鄂爾多斯脆弱地質區砒砂巖侵蝕特征探析

［關鍵詞］ 砒砂巖；侵蝕特征；勘測；脆弱地質區;鄂爾多斯

［摘 要］ 選取鄂爾多斯脆弱地質區不同坡度、坡位的裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面為研究對象，在自然條件下，通過野外實地勘測，分析了長期沖刷侵蝕條件下砒砂巖坡面沖溝的形成及發育過程。結果表明：裸露和植被覆蓋砒砂巖坡面侵蝕狀況相似，坡頂沖溝少且細、坡中沖溝最多、坡底沖溝深且寬，且隨著坡度的增加，沖溝下切深度增加，分支增多，對溝壁的侵蝕破壞作用增強，但植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝發育程度明顯弱于裸露砒砂巖坡面。這說明植被覆蓋可以有效減輕砒砂巖坡面侵蝕強度，應重視砒砂巖區植物的防護作用，根據不同坡位、坡度、植被覆蓋狀況調整防治措施，加強邊坡綠化，種植具有優良固沙效果和經濟價值的植物。

［中圖分類號］ U418 "［文獻標識碼］ A "DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.10.018

［引用格式］ 劉勇，藺建銘，張德全，等.鄂爾多斯脆弱地質區砒砂巖侵蝕特征探析［J］.中國水土保持，2024（10）：67-70.

砒砂巖是一種松散巖層，廣泛分布在黃土高原北部晉陜蒙接壤地區的鄂爾多斯高原。在鄂爾多斯砒砂巖分布區，砒砂巖成巖程度低、沙粒間膠結程度差、結構強度低［1］，容易被沖刷、侵蝕、搬運，加之受當地寒冷、干旱的氣候及風沙環境下的水力侵蝕、風蝕沙化等影響，形成了特殊的脆弱地質區。學者們針對砒砂巖區水土流失問題等開展了一系列研究。比如：在氣候影響方面，李曉麗等［2］研究認為，氣候條件會影響砒砂巖侵蝕程度，少雨干旱、氣溫驟升驟降等會使砒砂巖結構發生破壞，從而為水力、風力和凍融侵蝕提供條件；在物理特性影響方面，劉慧等［3］認為砒砂巖孔隙率大和透水性強的物理特性為侵蝕提供了結構條件，黏土顆粒含量低為風化提供了幾何條件，堿性強為酸雨侵蝕提供了化學條件；在坡度等地形影響方面，李龍等［4］研究發現，裸露砒砂巖區坡度變化影響沖溝數量、密度、復雜度、割裂度等，隨著坡度和沖刷強度增大，坡面產沙率表現為先增后減的變化趨勢。

在砒砂巖區，降雨形成的水流在砒砂巖坡面聚集，使坡面受到大面積侵蝕，當形成穩定水流后，坡面表面砒砂巖逐漸被沖刷脫落直至形成沖溝，沖溝作為后續水流的流動通道，進一步加劇了水力侵蝕。本研究選擇鄂爾多斯砒砂巖分布區，對兩種不同類型砒砂巖坡面的沖溝發育情況進行野外勘測，分析砒砂巖區水土流失影響因素，以期為當地水土流失治理提供科學依據。

1 研究區概況

本研究選擇內蒙古自治區鄂爾多斯市杭錦旗烏點補拉溝及其周邊地區作為研究區，開展砒砂巖坡面沖溝發育情況野外勘測。研究區屬于典型的溫帶半干旱高原大陸性氣候區，冬季漫長且寒冷，夏季短暫且炎熱，春季氣溫回升迅速，秋季氣溫下降明顯，全年長時間受西伯利亞及蒙古高原氣流控制，年均氣溫6.8 ℃，年均降水量245 mm，其中60%集中在7—9月。研究區地勢崎嶇，溝壑交錯，水土流失非常嚴重，自然植被稀少，以人工植被為主，主要是退耕還林工程栽植的檸條、楊柴、沙棘等。

本次研究選取2種典型的砒砂巖坡面，分別為裸露砒砂巖坡面（見圖1）、植被覆蓋砒砂巖坡面（見圖2）。在自然條件下，裸露砒砂巖坡面的水土流失最為嚴重，砒砂巖迅速崩解并隨著雨水向下流失，隨著時間的推移，坡面被雨水侵蝕形成多條溝壑；而植被覆蓋砒砂巖坡面受水力侵蝕作用影響程度相比于裸露砒砂巖坡面輕，但在強降雨或持續降雨的條件下仍會發生嚴重的水土流失。

