元謀干熱河谷不同劃分條件下沖溝跌坎的類型與特征

賀春明+吳強建中

摘要：指出了元謀干熱河谷區(qū)的沖溝跌坎較為發(fā)育，在塑造侵蝕地貌景觀和加劇水土流失中發(fā)揮著重要作用。基于對元謀干熱河谷沖溝跌坎詳實的野外考察，依據(jù)組成跌坎的物質性狀不同，將沖溝跌坎分為泥質跌坎、石質跌坎和泥-石混合跌坎；依據(jù)沖溝跌坎發(fā)育的空間格局，將跌坎劃分為單級跌坎和多級跌坎；依據(jù)沖溝跌坎的發(fā)育規(guī)模，將跌坎分為微型跌坎、小型跌坎、中型跌坎、大型跌坎和特大型跌坎；依據(jù)直接引起沖溝跌坎發(fā)育的條件不同，將跌坎分為自發(fā)型跌坎、誘發(fā)型跌坎、障礙型跌坎和地質跌坎，并簡要闡述了不同劃分條件下每種類型跌坎的特征。提出了對沖溝跌坎的形成條件、形態(tài)特征、環(huán)境響應、地學意義、侵蝕產(chǎn)沙效應等方面的研究是未來的研究方向，而對其類型的劃分有利初步認識該區(qū)的沖溝跌坎，并為下一步研究做了鋪墊。

關鍵詞：沖溝跌坎；劃分條件；類型；干熱河谷

中圖分類號：S157.1

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0246-04

1 引言

沖溝跌坎是沖溝溝床發(fā)育的衍生地貌，是沖溝溝床中陡坡段向緩坡段突然轉折的裂點[1]。元謀干熱河谷土壤侵蝕嚴重，沖溝發(fā)育廣泛，跌坎作為沖溝發(fā)育的衍生地貌也較為常見。跌坎的發(fā)育加大了溝床縱比降，使得流水經(jīng)過跌坎后沖刷力變大，水流對跌坎下方?jīng)_溝侵蝕下切作用更為明顯，使水土流失加劇。因此，對元謀干熱河谷區(qū)內的沖溝跌坎進行分類研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前針對溝蝕跌坎的研究主要集中在細溝跌坎方面[2～5]，而在這些研究中，專門將跌坎本身作為研究對象的較少，大多將跌坎作為影響細溝侵蝕產(chǎn)沙的一個因素來研究[6～10]；在已有針對元謀干熱河谷區(qū)沖溝跌坎的研究中也僅涉及到?jīng)_溝溝頭跌坎和跌坎高度對溯源侵蝕速率影響的研究[11， 12]，將沖溝跌坎作為研究對象，并對其類型進行劃分的研究尚未見有報道。然而，沖溝跌坎在發(fā)育規(guī)模和物質組成上與細溝跌坎具有巨大的差異，且在實地調查中發(fā)現(xiàn)元謀干熱河谷區(qū)內的沖溝跌坎類型多樣、物質組成和形態(tài)復雜，因此，現(xiàn)有研究不能較全面地認識元謀干熱河谷內沖溝跌坎的發(fā)育。于2017年1月對元謀干熱河谷區(qū)內的沖溝跌坎進行了廣泛調查，測得234個沖溝跌坎的形態(tài)參數(shù)，對其進行分類并對每種類型跌坎的特征進行簡單描述，以期對該區(qū)的沖溝跌坎有一個初步認識，并為下一步研究做好鋪墊。

2 研究區(qū)概況

元謀干熱河谷地處滇中高原北部，金沙江南岸，地勢東高西低、南高北低，海拔約960～1400 m，地理位置在25°23′～26°06′N，101°35′～102°06′E間（圖1）[13， 14]。屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫21.9℃，年均降水量為631.8 mm，年蒸發(fā)量則高達3640.5 mm，蒸發(fā)量遠遠大于降水量，年均干燥度2.8，是典型且著名的“熱壩”[15， 16]。區(qū)內植被多以亞熱帶干旱與半干旱稀樹灌草叢為主，森林覆蓋率極低，僅為3.4%～6.3%[17]。第四紀河湖相沉積的元謀組地層發(fā)育廣泛，厚度達695m，該層巖土以砂、粘土和亞粘土互層構成，層與層之間物質構成差異性較大，具有結構松散，膠結性差，抗侵蝕能力弱的特點[18]。因此，元謀干熱河谷區(qū)內沖溝極為發(fā)育，地形支離破碎，侵蝕劣地隨處可見，水土流失嚴重，流失面積達1080.79 km²[19]，占全縣總面積的59%。

