潛蝕及其影響因素研究進展

楊 丹

(1.西華師范大學 國土資源學院，四川 南充 637009；2.西華師范大學 嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

1 潛蝕的成因及危害

潛蝕，又稱洞穴侵蝕[1]，是指水流沿土層的垂直節(jié)理、劈理、裂隙或洞穴進入地下，復向溝谷流出，形成地下流水通道所發(fā)生的機械侵蝕和溶蝕作用(肖碧，2011)。潛蝕按主要作用類型可分為物理潛蝕和化學潛蝕，其中物理潛蝕也稱機械潛蝕，是以物理作用為主的侵蝕現(xiàn)象，化學潛蝕則是以化學作用為主的侵蝕現(xiàn)象，包括化學風化潛蝕和化學溶蝕[2]。

關(guān)于潛蝕的研究最早可追溯到1886年(Von Richthofen)，隨后關(guān)于潛蝕現(xiàn)象的報道越來越多[3～5]，但截至20世紀60年代，國內(nèi)外學者對于潛蝕的研究才由早期簡單的定性描述過渡到半定量的形態(tài)發(fā)育特征刻畫，并逐漸開始關(guān)注潛蝕與氣候、降水、土壤等因素的響應關(guān)系[6]。隨后，關(guān)于潛蝕形成原因[7～9]、產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律[10,11]及相關(guān)動力機制[12]的研究開始成為關(guān)注的熱點。盡管國內(nèi)外學者針對潛蝕開展了大量研究，但對潛蝕成因的認識卻有較大差異。其中，以羅來興[13]、朱顯謨[14]和楊懷仁[15]為代表的認為機械侵蝕是潛蝕發(fā)育的主要動力，這種觀點將潛蝕與溝道的形成聯(lián)系起來，并認為潛蝕與溝蝕作用類似；陳傳康[16]認為化學溶蝕是潛蝕形成的主要原因，這種觀點則將潛蝕種常見的土柱、土墻、陷穴和盲溝等侵蝕形態(tài)與喀斯特地區(qū)的地形相對比，認為是一種“假喀斯特”；第三種觀點則認為潛蝕是由多種因素綜合作用形成的，是由機械作用和化學作用共同作用，并以機械作用為主，且能夠保證土粒運動的縫隙的存在失潛蝕形成的決定性因素[1,17,18]。

潛蝕作為一種獨特的侵蝕方式，其發(fā)生發(fā)展往往影響著崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害的發(fā)生和發(fā)展[19]，往往造成巨大的經(jīng)濟損失(表1)。如1960年寧縣馬槽溝在一次暴雨后，因溝頭發(fā)生潛蝕導致崩塌而使得溝頭一次性向塬畔推進了40 m。在黃土高原地區(qū)，因潛蝕存在可使得梯田的年侵蝕量高達6000 t/km2以上[1]。潛蝕不僅造成嚴重的水土流失、改變地形地貌，而且嚴重威脅著道路、大壩、房屋等工程建筑設(shè)施的安全。如2002年陜西省靖邊縣鐮刀灣鎮(zhèn)附近黃土陸地因潛蝕坍塌導致路堤邊坡滑坡稻城車輛相撞，一死多傷；同年，甘肅211國道黃土路基因潛蝕塌陷造成交通中斷15 d，且因潛蝕造成慶陽-西峰國道部分線路報廢而改道[19]。

表1 潛蝕的危害性

2 潛蝕的分類

潛蝕地貌在世界范圍內(nèi)分布廣泛，對區(qū)域地貌演化起著重要作用，對潛蝕地貌進行系統(tǒng)分類是進行相關(guān)研究的前提條件，然而國內(nèi)外學者對潛蝕類型的劃分觀點不一[2]，主要包括以下幾種分類方式。

2.1 根據(jù)水的作用方式和作用結(jié)果進行劃分

陳文軍[20]依據(jù)水的作用方式和結(jié)果對潛蝕環(huán)境劃分為五大類型，再對各類型進行亞類劃分。這五大類型分別為：“沖蝕—貫通類”、“沖蝕—潛蝕—貫通類”、“濕陷—潛蝕—貫通類”、“沖蝕—潛蝕—濕陷—潛蝕—貫通類”、“復合類”。根據(jù)匯水部位的差異，又可將“沖蝕—貫通類”劃分為“陡傾斜坡底部潛蝕類”和“陡傾斜坡上部邊緣附近潛蝕類”兩種亞類；根據(jù)洞穴匯水及排泄條件將“沖蝕—潛蝕—貫通類”和“濕陷—潛蝕—貫通類”劃分為“單匯單排類”、“單匯多排類”、“多匯單排類”、“多匯多排類”等四種亞類；根據(jù)濕陷部位不同的滲流方向?qū)ⅰ皼_蝕—潛蝕—濕陷—潛蝕—貫通類”劃分為“一般自重濕陷類”和“逆向自重濕陷類”等兩種亞類[20]。

