黄土高原区沙产生的原因分析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：黄土高原区具有复杂的地质地貌特征和特殊的气候特征，这些特征因素作为流域产沙的主要动力或影响因素，其不同的组合造成了流域内过程复杂、机理迥异的产沙现象。这些资料充分表明黄土高原区高度集中的暴雨是流域产沙的主要初始动力。

黄土高原区具有复杂的地质地貌特征和特殊的气候特征，这些特征因素作为流域产沙的主要动力或影响因素，其不同的组合造成了流域内过程复杂、机理迥异的产沙现象。因此，对这些因素及其造成的实际产沙过程进行分析，并进行合理的整理归纳，为建立产沙模型的基础。

6.2.1.1　黄土高原区的沟坡系统

黄土高原区地形沟壑纵横，支离破碎，但总体上可以分为坡面和沟道两部分。坡面上缓下陡，这一形态导致了不同位置重力分力的显著变化，进而使得侵蚀的驱动力构成与水沙现象显著不同。坡面的上端为地势平缓的峁顶，此部分主要发生溅蚀，雨滴对表土的冲击作用可使含沙量达到500～700kg/m3。峁顶水流漫溢，到峁坡逐渐汇集，并冲刷形成细沟和浅沟，其间沙量得到补充，含沙量可达到900kg/m3。峁坡与沟道之间为沟坡区，坡面破碎，坡度极陡，达40°～60°。峁坡上的浅沟往往通过跌坎与沟坡区的切沟相连，而切沟同时紧临沟道，故此处水流淘刷作用明显，经常发生崩塌、滑坡等强烈的重力侵蚀，进入沟道的含沙量已达1000kg/m3左右(钱宁，1989)。典型的黄土坡面如图6-1所示。

沟道则位于沟坡的下部，是水流和泥沙的输运通道。黄土高原的沟道按其规模可以分为毛沟、支沟、干沟和河道。其中毛沟和支沟数量众多且由于过水断面规模很小，极易受到来水来沙的影响而经常改变其形态。除了作为水沙的输运通道，沟道中也经常出现冲淤等水沙运动现象，例如，当来自坡面的水流携带的泥沙不能满足水流挟沙能力时，则水流可能对沟道产生冲刷，而当重力侵蚀频繁发生而导致含沙量过高时，可能在沟道的某些部位发生淤积。

坡面和沟道共同组成了黄土高原区的沟坡系统，这一系统虽然在不同部位发生着不同的侵蚀过程，但沟坡系统却形成了一个相互联系的网络，构成了侵蚀、输运、淤积等各种复杂的物理过程，并最终将泥沙带入流域出口。典型的沟坡系统见图6-2。

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图6-1　典型的黄土坡面 (张天曾，1993)

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图6-2　黄土高原区的典型沟坡系统(张天曾，1993)

6.2.1.2　降雨入渗及溅蚀过程

黄土高原区气候干燥，年平均降雨量约为500mm，其中70%以上集中于7～9月3个月。降雨大多为历时短、范围小的局部暴雨。一次暴雨的降雨量一般可达全年总降雨量的10%以上。暴雨强度可达3.5mm/min，地表径流属超渗产流 (王兴奎，钱宁等，1982)。对子洲径流试验场的进一步分析表明，对坡长为60m 的径流场，产流历时小于40min的降雨场次占91.6%，并且所有的产流降雨历时都不超过70min，并且在所统计的8年实测资料中，次降雨的径流深小于10mm 的场次占88.4%，小于20mm 的场次占98.4% (王兴奎，徐世涛等，2001)。这些资料充分表明黄土高原区高度集中的暴雨是流域产沙的主要初始动力。

一般来讲，当坡面还未形成具有一定厚度的径流时，雨滴所携带的动量将直接作用于坡面表层土壤，而这一过程可能导致两个作用相反的结果:一方面，雨滴的冲击力直接导致土壤微结构的破坏，土壤颗粒发生分离，为进一步的径流侵蚀提供了物质基础;另一方面，在雨滴的击打夯实作用及地表微生物作用下，表层土壤容重增加，同时一些细小颗粒填塞表层土壤孔隙形成结皮。这些降雨初期形成的结皮同样具有两个相反的作用，即:在结构上充当了其下土壤的保护层，减小溅蚀量;而同时由于结皮阻碍了坡面水流下渗，促进了地表径流的发展，因此又有利于坡面侵蚀的发生。由此可以看出，即便是在降雨侵蚀的初期溅蚀阶段，其过程都是相互嵌套，互为消长的复杂过程。

