黄土高原重力侵蚀研究进展

2020-10-12高晨迪姚顽强李朋飞穆兴民

人民黄河 2020年6期

高晨迪姚顽强李朋飞穆兴民

摘要：黃土高原地区地形破碎、高差大，土层厚度大、形态保持能力弱，重力侵蚀严重且随机性强、影响因素众多，对其监测、定量研究、防治的难度较大，是黄土高原水土流失治理的相对薄弱面。在阅读大量相关文献的基础上，对黄土高原重力侵蚀分类、监测手段、侵蚀过程及时空分布规律、影响因素和力学机理、模拟模型等方面的研究成果进行了系统梳理。黄土高原重力侵蚀研究已取得不少成果，为进一步深化研究和治理奠定了一定基础，但研究基础仍较为薄弱，重力侵蚀分类体系尚不完善，大区域（如流域尺度）连续监测鲜有开展，重力侵蚀与影响因素的关系、重力侵蚀力学机制的研究缺乏定量化成果，发生发展机理和过程模型开发尚处于起步阶段。后续研究应充分利用3S技术等精确测量方法，对较大区域重力侵蚀进行连续观测，规范重力侵蚀分类体系，深化对重力侵蚀过程和机理的定量化研究并构建模型，与已有土壤侵蚀模型耦合，为黄土高原水土保持和生态修复提供评估工具。

关键词：重力侵蚀;监测方法;影响因素;力学机制;研究进展;黄土高原

中图分类号：S157.1;TV882.1文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.020

Research Progress of Gravity Erosion of the Loess Plateau

GAO Chendi1， YAO Wanqiang1， LI Pengfei1， MU Xingmin2，3

（1.College of Geomatics， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China;

2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau， Northwest A & F University， Yangling 712100， China;

3. Institute of Soil and Water Conservation， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources， Yangling 712100， China）

Abstract： The Loess Plateau has been suffering from seriousgravity erosion because of the fragmented and complicated topography， great elevation variations， thick soil layer and their poor morphological retention. However， little is known about gravity erosion processes given the difficulty in monitoring， quantitative assessment and conservation of these processes resulting from their high randomness and the non-linear correlation among their impacting factors. Our study reviewed the literature published in last decades and analyzed the recent research progress in the systematic classification， monitoring methods， process and spatial-temporal pattern， influencing factors and underlying mechanisms and modeling of mass movement on the Loess Plateau. Contemporary studies have yielded some meaningful findings， providing a solid foundation for further work. However， the overall research progress in the field is still limited and some crucial research needs have yet been addressed. For an example， little work has been done to develop a systematic classification system for the loess plateau gravity process， or to assess gravity process over large areas， or to study the relationship between gravity and its influencing factors and its underlying mechanical mechanisms. This eventually limits the development of process-based models for gravity process. In the future， accurate measurement techniques， such as 3S technology should be employed along with traditional field observations to monitor long-term gravity process over large areas （e.g. catchment）. Based on the measured data， further studies should be undertaken to understand the process and mechanism of gravity， develop systematic classification systems and models of gravity and integrate the gravity model into existing soil erosion models.

重力侵蚀指岩土体在以重力为主的营力作用下失去平衡而发生位移并堆积的过程，可分为滑坡、崩塌、泻溜、泥( 石) 流等类型［1－3］。黄土高原地区地形破碎、高差大，土层厚度大、形态保持能力弱，重力侵蚀严重，是黄河泥沙的主要来源之一［4－7］。对陕北岔巴沟、韭园沟、王茂沟等和晋西地区的研究表明，重力侵蚀产沙量占流域总产沙量的 20% ～60%［8－10］。1999 年国家开始实施大规模退耕还林( 草) 措施后，黄土高原植被明显恢复［11］，土壤侵蚀强度总体大幅下降，但沟坡重力侵蚀仍然严重且可能加剧［12－14］。重力侵蚀随机性强、影响因素众多，对其监测、定量研究、防治的难度较大［15］，是黄土高原水土流失治理的相对薄弱面。笔者在广泛查阅相关文献的基础上，系统梳理了黄土高原重力侵蚀分类体系、监测方法、侵蚀过程及时空分布特征、影响因素和力学机理、模拟模型等方面的研究进展及成果，以期为黄土高原重力侵蚀的深化研究与防治提供参考。

