西夏王陵4号陵冲沟发育过程特征及其影响因素

康 超 谌文武 崔 凯 孙光吉 程 佳

内容摘要：以我国西北干旱、半干旱区的西夏王陵4号陵上的冲沟为代表，在现场勘察和测量的基础上，选取冲沟的特征值。对其进行统计分析，结合遗址体上冲沟的形成过程，分析冲沟的形成原因以及影响因素，探讨冲沟在干旱、半干旱区发育的特殊性，为将来深入研究奠定基础。

关键词：冲沟；土遗址；沟头宽；沟深；宽深比

中图分类号：K854.3文献标识码：A文章编号：1000-4106(2009)06-0071-04

一前言

国内外许多学者针对土壤冲蚀进行过大量系统地研究，主要内容涉及冲沟侵蚀的形态学特征与土地利用类型、植被覆盖率的关系，以及侵蚀的临界条件和侵蚀量与冲沟的特征值之间的关系。针对土遗址上冲沟的研究目前尚不多见。

我国干旱、半干旱区分布着大量的土遗址，但是，它们在内、外营力的作用下发育众多病害，冲沟便是主要病害之一。遗址土体的水理性质、力学性质与自然堆积物不尽相同，以及遗址体上冲沟特殊的产流和侵蚀方式，使得土遗址上的冲沟与农业区的冲沟存在着很大的差异。因此，对其进行研究具有特殊的意义。本文以西夏王陵4号陵为代表，在现场勘察和测量的基础上，选取代表冲沟特性的特征值，对其进行统计分析，并结合遗址体上冲沟的形成过程，分析冲沟的形成原因以及影响因素。

西夏王陵4号陵位于贺兰山中段东麓的山脚下，坐北朝南，为较为典型的山川沟谷地貌，海拔高度1108m～1215m，地形落差较大。遗址区现存角台、阙台、碑亭、门阙、献殿，陵台和神墙等夯土建筑遗址(图1)。遗址体病害发育。冲沟为主要病害之一，对遗址体的赋存有很大的影响。

二西夏王陵4号陵冲沟分类和发育特征

通过对西夏王陵4号陵冲沟的统计分析，选择和提出可以代表土遗址冲沟特性的数值，作为表征冲沟性质的特征值(表1)。然后根据冲沟的特征值，结合冲沟形成原因，将土遗址冲沟分为两种类型：第1类冲沟，水流侵蚀裂隙(缝)发展成的冲沟；第2类冲沟，墙体上产生的径流，沿墙体低洼区汇水后，冲刷墙面形成的冲沟。

从表1中可以看出，西夏王陵4号陵第1类冲沟的沟头宽较小。沟长较大，面积也较第2类冲沟小，宽深比较小。

第1类冲沟的平均沟头宽较小，平均沟长较大，面积较小。这主要是裂隙(缝)的存在，为水流提供了通道，水流易于汇流，冲刷裂隙(缝)，冲沟易于发育，且发展速度较快。第1类冲沟的平均沟底宽较小。这主要也是由于第1类冲沟是沿着裂隙(缝)发育的，为冲沟的发育提供了通道，利于其垂向发育，同时也约束了冲沟的横向发育。从表1可以看出，第1类冲沟的宽深比明显小于第2类冲沟，即在相同的沟头宽下，第2类冲沟较深。

三土遗址上冲沟的形态特征

通过对西夏王陵4号陵的现场调查分析发现，裂隙(缝)的存在，加上集中式降雨和风力的侵蚀作用，使第1类冲沟(图2a)具有沟头窄、冲深大、沟壁陡直、面积较小等特点，裂隙(缝)对第2类冲沟的走向有很好的控制作用；第2类冲沟(图2b)面积大、冲深浅、顶部开阔，汇水面积大于第一类冲沟。

从表2可以看出，除南立面以外，其他各个面上主要以第2类冲沟为主。通过分析发现，南立面上第一类冲沟的沟槽走向与该区的结构面的发育优势方向吻合较好，加上日照时间较长，易于发生裂隙(缝)，进而影响第1类冲沟的发育。

四冲沟的发育过程

冲沟在垂直方向上可以划分为沟底、沟坡、沟缘等三部分，在水平方向上可以划分为上部、中部、下部(图3)。沟底是指冲沟的底部，间歇性流水流经的部分；沟坡是指冲沟两侧沟床与沟壁间倾斜的坡地；沟缘是指沟坡与沟岸的转折处。

冲沟的上部主要是径流的汇集，流量不大，水较浅，因此，冲刷能力较弱，冲深也较浅，主要表现在片蚀。中部的冲刷是最强的，主要过水断面面积减小，加上流量自上而下增加。水流的侵蚀能力较强，因此冲深最深。而下部主要表现为中上游侵蚀物的堆积。

