胡 婷，柴春陽(yáng)(.四川交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校，四川成都 630； .中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 6003)

喇嘛溪溝流域侵蝕鏈分析及工程對(duì)策

胡 婷1，柴春陽(yáng)2
(1.四川交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校，四川成都 611130； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

論文結(jié)合喇嘛溪溝的流域侵蝕，提出了流域侵蝕鏈的概念，繪制了喇嘛溪溝流域侵蝕鏈結(jié)構(gòu)圖，分析了流域侵蝕驅(qū)動(dòng)力和各種侵蝕形態(tài)之間的動(dòng)態(tài)演化。揭示了流域侵蝕鏈的動(dòng)力機(jī)制，提出了控制流域侵蝕的工程對(duì)策。

侵蝕形態(tài)；流域侵蝕鏈；工程對(duì)策

1 流域侵蝕鏈的概念

文坡坡喇嘛溪溝位于四川漢源縣九襄鎮(zhèn)，是流沙河水系的一條支溝(圖1)。該區(qū)中下游是第三系昔格達(dá)地層，其工程性質(zhì)與一般巖石有著明顯的區(qū)別，強(qiáng)度較低，特別是在水的作用下，承載能力和抗剪強(qiáng)度都會(huì)大大降低。昔格達(dá)地層巖土特有的工程性質(zhì)與廣泛發(fā)育的結(jié)構(gòu)面相互組合之后，極易形成破裂面與滑動(dòng)面。同時(shí),昔格達(dá)物質(zhì)主要為粉沙粒級(jí), 黏聚力小, 在風(fēng)干后，特別是反復(fù)浸水，極易崩解，適宜于水力搬運(yùn)的顆粒。該地區(qū)上游為震旦系燈影組白云巖及硅質(zhì)白云巖，受九襄斷裂帶影響，極其破碎，呈碎石狀。這些為流域侵蝕提供了豐富物質(zhì)，在重力和流水作用下，風(fēng)化物質(zhì)首先發(fā)生侵蝕，被水流帶到水系中，發(fā)生搬運(yùn)和堆積。該地區(qū)水土流失十分嚴(yán)重。流域侵蝕是流域內(nèi)水系發(fā)展和流域地貌演變的基本動(dòng)力，并且是泥沙輸移與沉積的物質(zhì)來(lái)源[1]。因此，流域侵蝕鏈對(duì)于控制和治理該地區(qū)水土流失具有重要的意義。

圖1 喇嘛溪流域地形(1：50000)

在內(nèi)外力共同作用下，流域內(nèi)地表土層產(chǎn)生剝離、輸移，從而導(dǎo)致流域自然環(huán)境的不斷演化。在這個(gè)過(guò)程中各種侵蝕形態(tài)彼此關(guān)聯(lián)，構(gòu)成有序排列的鏈狀結(jié)構(gòu)體，我們稱之為流域侵蝕鏈。通過(guò)野外調(diào)查和理論分析，得出喇嘛溪溝流域侵蝕鏈結(jié)構(gòu)圖式(圖2)，圖中橫向箭頭反映各營(yíng)力在流域侵蝕中的驅(qū)動(dòng)力作用，即一定的營(yíng)力條件是與一定的侵蝕方式和侵蝕形態(tài)相應(yīng)的?？v向箭頭反映流域侵蝕動(dòng)態(tài)演化，即各種侵蝕方式之間是相互聯(lián)系。

圖2 喇嘛溪溝流域侵蝕鏈結(jié)構(gòu)