1 重力侵蚀分类研究

在黄土高原重力侵蚀分类研究方面，仅曹银真、王德甫等进行了系统分类: 曹银真［1］按照重力侵蚀物质的类型和物理性质将黄土高原地区重力侵蚀分为崩塌、坠落、塌陷、滑坡、错落、土溜、泻溜、蠕动、泥石流和泥流; 王德甫等［2］将黄土高原重力侵蚀中刚性的块体运动类侵蚀分为滑坡、滑塌、崩塌、泻溜。比较而言，曹银真根据岩土体含水量与坡面坡度对重力侵蚀的分类更细致，但重力侵蚀类型鉴别时极难考虑含水量等因素，如根据其定义，坠落与崩塌在野外调研中难以区分，故此分类方法在黄土高原应用极少。

目前研究中普遍将黄土高原重力侵蚀分类为崩塌、滑塌、滑坡、泻溜、泥( 石) 流。郑书彦［3］把滑塌定义为上部坍塌下部滑动的现象，然而在黄土高原地区局部地形变化极大，坍塌的产生并不取决于坍塌体是否位于滑动体的上部，而取决于整个滑动面的局部地形、植被及土壤含水量等，故对黄土高原滑塌现象的描述还需研究。曹银真［1］、王玉杰等［16］认为错落是滑坡－崩塌的过渡形式，王德甫等［2］认为滑塌是滑坡－崩塌的过渡形式，在黄土高原地区错落和滑塌皆有发生且都可认为是滑坡－崩塌的过渡形式，但错落与滑坡本质上都属于岩土体在重力作用下沿某一滑动面滑动，故是否有必要将错落作为滑坡－崩塌的过渡形式还待商榷。由于滑坡、泥石流、崩塌是黄土高原重要的土壤侵蚀形式，因此针对其的分类研究较为深入，而关于滑塌、泻溜的分类研究鲜有开展。黄土高原泥石流分类研究始于 20 世纪 80 年代中期，姚一江［17］、金凌燕［18］、谭万沛等［19］根据流域形态、物质组成、流体性质等对泥石流进行了分类。20 世纪末以来，黄土高原滑坡、崩塌的分类研究相继开展，如吴玮江等［20－22］按滑坡物质及接触面对滑坡进行了分类研究，王根龙等［23－26］根据岩土体变形破坏特征和地质现象、破坏驱动机制、主导因素等对崩塌进行了分类研究。目前黄土高原重力侵蚀的主要分类方式已基本形成共识，部分细节因研究区不同而存在差异。

2 重力侵蚀监测方法研究

黄土高原重力侵蚀监测方法有实地调查法、模拟试验法、测针法、3S( GPS、GIS、ＲS) 集成法等。实地调查法从 20 世纪 80 年代黄土高原重力侵蚀研究起步阶段至今一直在广泛使用［4，13，21，27－30］，然而该方法存在投入高、周期长、效率低等问题［31］。模拟试验法通过控制试验条件来研究单个或多个因素对重力侵蚀的影响，既可在室内开展以研究重力侵蚀规律，又可在野外开展以观测原状沟坡的重力侵蚀产沙过程，该方法在黄土高原应用较少，在研究单个或少数因素对重力侵蚀的作用时效果较好，但重力侵蚀过程复杂、影响因素众多，限制了模拟试验法的应用［30－31］。测针法可通过调整测针间距，以达到不同的精度要求，且测针长度、粗细可灵活选取，监测成本较低，多用于监测泻溜、小型崩塌等重力侵蚀［6］，然而在地形复杂或较大区域不易布设测针，侵蚀严重时测针易被埋没、破坏［32］，在黄土高原重力侵蚀研究中应用有限。20 世纪 90 年代以来 3S 技术在重力侵蚀定量监测中的应用逐渐增多［33－34］，其具有精度高、速度快、自动化程度高等优势，在黄土高原重力侵蚀的监测和研究中应用价值巨大，其中 GPS 和ＲS 为数据获取的主要手段，利用 GPS可得到地形数据，采用遥感技术可获取部分重力侵蚀发生的位置、规模等信息。主动式遥感传感器有合成孔径雷达( SAＲ) 、激光雷达( LiDAＲ) 、雷达高度计、微波辐射计等，其中 LiDAＲ技术已在世界各地侵蚀监测中广泛应用［35－37］。

