黃土高塬溝頭溯源侵蝕的發(fā)生與過(guò)程研究

黃土高塬溝頭溯源侵蝕的發(fā)生與過(guò)程研究

高原山區(qū)溝渠尾的強(qiáng)烈侵蝕嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黃土高原面積不斷擴(kuò)大，給該地區(qū)人民的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了極大的不便。據(jù)史料記載,董志塬唐代時(shí)南北長(zhǎng)110km,東西平均寬32km。而現(xiàn)在南北長(zhǎng)大致如故,東西平均寬僅18km,最窄處只有50m。馬蓮河的一級(jí)支流火巷溝溝頭已經(jīng)伸入到慶陽(yáng)市市區(qū)腹地,距市中心不足1000m。其塬面萎縮速度是驚人的,如不進(jìn)行塬面保護(hù),必然導(dǎo)致大量的優(yōu)質(zhì)基本農(nóng)田被破壞,造成糧食生產(chǎn)的區(qū)域性短缺。隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快,土地資源相對(duì)不足的矛盾也會(huì)更加突出。若再不著手及時(shí)治理,不久的將來(lái),“天下黃土第一塬”將不復(fù)存在。因此,“固溝保塬”工作已經(jīng)刻不容緩,勢(shì)在必行。20世紀(jì)90年代以前,朱顯謨、唐克麗等人從土壤侵蝕的角度將黃土水蝕進(jìn)行分類,指出溯源侵蝕屬于溝蝕的范疇,并且總結(jié)了黃土高原現(xiàn)代溝谷侵蝕過(guò)程,提出相應(yīng)的治理模式和措施。伍永秋、劉寶元認(rèn)為溯源侵蝕是切溝發(fā)展的主要方式之一,同時(shí)這種溯源侵蝕嚴(yán)重地威脅著溝道的安全。韓鵬等用實(shí)驗(yàn)中降雨前后坡面的地形變化計(jì)算了細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中溯源侵蝕和溝壁崩塌的產(chǎn)沙量。計(jì)算結(jié)果表明,溯源侵蝕是細(xì)溝侵蝕的主要產(chǎn)沙類型,其產(chǎn)沙量可占到細(xì)溝總侵蝕量的50%以上,大小主要受溝頭以上匯水區(qū)域來(lái)水量的控制。20世紀(jì)90年代以后,隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)噲D利用這種技術(shù)來(lái)研究溝蝕,這種方法雖然精度較高,但是也有其局限性,例如費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且不能進(jìn)行較大尺度范圍研究?？偟膩?lái)說(shuō),學(xué)者對(duì)溯源侵蝕的危害程度都有比較清醒的認(rèn)識(shí),但關(guān)于溯源侵蝕的專門研究還很少。由于塬區(qū)周邊許多溝頭不斷向董志塬腹地推進(jìn),從而導(dǎo)致塬面逐步萎縮,破壞了地形的完整性。如今董志塬的溯源侵蝕治理已引起了甘肅省政府部門及相關(guān)技術(shù)部門的高度重視。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1塬區(qū)地貌及植被董志塬位于甘肅省東部,慶陽(yáng)市境內(nèi)中南部,在涇河北岸、野狐溝以南、馬蓮河和蒲河兩大河流之間,包括慶城縣大部及寧縣、合水縣各一部分。