武漢市龜山水土流失狀況及形成機(jī)制探究

王冠陳晨

（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院 湖北 武漢 430072）

0 前言

由于龜山山體陡峭，山上土壤覆蓋層薄，水土保持能力差，再加上長(zhǎng)期的雨水沖刷和大風(fēng)暴影響，南坡臨近長(zhǎng)江大橋一帶，出現(xiàn)不同程度的風(fēng)化坍塌滑坡現(xiàn)象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，龜山由于降雨、暴風(fēng)和雪災(zāi)而倒伏的大型樹(shù)木多達(dá)百余棵。其中多為50-60年樹(shù)齡的雪松、刺槐、青桐等。龜山的水土流失以水利侵蝕為主，溝蝕，面蝕嚴(yán)重[1]，局部地區(qū)有坍塌現(xiàn)象。

1 水土流失狀況

就整個(gè)龜山而言，水土流失情況可以分為按照空間位置的不同分為三個(gè)層次，分別是山腳處，山腳至山腰處，以及山腰至山頂三個(gè)層次。從山腳開(kāi)始，就清晰可見(jiàn)大量面蝕，溝蝕現(xiàn)象，基巖裸露在外，風(fēng)化作用明顯。山腰至山腳處山體陡峭，局部地區(qū)甚至達(dá)到完全垂直傾斜，土壤覆蓋層非常薄，很多大樹(shù)的根系裸露在外，土壤水土保持能力差，雨水沖刷影響，可見(jiàn)很多大樹(shù)倒伏在側(cè)，在這一區(qū)域中所覆蓋的植被以低矮灌木植物為主。在龜山南坡臨近大橋一側(cè)，出現(xiàn)了很多滑坡和坍塌想象。從山腰開(kāi)始其中出現(xiàn)大批的建筑群，植被覆蓋率較小，環(huán)境狀況不佳。兩側(cè)可見(jiàn)大量建筑廢棄物，阻礙植物生長(zhǎng)。從山腰沿山體向上，大樹(shù)傾伏更多，多為雪松，青銅等樹(shù)種。山頂建筑群導(dǎo)致植物覆蓋率較小，水土流失嚴(yán)重，使得局部出現(xiàn)滑坡，面蝕，土體移位等土壤侵蝕現(xiàn)象，以致對(duì)于山頂建筑物產(chǎn)生一定的破壞，很多建筑物出現(xiàn)自上而下的裂紋，甚至是移位，可見(jiàn)其水土流失的嚴(yán)重性。

2 水土流失的主要原因

2.1 自然因素

武漢屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)奇虎，雨量充沛，日照充足，夏季酷熱，冬季嚴(yán)寒，氣溫變化快等特點(diǎn)。龜山位于長(zhǎng)江之畔，水汽更為充足，常有大量降雨產(chǎn)生，水土流失量與降雨量和雨強(qiáng)的乘積呈明顯的正相關(guān)，長(zhǎng)期作用，導(dǎo)致土壤覆蓋層薄，大樹(shù)傾倒，矮小灌木根系較淺，土壤流失更為嚴(yán)重。同時(shí)，氣溫早晚，冬夏變化劇烈，冰凍和解凍仿佛進(jìn)行，不利于土體的穩(wěn)定。

2.2 地質(zhì)地貌因素

經(jīng)考察可見(jiàn)，龜山土體流失嚴(yán)重，巖石埋藏較淺，風(fēng)化程度高，砂巖較多，孔隙度高，不易固定，巖層分層處明顯，在分層和裂隙處形成了很多處沖溝，若遇降水，徑流泥沙混合物易形成溝蝕。龜山山體特點(diǎn)明顯，坡面陡峭，坡度大，大型樹(shù)木不易支持，倒伏嚴(yán)重。

2.3 土壤和植被

龜山山腰以下種植植被多為矮小灌木群，密度不大，山上建筑物密集，植被量明顯減少，雨水直接擊濺在土壤層上，徑流系數(shù)較高，土壤侵蝕量多，在暴雨急流的沖刷下，一定數(shù)量的懸移質(zhì)和推移質(zhì)，大量的砂礫石塊以滾動(dòng)，滑動(dòng)，躍動(dòng)的形式沿山體運(yùn)動(dòng)，形成沖溝，使得土壤層減少，土壤侵蝕嚴(yán)重。更重要的是，就龜山現(xiàn)在的土壤量，山體特點(diǎn)和建筑物密度來(lái)看，再移植大型樹(shù)木恢復(fù)自然的生態(tài)環(huán)境的很困難的。