实地调查法、模拟试验法、3S 集成法是目前黄土高原重力侵蚀监测的重要手段，三者各有优势，实地调查法在定性分析上更为实用，3S 集成法在定量分析上更加精确，模拟试验法在研究重力侵蚀个别影响因素时效果突出，但目前将多种监测手段结合的研究较少，仅郭文召［31］在研究中先通过实地调查法对研究区重力侵蚀现状进行初步了解，然后通过模拟试验法分析了重力侵蚀发生机理、产沙过程等，在此基础上利用地貌仪( 三维激光扫描仪) 对崩塌、滑坡进行了定量观测。在黄土高原重力侵蚀研究中，如何将三种主要监测手段结合实际应用以达到最优效果，是未来重力侵蚀监测研究的重点。

3 重力侵蚀过程与时空分布特征研究

已有重力侵蚀过程与时空分布特征研究主要从坡面、流域和区域三个空间尺度上展开。

从 20 世纪 90 年代起，流域尺度的重力侵蚀研究陆续开展，主要通过实地调查获取重力侵蚀及其类型的空间分布情况。刘秉正等［27］对泥河沟流域调查发现，崩塌多产生于 55°以上陡坡，滑坡( 含滑塌) 多发生于 35° ～ 55°坡面，泻溜在裸露坡面分布广泛; 孙尚海等［38］对中沟流域的调查发现，浅层滑坡主要分布在峁边线和沟缘线之间，表土滑移主要分布在红黏土出露或黄土层薄的 35°以上阴坡，滑塌和崩塌主要分布在现代侵蚀沟沟岸，泻溜主要发生在红黏土出露的坡面特别是沟岸立壁带附近; 杨吉山等［4，6］对桥沟流域的调查发现，重力侵蚀( 滑坡、崩落和泻溜) 主要发生在42°以上的陡峭坡面、沟坡和沟头部位的陡坎; 曹斌挺等［13］对延河流域特大暴雨后的滑坡进行实地调查，发现强降雨引起的滑坡多为浅层滑坡，分布在 20° ～ 60°的斜坡上，滑坡量与频率呈南部＞中部＞北部的规律。

在区域尺度方面，祝俊华等[39]对延安地区重力侵蚀时空分布特征进行研究，发现延安地区的滑坡集中于北部一二级河流河谷区两侧及多条河流交汇处、阴坡、交通工程密集区域;朱同新等[10]把晋西重力侵蚀分布区分为晋西北崩坍区、近黄河狭窄条带泻溜区、中部滑坍泻溜崩坍区、南部滑坍泻溜区、东部重力侵蚀轻微区;姚文波等[40]于“5·12”汶川大地震后对陇东黄土高原的调查表明，庆阳市和平凉市的崩塌和滑坡以小型为主，主要分布在现代侵蚀沟边缘部位的断崖和陡坡上;王军、张信宝等[41-42]对黄河中游河龙区间进行模型模拟发现，重力侵蚀主要发生于沟谷发育、地形破碎的区域，而植被覆盖度高的区域重力侵蚀微弱。

对黄土高原重力侵蚀过程的研究多通过模拟试验在坡面尺度上展开。韩鹏等[30]通过室内模拟降雨试验，研究了细沟发育不同阶段的重力侵蚀情况;郭文召[31]在野外原状沟坡进行模拟降雨试验，研究了重力侵蚀的群发性特征和侵蚀产沙过程。对重力侵蚀时间分布特征的研究多基于实地调查法在短时间尺度、区域尺度上开展，鲜有人在长时间尺度上对黄土高原或其中某个区域重力侵蚀时间分布特征进行研究。有关研究[39，43-44]表明，重力侵蚀多发生在雨季，发生规模与降雨量正相关。