是慶陽(yáng)市的主要農(nóng)業(yè)區(qū),素有“天下黃土第一塬”的美譽(yù),距今已有200萬(wàn)年歷史,是黃土高原保存最好、面積最大的黃土塬,塬面面積910km2。塬區(qū)地貌總的來(lái)說(shuō)有塬面、塬坡和溝谷3種類型。成土母質(zhì)以黃土為主,厚度為70~150m,塬地中心較厚,邊緣較薄。其中以黃綿土面積最大,黃綿土的耕地面積占全區(qū)耕地面積的1/2,此類土壤是在黃土上直接耕種熟化形成的,土層深厚,表層含養(yǎng)分較多,疏松,抗蝕性較差,垂直節(jié)理發(fā)育,孔隙度大,蓄水量大。該區(qū)年平均降水量為550mm,但年際變化很大,而且一年中大部分集中于7—9月,3個(gè)月的降水量占年降水量的58.5%。塬區(qū)植被大多屬森林草原帶,是落葉林闊林向草原過(guò)渡的地帶,廣大的荒山荒坡基本是喬灌叢草為主的疏林及荒坡草地植被類型,草種組成主要以禾本科的披堿、針茅等為主,還有衰草、冰草、芨芨草、長(zhǎng)芒草等。樹種以山楊、白樺、遼東櫟、油松等為主,陽(yáng)坡有側(cè)柏、狼牙刺以及杜梨等。1.2溝頭前進(jìn)情況調(diào)查范圍包括甘肅省慶陽(yáng)市的西峰區(qū)、寧縣以及慶城縣。通過(guò)當(dāng)?shù)厮＞?對(duì)近年來(lái)發(fā)生前進(jìn)的26個(gè)具有代表性溝頭前進(jìn)特征的溝頭作詳細(xì)的調(diào)查分析,量測(cè)溝頭和溝壁滑塌體的長(zhǎng)、寬、高,估算流失土方的體積,對(duì)溝頭周圍的地形、地貌、來(lái)水情況等作細(xì)致的調(diào)查和分析,用以查明董志塬地區(qū)溝頭發(fā)生溯源侵蝕的類型和規(guī)律。在調(diào)查過(guò)程中,訪問(wèn)當(dāng)?shù)厮帘３直O(jiān)督或水利部門,以及群眾中年紀(jì)較大的、熟悉當(dāng)?shù)販项^前進(jìn)情況和暴雨發(fā)生時(shí)間的親歷者或目擊者,通過(guò)他們的描述或者根據(jù)明顯的地物特征(例如窯洞的位置)確定溝頭起始位置和發(fā)生溯源侵蝕的年限,然后詳細(xì)測(cè)量在此年限內(nèi)溝頭前進(jìn)的長(zhǎng)、寬、高。得到如表1所示具體的溝頭溯源侵蝕特征。由表1可以發(fā)現(xiàn),溯源侵蝕造成的溝頭前進(jìn)速度的差別很大,次暴雨降雨徑流集中沖刷造成溯源侵蝕更為明顯。溝頭溯源侵蝕速率主要取決于溝道溝頭附近匯水區(qū)面積的大小、土壤與地貌地形條件、采取的水土保持措施、次暴雨降雨強(qiáng)度、歷時(shí)及每年發(fā)生的次數(shù)等。從表1數(shù)據(jù)可以明顯看到近幾年發(fā)生的溝頭前進(jìn)速度如此驚人,應(yīng)引起高度重視。由于溝頭前進(jìn)是一個(gè)不連續(xù)的、非線性狀態(tài),只有在發(fā)生較大降雨時(shí)才能產(chǎn)生足夠大的徑流造成溝頭溯源侵蝕發(fā)生。本研究所描述溝頭前進(jìn)速度是指多年平均前進(jìn)速度,次暴雨徑流造成溝頭溯源侵蝕只是突發(fā)事件,只能引起人們高度警覺(jué),似乎沒(méi)有多年平均速率更加確切。因此,要確切描述一個(gè)地域溝頭溯源侵蝕前進(jìn)速率,必須依靠多年數(shù)據(jù)積累。