2.4 人為因素

龜山作為武漢市生態(tài)旅游資源和人文景觀，每年接待游客約70萬(wàn)人次，但環(huán)境保護(hù)和垃圾處理設(shè)施不配套，龜山超負(fù)荷運(yùn)行，建筑廢棄物總舵，缺乏管理，生活，經(jīng)營(yíng)污水無(wú)序排放，造成山體污染的同時(shí)，因?yàn)榕潘O(shè)施的不完備，在遇較大降雨，徑流易匯集，加大土壤流失量。龜山上景點(diǎn)開(kāi)發(fā)力度過(guò)大，龜山上建設(shè)的電視塔、全景畫(huà)館、計(jì)謀殿等建筑和停車場(chǎng)等大面積的硬化附屬設(shè)施，在設(shè)計(jì)時(shí)未作環(huán)評(píng)規(guī)劃，損毀的植被沒(méi)有及時(shí)修復(fù)。規(guī)劃不善，現(xiàn)龜山上可見(jiàn)眾多廢棄不用的建筑物，年久失修，甚至出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，使得龜山的邊坡穩(wěn)定性降低。

3 水土流失形成機(jī)理

3.1 水利侵蝕機(jī)制

1）雨滴擊濺機(jī)制

龜山松軟的地表土壤條件，土壤覆蓋淺，在遇大量降雨時(shí)，易形成雨滴擊濺破壞機(jī)制。它破壞土層的表層結(jié)構(gòu)，因無(wú)大型樹(shù)木的阻礙，雨滴降落地面時(shí)的動(dòng)能很大，隨著降水歷時(shí)延長(zhǎng)，表層積水深度增加，表層土粒逐漸被水分飽和，當(dāng)雨滴降落接地的瞬間，雨滴原有勢(shì)能全部轉(zhuǎn)為動(dòng)能而對(duì)地表做功，使得土壤顆粒破碎，濺起濕土顆粒。當(dāng)?shù)乇硗馏w呈泥漿狀態(tài)，阻塞孔隙，影響下滲，促進(jìn)地表徑流產(chǎn)生，地表裸露面壓實(shí)，產(chǎn)生地表結(jié)皮，阻止雨水下滲，也為產(chǎn)生坡面徑流和層狀侵蝕創(chuàng)造了條件。同時(shí)，滴濺量隨表層積水深度增加而增強(qiáng)。其中對(duì)于雨滴動(dòng)能的計(jì)算，宜采用美國(guó)學(xué)者Wischemier和Simth建立的經(jīng)驗(yàn)公式[2]：

E=210.2+8glogI

其中 E 為降雨動(dòng)能，J/（m2*cm）；I為降雨強(qiáng)度（cm/h）

2）坡面徑流侵蝕機(jī)制

坡面徑流起始于降雨強(qiáng)度大于土壤滲流強(qiáng)度而產(chǎn)生的坡面薄層水流，而后漫流態(tài)水流匯集成細(xì)溝流，細(xì)溝的形成，可以吸納更大的片流進(jìn)入，加大侵蝕量，水流向低凹，下坡部位集中。所以結(jié)果表現(xiàn)為：最初是沿層侵蝕，到一定距離后，地表不均勻，從而出現(xiàn)侵蝕斑痕和不連續(xù)侵蝕，進(jìn)一步發(fā)展到細(xì)溝貫通，當(dāng)細(xì)溝出現(xiàn)后就大大加劇了這一進(jìn)程。因此，坡面徑流的發(fā)展，表現(xiàn)為沿程侵蝕，侵蝕斑痕，細(xì)溝侵蝕。因?yàn)闆_刷能力表現(xiàn)為流速越大，動(dòng)能越強(qiáng)，沖刷能力越強(qiáng)，所以坡面徑流沿程可分為三個(gè)作用帶，分別為層狀面蝕沖刷帶，細(xì)溝沖刷帶和淤積帶。層狀面蝕沖刷帶，位于坡地上部，坡度稍緩，沖刷恩呢管理較弱，地面以斑痕侵蝕為主。細(xì)溝沖刷帶位于斜坡中部，因坡面較抖，細(xì)溝沖刷能力最強(qiáng)，細(xì)溝以下切和側(cè)蝕為主，形成橫剖面成V型的細(xì)溝，其中細(xì)顆粒和中粗砂礫，少量小礫石均被沖走。淤積帶由于坡度變緩，坡面徑流流速減小，水流攜帶的碎屑物質(zhì)堆積在坡地下部。龜山地區(qū)土壤抗沖系數(shù)遠(yuǎn)小于表層,即存在著“上硬下軟”的結(jié)構(gòu),這更有利用土壤蠕動(dòng)、滑動(dòng)的進(jìn)行[2]。

