武漢市龜山水土流失狀況及形成機制探究

王冠陳晨

（武漢大學水利水電學院 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，再加上長期的雨水沖刷和大風暴影響，南坡臨近長江大橋一帶，出現不同程度的風化坍塌滑坡現象。據不完全統計，近年來，龜山由于降雨、暴風和雪災而倒伏的大型樹木多達百余棵。其中多為50-60年樹齡的雪松、刺槐、青桐等。龜山的水土流失以水利侵蝕為主，溝蝕，面蝕嚴重[1]，局部地區有坍塌現象。

1 水土流失狀況

就整個龜山而言，水土流失情況可以分為按照空間位置的不同分為三個層次，分別是山腳處，山腳至山腰處，以及山腰至山頂三個層次。從山腳開始，就清晰可見大量面蝕，溝蝕現象，基巖裸露在外，風化作用明顯。山腰至山腳處山體陡峭，局部地區甚至達到完全垂直傾斜，土壤覆蓋層非常薄，很多大樹的根系裸露在外，土壤水土保持能力差，雨水沖刷影響，可見很多大樹倒伏在側，在這一區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，出現了很多滑坡和坍塌想象。從山腰開始其中出現大批的建筑群，植被覆蓋率較小，環境狀況不佳。兩側可見大量建筑廢棄物，阻礙植物生長。從山腰沿山體向上，大樹傾伏更多，多為雪松，青銅等樹種。山頂建筑群導致植物覆蓋率較小，水土流失嚴重，使得局部出現滑坡，面蝕，土體移位等土壤侵蝕現象，以致對于山頂建筑物產生一定的破壞，很多建筑物出現自上而下的裂紋，甚至是移位，可見其水土流失的嚴重性。

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性濕潤奇虎，雨量充沛，日照充足，夏季酷熱，冬季嚴寒，氣溫變化快等特點。龜山位于長江之畔，水汽更為充足，常有大量降雨產生，水土流失量與降雨量和雨強的乘積呈明顯的正相關，長期作用，導致土壤覆蓋層薄，大樹傾倒，矮小灌木根系較淺，土壤流失更為嚴重。同時，氣溫早晚，冬夏變化劇烈，冰凍和解凍仿佛進行，不利于土體的穩定。

2.2 地質地貌因素

經考察可見，龜山土體流失嚴重，巖石埋藏較淺，風化程度高，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。龜山山體特點明顯，坡面陡峭，坡度大，大型樹木不易支持，倒伏嚴重。

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，徑流系數較高，土壤侵蝕量多，在暴雨急流的沖刷下，一定數量的懸移質和推移質，大量的砂礫石塊以滾動，滑動，躍動的形式沿山體運動，形成沖溝，使得土壤層減少，土壤侵蝕嚴重。更重要的是，就龜山現在的土壤量，山體特點和建筑物密度來看，再移植大型樹木恢復自然的生態環境的很困難的。

2.4 人為因素

龜山作為武漢市生態旅游資源和人文景觀，每年接待游客約70萬人次，但環境保護和垃圾處理設施不配套，龜山超負荷運行，建筑廢棄物總舵，缺乏管理，生活，經營污水無序排放，造成山體污染的同時，因為排水設施的不完備，在遇較大降雨，徑流易匯集，加大土壤流失量。龜山上景點開發力度過大，龜山上建設的電視塔、全景畫館、計謀殿等建筑和停車場等大面積的硬化附屬設施，在設計時未作環評規劃，損毀的植被沒有及時修復。規劃不善，現龜山上可見眾多廢棄不用的建筑物，年久失修，甚至出現倒塌現象，使得龜山的邊坡穩定性降低。

3 水土流失形成機理

3.1 水利侵蝕機制

1）雨滴擊濺機制

龜山松軟的地表土壤條件，土壤覆蓋淺，在遇大量降雨時，易形成雨滴擊濺破壞機制。它破壞土層的表層結構，因無大型樹木的阻礙，雨滴降落地面時的動能很大，隨著降水歷時延長，表層積水深度增加，表層土粒逐漸被水分飽和，當雨滴降落接地的瞬間，雨滴原有勢能全部轉為動能而對地表做功，使得土壤顆粒破碎，濺起濕土顆粒。當地表土體呈泥漿狀態，阻塞孔隙，影響下滲，促進地表徑流產生，地表裸露面壓實，產生地表結皮，阻止雨水下滲，也為產生坡面徑流和層狀侵蝕創造了條件。同時，滴濺量隨表層積水深度增加而增強。其中對于雨滴動能的計算，宜采用美國學者Wischemier和Simth建立的經驗公式[2]：