对溅蚀过程的研究，早期有W.H.Wischemier给出的降雨侵蚀力公式，该公式中降雨直接侵蚀的土壤量(R)表达为一次暴雨总动能 (E)和连续30min最大雨强 (I30)的乘积形式。该公式属于经验回归型公式，并不涉及溅蚀机理。之后，许多学者用类似的形式对黄土高原区的降雨侵蚀力进行了回归分析。近年来，Torri(1996)将雨滴击溅过程概化为雨滴和土壤混合体向四周的冠状喷射流过程，并进一步得到单位雨滴能量溅蚀量的积分表达式，该公式虽然是从机理出发，但仍然做了过多的假设，并且公式复杂，不便于应用。蔡强国等(1989)通过击溅盘上的模拟实验，得到单位面积上的溅蚀率和降雨历时的关系。姚文艺等(2001)通过理论结合实验的方法建立了降雨类型、雨滴形态和雨滴终速与溅蚀量的关系。王兴奎和钱宁等通过分析1966年段川和团山沟径流场资料，指出在降雨强度较大时 (大于0.45mm/min)，雨滴击溅能量很大，可能在溅蚀区形成高达510～690kg/m3的相对极限含沙量。

6.2.1.3　坡面径流侵蚀

当坡面产流后，沿坡而下的水流不断汇集;同时由于水流本身及其携带泥沙的重力势能不断转化为动能，水流对地表土壤的剥蚀能力也不断加强。由于水流条件 (水流流速，水流切应力等)及坡面条件(不均匀性，抗冲性等)的对比关系不同，坡面径流侵蚀大致分为以下几个子过程:

(1)在坡面中上部，由于水流的汇集尚未完成，其剥蚀能力有限，因此在整个坡面宽度方向上，存在着近似平均且较为微弱的侵蚀过程，该过程即为片蚀过程 (沟间侵蚀过程)。在这一侵蚀过程中，由于水流侵蚀能力小，因此主要对溅蚀过程中已经分散的土壤进行搬运，同时成片、均匀且缓慢地对整个坡面进行进一步侵蚀。

片蚀虽然在总侵蚀量中所占比重不大，但是其机理却十分复杂。首先，由于片蚀阶段径流深一般较浅，雨滴落在片蚀形成的薄层水面上，加强了片蚀的紊动特性，并且多数情况下，片蚀水流可能会被雨滴击穿，使得雨滴击溅作用和径流侵蚀作用相互影响。其次在实际坡面上，由于地表凸起高度(如土粒或植物的枯落物等)与径流深属于同一数量级，甚至远远超过水面而形成障碍物，片蚀的均匀性和恒定性均可能被严重干扰，形成所谓“伪层流”(姚文艺等，2001)。

(2)随着坡面径流动能的不断加强，单位时间单位面积上被侵蚀带走的土壤逐渐增多，为地形的演变创造了条件;同时，由于地表的抗冲能力的不均匀性，水流可能在抗冲性较弱的地方首先找到突破口，在该处短时间带走大量泥沙，形成小的坑穴。而坑穴与其上游地表的高度差反过来又加剧了其上游的土壤侵蚀，从而使得侵蚀沿逆坡方向发展，形成溯源冲刷。另一方面，已经汇集的水流则在向下流动过程中，对其流道进行较周围区域更剧烈的冲刷，又使得坑穴向顺坡方向发展;许多这样的初始流道不断贯通，就形成了能够明显识别的坡面地形形态，即细沟和浅沟。

沟蚀的侵蚀机理与片蚀有很大不同，主要表现在:首先，沟蚀是片蚀发展到一定程度，与地形演变相结合的产物，而沟蚀本身又进一步汇集水流，使水流侵蚀能力得到显著增强，形成侵蚀的正反馈效应;其次，沟蚀作用中，已经形成了一定的水深和过水断面，其中的水流也逐渐接近沟道水流的运动方式。同时，由于各种随机因素的影响，坡面上的细沟、浅沟可能出现袭夺、兼并的动力学过程，使一些沟道的规模逐渐壮大，最终为切沟的形成提供条件。

沟蚀的特点决定了其研究的复杂性。例如，沟蚀形成的临界条件一直以来都未得到解决，不同学者从水动力学特性 (Re 数、Fr 数、径流流量、径流剪切力)以及土壤特性(土壤粘聚力、抗冲性)等多方面进行了理论和实验研究，但研究成果都只在小范围成立。细沟和浅沟形成后，即使在室内坡面实验中剔除降雨影响的情况下，其发展规模、数量以及最终形成的坡面形态都具有很强的不确定性。因此，沟蚀的研究实际上还处于定性分析和实验积累阶段，其成果很难直接用于大流域产沙模拟。

尽管沟蚀的定量研究还缺乏实用性，但通过对流域内典型径流场的实测数据分析得出，由于形成细沟造成的冲刷量占坡面总侵蚀量的36.3%，通过坡面沟蚀，将使峁坡区的最高含沙量增加到900kg/m3左右，比雨滴击溅所产生的极限含沙量增加约30%。此外由于沟蚀的发展，坡面水流含沙量虽然随坡长增加而增加，但当坡长达到某一临界值后，含沙量则趋于稳定，不再继续增长。这也从一个侧面反映了沟蚀中存在着含沙量与输沙能力的相互制约，从而增加了沟蚀过程的复杂性。

