鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)砒砂巖侵蝕特征探析

［關(guān)鍵詞］ 砒砂巖；侵蝕特征；勘測；脆弱地質(zhì)區(qū);鄂爾多斯

［摘 要］ 選取鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)不同坡度、坡位的裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面為研究對象，在自然條件下，通過野外實地勘測，分析了長期沖刷侵蝕條件下砒砂巖坡面沖溝的形成及發(fā)育過程。結(jié)果表明：裸露和植被覆蓋砒砂巖坡面侵蝕狀況相似，坡頂沖溝少且細、坡中沖溝最多、坡底沖溝深且寬，且隨著坡度的增加，沖溝下切深度增加，分支增多，對溝壁的侵蝕破壞作用增強，但植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝發(fā)育程度明顯弱于裸露砒砂巖坡面。這說明植被覆蓋可以有效減輕砒砂巖坡面侵蝕強度，應(yīng)重視砒砂巖區(qū)植物的防護作用，根據(jù)不同坡位、坡度、植被覆蓋狀況調(diào)整防治措施，加強邊坡綠化，種植具有優(yōu)良固沙效果和經(jīng)濟價值的植物。

［中圖分類號］ U418 "［文獻標識碼］ A "DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.10.018

［引用格式］ 劉勇，藺建銘，張德全，等.鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)砒砂巖侵蝕特征探析［J］.中國水土保持，2024（10）：67-70.

砒砂巖是一種松散巖層，廣泛分布在黃土高原北部晉陜蒙接壤地區(qū)的鄂爾多斯高原。在鄂爾多斯砒砂巖分布區(qū)，砒砂巖成巖程度低、沙粒間膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)強度低［1］，容易被沖刷、侵蝕、搬運，加之受當(dāng)?shù)睾?、干旱的氣候及風(fēng)沙環(huán)境下的水力侵蝕、風(fēng)蝕沙化等影響，形成了特殊的脆弱地質(zhì)區(qū)。學(xué)者們針對砒砂巖區(qū)水土流失問題等開展了一系列研究。比如：在氣候影響方面，李曉麗等［2］研究認為，氣候條件會影響砒砂巖侵蝕程度，少雨干旱、氣溫驟升驟降等會使砒砂巖結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而為水力、風(fēng)力和凍融侵蝕提供條件；在物理特性影響方面，劉慧等［3］認為砒砂巖孔隙率大和透水性強的物理特性為侵蝕提供了結(jié)構(gòu)條件，黏土顆粒含量低為風(fēng)化提供了幾何條件，堿性強為酸雨侵蝕提供了化學(xué)條件；在坡度等地形影響方面，李龍等［4］研究發(fā)現(xiàn)，裸露砒砂巖區(qū)坡度變化影響沖溝數(shù)量、密度、復(fù)雜度、割裂度等，隨著坡度和沖刷強度增大，坡面產(chǎn)沙率表現(xiàn)為先增后減的變化趨勢。

在砒砂巖區(qū)，降雨形成的水流在砒砂巖坡面聚集，使坡面受到大面積侵蝕，當(dāng)形成穩(wěn)定水流后，坡面表面砒砂巖逐漸被沖刷脫落直至形成沖溝，沖溝作為后續(xù)水流的流動通道，進一步加劇了水力侵蝕。本研究選擇鄂爾多斯砒砂巖分布區(qū)，對兩種不同類型砒砂巖坡面的沖溝發(fā)育情況進行野外勘測，分析砒砂巖區(qū)水土流失影響因素，以期為當(dāng)?shù)厮亮魇е卫硖峁┛茖W(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗烏點補拉溝及其周邊地區(qū)作為研究區(qū)，開展砒砂巖坡面沖溝發(fā)育情況野外勘測。研究區(qū)屬于典型的溫帶半干旱高原大陸性氣候區(qū)，冬季漫長且寒冷，夏季短暫且炎熱，春季氣溫回升迅速，秋季氣溫下降明顯，全年長時間受西伯利亞及蒙古高原氣流控制，年均氣溫6.8 ℃，年均降水量245 mm，其中60%集中在7—9月。研究區(qū)地勢崎嶇，溝壑交錯，水土流失非常嚴重，自然植被稀少，以人工植被為主，主要是退耕還林工程栽植的檸條、楊柴、沙棘等。

