黄土高原丘陵沟壑区坡面_沟道系统_省略_沙水流_地貌因素与重力侵蚀的影响_许炯心

收稿日期:2003-06-20; 修订日期:2003-10-09

基金项目:国家自然科学基金委及水利部联合资助重点项目(50239080);国家自然科学基金资助项目(40271019);中国科学院地理科学与

资源研究所创新项目(CXIQG -A00-05-01)

作者简介:许炯心(1948-),男,四川绵阳人,研究员,主要从事河流地貌研究.

文章编号:1004-4574(2004)01-0055-06

黄土高原丘陵沟壑区坡面-沟道系统中的高含沙水流(?)

)))地貌因素与重力侵蚀的影响

许炯心

(中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)

摘要:以黄河中游多沙粗沙区子洲径流站和离石王家沟试验站的径流场观测资料为基础,对黄土高原

丘陵沟壑区坡沟系统中高含沙水流特征与地貌因素及重力侵蚀的关系进行了研究。研究结果表明,

黄土坡面的地貌垂直结构和由此所决定的侵蚀作用垂直分异,对坡面高含沙水流的形成有很大的影

响,高含沙水流形成于峁坡下部和沟坡,并在各级沟道中进一步发展。坡度对高含沙水流的形成有较

大影响,如果侵蚀过程以溅蚀、面蚀、细沟侵蚀为主,不发生切沟及显著的重力侵蚀,则存在着一个坡

度临界值,大于此值后,含沙量反而减小。重力侵蚀对坡沟系统高含沙水流的形成起着十分重要的作

用,由于强烈的重力侵蚀的参与,高含沙水流的沙峰滞后于洪峰,落水阶段的含沙量常常大于同流量

下涨水阶段的含沙量。

关键词:侵蚀;产沙;高含沙水流;坡沟系统;黄土高原丘陵区

中图分类号:TV143+.6 文献标识码:A

Sediment -heavily containing flows in slope -channel systems of gullied hilly area in the Loess Plateau(?):Influences of landforms and gravitational erosion

XU Jiong -xin

(Ins titute of Geographical Sciences and Natural Res ources Res earch,Beiji ng 100101,China)

Abstract:Based on the data from Zizhou and Wangjiagou Experimental Stations in the c oarse sedimen-t producing area of the middle Yellow River drainage basin,this study deals with relationship of sedimen-t heavily containing flows in slope -channel systems of the gullied hilly areas with the landforms and gravitational erosion.The results sho w that the formation of sedimen-t heavily c ontaining flo ws can be closely related to the vertical differentiation of landforms.The sedimen-t heav -ily containing flows is found to be formed in the lower part of Mao slopes and gully slopes,and they are further developed in the channel of gullies in various orders.Slope steepness is an important factor controlling the formation of sedimen-t heavily containing flows.If the sloping process is predominated by splash,sheet and rill erosions,and no channel erosion and mass movement occ ur,then a critical value of slope steepness would be observed,and the suspended sediment con -centra tion is decreas for the lo wer or higher slope,.Gravitational erosion plays an important role in the formation of sed-i men-t heavily containing flo ws.Due to the participation of strong gravitation erosion,the peaks of suspended sediment concentration usually lag behind the flood peaks,and the sediment concentration during the rising stage of a flood is usu -ally smaller than that during the descending sta ge.

13卷1期

2004年2月自 然 灾 害 学 报JOURNAL OF NATURAL DISASTERS Vol.13,No.1Feb.,2004

Key w ords:erosion;sediment yield;sedimen-t heavily containing flows;slope -channel system;hilly area of Loess

Plateau

泥沙灾害的研究是一个重要的科学问题[1,2]。高含沙水流是黄河下游河道中的主要致灾水流,常常导

致强烈的冲刷、淤积和水位流量的异常变化,使防洪面临很大的困难[3]。高含沙水流形成于黄河中游流域,

归根到底,形成于黄河中游支流流域中的坡沟系统中。坡面-沟道系统(即坡沟系统)是指由不同坡度的坡面和不同级别的沟道所构成的系统,一个坡沟系统常常就是一个冲沟流域系统,但若干个互相联系的冲沟流域系统也可以构成一个更大的坡沟系统。坡沟系统可视为0级流域,即源区微流域(headwater micro -basin)。流域这一部分中的侵蚀、产沙和地貌塑造过程近年来受到研究者们的重视,已发展成一个新的研究领域。