6.2.1.4　沟坡区的重力侵蚀

发生在沟坡区的重力侵蚀则与上述坡面侵蚀无论在形式上还是在机理上都有很大差异，其中最显著的差异在于，对于重力侵蚀，降雨(径流)主要起到诱发作用，而沟坡陡峭的坡度造成的重力沿坡向的分力则是导致重力侵蚀发生的主要动力因素。

重力侵蚀有多种类型，包括泻溜、滑坡、滑塌、崩塌、泥石流等。在我国黄土高原地区，上述重力侵蚀类型均有分布。重力侵蚀是土壤侵蚀的一个重要组成部分，然而从广义上讲，由于重力侵蚀的发生具有突发性，且其发生机理更多地与黄土地质构成和性质有关，有关重力侵蚀发生机理的研究方法应该有别于单纯的坡面侵蚀。

重力侵蚀主要是沟坡的滑坡或崩塌，其侵蚀机理主要表现在:一方面，黄土丘陵沟壑区的沟坡一般是由于坡面下部切沟在水流作用下不断下切，切沟之间形成了孤立沟坡，而沟坡在降雨等条件下，由于重力作用产生崩塌;另一方面，沟坡下部在雨季形成行洪沟道，沟坡本身将受到水流的强烈淘刷而加大直立面高度，从而对沟坡的稳定性产生严重影响。因此，黄土沟壑区的重力侵蚀是包括降雨强度的大小、沟坡形态、沟坡地质构成、黄土的力学特性、径流切割强度等多因素作用下的沟坡失稳问题。

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图6-3　峁坡、全坡、毛沟、支沟的流量与含沙量过程

(a)8月23日;(b)8月2日;(c)8月2日;(d)8月2日

重力侵蚀还是沟道高含沙水流的主要补给源之一。王兴奎和钱宁对黄土区重力侵蚀现象较早进行了的描述，通过团山沟第7、第9两个径流场的最大含沙量说明了重力侵蚀对高含沙水流的作用，同时，通过绘制从峁坡、全坡面、毛沟、支沟直至干沟的含沙量及流量过程线(图6 3)，发现团山沟峁坡区的沙峰落后于洪峰的几率为13%，而通过沟坡区重力侵蚀的沙量补给，该频率加大到41.7%，进入沟道后，随着流域面积的增大，沙峰落后于洪峰的频率越来越突出。从岔巴沟的实测资料看，毛沟、支沟、干沟、支流中沙峰落后于洪峰的频率分别为55.8%、73.5%、77.3%、84.1%。许炯心 (2004)在此基础上，进一步分析了杜家沟1966年历次洪水中涨水段和落水段的实测含沙量与径流量的关系(图6-4)，以及沙峰落后于洪峰的频率随流域尺度的变化关系 (图6-5)，从图中可以发现无论对于多场降雨还是单次降雨，其落水段实测含沙量都明显高于涨水段含沙量，从侧面证明了重力侵蚀对含沙水流的补给作用。同时发现随着流域尺度从坡面到全流域级别的增大过程，沙峰落后于洪峰的频率将可能从10%左右增加到87%，从而进一步说明了随着流域面积的增大，重力侵蚀发生的数量增多对径流含沙量的显著影响。

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图6-4　杜家沟1966年实测含沙量与径流量的关系

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图6-5　沙峰落后于洪峰的频率随流域尺度的变化关系

6.2.1.5　沟道输沙过程

多沙粗沙区的泥沙来源丰富，沟道水流挟沙能力强。在大流量下，输出流域的沙量接近流域内的侵蚀量。因而，早期的产沙汇流过程研究多假定沟道内冲淤平衡，不重视沟道输沙过程。但从物理现象来看，流域泥沙运动过程中仍然有很多环节与沟道输沙过程密切相关。

首先，沟道是重力侵蚀物质进入水流参与水沙运动的入口。滑坡或崩塌带来的干物质在沟道内进入水流，视水流的挟沙能力和饱和程度被逐渐带走，或有剩余物质堆积在沟道中等待下次洪水。

其次，沟道是悬移质泥沙逐渐粗化，极限含沙量渐次增大的通道。钱宁等(1989)统计出随沟道级别增大极限含沙量渐次增大的规律，这一规律即对应着泥沙逐渐粗化的过程，而沙峰后的高含沙水流，将存在比较显著的粗泥沙淤积过程。

再次，沟道是一般流量下泥沙补给的重要来源。洪峰过后，超饱和的大量泥沙将在部分沟道内淤积。这些新淤泥沙的细颗粒部分能够被洪水后的水流挟带，成为非暴雨产流情况下的主要泥沙来源。

总之，为了较为精确地模拟流域泥沙运动的全过程，需要将沟道输沙过程作为独立的一部分进行研究，以其作为重力侵蚀产生的物质补给的承载者，并考虑其中的冲淤变化及粒径变化。

黄土高原区沙产生的原因分析

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