4 重力侵蚀影响因素及力学机制研究

4.1 重力侵蚀影响因素研究

重力侵蚀成因复杂，影响因素可分为内因和外因两类[15]，内因指黄土理化性质和地貌形态等，外因包括气候变化、植被、人类活动、地震等。从大空间尺度看，地质、地貌和气候条件等因素决定了一个区域重力侵蚀的特点;从短时间尺度看，沟道地貌发育阶段、沟坡岩土体风化程度、植被发育情况以及降雨、冻融等都是重力侵蚀的重要影响因素[45]。

（1）岩土理化性质。岩土理化性质是影响黄土高原重力侵蚀的重要因素，岩土矿物组成不同、组合结构不同，决定了重力侵蚀类型、方式、规模和速率的不同。岩土理化性质是影响泻溜的决定性因素，当岩土体内部所含矿物质具有遇水膨胀、脱水龟裂等性质时，泻溜更容易产生[46];地层岩性对重力侵蚀影响的本质是矿物组成的不同，在砒砂岩地区，岩土体矿物组成决定其坡面稳定的临界坡角[47];杨立中等 [48] 对陇东黄土丘陵区滑坡的研究发现，各类滑坡都会受到地层岩性和地形构造的影响，含不同结构强度、不同物质成分岩土层的内部结构强度存在差异，强度差的岩土体容易被剪切破坏或崩解破坏;黄土中黏土矿物含量较高，亲水性强，易引起滑动，且黄土失水后体积收缩会引起土体破裂松散，易发生重力侵蚀[1];岩土体理化性质影响岩土体风化强度 [44，49]，风化层的发育程度和坡面的稳定性显著相关[50]，风化速度与重力侵蚀等引起的剥蚀速度的对比关系是坡面稳定的控制因素[51]，风化导致的岩土体强度降低、风化层土体蠕动造成的裂缝等是重力侵蚀发生的诱发因素[52-55]。

（2）地貌发育阶段。地貌发育阶段决定内外营力对抗强度，影响着重力侵蚀的作用方向、发生频率及侵蚀强度[38]。地貌发育阶段中最主要的重力侵蚀影响因素为坡度，重力侵蚀空间分布特征均与坡度存在相关性，坡度影响重力侵蚀的发生频率、类型和规模[56]。当坡度较大时，岩土体所受剪切力增大，易在其他重力侵蚀诱因的作用下失稳，导致重力侵蚀的发生，黄土内摩擦角约为25°，只有沟坡的坡度大于黄土的内摩擦角时才容易发生重力侵蚀[41]。有关学者[4，10，27，31，38，56]在桥沟流域、泥河沟、中沟等流域的观测表明，重力侵蚀主要发生于陡峭坡面，在切沟（如桥沟第一支沟）阶段沟壁崩塌频繁、重力侵蚀十分强烈，而冲沟（如桥沟第二支沟和主沟）阶段重力侵蚀相对变弱，沟坡坡度与重力侵蚀发生的频率和规模均呈幂函数关系，发生频率随着坡度的增大而增大，而规模随坡度增大而减小。

（3）气候因素。影响重力侵蚀的气候因素主要为降水，降水增大了岩土体质量、减小了岩土体黏聚力，进而减小岩土体抗剪强度[1，57]。有关研究[27，38-39，56，58-60] 表明，重力侵蚀发生频率和规模均与降水量、降水持续时间有关，重力侵蚀对降水的响应有一定的滞后性，降雨径流冲刷导致的沟道展宽和下切使沟壁坡度增大、临空高度增加，为崩塌、滑坡等重力侵蚀的发生创造了条件。此外，冻融作用使岩土体裂缝增大、结构松散，可促使重力侵蚀的发生[1，3]。