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)溝頭形態(tài)絕大多數(shù)為三面立壁,即溝頭后壁以及兩個(gè)側(cè)壁基本呈垂直狀態(tài),且溝底平坦,橫剖面呈“U”型。在表中也可以發(fā)現(xiàn),幾乎所有的溝頭都危害到道路的安全。長(zhǎng)年行走形成胡同道路,最終就成為降雨徑流的排流匯流通道,由于溯源侵蝕的方向就是向著來(lái)水方向的,所以必然會(huì)威脅到聚落、人畜安全。2溝底基礎(chǔ)侵蝕通過(guò)對(duì)董志塬典型溝頭的調(diào)查發(fā)現(xiàn),影響溝頭前進(jìn)的主要因素可分為兩大類:自然因素和人為因素。前者包括降水徑流、地形地貌、土質(zhì);后者主要由于在溝邊、溝頭附近,不合理地建設(shè)廠房、居民點(diǎn)以及工程過(guò)程中亂挖,特別是在暴雨季節(jié)不合理地開溝引排洪水,加劇了溝頭溯源侵蝕的發(fā)生發(fā)展。以上因素并非單獨(dú)地、孤立地影響溝頭溯源侵蝕,而是多種因素相互作用、相互疊加的結(jié)果。2.1自然因素2.1.1徑流和地面分析溝頭溯源侵蝕的發(fā)生、發(fā)展必須具備一定量徑流的匯集集中沖刷和下切動(dòng)力條件。集中連續(xù)的暴雨產(chǎn)生的地表徑流是溝頭前進(jìn)、塬面萎縮的直接外因。主要與當(dāng)年的降雨徑流情況密切相關(guān),也就是說(shuō)絕大多數(shù)的溝頭前進(jìn)是暴雨或者特大暴雨產(chǎn)流作用的結(jié)果,也許一場(chǎng)暴雨就前進(jìn)十幾米,個(gè)別的達(dá)五十米之多;在沒(méi)有暴雨或特大暴雨的情況下,溝頭也許幾年或者幾十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間都前進(jìn)甚微。因此,降雨徑流是溯源侵蝕的直接誘因。2.1.2導(dǎo)致了溯源侵蝕溝頭溯源侵蝕與溝頭附近的地形關(guān)系密切。如果降雨所形成的徑流比較分散地排到溝道,徑流的沖刷力不足以對(duì)溝頭或者溝壁產(chǎn)生威脅,也不會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的溯源侵蝕。一般來(lái)講,發(fā)生溯源侵蝕嚴(yán)重的溝頭上方,一來(lái)有非常大的匯水區(qū)域,地形多呈兩側(cè)較高、中間低的“淌”地,遇到暴雨,徑流集中地流到地勢(shì)低洼的“淌”地形里,湍急的水流通過(guò)“淌”流到了溝頭,正是因?yàn)閰R水區(qū)域很大而出水口集中狹小這樣的特殊地形,才使得徑流劇烈地沖刷溝頭,造成嚴(yán)重了的溯源侵蝕。地形地貌因素主要影響因素是地形部位、坡形、坡長(zhǎng)、坡度及不同土地利用匯流面積的大小,通常董志塬區(qū)發(fā)生溯源侵蝕的溝頭上方匯水面積是非常巨大的,一般都是一個(gè)村莊聚落及周邊耕地,或是幾村莊聚落、農(nóng)田連片土地分布格局,所以在調(diào)查中匯水面積是非常難測(cè)量的,正是巨大的匯水面積產(chǎn)生了很大的徑流量,才給溝頭造成很大的破壞。匯水區(qū)形狀除了“淌”地形外,還有簸箕狀的地形,溝頭處在簸箕中間或者簸箕口位置,在這種地形條件下,徑流只能從地勢(shì)較低的溝頭排除。