝口區(qū)域常常處于漬水狀態(tài)，溝道內(nèi)下濕地嚴重，治溝造地工程施工難度極大。

3 壤中流形成的理論基礎

處于干旱半干旱地區(qū)的黃土高原溝道的降雨產(chǎn)流過程，受到流域氣候、植被條件，特別是黃土儲水特性等因素的影響，是一個產(chǎn)、匯流交織發(fā)生，具有高度阻尼的極為錯綜復雜的隨機物理過程。產(chǎn)流是流域下墊面對降雨的再分配過程。Horton于1935年提出了著名的產(chǎn)流理論，他指出降雨產(chǎn)生徑流受控于兩個條件：一是降雨強度超過地面下滲能力；二是包氣帶土壤含水量超過其田間持水量，即超滲雨形成地表徑流，田間持水量滿足后，穩(wěn)定的下滲量形成地下徑流。Horton的產(chǎn)流理論闡述了超滲地表徑流和地下徑流產(chǎn)生的物理條件，為許多流域模型的建立奠定了基礎，前者是超滲地表徑流產(chǎn)生的條件，后者是地下水產(chǎn)生的條件。

雖然Horton產(chǎn)流理論正確地闡明了均質(zhì)包氣帶情況下超滲地表徑流和地下徑流產(chǎn)生的條件，但在自然界中，由于種種原因，許多情況下包氣帶的巖土結構并非均質(zhì)，而是具有一定質(zhì)地層次結構。到上世紀70年代初，Kirkby等在大量水文實驗研究的基礎上，提出了基于山坡水文學的新產(chǎn)流理論。該理論的主要思想是，由于巖土層的分異性，在不同的下滲界面上可能形成相對臨時飽和帶，這時會產(chǎn)生側向徑流，即壤中流。山坡水文學產(chǎn)流理論的提出，為具體劃分地表徑流、壤中流、地下徑流等提供了依據(jù)，對包含不同徑流成分的產(chǎn)流機制有了更進一步地認識，被認為是對Horton產(chǎn)流理論的重要補充和完善。

從以上理論可以看出，影響壤中流產(chǎn)生的因素有很多，主要包括降雨、土層結構、土層厚度、地形等方面。

4 黃土高原溝道壤中流形成的基本條件

4.1 水資源條件

在黃土高原部分溝道地區(qū)，水資源條件相對充沛。黃土高原坡面區(qū)域壤中流主要由降水補給產(chǎn)生，溝谷地勢低洼，也是小流域的匯流區(qū)域，其水分來源除降水、匯流外，還有地下水的補給。因此，黃土高原溝道壤中流的水資源條件主要是來自頻發(fā)的暴雨以及坡面匯水和豐富的地下水。

集中強降雨是壤中流發(fā)生的物質(zhì)基礎。圖3-2反映了研究區(qū)2013年-2016年之間的日降水量變化情況。從中可以看出研究區(qū)內(nèi)降水的主要月份集中在6月-10月期間，該時間段內(nèi)往往會有3-10日大于50 mm的暴雨發(fā)生。2013-2016年各年全年降水量分別為：959.1 mm、694.9 mm、391.7 mm、502.3 mm，可見在2013年該地區(qū)降水量巨大。通過調(diào)研，該年份溝道內(nèi)尚未進行綜合整治，致使溝道徑流、壤中流流量巨大，造成了壩堤沖毀、坡面滑塌、洪澇等多起自然災害，對當?shù)厣a(chǎn)、生活帶來了巨大損失。由此可見，黃土高原溝道特殊的小流域氣候，降水量變異特性明顯，且在雨季常常會發(fā)生暴雨及連續(xù)陰雨天氣。

4.2 地形地貌及土層結構

4.2.1 邊坡剖面構造

陜北黃土高原溝道邊坡土壤剖面構型大致可分為2種類型。一種為相對均質(zhì)的黃綿土層，此類邊坡土壤剖面結構均一，主要分布在邊坡的上部；一類為上輕下粘的層狀質(zhì)地結構，這種層狀質(zhì)地結構下部主要為褐色粘重的古土壤層、鈣積層或基巖等弱透水層（圖2）。

4.2.2 溝谷土層厚度分布

研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出梁峁起伏，溝壑縱橫、溝谷深切、地形破碎的自然景觀。黃土高原一般地區(qū)黃土覆蓋深為50～150 m，而在研究區(qū)溝谷地區(qū)土層厚度則相對淺薄。在溝谷內(nèi)土層厚度分布不均，土層最薄處不足1 m，土層下部為礫石層或基巖層。采用土鉆法及探地雷達法對溝道內(nèi)土層厚度進行了普探，普探結果表明溝道土層厚度從溝頭至溝口逐漸減小。溝頭處土層厚度一般在4 m以上，而到溝口處土層厚度最小可減小至0.5 m以下。土層厚度的減小導致了土壤儲水量降低，當土壤儲水量小于當日降水量時則會產(chǎn)生壤中流現(xiàn)象。

5 結論

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原部分溝道流域內(nèi)存在壤中流現(xiàn)象。該區(qū)域壤中流的產(chǎn)生具備一定的理論基礎，其主要產(chǎn)生的條件包括：集中的降水及豐富的地下水為壤中流的形成提供了水資源條件；分層的土體結構、厚度不一的土層剖面以及溝道坡降等是該地區(qū)產(chǎn)生壤中流必要的地形地貌條件。

參考文獻

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