浅析黄土高原沟道壤中流及其形成机理

董起广 杜宜春 雷娜

摘 要：针对黄土高原治沟造地过程中发现的壤中流现象，结合相关产流理论及当地自然地理条件对沟道壤中流的产生极其形成机理进行了初步分析，探讨了该地区壤中流的形成条件，为治沟造地工程的实施提供参考。

关键词：黄土高原；治沟造地；壤中流

0 引言

黄土高原是我国土壤侵蚀量最高、水土流失最严重的区域之一，为改善当地环境，党和政府先后实施了一系列工程措施。其中，重大工程主要有退耕还林还草工程、治沟造地工程[1]，有效遏制了黄土高原土壤侵蚀。而在治沟造地工程实施过程中，有学者提出，受黄土高原沟道特殊的地形地貌和独特的小流域水文环境条件影响，部分沟道存在明显的壤中流现象[2]。

通过总结发现，多数关于壤中流的研究都集中在南方的红壤地区[3-5]，在北方半干旱-半湿润地区，关于壤中流的研究严重滞后。而壤中流作为水文循环的要素之一，可以影响流域产汇流特征以及溶质和物质的运移，对其合理的利用可以增加黄土高原灌溉水田的面积，增加农业产量，提升治沟造地工程效益产出，对水资源的合理利用，缓解农业面源污染的危害具有重要意义，在治沟造地中具有重要价值。但如果对施工过程中出现的壤中流不及时排导，会在土壤中积聚，引发湿陷和山体滑坡等灾害，影响工程的施工和安全。

1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市宝塔区南泥湾镇的九龙泉沟，区内沟道南北长9.8 km，河道海拔自南向北由1170 m降至1093 m。研究区属于温带季风气候区，冬季寒冷干燥，降水较少；夏季炎热多雨，降雨集中，时空分布不均，多年平均降水量573 mm，7、8两月降水量最多，占年降水量的40%。

2 壤中流的发现

通常情况下，黄土高原水资源匮乏，且土层深厚，质地均匀，结构松散，极易形成土壤水库，难以形成壤中流。通过治沟造地前的基础普探工作，发现在部分沟道地区水资源相对充沛，土层壤粘相间，沟道涝渍问题突出，存在不同程度的壤中流现象。

经过大量的普探工作及调研研究，发现在延安宝塔区九龙泉沟、阳湾沟等小流域中，一般在雨季期间，降水结束后，易形成两个较为突出的流量过程，前面一个是主峰，主要由地表径流形成，其后还有一个小的流量过程，即为壤中水出流过程，其峰值往往滞后于主峰数日甚至1-2个月。在坡脚古土壤层附近或基岩裸露处，常常有水分的侧渗现象，此处土壤将维持一段时间的湿润状态。

在黄土高原地区，每年雨季都会发生滑坡、泥石流、塌陷等自然灾害，诱发这些地质灾害的最主要因素就是降雨及其产生的壤中流。在降雨作用下，土体中的水分向下渗透，上部土体的渗透系数大于下部土体的渗透系数，形成了相对隔水层，并在隔水层形成了壤中流，从而导致了土体滑动面沿隔水层产生滑坡、泥石流现象。同时，在沟道的沟谷当中，沟口区域常常处于渍水状态，沟道内下湿地严重，治沟造地工程施工难度极大。

3 壤中流形成的理论基础

处于干旱半干旱地区的黄土高原沟道的降雨产流过程，受到流域气候、植被条件，特别是黄土储水特性等因素的影响，是一个产、汇流交织发生，具有高度阻尼的极为错综复杂的随机物理过程。产流是流域下垫面对降雨的再分配过程。Horton于1935年提出了著名的产流理论，他指出降雨产生径流受控于两个条件：一是降雨强度超过地面下渗能力；二是包气带土壤含水量超过其田间持水量，即超渗雨形成地表径流，田间持水量满足后，稳定的下渗量形成地下径流。Horton的产流理论阐述了超渗地表径流和地下径流产生的物理条件，为许多流域模型的建立奠定了基础，前者是超渗地表径流产生的条件，后者是地下水产生的条件。