3 研究方法

2017年1月，基于1∶5萬的元謀幅地質圖，對元謀干熱河谷內的沙地村、云豐村、大己保村、東方猿人谷、元謀人遺址5處不同地層區(qū)內的沖溝跌坎進行了實地調查，共測得234個沖溝跌坎的基本參數(shù)（圖1）。所用儀器有鋼卷尺、皮尺、激光測距儀、坡度儀、地質錘、地質羅盤、相機，野外現(xiàn)場對234個跌坎的高寬、內凹洞寬深、跌池寬深等形態(tài)參數(shù)進行測量，并對每個跌坎用相機拍攝兩張以上的全景照片。室內作業(yè)所主要是按照文章研究內容對跌坎參數(shù)進行整理歸類。在調跌坎形態(tài)參數(shù)時，因是否發(fā)育有內凹洞而調查的參數(shù)有所差別：有內凹洞發(fā)育的跌坎測得的參數(shù)有跌坎高寬、內凹洞寬深、跌池寬深長、來水坡度（圖2a）；無內凹洞發(fā)育的跌坎主要測得的參數(shù)有跌坎高寬、坎壁長、坎壁坡度、跌池寬深長、來水坡度（圖2b）。

4 結果分析

4.1 根據(jù)組成跌坎物質性狀分類

由于調查區(qū)內地層不同，組成沖溝跌坎的物質性狀也有較大差異，因此，可將跌坎分為泥質跌坎、石質跌坎和泥-石混合跌坎三種類型。

泥質跌坎一般由相同性狀或不同性狀的互層土層構成，在5個調查區(qū)中均有發(fā)育。其中沙地村、東方猿人谷和元謀人遺址均為泥質跌坎。沙地村上部為第四系紅土（Qs），表層燥紅土化強烈[20]，在燥紅土下方為一層巨厚的變性土，燥紅土質地堅硬，但裂隙發(fā)育，而變性土具有結構松散，遇水易崩解的特性，因此，在沙地村這種上硬下軟的土層特性下，跌坎伴隨著沖溝的發(fā)育極為常見，且大多跌坎均發(fā)育有內凹洞，尤以溝頭跌坎的內凹洞規(guī)模最大，坎緣崩塌嚴重，跌池發(fā)育規(guī)模一般較小。東方猿人谷為第四系下更新統(tǒng)甘棠組地層（Q1g），由細砂、粉砂及粘土等構成，土層性狀較為單一，在這種土層特性下，沖溝發(fā)育較為穩(wěn)定，跌坎也主要發(fā)育在沖溝溝頭處，若跌坎上部有草被覆蓋，在植物根系固土作用下發(fā)育小規(guī)模的內凹洞，跌坎坎緣也較為齊整；若跌坎上方為裸地，跌坎崩塌嚴重，一般不發(fā)育內凹洞和跌池。元謀人遺址為第四系下更新統(tǒng)元謀組地層（Q1y2），沖溝發(fā)育活躍程度一般，跌坎發(fā)育特征類似于東方猿人谷區(qū)。

石質跌坎由相同巖性或上下不同巖性構成，在5處調查區(qū)中，云豐村大部和大己保村少部分地區(qū)有發(fā)育。云豐村地表巖性復雜，主要由大理巖（mb）、片麻狀花崗巖（PtD）、細至中粒堿片麻巖（gn）、鉀長花崗巖（Z2M）以及花崗斑巖（γπ4）等構成。在這種復雜巖性條件下，沖溝跌坎發(fā)育均為石質跌坎，跌坎發(fā)育規(guī)模一般較大，且寬度要大于高度，單一巖性組成的跌坎均不發(fā)育內凹洞，不同巖性組成的跌坎內凹洞發(fā)育規(guī)模較小，若跌坎下方溝底有泥沙堆積，一般也會發(fā)育規(guī)模較小的跌池。

泥-石混合跌坎由上層為泥質，下層為礫石組成。在5處調查區(qū)中，僅在大己保村沖溝溝頭區(qū)域有發(fā)育。該區(qū)域上部為厚約1m的燥紅土層，下部為礫石夾粉砂層。當水流沿燥紅土節(jié)理和裂隙侵蝕下切到礫石粉砂層，因礫石粉砂層膠結性差抗沖性弱而被迅速掏蝕，上層燥紅土在失去下層支撐后沿著自身節(jié)理和裂隙發(fā)生重力崩塌，因此，該種條件下的跌坎坎壁直立，互層間有小規(guī)模的掏洞，且不發(fā)育有跌池。