根据西夏王陵4号陵上冲沟平面结构和分类结果，结合冲沟的形成原因，将冲沟的发育过程分为四个阶段(详见表3)。

五影响因素

(1)土体性质

土体性质的不同，导致其抗侵蚀的能力不同，进而影响冲沟的发育。

①水理性质

为了查明4号陵遗址的基本物理性质，对所取10组样品，开展了崩解试验，试验结果见表4。

对调查数据整理发现，试样1、2、3、8、10取样区段上冲沟的平均深度较大，这说明了土体水理性质对其上冲沟的发育有很大的影响。

②易溶盐含量

当易溶盐含量越大时，这些盐分在土体总所占的比例越大。如果这些盐分在其中承担土骨架的作用，当这些盐分遇水溶解，土体强度降低，易于崩解，进而影响冲沟的发育。

③力学性质

不同的力学强度，土体的抗侵蚀能力也同，C、φ值越大，土体抗侵蚀能力越强，冲沟在土体上越不易发育。西夏王陵4号陵的夯土的力学参数见表5。

④其他因素

除上述因素外，土遗址的夯筑形式、夯土层的厚度、夯土的颗粒组成和级配等，对冲沟的发育都有一定的影响。

(2)风向和风速

风作为常规的一种外营力，对土遗址上冲沟的发育有着一定的影响，尤其在干旱半干旱的西北地区，干旱半干旱的气候特征导致该区常年以多风天气为主。

该区终年多风，风向以西北和偏南为主(图4)，多大风，极大风速28.8m/s。从表2可以看出，对于第1类冲沟来说，南、西立面的冲沟较东、北立面的深，相同的土体条件和风速下，墙体迎风面的冲深较大。而对于第2类冲沟来说，南、西立面的冲深较小，这主要是由于在西北、偏南风和集中降雨下，强烈的雨滴溅蚀，对土体有一定的压实，使得土体的抗侵蚀能力提高，因而，冲沟的沟深较小。

(3)裂隙(缝)

存在的裂隙(缝)，就为墙体上的径流提供了通道，于是就比较容易地导致其两边的土体崩坠，最后发育成冲沟。西夏王陵的冲沟中，第1类冲沟的冲深大于第2类冲沟，主要是由于墙体之间存在裂隙(缝)，导致第1类冲沟在其基础上迅速发育。因此，裂隙(缝)对发育在墙体上的冲沟的发育过程和程度有很大的影响。

(4)气温条件

该区多年平均气温8.5℃，年较差32.4℃，日温差12-15℃，1月最冷，平均-9.0℃，7月最高，平均23.4℃。年端最高气温39.3℃，极端最低气温-30.6℃。在强烈的温差以及其他内外营力的长期作用下，引起裂隙(缝)的形成，为第1类冲沟的发育提供了条件。

(5)降雨类型

不同的降雨类型对冲沟的发育也有着十分重要的影响。暴雨，除了产生的径流对土体有侵蚀作用外，雨滴的溅蚀也是一个重要的因素。从图5可以看出，该地区降雨主要集中在夏季，占全年总降雨量的70％以上，且多以集中式暴雨方式降水为主，这样便为冲沟的发育提供了条件。

(6)地震

地震作用对土遗址有一定的破坏作用，对土遗址上裂隙的发育有一定的影响。4号陵位处贺兰山东麓断裂带，此断裂带更是新构造运动活跃区域。据不完全统计，此带在近1000年内共发生破坏性地震9次，小震难以计数，其中最大震级8级。

(7)集水面积

集水面积越大，产流量越大。冲沟的中游，冲沟宽度减小，水深增大，加上水量增大，侵蚀能力增强，利于冲沟的发育。

六结论与讨论

(1)我国干旱、半干旱区遗址土体的水理性质和力学性质与自然堆积物不尽相同，以及遗址体上冲沟特殊的产流和侵蚀方式，使得对土遗址上的冲沟的研究具有特殊的意义。

(2)对西夏王陵4号陵土遗址上冲沟进行分析，选出沟深、沟头宽、宽深比和汇水面积作为度量冲沟的特征值。并根据其形成原因将其分为两种类型：一种水流沿裂隙(缝)发展成的冲沟；另一种是在墙体上产生的径流，沿墙体低洼区汇水后，冲刷墙面形成冲沟。

(3)影响西北干旱区土遗址上冲沟发育的主要因素有土体性质、风向、气温条件、裂隙(缝)、降雨类型、地震和集水面积等。

(4)虽然在土壤侵蚀方面取得了大量成果，但是得出的侵蚀方程大多为经验方程，且其只适用于农业生产区。因此针对土遗址上冲沟的侵蚀研究还需继续进行，得出一个侵蚀量与其影响因素之间的多因子关系式和侵蚀模型。