2.2 根據(jù)形態(tài)特征進行劃分

這種分類方式最早由朱顯謨[14]提出，主要根據(jù)不同地形部位和沉積物中洞穴的特征劃分為陷穴、跌穴和水涮窩等3種。隨后，王斌科等[21]對這種分類方式進行了細化和完善，認為應將洞穴分為水涮窩、跌穴、陷穴以及派生或殘余形態(tài)等四種，并將跌穴細分為跌穴和水沖穴，陷穴細分為豎井穴、漏斗穴和黃土碟，殘余形態(tài)則包括潛蝕洼地、天然橋、盲谷和暗溝；此外，有學者認為應將洞穴的成因和形態(tài)特征結(jié)合起來進行分類[22]，將黃土洞穴分為：地質(zhì)作用洞穴，生物洞穴和人工洞穴，并將地質(zhì)作用洞穴分為沖穴、陷穴、碟形穴和暗穴、生物洞穴分為動物洞穴和植物洞穴。

2.3 根據(jù)主要形成原因進行劃分

李喜安等[23]在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)主要成因?qū)ⅫS土地區(qū)洞穴分為自然因素作用形成的土壤洞穴和生物因素形成的生物洞穴兩大類。根據(jù)水的侵蝕方式將土壤洞穴分為沖穴、暗穴和碟形地，沖穴可細分為水涮窩和跌穴，根據(jù)規(guī)模差異可將暗穴分為陷穴和陷坑(直徑和深度大于3 m)，根據(jù)形態(tài)的不同陷坑又可細分為漏斗狀陷穴、豎井狀陷穴、葫蘆狀陷穴等。依據(jù)生物主體可將生物洞穴分為三類：①由田鼠、蛇、蟲以及其它動物洞(巢)穴發(fā)展而成；②墓穴、廢棄的窯洞和土窖、公路土橋、內(nèi)部未襯砌或維護不良的泄水洞等發(fā)展而成；③植物根系腐爛或根劈作用形成的空洞發(fā)展而成。

3 潛蝕的主要影響因素

3.1 巖土性質(zhì)

大量研究表明土壤滲透性、濕陷性、崩解性、抗沖刷性等巖土性質(zhì)與潛蝕洞穴的形成密切相關(guān)[2,17]。滲透性反映了水在土壤種的滲入速度，影響著水對土壤侵蝕速率的大小，直接關(guān)系到潛蝕洞穴的形成。李昌賢[17]認為水在黃土垂直方向上的強滲透性是黃土暗穴形成的關(guān)鍵原因。黃土洞穴發(fā)育程度與黃土濕陷性強弱具有較好的宏觀一致性，即黃土洞穴發(fā)育深度與自重濕陷性黃土層的厚度呈正相關(guān)，且黃土的濕陷性對黃土洞穴形成的各個階段所起的作用有較大差異。土壤崩解性和抗沖性均是反映土壤抗蝕能力的重要指標，崩解速率越高則抗沖性越弱，土壤也更容易受到水利侵蝕，有利于促進暗穴的形成和發(fā)展[17,19]。

3.2 氣候和水文

降水是潛蝕洞穴發(fā)育的直接動力，而干濕季明顯、降雨集中的氣候?qū)撐g洞穴的發(fā)育具有明顯的促進作用。旱季缺水，土體干縮導致裂隙發(fā)育，雨季來臨，暴雨沿著裂隙形成優(yōu)先流導致土層在垂直方向貫通，水流到達滲流界面后轉(zhuǎn)而向水平方面運移，從而加速洞穴的形成[17]。暴雨能夠產(chǎn)生大的地下徑流，利于物質(zhì)侵蝕搬運促進洞穴的形成，且暴雨對深大型跌穴形成的促進作用最為明顯[24]。

3.3 地形和地貌

地形地貌與洞穴發(fā)育是相互影響相互制約的。一方面，地形和地貌變化會改變匯、排水條件，影響徑流勢能向動能轉(zhuǎn)化的過程，決定潛蝕洞穴的形成部位和種類，如直形坡和凸形坡多發(fā)育跌穴，凹形和凸凹形坡多發(fā)育陷穴，而地形較為寬緩地帶則多發(fā)育暗穴[17]。趙永偉[24]發(fā)現(xiàn)在相同的地貌單元上，坡度介于25°-60°之間的部位最易發(fā)育洞穴，且暗穴可與其他任何一種或多種洞穴組合發(fā)育。另一方面，洞穴的形成和發(fā)育改變地表水和地下水的分布狀況和運動狀態(tài)，影響地表土層的受力條件，引起滑坡或崩塌，進而改變地形和地貌。

3.4 人類活動

人類生產(chǎn)生活破壞地表植被，降低植被覆蓋率，加速土地退化，利于潛蝕地貌的發(fā)育，特別是在干濕季交替明顯的植被稀疏地區(qū)，潛蝕地貌非常發(fā)育[2]。王斌科[25]調(diào)查發(fā)現(xiàn)梯田、土壩和道路上的洞穴出口與填土結(jié)合部位一致，且農(nóng)地和近期撂荒地比裸露和堅硬部位更易發(fā)育洞穴。此外，人類工程活動所形成的洞穴也是造成潛蝕發(fā)育的重要原因之一[24]。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了前人對潛蝕成因和分類的研究，并對影響潛蝕的主要因素進行了歸納。機械侵蝕、化學溶蝕和多種因素綜合作用是潛蝕形成和發(fā)育的主要原因。依據(jù)水的作用方式、潛蝕形態(tài)特征、潛蝕形成原因等可將潛蝕洞穴劃分為不同的分類系統(tǒng)，而巖土性質(zhì)、氣候和水文、地形地貌以及人類活動是影響潛蝕發(fā)育的主要因素。