高含沙水流是黄土高原地区普遍存在的自然现象。在一定意义上,它是侵蚀的产物,但它一旦形成之后,便作为一种强大的侵蚀和搬运营力,在侵蚀过程中发挥了重要作用。因此,高含沙水流侵蚀产沙已被确定为一种特殊的侵蚀产沙类型[4,5]。对坡沟系统中高含沙水流形成的研究,将有助于深化对黄土高原侵蚀机理的认识。

有关黄河中游黄土丘陵壑区高含沙水流的形成,前人已做过不少工作。如王兴奎、钱宁等的研究成果[6],至今仍有重要意义。许炯心对黄土高原高含沙水流形成的自然地理因素进行过研究[7]。然而,由于问题的复杂性,许多问题仍有待于深化。我们运用地貌学方法,将坡沟系统的概念运用于黄河中游多沙粗沙区高含沙水流形成过程的研究,得到了一些新的认识。坡沟系统中的地貌因素与重力侵蚀是黄土高原高含沙水流形成的重要因素,也是高含沙水流研究中有待深化的问题。本文对此进行研究。

1 资料来源和研究方法

为了对黄土高原的侵蚀产沙过程进行研究,黄河水利委员会和各省的水土保持部门先后建立了若干野外试验流域,其中资料比较完整的是陕西子洲径流试验站和山西离石王家沟试验流域等。本研究所依据的资料即主要来自这两个试验流域。子洲径流站位于无定河支流大理河的支流岔巴沟上,流域面积为187km 2,于1958年建站,1969年撤消,沟内先后建有9个水文站、40多个雨量站和3处坡面径流场。其中的团山站径流场共设有12个场地,面积变化于30~17200m 2之间。各场地分别位于峁顶、峁坡和沟坡,也有若干包括全坡面的大场地。本研究的主要资料即主要来自团山沟径流场。

本研究的另一个资料来源是王家沟流域,主要是其中的羊道沟小流域,流域面积为0.204km 2,该流域坡面上的不同单元中,均建有径流小区,可以监测不同单元的产流和侵蚀过程。此外,王家沟流域中还在同一坡面上建有不同坡度的径流小区,可以研究坡度对侵蚀过程的影响。

在每一个径流小区中,均进行了降雨、产流、含沙量和侵蚀量的观测,有的还包括对于过程的监测,如降雨过程、产流过程、含沙量过程等。所有这些资料,为我们进行坡沟系统中高含沙水流的研究提供了必要的条件。

在本研究中,以含沙量作为表征高含沙水流的指标,若最大含沙量已超过300kg/m 3,则认为已形成了高含沙水流。对于次降雨平均含沙量,则以大于150kg/m 3作为高含沙水流的标准。此外,还以高含沙水流发生的频率作为指标,以考察高含沙水流在空间中和随时间的变化。在某一空间中,出现高含沙水流的事件与所研究的降雨产沙事件总数之比,定义为高含沙水流的发生频率。在野外观测资料的基础上,以统计方法对坡沟系统中高含沙水流的形成过程进行了研究。

2 坡面地貌结构与侵蚀作用分异对高含沙水流形成的影响

黄土高原丘陵区的坡沟系统由坡面和沟道两大单元组成,坡面又可分为沟间地和沟谷地两个单元,从坡顶到坡脚坡度逐渐加陡。沟间地则可分为峁顶(坡度0b ~5b )、峁坡上部(5b ~20b )、梁峁坡下部(20b ~30b )等部分。峁坡与沟坡之间存在着一个明显的坡度转折,通常称为峁边线。峁边线以下的坡度增大为35b ~45b 。陈永宗等[8]的研究表明,在上述各个地貌单元中,占主导地位的侵蚀作用是不同的。峁顶以溅蚀、片蚀为主,

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梁峁坡上部以细沟侵蚀为主,梁峁坡下部则出现浅沟侵蚀,并可发育切沟。沟谷地带除强烈的水力侵蚀外,还发生强烈的重力侵蚀。

由于不同的坡面单元中,占主导地位的侵蚀作用不同,因而侵蚀强度也有很大的差异。根据山西离石县羊道沟试验流域1963~1970年间历次降雨中不同地貌单元侵蚀量的观测资料[9],峁顶、梁峁上部、梁峁下部和沟坡的次降雨平均径流深相差不大,分别为4.59mm,3.94mm,4.87m m 和4.77mm,但次降雨的侵蚀强度却差异很大,分别为109.15t/km 2,605.71t/km 2,2748.71t/km 2和4130.38t/km 2。很显然,从以溅蚀、片蚀为主向以细沟、浅沟、切沟侵蚀为主过渡,侵蚀强度急剧增大。进入沟坡以后,由于活跃的重力侵蚀的加入,侵蚀强度更是大大强化了。