2 流域侵蝕驅(qū)動(dòng)力

2.1 降雨

濺蝕是指雨滴直接打擊土壤表面，使土壤顆粒發(fā)生分散和移動(dòng)的過(guò)程。雨滴濺蝕的原動(dòng)力是降雨打擊作用，該區(qū)年降雨量700～1 000 mm左右，6～9月夏季降雨特別集中，占全年降雨量60 %左右，且多暴雨。暴雨雨滴對(duì)地表的濺擊和侵蝕力量是很強(qiáng)的。根據(jù)研究[2]，直徑1.0 mm的小雨滴，具有3.8 m/s的終速度，直徑4.5 mm大暴雨雨滴，具有9 m/s終速度。大雨滴比小雨滴動(dòng)能大500倍，降雨強(qiáng)度70 mm/h的暴雨散失在地面的動(dòng)能，幾乎為強(qiáng)度50 mm/h暴雨的100倍，這類暴雨1 h內(nèi)可以把15 cm厚度土層分別拉起84 cm和90 cm，而強(qiáng)度20 mm/h雨量不足以打碎土塊(1991，張家誠(chéng))，強(qiáng)度暴雨的侵蝕和濺擊力足以使陡坡上處于平衡狀態(tài)的松散物失去穩(wěn)定，往下墜落。

2.2 水流

水流在侵蝕過(guò)程主要破壞并掀起地表物質(zhì)的作用。該地區(qū)夏季多強(qiáng)降雨，容易形成地表徑流，坡面徑流在其發(fā)育初期，水層薄，流速小，流向受地面粗糙度的影響，往往不沿陡坡線流動(dòng)，而多是漫流狀態(tài)，隨著水層的增厚，沖刷能力的加強(qiáng)，薄層片狀水體相連。若水體進(jìn)一步集中，則面狀水流就向線狀水流轉(zhuǎn)化，水層薄、流路廣、作用時(shí)間和流程短。由地面漫流和線狀水流引起的土壤侵蝕，最初表現(xiàn)為沿程侵蝕。到了一定的距離，由于地表的不均勻在地形凹陷處，徑流集中，侵蝕加強(qiáng)，從而出現(xiàn)侵蝕斑痕或不連續(xù)的侵蝕點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展到貫通的細(xì)溝。當(dāng)細(xì)溝出現(xiàn)以后，便大大加強(qiáng)了徑流的侵蝕能力。降雨后坡面徑流逐步匯集于局部相對(duì)低洼地帶，并把坡面切割成規(guī)模不等的溝槽，由細(xì)溝逐步發(fā)展成為淺溝、切溝，在坡面的中下部，坡面徑流基本以線狀股流形式沿溝槽流動(dòng)，在一定條件下，溝槽中的水流不僅搬運(yùn)上游帶來(lái)的土壤顆粒，同時(shí)也表現(xiàn)為對(duì)溝槽的繼續(xù)下切、橫向沖蝕溝槽兩側(cè)和溝頭溯源。

2.3 重力

重力是促使斜坡上的物質(zhì)向下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。斜坡上松散堆積物或風(fēng)化基巖，由于本身重量而沿著斜坡向下運(yùn)動(dòng)或發(fā)生垂直下落，在塊體運(yùn)動(dòng)中地表水、地下水等起到促進(jìn)和觸發(fā)作用。塊體運(yùn)動(dòng)是一種固體或半固體物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，可以是快速運(yùn)動(dòng)，也可以是緩慢不易覺察的移動(dòng)或蠕動(dòng)。該區(qū)在水流長(zhǎng)期作用下形成了很深的溝槽，兩岸邊坡裸露，給下滑的巖土體提供了臨空面，解除岸坡上原來(lái)存在的側(cè)向壓力，斜坡朝溝槽方向變位，釋放原有的應(yīng)力，即卸荷作用，把原來(lái)壓緊的斷層、節(jié)理、裂隙拉開，形成裂縫，當(dāng)重力克服了物體的慣性力和摩擦阻力時(shí)，物體就要向下移動(dòng)。