E=210.2+8glogI

其中 E 為降雨動能，J/（m2*cm）；I為降雨強度（cm/h）

2）坡面徑流侵蝕機制

坡面徑流起始于降雨強度大于土壤滲流強度而產生的坡面薄層水流，而后漫流態水流匯集成細溝流，細溝的形成，可以吸納更大的片流進入，加大侵蝕量，水流向低凹，下坡部位集中。所以結果表現為：最初是沿層侵蝕，到一定距離后，地表不均勻，從而出現侵蝕斑痕和不連續侵蝕，進一步發展到細溝貫通，當細溝出現后就大大加劇了這一進程。因此，坡面徑流的發展，表現為沿程侵蝕，侵蝕斑痕，細溝侵蝕。因為沖刷能力表現為流速越大，動能越強，沖刷能力越強，所以坡面徑流沿程可分為三個作用帶，分別為層狀面蝕沖刷帶，細溝沖刷帶和淤積帶。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。細溝沖刷帶位于斜坡中部，因坡面較抖，細溝沖刷能力最強，細溝以下切和側蝕為主，形成橫剖面成V型的細溝，其中細顆粒和中粗砂礫，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堆積在坡地下部。龜山地區土壤抗沖系數遠小于表層,即存在著“上硬下軟”的結構,這更有利用土壤蠕動、滑動的進行[2]。

3）槽流侵蝕機制

溝槽水流均屬紊流，因溝槽附近流速梯度大，易產生漩渦，且水流運動受到溝床周界限制，產生橫向環流和螺旋流，因此，水流平均方向取決于槽線方向，產生環流和螺旋流的原因常見的有兩點：

（1）彎道離心力產生的環流，在離心力的作用下，水面會形成橫向必將J，凹岸水面抬高，結果是表層水流流向凹岸，產生沖刷，底層水流流向凸岸，產生淤積。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）地球自轉的影響地面上的水體和其他物質一樣，受到地球自轉的作用，使得它的運動發生偏移，也就是所說的科里奧利加速度。

溝谷水流的侵蝕作用，可有侵蝕方向分為下切侵蝕，溯源侵蝕和側向侵蝕等。因龜山山體有較大的深溝槽出現，且有彎曲出現，表現為下切和側向侵蝕較多，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 重力侵蝕機制

坡面上的風化碎屑和不穩定巖體，在重力作用下導致崩塌，滑坡，當下滑力大于摩擦阻力時，土體就可能順著軟弱層向下滑動。土粒間孔隙被水充填后會增加滑潤性，減少摩擦力。且龜山上砂土和廢棄建筑物等土粒性質的影響，使得土壤粘結力大大降低，易形成滑動面而下滑。總的來說，土體下滲水分，土體性質，巖石結構，地形條件影響移動提的內摩擦角φ和粘結力c，運動塊體的抗滑能力可寫為：τf=Ntanφ+cA,其中A是運動塊體與坡面的接觸面積。坡面上的塊體運動時重力引起的下滑力與巖石塊體的內摩擦力和粘結力相互作用的結果。巖石體是否沿結構面發生位移，可以用巖體穩定系數K（=抗滑阻力/下滑力）對其穩定性進行評價。當K＝1時，巖體或土體處于極限平衡狀態，當K<1時，巖體處于不穩定狀態；當K>1時，可以認為巖體或土體是穩定的。

［1］連米鈞.水土流失概念及水土流失強度分級標準[J].水土保持科技情報，2001，1.

［2］張平倉,楊勤科2,夏艷華.長江中上游地區土壤侵蝕機制及過程試驗研究[J].長江流域資源與環境，2002，7.

［3］夏衛生，雷廷武，趙軍.坡面侵蝕動力學及其相關參數的探討[J].中國水土保持科學.