本次研究選取2種典型的砒砂巖坡面，分別為裸露砒砂巖坡面（見圖1）、植被覆蓋砒砂巖坡面（見圖2）。在自然條件下，裸露砒砂巖坡面的水土流失最為嚴重，砒砂巖迅速崩解并隨著雨水向下流失，隨著時間的推移，坡面被雨水侵蝕形成多條溝壑；而植被覆蓋砒砂巖坡面受水力侵蝕作用影響程度相比于裸露砒砂巖坡面輕，但在強降雨或持續(xù)降雨的條件下仍會發(fā)生嚴重的水土流失。

2 勘測設(shè)計

本次野外勘測共設(shè)置6組坡面，即坡度分別為10°、20°、30°的裸露砒砂巖坡面和植被覆蓋砒砂巖坡面，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析不同坡度、坡位的裸露砒砂巖和植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝侵蝕情況。野外勘測時間為2023年4月—2023年6月，期間降雨較少，植被覆蓋砒砂巖坡面植被主要為雜草（楊柴），高度10～20 cm，坡面整體植被覆蓋度約為50%，但植被生長緩慢，且在形成的沖溝內(nèi)植被稀少。對比分析相同坡度情況下裸露砒砂巖及植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位的沖溝侵蝕情況，等距離選取取樣點，分別為坡頂（點位1）、坡頂?shù)狡轮校ㄗ陨隙路謩e為點位2、3、4）、坡中（點位5）、坡中至坡底（自上而下分別為點位6、7、8）、坡底（點位9）。通過卷尺測量不同坡位沖溝寬度、分支數(shù)量等，以探究砒砂巖區(qū)沖溝發(fā)育規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位侵蝕情況分析

選擇坡度10°裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面進行不同坡位沖溝發(fā)育情況分析。坡度10°裸露砒砂巖坡面各坡位沖溝發(fā)育情況見圖3。裸露砒砂巖坡面沖溝從坡底開始出現(xiàn)，隨著降雨沖刷及風(fēng)化侵蝕逐漸向坡頂延伸：坡頂沖溝較少，且呈現(xiàn)出細窄淺的特點；相比坡頂，坡中沖溝較多，多彎折，多分支，且更粗更深；坡底沖溝匯集，且呈現(xiàn)多彎折、粗寬深的特點。

圖4為坡度10°植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位沖溝發(fā)育情況。觀測結(jié)果表明，與裸露砒砂巖坡面相似，植被覆蓋砒砂巖坡面坡頂沖溝較少，坡中沖溝多彎折、多分支，坡底沖溝匯集且深度和寬度都明顯大于坡中和坡頂；相比裸露砒砂巖坡面，植被覆蓋砒砂巖坡面各坡位侵蝕沖溝呈現(xiàn)出更少更細更淺的特點。這說明，植被覆蓋可以在一定程度上改善砒砂巖坡面沖溝的形成、發(fā)育及延伸。

圖5、圖6分別為坡度10°裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝寬度隨坡位變化情況。對比圖5、圖6可知，坡度10°裸露砒砂巖和植被覆蓋砒砂巖坡面坡頂、坡中、坡底沖溝寬度分別為0.153、3.098、10.217 m和0.025、2.212、4.035 m。兩種坡面沖溝寬度分布均表現(xiàn)為從坡頂至坡底逐漸變寬，不過相比裸露砒砂巖坡面，植被覆蓋砒砂巖坡面相同坡位的侵蝕沖溝寬度明顯較窄。