此外,匯水區(qū)域的坡度一般小于5°,在此范圍內(nèi),坡度越大,徑流勢(shì)能越大,造成的溯源侵蝕越嚴(yán)重。2.1.3溝邊開展雨污水治理的規(guī)律董志塬塬地土壤為黃土,土層深厚,孔隙率大,其垂直節(jié)理發(fā)育,遇到雨水的浸泡之后,容易形成裂隙,最終會(huì)形成裂縫;同時(shí),由于土壤的濕陷性特點(diǎn),在溝邊位置也非常容易形成陷穴及陷穴群,陷穴在一次次的降雨浸泡、浸潤(rùn)之后進(jìn)一步發(fā)育,下陷—崩塌—再下陷—再崩塌—串珠,附近的幾個(gè)陷穴就會(huì)發(fā)生串珠現(xiàn)象并聯(lián)通起來(lái),形成很寬很長(zhǎng)的裂縫,當(dāng)遇到較大暴雨并積聚很大的徑流時(shí),就會(huì)發(fā)生很大的溝邊垮塌、崩塌現(xiàn)象。此外,土壤容重的大小也是決定降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙及土壤抗沖抗蝕的重要因素。2.2沒(méi)有任何防護(hù)措施,工廠選址是造成溝壁出現(xiàn)高為了排泄塬面大量的硬地面積水,使廠房、民居以免受洪水的浸泡、沖刷,把這些徑流沒(méi)有任何防護(hù)措施人為地全部排到了附近的溝里,在溝壁和溝底沒(méi)有任何的防護(hù)措施,從而導(dǎo)致溝壁發(fā)生坍塌等二次侵蝕;另外,不恰當(dāng)?shù)墓S選址也會(huì)影響溝頭前進(jìn)的發(fā)生與速度,如寧縣洪洞鄉(xiāng)張村磚瓦廠、西峰區(qū)什社鄉(xiāng)任嶺村磚瓦廠就是建在了溝頭附近,一方面挖掘土方直接使溝頭發(fā)生前進(jìn),另一方面破壞了黃土塬面本身較穩(wěn)定的構(gòu)造、造成了更大更多的集水硬化區(qū)域,匯集了更多的徑流,間接地加速了溝頭溯源侵蝕。因此,不合理的排泄工程、工廠選址等人為因素也會(huì)加速了溝頭的溯源侵蝕。3董志達(dá)溝頭視源侵蝕的發(fā)生類型及過(guò)程分析3.1可逆反侵蝕的發(fā)生類型3.1.1溝頭侵蝕形成切溝這是直接由暴雨產(chǎn)流造成的對(duì)溝頭的沖刷、下切、側(cè)向淘蝕,并伴隨著兩岸的溝壁坍塌、擴(kuò)張,形成了非常嚴(yán)重的切溝侵蝕,使得溝頭發(fā)生迅猛的前進(jìn),一般情況下,一次暴雨可前進(jìn)幾米到幾十米不等。這種侵蝕形式主要是在水流的沖刷力下造成的溝頭溯源侵蝕,也是董志塬區(qū)溝頭最普遍的溯源侵蝕形式。其發(fā)生區(qū)域主要集中在主溝或者支溝溝頭。3.1.2分層膠結(jié)充填型由于董志塬特殊土質(zhì)的濕陷性,在塬面的溝道周圍發(fā)育著很多的小水坑,進(jìn)一步發(fā)育就成為陷穴,陷穴在降雨徑流的多年連續(xù)浸泡、入滲情況下,繼續(xù)下沉—擴(kuò)大—再下沉進(jìn)一步發(fā)生成串珠—發(fā)生連通,就形成一條很明顯的、距離主溝不遠(yuǎn)的深切的溝,遇到暴雨和巨大的徑流后,土體會(huì)發(fā)生整體坍塌、滑塌或者崩塌,造成溝頭的前進(jìn)或溝壁的擴(kuò)張。同一斜坡上洞穿數(shù)個(gè)陷穴的“連珠陷穴”,在董志塬非常常見(jiàn)。西峰區(qū)陳戶鄉(xiāng)田畔村北溝溝頭2就是典型的陷穴誘發(fā)型溯源侵蝕,此處既有單個(gè)陷穴的侵蝕,也有連珠陷穴的發(fā)生。具體地形情況如圖1所示。