由于各单元的单位面积产流量相差不大,单位面积侵蚀量却相差数倍至数十倍,故次降雨的含沙量相差很大。以羊道沟23次降雨的观测资料为基础,我们计算出了高含沙水流的发生频率,并将不同地貌单元的次降雨平均含沙量与高含沙水流发生频率点绘在图1中。可以看到,在峁顶和梁峁坡的上部,高含沙水流的发生频率在0.2以下,而在梁峁坡下部,高含沙水流的发生频率为1.0,即成为必然事件。因此可以认为,在黄河中游多沙粗沙区的坡沟系统中,高含沙水流形成于梁峁坡的下部,

并在沟坡和沟谷得到进一步的发展。

图1 羊道沟1963~1968年间23次降雨中不同地貌单元的高含沙水流发生频率的比较

Fig.1A comparison of frequency of sedimen -t heavily containing flows for 23

rainfall events in Yangdao Gully during 1963-1968

3 坡度和坡长对高含沙水流形成的影响

坡度及其变化与坡长是表征坡面形态特征的重要参数。在黄土丘陵沟壑区,从坡顶到坡脚,坡度是逐步增大的,这也正是次降雨平均含沙量、最大含沙量和高含沙水流的发生频率沿坡向下增大的主要原因。

以团山沟几个面积相近但坡度不同的径流场的资料为基础,我们点绘了两次降雨过程(1966-06-27和1966-07-17)中的次降雨平均含沙量与最大含沙量随坡度的变化(图2(a))。可以看出,随着坡度的增大,含沙量迅速增大。在王家沟流场,为了研究坡度对侵蚀的影响,建立了坡度依次为5b ,10b ,15b ,20b ,25b ,30b 的坡面径流场,我们运用所得到的观测资料分析了坡度与次降雨平均含沙量和历次降雨事件中高含沙水流发生频率的关系。由于各径流场面积不大,侵蚀过程以溅蚀、片蚀、细沟侵蚀为主,故高含沙水流发生的频率均在0.4以下,但可以看到,当坡度为20b 时,含沙量与高含沙水流频率都达到最大值;当坡度进一步增大时,含沙量和高含沙水流频率反而减小(图2(b))。应该指出,这种关系只在溅蚀、片蚀和细沟侵蚀为主时才是正确的;随着坡度增大而超过25b 以后,浅沟、切沟侵蚀成为主导过程,则高含沙水流发生的频率很可能不是减小,而是增大。

坡长对高含沙水流也起着控制作用。随着坡长的增加,侵蚀作用的类型将会发生变化。从坡顶向下,在无侵蚀带(或称为细沟侵蚀不显露带)中,溅蚀与片流搬运是主要的侵蚀作用,故侵蚀强度和含沙量都较小。向下坡方向去,进入细沟带之后,侵蚀强度和含沙量会显著增大。当浅沟出现后,水流的下切和浅沟沟壁的崩塌将会使水流含沙量进一步增大。图2(c)中以1996-06-27和1996-07-17发生在团山沟的两次暴雨为例,点绘了次降雨的平均含沙量与坡长的关系。图中涉及6种不同坡长径流场的资料。可以看到,含沙量#57#1期 许炯心:黄土高原丘陵沟壑区坡面-沟道系统中的高含沙水流

随坡长的增大而增大;当坡长超过30m 之后,含沙量即不再继续增大,甚至还略有减小(如1966-07-17暴雨)

。

图2 坡度和坡长对高含沙水流形成的影响

Fig.2Influences of slope and slope length on the formation of sedimen -t heavily containing flows

4 重力侵蚀与高含沙水流的形成

重力是一种侵蚀营力,它在黄土高原侵蚀过程中起着十分重要的作用,因而也在高含沙水流的形成中起着十分重要的作用。重力侵蚀特别是崩塌、滑坡、滑塌的发生,需要一定的临界条件,只有出现超过一定高度的临空面,才有可能发生重力侵蚀。很显然,在以溅蚀和细沟侵蚀为主的坡面上,是不会发生重力侵蚀的,浅沟中的重力侵蚀也不占重要地位。在切沟和冲沟中,因下切深度已达数米至数十米,形成了不稳定的临空面,因而重力侵蚀十分活跃,使大量黄土物质分离、破碎,然后为暴雨径流所搬运,形成高含沙水流。