虽然Horton产流理论正确地阐明了均质包气带情况下超渗地表径流和地下径流产生的条件，但在自然界中，由于种种原因，许多情况下包气带的岩土结构并非均质，而是具有一定质地层次结构。到上世纪70年代初，Kirkby等在大量水文实验研究的基础上，提出了基于山坡水文学的新产流理论。该理论的主要思想是，由于岩土层的分异性，在不同的下渗界面上可能形成相对临时饱和带，这时会产生侧向径流，即壤中流。山坡水文学产流理论的提出，为具体划分地表径流、壤中流、地下径流等提供了依据，对包含不同径流成分的产流机制有了更进一步地认识，被认为是对Horton产流理论的重要补充和完善。

从以上理论可以看出，影响壤中流产生的因素有很多，主要包括降雨、土层结构、土层厚度、地形等方面。

4 黄土高原沟道壤中流形成的基本条件

4.1 水资源条件

在黄土高原部分沟道地区，水资源条件相对充沛。黄土高原坡面区域壤中流主要由降水补给产生，沟谷地势低洼，也是小流域的汇流区域，其水分来源除降水、汇流外，还有地下水的补给。因此，黄土高原沟道壤中流的水资源条件主要是来自频发的暴雨以及坡面汇水和丰富的地下水。

集中强降雨是壤中流发生的物质基础。图3-2反映了研究区2013年-2016年之间的日降水量变化情况。从中可以看出研究区内降水的主要月份集中在6月-10月期间，该时间段内往往会有3-10日大于50 mm的暴雨发生。2013-2016年各年全年降水量分别为：959.1 mm、694.9 mm、391.7 mm、502.3 mm，可见在2013年该地区降水量巨大。通过调研，该年份沟道内尚未进行综合整治，致使沟道径流、壤中流流量巨大，造成了坝堤冲毁、坡面滑塌、洪涝等多起自然灾害，对当地生产、生活带来了巨大损失。由此可见，黄土高原沟道特殊的小流域气候，降水量变异特性明显，且在雨季常常会发生暴雨及连续阴雨天气。

4.2 地形地貌及土层结构

4.2.1 边坡剖面构造

陕北黄土高原沟道边坡土壤剖面构型大致可分为2种类型。一种为相对均质的黄绵土层，此类边坡土壤剖面结构均一，主要分布在边坡的上部；一类为上轻下粘的层状质地结构，这种层状质地结构下部主要为褐色粘重的古土壤层、钙积层或基岩等弱透水层（图2）。

4.2.2 沟谷土层厚度分布

研究区内呈现出梁峁起伏，沟壑纵横、沟谷深切、地形破碎的自然景观。黄土高原一般地区黄土覆盖深为50～150 m，而在研究区沟谷地区土层厚度则相对浅薄。在沟谷内土层厚度分布不均，土层最薄處不足1 m，土层下部为砾石层或基岩层。采用土钻法及探地雷达法对沟道内土层厚度进行了普探，普探结果表明沟道土层厚度从沟头至沟口逐渐减小。沟头处土层厚度一般在4 m以上，而到沟口处土层厚度最小可减小至0.5 m以下。土层厚度的减小导致了土壤储水量降低，当土壤储水量小于当日降水量时则会产生壤中流现象。

5 结论

通过调查研究发现，黄土高原部分沟道流域内存在壤中流现象。该区域壤中流的产生具备一定的理论基础，其主要产生的条件包括：集中的降水及丰富的地下水为壤中流的形成提供了水资源条件；分层的土体结构、厚度不一的土层剖面以及沟道坡降等是该地区产生壤中流必要的地形地貌条件。

参考文献

[1]陈怡平，骆世明，李凤民，等.对延安黄土沟壑区农业可持续发展的建议[J].地球环境学报，2015（5）：265-269.

[2]雷娜，韩霁昌，高红贝，等.延安治沟造地工程水资源调控与利用分析[J].中国农村水利水电，2017（05）：26-30.

[3]吴昊阳.紫色土壤中流氮磷淋溶流失特征综述[J].农业开发与装备，2019（01）：82-83.

[4]龙天渝，刘金辉，刘祥章，等.地表覆盖对紫色土坡耕地壤中流流动和硝态氮运移过程的影响[J].水土保持研究，2018，25（06）：68-73.

[5]徐铭泽.水分饱和条件与壤中流条件下红壤坡面侵蚀特征研究[D].江西农业大学，2018.