3 流域侵蝕的動(dòng)態(tài)演化

濺蝕→面蝕→溝蝕→重力侵蝕，是動(dòng)態(tài)演化的過(guò)程。各侵蝕之間不是孤立的，前面的侵蝕為后面的侵蝕的發(fā)生提供了必要的條件。

3.1 濺蝕→面蝕

當(dāng)裸露的地面受較大雨滴打擊時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土粒被濺散，濺起的土粒向坡下移動(dòng)，其中很多土粒隨徑流流失。這種侵蝕除移走土粒外，對(duì)地表土壤物理性狀也有破壞作用，使土壤表面形成泥漿薄膜，堵塞土壤孔隙，阻止雨水下滲，為產(chǎn)生坡面徑流和層狀侵蝕創(chuàng)條件。雨滴本身的輸運(yùn)能力主要取決于其順坡方向的速度，一般很小，水流本身僅能輸送小顆粒的懸移質(zhì)，推移質(zhì)不能被坡面流單獨(dú)輸運(yùn)，只有雨滴擊濺將之抬起后才能被水流輸移，這種流動(dòng)被稱為降雨—水流輸移或降雨誘發(fā)的水流輸移。當(dāng)坡面沒有細(xì)溝發(fā)生時(shí)，這種輸運(yùn)方式占主導(dǎo)地位，地表會(huì)發(fā)生不易察覺的降低，整個(gè)坡面被成層地侵蝕掉了。

3.2 面蝕→溝蝕

當(dāng)坡面流逐漸匯集成股流以后，開始出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕。它的形成主要有兩種途徑[3]。一是在雨滴擊濺，坡面微地貌導(dǎo)致徑流集中及水流本身的不恒定不均勻等因素單獨(dú)或共同作用下，局部土體被水流破壞，形成小侵蝕穴。由于其頭部的躍水，水流在小侵蝕穴中發(fā)生掏蝕，使其不斷擴(kuò)大加深，產(chǎn)生溯源侵蝕，逐漸形成細(xì)溝；二是由于土壤失陷，水流匯集而成壤中流，壤中流在下坡段流出地表，細(xì)溝順其出口發(fā)育，同時(shí)壤中流管道頂部塌陷，形成小跌坎，而后溯源侵蝕形成細(xì)溝。溝蝕是該區(qū)土壤侵蝕的主要形式，在經(jīng)由片蝕向細(xì)溝和淺溝侵蝕演化，而進(jìn)一步發(fā)展成切溝侵蝕，最后形成沖溝后，地面被切割成支離破碎，地面坡度變陡，崎嶇度增大。

3.3 溝蝕→ 重力侵蝕

溝槽形成后，在水流作用下，繼續(xù)下切、橫向沖蝕溝槽兩側(cè)和溝頭溯源，切割一定的高差以后，兩岸的陡坡上的物質(zhì)的位能得到釋放，產(chǎn)生了重力坡，開始發(fā)生重力侵蝕。谷坡就會(huì)以滑坡、崩塌等方式不斷平行本坡面后退。隨著重力侵蝕的發(fā)展，谷坡上的物質(zhì)不斷向坡腳運(yùn)動(dòng)，滑入溝道內(nèi)，谷坡的有效高度降低，坡度變緩, 重力侵蝕逐漸減弱，以致消失。當(dāng)溝道內(nèi)產(chǎn)物逐漸被流水作用搬走之后, 使坡腳的坡度增大并形成新的臨空面, 重力坡再次出現(xiàn)。在喇嘛溪溝，重力侵蝕與溝蝕之間形成了較強(qiáng)的耦合關(guān)系，具有“洪水時(shí)滑動(dòng)——旱季穩(wěn)定——沖走堆積物后再次滑動(dòng)”的特征。即當(dāng)坡腳被沖刷、支撐力下降、下滑力大于抗滑力時(shí)，斜坡就滑動(dòng)；而當(dāng)滑坡體的一部分滑入溝河中堆積下來(lái)，成為抗滑體時(shí)斜坡就暫時(shí)穩(wěn)定下來(lái)或僅有很緩慢的滑動(dòng)；一旦這些堆積體被沖走，則斜坡將再次失去平衡而下滑。

4 工程對(duì)策

認(rèn)識(shí)自然的目的，在于改造自然。流域侵蝕鏈動(dòng)力機(jī)制的研究，使我們對(duì)的流域侵蝕內(nèi)在原因有了較多的認(rèn)識(shí)，從而為有效控制與治理該地區(qū)的水土流失問題提出了一些有益的啟示。