4.2 根據(jù)空間格局分類

根據(jù)跌坎是否在沖溝溝底某一段距離上連續(xù)發(fā)育，可將跌坎分為單級跌坎和多級跌坎。單級跌坎在所調跌坎中最為常見，其形態(tài)各異，規(guī)模差異較大。

多級跌坎在石質沖溝區(qū)中發(fā)育較泥質沖溝區(qū)常見。在石質沖溝區(qū)中，多級跌坎常發(fā)育在沖溝溝口附近，具有跌坎坎壁平整、坎壁坡度陡、坎坡長、跌坎呈明顯梯級發(fā)育的特征，且跌坎高度遠大于跌坎寬度，云豐村發(fā)育最為典型。在泥質沖溝區(qū)發(fā)育的多級跌坎僅在沙地村有發(fā)育，由豎井在發(fā)育過程中經(jīng)過多次梯級崩塌演化而來，跌坎梯級形態(tài)不明顯，無內凹洞和跌池發(fā)育，跌坎高度大于跌坎寬度。

4.3 根據(jù)跌坎發(fā)育規(guī)模分類

跌坎規(guī)模由高度和寬度來體現(xiàn)，二者缺一不可，因此，在劃分跌坎規(guī)模時，若一個跌坎的高度或寬度其中之一達到劃分條件，則可將該跌坎按級別進行劃分。根據(jù)此類劃分方法，并依據(jù)所調跌坎高寬值的統(tǒng)計特征，我們將元謀干熱河谷區(qū)的沖溝跌坎分為微型跌坎、小型跌坎、中型跌坎、大型跌坎和特大型跌坎5類。

微型跌坎的高度和寬度都≤80 cm，占所調跌坎總數(shù)的20.52%，多發(fā)育在泥質沖溝區(qū)，且常發(fā)育在大型沖溝溝床底部的淤積面上，大多為新一輪溯源侵蝕的裂點，因此跌坎高寬發(fā)育都較小；小型跌坎的高度或寬度在80～160 cm之間，占所調跌坎總數(shù)的36.75%，在各調查區(qū)均有發(fā)育，石質沖溝區(qū)內的小型跌坎一般發(fā)育在沖溝溝頭附近；中型跌坎的高度或寬度在160～240 cm之間，占所調跌坎總數(shù)的21.79%；大型跌坎的高度或寬度在240～320 cm之間，占所調跌坎總數(shù)的11.11%；特大型跌坎的高度或寬度>320 cm，占所調跌坎總數(shù)的9.83%，大型跌坎和特大型跌坎的高寬值中，其中一值要遠大于另一值。

4.4 根據(jù)直接引起跌坎發(fā)育的條件分類

在實地調查中發(fā)現(xiàn)，跌坎成因具有復雜性，但直接引起跌坎發(fā)育的條件具有明顯差異性，因此，根據(jù)直接引起跌坎發(fā)育的條件不同，將跌坎劃分為自發(fā)型跌坎、誘發(fā)型跌坎、障礙型跌坎和地質跌坎4種。

自發(fā)型跌坎是由于組成跌坎的物質自身具有抗侵蝕能力弱、上硬下軟的巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育等特性所引發(fā)（圖3a）。自發(fā)型跌坎在泥質和石質沖溝區(qū)均有發(fā)育，占所調跌坎總數(shù)的59.40%。若組成跌坎的巖性為上硬下軟，則跌坎一般會發(fā)育有內凹洞，是其溯源侵蝕的體現(xiàn)，在調查時間近期未發(fā)生過崩塌的跌坎也會發(fā)育有跌池，但一般規(guī)模不大。自發(fā)型跌坎高度發(fā)育主要在0～160 cm，寬度發(fā)育主要在0～240 cm，因此，自發(fā)型跌坎寬度值一般大于高度值。在實地調查中發(fā)現(xiàn)，上硬下軟的巖性和單一性狀巖性且上部為裸地的跌坎因坎緣局部崩塌速率不同，跌坎坎緣大多呈不規(guī)則的曲線；由單一性狀巖性組成但跌坎上部有草被覆蓋的跌坎，因草被根系的固土作用，跌坎坎緣崩塌速率較為一致，坎緣大多較為規(guī)整，呈近似直線。