（4）植被因素。植被可消除地表的干湿和冷热变化，防止新碎屑层的产生并对已有碎屑层进行拦护，控制泻溜侵蚀的发生[27，55];植被能够增大土壤抗剪力，减轻土壤层的蠕动，增加雨水下渗，减少坡面径流，抑制坡面裂缝，进而削弱重力侵蚀[32，56];植被根系可以通过弱化根系层应力，分担岩土体部分應力以避免应力集中，提高边坡的稳定性并减少形变，从而对重力侵蚀起到抑制作用[61]。然而，在一定条件下植被根系会增加径流入渗，加之根系具有根劈作用，使沟坡系统失稳，从而对重力侵蚀可能具有促进作用[38，62];植被能够加速坡面风化层的形成，从而增大浅层滑坡的发生频率[29];在强降水基础上，特别是当降水量达到诱发滑坡发生的临界值时，植被及其根系会促进滑坡的发生[28]。

（5）其他因素。人类活动可改变地形、岩土体结构、植被覆盖度等重力侵蚀影响因素，进而影响重力侵蚀的发生和发展。建设大型土木工程如路桥、隧道及采矿等，易导致边坡失稳，为重力侵蚀提供条件[63-70]。地震可诱发重力侵蚀灾害，如“5·12”汶川大地震引发了数量众多的小型崩塌、滑坡、泥石流[40]，有关学者[71-73]证实地震是黄土高原重力侵蚀的影响因素之一。黄土高原是我国地震高发区之一，探讨重力侵蚀的成因时应关注地震的影响。

4.2 重力侵蚀的力学机制研究

重力侵蚀影响因素本质上是影响岩土体的受力情况，其发生的根本原因在于其力学机理[31]。已有研究多通过土力学、水动力学等方法，将重力侵蚀转化为岩土体失稳，结合受力分析，探讨重力侵蚀的力学机制，其中抗剪强度是岩土体结构强度的重要指标。对岩土体抗剪强度的研究已有数百年历史，1773年法国学者Coulomb提出黏性土抗剪强度计算公式τ=σtan φ+c（式中：τ为抗剪强度，σ为岩土体应力，φ为内摩擦角，c为黏聚力）。在此基础上Bishop等[74]于1960年提出了非饱和土抗剪强度的有效应力公式，Fredlund等[75]于1978年提出了非饱和土抗剪强度公式。

黄土高原重力侵蚀力学机制研究主要分为对岩土体抗剪强度中应力合力、内摩擦角、黏聚力的研究。黄土高原多为非饱和黄土，张伯平等[76]在不考虑内摩擦角变化的情况下，将非饱和黄土的黏聚力表示为c（ω）=aω-b（式中：ω为含水量，a、b为试验得到的系数和指数），由该式可知非饱和黄土黏聚力与含水量呈负相关关系。

党进谦、鲁克新等[77-79]对非饱和黄土内摩擦角的研究表明，只要密度不发生改变，其内摩擦角就不会产生较大变化（变化幅度一般为±2°），内摩擦角可表示为φ（ω）=dω-e （式中d、e為试验得到的系数和指数），由该式可知非饱和黄土内摩擦角与含水量也呈负相关关系。

岩土体抗剪强度中应力合力包含众多力学指标，如孔隙水压力、静水侧压力、土体重力、入渗水重力、水流切割力等[80-81]。已有研究多围绕某一项或几项力学指标进行研究，如部分学者[80，82-83]围绕孔隙水压力、静水侧压力等讨论了河岸崩塌的力学机理，王光谦等[81]将土体重力、入渗水重力、水流切割力等纳入模型中对黄土高原沟坡重力侵蚀进行了模拟。

干密度也是影响岩土体抗剪强度的重要因素，干密度越大，抗剪强度越大、侵蚀量越小[31]。

综上所述，如图1所示，黄土高原重力侵蚀影响因素中岩土体理化性质、地貌发育阶段、植被等决定了岩土体抗剪强度，为重力侵蚀提供了初始条件，地震等地质运动、降水、冻融以及人类活动等通过影响岩土体抗剪强度和所受剪切力诱发重力侵蚀，当抗剪强度小于所受剪切力时重力侵蚀就会发生，这些因素控制重力侵蚀强度、速率、规模，但在侵蚀过程中的耦合关系尚不明了，需要进一步研究。