3.1.3雨徑流導(dǎo)致土體裂縫形成轉(zhuǎn)變由于董志塬特殊的土質(zhì),土壤中垂直節(jié)理比較發(fā)育,降雨徑流后在塬面的溝道周圍發(fā)育著很多的細(xì)小但長(zhǎng)度很大的裂隙,每次降雨徑流后,雨水會(huì)在裂隙處進(jìn)一步下滲、灌注,裂隙深度會(huì)進(jìn)一步的地往下延伸、擴(kuò)展,久而久之就發(fā)育為寬度5~10mm的裂縫,遇到暴雨和巨大的徑流后,土體會(huì)發(fā)生整體的坍塌、滑塌或者崩塌,造成溝頭的前進(jìn)或溝壁的擴(kuò)張。寧縣太昌鄉(xiāng)上肖村2處的溝頭是典型的裂縫誘發(fā)型溯源侵蝕,徑流沿垂直節(jié)理下滲,最后促成溝頭或溝壁土體的整體坍塌。具體地形情況如圖2所示。3.1.4董志塬地區(qū)的溝坡沉積嚴(yán)重。據(jù)城市雨洪的第5期除自然因素誘發(fā)外,董志塬地區(qū)還有相當(dāng)一部分是由人為誘發(fā)的溝頭溯源侵蝕。由于慶陽(yáng)市最近幾年城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)的迅猛發(fā)展,人們?yōu)榱伺判狗浅＞薮蟮某鞘杏旰?使其在沒(méi)有任何防護(hù)措施的情況下人為地全部排到了附近的溝里,導(dǎo)致溝壁發(fā)生坍塌等二次劇烈侵蝕;另外,在董志塬存在著很多不恰當(dāng)?shù)墓S選址,這些工廠挖掘土方直接造成了的溝頭前進(jìn),破壞了溝坡穩(wěn)定性、降低了侵蝕基準(zhǔn)面,間接加速了溝頭溯源侵蝕;或者由于廠區(qū)的硬地面積水造成了溝頭的劇烈沖刷發(fā)生。3.2國(guó)外回歸侵蝕分析3.2.1侵蝕和切溝階段降雨初期,地表徑流由溝頭流向溝底,溝頭上方接塬面處首先發(fā)生片狀侵蝕,而后發(fā)展成細(xì)溝侵蝕進(jìn)而演變?yōu)榍袦?隨著切溝的形成而發(fā)生溝頭前進(jìn),挾帶了大量泥沙的徑流繼續(xù)下切溝床,這一階段基本上是以水流的沖刷作用為主導(dǎo)。3.2.2因溝壁坍和滑塌而發(fā)生的重力侵蝕隨著徑流對(duì)溝床的不斷下切,溝坡底腳不斷被掏蝕,溝壁繼而變陡,待溝壁土體不足以支撐自身重力時(shí),便發(fā)生了溝壁崩塌和滑塌等重力侵蝕。溝壁崩塌和滑塌的結(jié)果,一方面促使溝道拓寬;另一方面促使溝壁坡度平緩而漸趨平衡,水土流失即行減緩。由于徑流還在進(jìn)行中,溝床繼續(xù)遭受下切、掏蝕,溝床兩側(cè)的溝坡再次變得陡直,因此又促成一系列的滑塌、崩塌現(xiàn)象這一階段是以水流沖刷和重力侵蝕交互作用。3.2.3斜坡柔性面洪峰退卻徑流消失后,溝頭和溝壁處的不穩(wěn)定斜坡或懸空面在黃土受到干濕、冷熱、凍融作用下隨時(shí)可能促發(fā)重力侵蝕,且這種重力侵蝕會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間直到溝頭處于穩(wěn)定狀態(tài)。4董志秋溝尾藏品侵權(quán)防治措施(1)澇池澇池工程建設(shè)塬區(qū)水土保持綜合治理可以用“攔、蓄、排、引”4字概括。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),比較簡(jiǎn)單實(shí)用的工程措施是在溝頭上方來(lái)水方向修筑澇池或澇池群攔蓄地表徑流。然后,通過(guò)建立村莊聚落庭院經(jīng)濟(jì)、建設(shè)攔蓄工程與道路、