圖7、圖8分別為坡度10°裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位沖溝分支數(shù)量。坡度10°裸露砒砂巖和植被覆蓋砒砂巖坡面坡頂、坡中、坡底沖溝分支數(shù)量分別為2、17、4條和1、7、2條，均呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢。分析其原因，砒砂巖坡面沖溝最先在坡底發(fā)生，隨著時間的推移，坡底沖溝逐漸合并為較大型的沖溝，并逐漸向坡中、坡頂延伸，坡頂沖溝發(fā)育時間較短，為細淺型的小型沖溝，而坡中沖溝發(fā)育時間較長，且雨水匯集較為分散，故而發(fā)育成復(fù)雜、多條的中型沖溝。

3.2 不同坡度裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面侵蝕情況分析

圖9、圖10為不同坡度裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝發(fā)育情況。在相同降雨條件下，隨著坡度增加，裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面的沖溝數(shù)量、分支數(shù)量、累計長度、分布面積、平均寬度、平均深度等各項指標均表現(xiàn)出明顯的增加趨勢。這說明，在降雨沖刷條件下坡度越大，沖溝下切越深，沖溝分支數(shù)量越多，對溝壁的侵蝕破壞越強。但同時，相同坡度條件下植被覆蓋砒砂巖坡面的侵蝕程度明顯弱于裸露砒砂巖坡面，這說明砒砂巖坡面的植被狀況會直接影響坡面沖溝的形成，植被覆蓋有助于防止砒砂巖侵蝕。圖11、圖12分別為裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝分支數(shù)量隨坡度變化情況。對比圖11、圖12可知，隨著坡度增加（10°～30°），裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝分支數(shù)量分別從8條增至18條和4條增至13條。坡度10°植被覆蓋砒砂巖坡面出現(xiàn)的沖溝數(shù)量和分支數(shù)量也最少，分布面積、平均寬度和深度也最小，隨著坡度增加，坡面出現(xiàn)的沖溝數(shù)量、分支數(shù)量、分布面積、寬度、深度等都呈增加趨勢；同時裸露砒砂巖坡面在坡度10°時，出現(xiàn)的沖溝數(shù)量、分支數(shù)量也是最少，分布面積、寬度、深度也最小，隨著坡度增加，這些數(shù)據(jù)都呈快速上升趨勢。

對比相同自然條件下裸露與植被覆蓋砒砂巖坡面的侵蝕狀況可知，植被對砒砂巖區(qū)水土流失有一定的抑制作用，雖然在已形成的沖溝內(nèi)部植被較少，但通過實施植物措施，沖溝內(nèi)部特別是邊緣的植物根系可以發(fā)揮固沙作用，抑制沖溝向兩側(cè)擴張。降雨時，植被可以減弱雨水對砒砂巖表面的濺蝕破壞，減緩沖溝的發(fā)育速度。

4 討論

鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)砒砂巖坡面侵蝕受多種因素影響。本次野外勘測結(jié)果表明，自然條件下砒砂巖坡面侵蝕表現(xiàn)出面蝕—斷續(xù)沖溝—連續(xù)沖溝的發(fā)展過程，且在斷續(xù)沖溝與連續(xù)沖溝過程中伴隨著跌坎和侵蝕穴的出現(xiàn)［5］。針對鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)砒砂巖坡面而言，坡度、坡位和植被覆蓋狀況是影響其坡面沖溝發(fā)育的3個重要因素。

根據(jù)研究區(qū)實地現(xiàn)場勘測照片（圖13、圖14），坡度變化對沖溝形態(tài)具有較大影響，小坡度坡面沖溝在水蝕和風(fēng)蝕作用下呈現(xiàn)出多分支、多彎折、淺沖刷的特點；而大坡度坡面沖溝在水蝕和風(fēng)蝕作用下呈現(xiàn)出多通路、多直溝、深沖刷的特點。其原因是邊坡坡度越大，坡面水流流速越快，單位水流攜帶的土壤顆粒越多，坡面下切越嚴重，因此沖溝形態(tài)偏向于多直線、少彎折［5］。與此同時，勘測還發(fā)現(xiàn)隨著坡位的變化，坡面沖溝發(fā)育呈現(xiàn)出不同的特點，沖溝由坡底開始發(fā)育，逐漸加深拓寬并向上延伸，隨著坡位的上升，沖溝深度逐漸變淺，寬度和沖刷表面積逐漸減小。此外，對比相同條件下裸露與植被覆蓋砒砂巖坡面的侵蝕情況，可以觀察到有植被覆蓋砒砂巖坡面的沖溝呈現(xiàn)出少細淺的特點，這說明植被根系的固土固沙能力能使砒砂巖邊坡保持一定的抗侵蝕能力。