5 重力侵蚀模型研究

20世纪80年代以来，有关学者[10，42，84]基于模糊聚类、回归分析等方法构建了黄土高原重力侵蚀经验模型，然而，经验模型对土体失稳力学机理及随机性未充分考虑，所以其移植性较差。近年来，学者们开始对重力侵蚀发生发展过程进行模拟研究，首先获取重力侵蚀易发性，进而估算重力侵蚀规模。在边坡稳定性评价方面，耦合水文模型和无限斜坡稳定性模型的TRIGRS模型、SINMAP模型是常用的暴雨型浅层滑坡易发性评价模型[85-86]，以有限元和离散元力学分析方法为基础的FLAC3D软件也常被应用于沟坡稳定性评价[65，87-88]，在此类模型中，安全系数是用于判断边坡稳定性的常用指标，然而其不考虑岩土体中实际存在的不确定性和相关性因素，如材料参数的变异性、相关性以及计算模型的不确定性等，因此建立在不确定性概念之上的破坏概率和可靠度指标常被引入边坡稳定性评价之中，用于描述边坡保持稳定的概率[81，88]。目前常用的边坡可靠性分析理论方法主要包括均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法、蒙特卡罗模拟法、响应面法、遗传算法、蒙特卡罗-免疫遗传算法、最大熵法、点估计法、Rosenblueth法等[88]，其中一次二阶矩法、Rosenblueth法、蒙特卡罗模拟法等已成功应用于黄土沟坡的稳定性评价[87-88，89]。已有模拟研究主要是评价黄土沟坡的稳定性及破坏概率，鲜有对重力侵蚀规模的模拟研究，仅有王光谦等[81，90]构建的沟坡重力侵蚀模型模拟了重力侵蚀的发生概率与发生规模，并在数字黄河模型框架下与坡面降雨径流和土壤侵蚀模型、沟道不平衡输沙模型耦合集成，以模拟黄土高原重力侵蚀产沙过程。

6 问题与展望

黄土高原重力侵蚀研究已取得不少成果，为进一步深化研究和治理奠定了一定基础，但研究基础仍较为薄弱，存在的问题主要体现在以下几方面：①重力侵蚀分类体系还不规范，整体分类研究极少，已有的分类方式也不尽相同，导致采用不同分类方法的研究成果在对比分析时缺乏统一标准，限制了黄土高原重力侵蚀基础研究的发展;②由于黄土高原重力侵蚀分布范围广且具有极强的随机性，因此坡面尺度试验研究代表性不足，大尺度（流域或区域）虽可涵盖各类重力侵蚀但其连续观测受限于高精度定量监测手段应用不足而难以实施，制约了对重力侵蚀时空过程的深入研究;③重力侵蚀与影响因素的关系、重力侵蚀力学机制的研究缺乏定量化成果，且较少研究影响因素间、营力间的耦合关系，难以描述多种因素与营力联合影响重力侵蚀的方式;④重力侵蚀过程模型稀缺，已有模拟研究主要是评价黄土沟坡的稳定性及破坏概率，鲜有对重力侵蚀发生过程及规模的模拟研究。综上，黄土高原重力侵蚀研究尚处于起步阶段，难以满足重力侵蚀治理的需求。

未来对黄土高原重力侵蚀的研究，需制定统一、规范、权威的重力侵蚀分类方法，为后续研究奠定统一标准;充分利用3S技术等精确测量方法，开展较大尺度重力侵蚀连续观测，强化流域和区域尺度重力侵蚀的时空变化特征研究;进一步明确重力侵蚀影响因素、力学机制的变化特征及其耦合关系，在此基础上深入研究重力侵蚀与影响因素的量化关系、重力侵蚀发生发展的驱动机制，如植被与坡面稳定性的关系、重力侵蚀与岩土体理化性质指标的关系等;研发黄土高原重力侵蚀过程模型，并与已有土壤侵蚀模型耦合，为黄土高原水土保持和生态修复提供评估工具。

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