(1)地區(qū)降雨的歷時(shí)和強(qiáng)度是無(wú)法改變的，但是，可以通過(guò)種草種樹，增加地表的植被覆蓋率，來(lái)阻截部分降雨的能量，使土壤表面免于雨滴的直接擊濺。另外，植被能增加地表糙率和下滲，從而減少?gòu)搅骺偭亢徒档蛷搅魉俣?，并能形成低洼蓄水區(qū)使泥沙沉積，減少土壤侵蝕。

(2)水流能量決定坡溝系統(tǒng)土壤侵蝕物質(zhì)的數(shù)量和侵蝕形態(tài)的發(fā)育，是流域侵蝕鏈形成與演化的主要因素[4]。如能有效地控制水流能量的增長(zhǎng)，便可有效地控制侵蝕的發(fā)生與發(fā)展?？梢圆扇∑碌靥萏锘?、等高耕作、設(shè)置植被屏障等措施，隔斷坡段間的聯(lián)系，使坡段間的能量傳遞削弱或消失，尤其上坡來(lái)水?dāng)?shù)量減少，或者根本不進(jìn)入下坡，這樣將可使下坡的侵蝕量大幅度地減少。還可以采取各種增大坡而糙率或增加入滲的措施，以削減水流速度，提高入滲率，使坡面產(chǎn)流減少，侵蝕能量降低，侵蝕過(guò)程受到抑制。

(3)溝谷陡坡是坡溝系統(tǒng)能量急劇增長(zhǎng)的地段，加強(qiáng)其防治是防止強(qiáng)度侵蝕發(fā)生的重要方面[3]。唐克麗通過(guò)對(duì)杏子河流域的考察指出，陡坡開墾是人為破環(huán)的重要方式，因開墾陡坡而增加的侵蝕量，約占流域總侵蝕量的30 %。在研究中，25°～35°坡度轉(zhuǎn)換處，3種實(shí)驗(yàn)雨強(qiáng)均有滑坡或崩塌發(fā)生，其侵蝕量占到了全坡面的36 %～39 %，侵蝕模數(shù)是4個(gè)坡段中最高的。

(4)減弱流域內(nèi)溝蝕與重力侵蝕的耦合關(guān)系，對(duì)現(xiàn)有的滑坡、崩塌采取加固措施，在溝道內(nèi)修筑攔沙壩，它不但可以有效地控制溝道侵蝕，防止溝岸中小型滑坡、崩塌、滑塌的發(fā)生，而且抬高了局部侵蝕基準(zhǔn)面，降低了谷坡相對(duì)高度，增加了谷坡的整體穩(wěn)定性。

(5)流域侵蝕形態(tài)也有平衡的傾向性。當(dāng)水流所挾帶的泥沙與其挾沙能力大體相近時(shí)，流域侵蝕即處于不沖不淤的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，這時(shí)侵蝕過(guò)程得到基本抑制。某種意義上講，控制侵蝕就是認(rèn)識(shí)均衡形成的條件，促使低輸出均衡的實(shí)現(xiàn)。流域的工程建設(shè)與開發(fā)應(yīng)避免打破均衡，造成新的侵蝕過(guò)程。

[1] 朱永恒，濮勵(lì)杰.流域侵蝕過(guò)程研究[J].水土保持研究, 2004,12(2).

[2] 譚萬(wàn)沛，王成華.暴雨泥石流滑坡的區(qū)域預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)——以攀西地區(qū)為例[M].四川科技出版社, 1994： 50-53.

[3] 劉青泉，李家春，陳力，等.坡面流及土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)(Ⅱ)——土壤侵蝕[J].力學(xué)進(jìn)展, 2004，34(4).

[4] 雷阿林，唐克麗，王文龍． 土壤侵蝕鏈概念的科學(xué)意義及其特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2000，14(3).

胡婷(1982)，女，學(xué)士，講師，研究方向道路工程。

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[定稿日期]2016-07-15