誘發(fā)型跌坎是由其它類型侵蝕地貌發(fā)育演化而來，如豎井（圖3b）、陷穴、潛蝕管道等。誘發(fā)型跌坎占所調跌坎總數(shù)比例最小，僅為5.56%，其中由豎井誘發(fā)而來的占誘發(fā)型跌坎總數(shù)的82%，陷穴和潛蝕管道誘發(fā)而來的各占誘發(fā)型跌坎總數(shù)的9%。由豎井誘發(fā)而來的跌坎多分布在沙地村，位于主沖溝溝身兩側，跌坎高度大于跌坎寬度；由陷穴誘發(fā)而來的跌坎分布在主沖溝附近地勢低洼、陷穴發(fā)育后期形成開口從而成為支溝溝頭雛形的區(qū)域，一般寬度較高度大，跌坎坎緣呈不規(guī)則曲線，跌坎侵蝕崩塌嚴重，不發(fā)育跌池。由潛蝕管道誘發(fā)而來的跌坎多分布在沖溝溝底，是潛蝕管道進一步發(fā)育的產(chǎn)物，其跌坎規(guī)模較小，高寬一般都不超過1 m。誘發(fā)型跌坎高度發(fā)育主要在80～160 cm，寬度發(fā)育不超過320 cm。

障礙型跌坎是由橫穿于沖溝的樹根和堆砌在沖溝內的石塊，淤積上游泥沙使局部溝床與障礙物高度持平所引發(fā)的跌坎（圖3c），占所調跌坎總數(shù)的11.54%。障礙型跌坎寬度一般大于跌坎高度，高度發(fā)育主要在20～60 cm之間，寬度發(fā)育主要在40 cm以上。由石塊堆砌所引發(fā)的跌坎規(guī)模要遠大于由樹根所引發(fā)的跌坎規(guī)模，其規(guī)模主要受到堆砌石塊體積的影響，一般由溝口向溝頭處遞減，且不發(fā)育內凹洞，但有跌池發(fā)育。由樹根引發(fā)的跌坎一般發(fā)育在泥質沖溝區(qū)，沙地村較為常見，粗大的桉樹根橫穿于溝底，沖溝在侵蝕下切過程中根系裸露，并對下方土壤具有暫時性的保護作用，但隨著水流不斷的侵蝕下切，根系下方的土壤終將被掏蝕，樹根便會懸空，跌坎也就不復存在。因此，樹根引發(fā)的障礙型跌坎具有臨時性的特點。

地質型跌坎是由斷層穿過沖溝區(qū)，斷層兩盤相對抬升所引發(fā)的跌坎（圖3d），占所調跌坎總數(shù)的23.5%。在5處調查區(qū)中，云豐村有一條逆斷層穿過石質沖溝區(qū)，形成明顯的“梯級”地質跌坎。地質跌坎規(guī)模較大，且跌坎高度要遠大于跌坎寬度，不發(fā)育內凹洞和跌池，斷層直接穿過的部位跌坎規(guī)模最大，跌坎高度和寬度發(fā)育都主要集中在240 cm以內。

5 結論與討論

根據(jù)4種不同的劃分依據(jù)，本文對元謀干熱河谷區(qū)內的沖溝跌坎進行了分類：依據(jù)組成跌坎的物質性狀不同，將跌坎劃分為泥質跌坎、石質跌坎和泥-石混合跌坎三類；依據(jù)發(fā)育空間格局不同，將跌坎劃分為單級跌坎和多級跌坎兩類；依據(jù)跌坎發(fā)育規(guī)模不同，將跌坎劃分為微型跌坎、小型跌坎、中型跌坎、大型跌坎和特大型跌坎五類；依據(jù)直接引起跌坎發(fā)育的條件不同，將跌坎劃分為自發(fā)型跌坎、誘發(fā)型跌坎、障礙型跌坎和地質跌坎4類，不同劃分依據(jù)下的跌坎類型具有不同的特征。

本文對元謀干熱河谷區(qū)發(fā)育的沖溝跌坎依據(jù)不同劃分條件進行了分類，并對每種類型跌坎的特征進行了簡單介紹，有利于初步了解該區(qū)域發(fā)育的沖溝跌坎，為進一步研究做了鋪墊。在實地調查中發(fā)現(xiàn)，元謀干熱河谷區(qū)的沖溝跌坎形態(tài)特征極為復雜，跌坎成因各異，跌坎的發(fā)育明顯改變了沖溝的發(fā)育形態(tài)，影響著沖溝發(fā)育過程中的侵蝕產(chǎn)沙，因此，這些都可成為下一步的研究方向。

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