在目前的情况下,尚缺少直接的观测资料来定量论证重力侵蚀对高含沙水流的影响,但很多证据可以用来说明重力侵蚀在高含沙水流的形成和维持中所起的作用。

野外观察表明,大多数的重力崩塌都发生在暴雨径流事件中的落水阶段。这是由于沟壁或沟头的崩塌与滑塌的发生,与降雨或地表径流渗入黄土土体中的破裂面并使之湿润而形成滑动面有关。这一过程需要一定的时间,因而常常在暴雨径流过程中的落水阶段发生。重力侵蚀发生以后,水流得到大量泥沙的补给,使含沙量增大。在落水过程中,这一作用还可能使含沙量随流量减小的速率变得很慢,因而使高含沙水流的流量、含沙量过程线上,沙峰(含沙量峰值)落后于洪峰(流量峰值),而且在落水阶段中流量急剧减小的同时,含沙量则可能在较长时间中保持在较高的水平上。王兴奎等所给出的团山沟的一些全坡面和毛沟、支沟的#58# 自 然 灾 害 学 报 13卷

流量和含沙量过程线说明了这一点[6]。从冲沟的高含沙水流的含沙量过程线上可以看到,尽管降雨已经停止,流量迅速减小,但含沙量还会发生上下坡动,常常出现一、两个次一级的峰值,这些峰值可以同沟头或沟壁重力出现侵蚀的突然发生联系起来。

由于上述原因,这一地区小流域的含沙量和流量关系,表现出不同于不受高含沙水流影响地区的特征。图3(a)中点绘了1966年杜家沟岔水文站(流域面积为96.1km 2

)的历次洪水过程中含沙量与流量的关系,以不同的符号区分涨水阶段和落水阶段的点据。图中可以用一条曲线将所有的点分成两部分,落水阶段的绝大部分点位于曲线以上,而涨水阶段的绝大部分点位于曲线以下,说明在同流量的情况下,落水时的含沙量一般高于涨水时。对于某一次降雨事件而言,也可以得到类似的关系。图3(b)中点绘的杜家沟岔水文站1966年8月9-10日暴雨中的悬移质含沙量与流量的关系,

说明了这一点。图3 暴雨径流过程中沙峰与洪峰的关系

Fig.3Relationship between peaks of sediment concentrati on and flood peaks during rainstorm -runoff process

从讨论可知,重力侵蚀在黄土高原坡沟系统侵蚀中所占的地位是随尺度而变化的。当集水面积很小时,只会形成细沟,重力侵蚀所起作用很小,因而在水文过程线上沙峰滞后于洪峰的机率很小。当集水面积增大时,侵蚀类型变为以切沟、冲沟为主,重力侵蚀作用所占比重增大,则沙峰滞后于洪峰的机率增大。随着流域面积的进一步增大,重力侵蚀的尺度(即滑坡、滑塌、崩塌土体的尺度)加大,沙峰滞后于洪峰的机率也进一步增大。图3(c)中点绘了沙峰滞后于洪峰的机率与流域尺度的关系,表现出十分明显的正相关,这从一个侧面说明了重力侵蚀对高含沙水流形成的影响。

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5 结论

(1)黄土坡面的地貌垂直结构和由此所决定的侵蚀作用垂直分异对坡面高含沙水流的形成有很大的影响,从峁顶、梁峁坡到沟坡,含沙量急剧增大。峁顶以溅蚀、片蚀为主,峁坡上部以细沟侵蚀为主,高含沙水流出现的频率均不高;以浅沟、切沟为主的梁峁坡下部和发生强烈重力侵蚀的沟坡,高含沙水流发生的频率很高。故可以认为,高含沙水流形成于峁坡下部和沟坡,并在各级沟道中进一步发展。

(2)坡度对高含沙水流的形成有较大影响,坡度越大,则含沙量越大。但不同坡度径流小区的试验资料表明,如果侵蚀过程以溅蚀、面蚀、细沟侵蚀为主,不发生切沟及显著的重力侵蚀,则存在着一个坡度临界值,大于此值后,含沙量反而减小。

(3)重力侵蚀对坡沟系统高含沙水流的形成起着十分重要的作用,由于强烈的重力侵蚀的参与,高含沙水流的沙峰滞后于洪峰,落水阶段的含沙量常常大于同流量下涨水阶段的含沙量。

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