綜上，鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)砒砂巖坡面侵蝕受坡度、坡位及植被覆蓋等因素影響，所以在黃河流域生態(tài)保護和砒砂巖脆弱地質(zhì)區(qū)防治工程實施過程中要充分考慮這三者耦合作用的影響。比如在砒砂巖邊坡侵蝕治理工作中，對坡度大、坡位低、植被覆蓋少的防治工程要預(yù)留更多的安全儲備，對坡度小、坡位高、植被覆蓋多的防治工程則可適當(dāng)降低安全儲備。

5 結(jié)論

1）坡度10°的裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝發(fā)育寬度均表現(xiàn)為坡底＞坡中＞坡頂，沖溝分支數(shù)量由坡頂?shù)狡碌妆憩F(xiàn)為先增后減的變化趨勢。裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝分布特點均為坡頂沖溝較少且細，坡中沖溝分支最多且形狀蜿蜒曲折，坡底沖溝最先發(fā)育且深度最深。

2）坡度較緩的10°坡面，沖刷形成的沖溝表現(xiàn)為細淺型，坡度相對較陡的20°和30°坡面，沖溝的形態(tài)表現(xiàn)為寬深型；在自然條件下隨著坡度的增加，沖溝線條變直，分支增多，下切加深，對溝壁的侵蝕破壞變強。

3）3種不同坡度下裸露與植被覆蓋砒砂巖坡面侵蝕形成的沖溝有著明顯差異，植被覆蓋砒砂巖坡面較裸露砒砂巖坡面的沖溝數(shù)量和分支數(shù)量更少，分布面積更小，深度更淺，說明在鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)植被覆蓋會影響砒砂巖坡面溝壑的形成，可在一定程度上防止侵蝕的發(fā)生。

綜合上述分析結(jié)果，鄂爾多斯脆弱地質(zhì)區(qū)水土保持工作應(yīng)以生態(tài)保護為主、工程治理為輔，種植固沙效果優(yōu)良且有經(jīng)濟價值的植物（如沙棘等），發(fā)揮植物的固沙作用，并根據(jù)不同的坡位、坡度調(diào)整措施布設(shè)。采取植物防護措施時，應(yīng)考慮植物的水源補給問題，在年降雨量較小的地方設(shè)置水源收集儲存與補給系統(tǒng)?？紤]到已經(jīng)沖刷出相當(dāng)規(guī)模的沖溝內(nèi)植物難以存活，可輔以工程防護措施（如淤地壩等），先穩(wěn)定坡面再栽植植物。

［參考文獻］

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［2］ 李曉麗，于際偉，劉李杰.鄂爾多斯砒砂巖土壤侵蝕與氣候條件關(guān)系的研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，35（3）：105-109.

［3］ 劉慧，時明立，蔡懷森，等.砒砂巖侵蝕的物理特性試驗研究［J］.人民黃河，2016，38（6）：8-10.

［4］ 李龍，秦富倉，錢秋穎，等.沖刷條件下裸露砒砂巖區(qū)坡面沖溝微形態(tài)變化及其侵蝕特征［J］.水土保持學(xué)報，2021，35（5）：37-43.

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收稿日期： 2024-05-10

基金項目： 鄂爾多斯市科技合作重大專項（2021EEDSCXQDFZ013）

第一作者： 劉勇（1971—），男，內(nèi)蒙古伊金霍洛旗人，高級工程師，學(xué)士，主要從事水利工程管理等工作。

通信作者： 張德全（1980—），男，甘肅隴西人，工程師，學(xué)士，主要從事水土保持工作。

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（責(zé)任編輯 李楊楊）