3）槽流侵蝕機(jī)制

溝槽水流均屬紊流，因溝槽附近流速梯度大，易產(chǎn)生漩渦，且水流運(yùn)動(dòng)受到溝床周界限制，產(chǎn)生橫向環(huán)流和螺旋流，因此，水流平均方向取決于槽線方向，產(chǎn)生環(huán)流和螺旋流的原因常見(jiàn)的有兩點(diǎn)：

（1）彎道離心力產(chǎn)生的環(huán)流，在離心力的作用下，水面會(huì)形成橫向必將J，凹岸水面抬高，結(jié)果是表層水流流向凹岸，產(chǎn)生沖刷，底層水流流向凸岸，產(chǎn)生淤積。其中離心力的大小可以表示為：F=G/gV2/2

由離心力引起的水面橫向比降J=V2/gr

（2）地球自轉(zhuǎn)的影響地面上的水體和其他物質(zhì)一樣，受到地球自轉(zhuǎn)的作用，使得它的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏移，也就是所說(shuō)的科里奧利加速度。

溝谷水流的侵蝕作用，可有侵蝕方向分為下切侵蝕，溯源侵蝕和側(cè)向侵蝕等。因龜山山體有較大的深溝槽出現(xiàn)，且有彎曲出現(xiàn)，表現(xiàn)為下切和側(cè)向侵蝕較多，特別是龜山南坡地段。由上公式也可看出，影響溝蝕的主要水文因素是流速和流量。控制因素與坡面侵蝕相似，但兩者的是有明顯的區(qū)別的，槽溝侵蝕與坡面侵蝕能量分析法所得的臨界坡度范圍為 22.22－26.58 度[3]。

3.2 重力侵蝕機(jī)制

坡面上的風(fēng)化碎屑和不穩(wěn)定巖體，在重力作用下導(dǎo)致崩塌，滑坡，當(dāng)下滑力大于摩擦阻力時(shí)，土體就可能順著軟弱層向下滑動(dòng)。土粒間孔隙被水充填后會(huì)增加滑潤(rùn)性，減少摩擦力。且龜山上砂土和廢棄建筑物等土粒性質(zhì)的影響，使得土壤粘結(jié)力大大降低，易形成滑動(dòng)面而下滑。總的來(lái)說(shuō)，土體下滲水分，土體性質(zhì)，巖石結(jié)構(gòu)，地形條件影響移動(dòng)提的內(nèi)摩擦角φ和粘結(jié)力c，運(yùn)動(dòng)塊體的抗滑能力可寫(xiě)為：τf=Ntanφ+cA,其中A是運(yùn)動(dòng)塊體與坡面的接觸面積。坡面上的塊體運(yùn)動(dòng)時(shí)重力引起的下滑力與巖石塊體的內(nèi)摩擦力和粘結(jié)力相互作用的結(jié)果。巖石體是否沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生位移，可以用巖體穩(wěn)定系數(shù)K（=抗滑阻力/下滑力）對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)K＝1時(shí)，巖體或土體處于極限平衡狀態(tài)，當(dāng)K<1時(shí)，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)K>1時(shí)，可以認(rèn)為巖體或土體是穩(wěn)定的。

［1］連米鈞.水土流失概念及水土流失強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[J].水土保持科技情報(bào)，2001，1.

［2］張平倉(cāng),楊勤科2,夏艷華.長(zhǎng)江中上游地區(qū)土壤侵蝕機(jī)制及過(guò)程試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2002，7.

［3］夏衛(wèi)生，雷廷武，趙軍.坡面侵蝕動(dòng)力學(xué)及其相關(guān)參數(shù)的探討[J].中國(guó)水土保持科學(xué).