2 勘測設計

本次野外勘測共設置6組坡面，即坡度分別為10°、20°、30°的裸露砒砂巖坡面和植被覆蓋砒砂巖坡面，通過數據統計，分析不同坡度、坡位的裸露砒砂巖和植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝侵蝕情況。野外勘測時間為2023年4月—2023年6月，期間降雨較少，植被覆蓋砒砂巖坡面植被主要為雜草（楊柴），高度10～20 cm，坡面整體植被覆蓋度約為50%，但植被生長緩慢，且在形成的沖溝內植被稀少。對比分析相同坡度情況下裸露砒砂巖及植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位的沖溝侵蝕情況，等距離選取取樣點，分別為坡頂（點位1）、坡頂到坡中（自上而下分別為點位2、3、4）、坡中（點位5）、坡中至坡底（自上而下分別為點位6、7、8）、坡底（點位9）。通過卷尺測量不同坡位沖溝寬度、分支數量等，以探究砒砂巖區沖溝發育規律。

3 結果與分析

3.1 裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位侵蝕情況分析

選擇坡度10°裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面進行不同坡位沖溝發育情況分析。坡度10°裸露砒砂巖坡面各坡位沖溝發育情況見圖3。裸露砒砂巖坡面沖溝從坡底開始出現，隨著降雨沖刷及風化侵蝕逐漸向坡頂延伸：坡頂沖溝較少，且呈現出細窄淺的特點；相比坡頂，坡中沖溝較多，多彎折，多分支，且更粗更深；坡底沖溝匯集，且呈現多彎折、粗寬深的特點。

圖4為坡度10°植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位沖溝發育情況。觀測結果表明，與裸露砒砂巖坡面相似，植被覆蓋砒砂巖坡面坡頂沖溝較少，坡中沖溝多彎折、多分支，坡底沖溝匯集且深度和寬度都明顯大于坡中和坡頂；相比裸露砒砂巖坡面，植被覆蓋砒砂巖坡面各坡位侵蝕沖溝呈現出更少更細更淺的特點。這說明，植被覆蓋可以在一定程度上改善砒砂巖坡面沖溝的形成、發育及延伸。

圖5、圖6分別為坡度10°裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝寬度隨坡位變化情況。對比圖5、圖6可知，坡度10°裸露砒砂巖和植被覆蓋砒砂巖坡面坡頂、坡中、坡底沖溝寬度分別為0.153、3.098、10.217 m和0.025、2.212、4.035 m。兩種坡面沖溝寬度分布均表現為從坡頂至坡底逐漸變寬，不過相比裸露砒砂巖坡面，植被覆蓋砒砂巖坡面相同坡位的侵蝕沖溝寬度明顯較窄。

圖7、圖8分別為坡度10°裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面不同坡位沖溝分支數量。坡度10°裸露砒砂巖和植被覆蓋砒砂巖坡面坡頂、坡中、坡底沖溝分支數量分別為2、17、4條和1、7、2條，均呈現先增加后減少的變化趨勢。分析其原因，砒砂巖坡面沖溝最先在坡底發生，隨著時間的推移，坡底沖溝逐漸合并為較大型的沖溝，并逐漸向坡中、坡頂延伸，坡頂沖溝發育時間較短，為細淺型的小型沖溝，而坡中沖溝發育時間較長，且雨水匯集較為分散，故而發育成復雜、多條的中型沖溝。

3.2 不同坡度裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面侵蝕情況分析

圖9、圖10為不同坡度裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝發育情況。在相同降雨條件下，隨著坡度增加，裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面的沖溝數量、分支數量、累計長度、分布面積、平均寬度、平均深度等各項指標均表現出明顯的增加趨勢。這說明，在降雨沖刷條件下坡度越大，沖溝下切越深，沖溝分支數量越多，對溝壁的侵蝕破壞越強。但同時，相同坡度條件下植被覆蓋砒砂巖坡面的侵蝕程度明顯弱于裸露砒砂巖坡面，這說明砒砂巖坡面的植被狀況會直接影響坡面沖溝的形成，植被覆蓋有助于防止砒砂巖侵蝕。圖11、圖12分別為裸露砒砂巖、植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝分支數量隨坡度變化情況。對比圖11、圖12可知，隨著坡度增加（10°～30°），裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝分支數量分別從8條增至18條和4條增至13條。坡度10°植被覆蓋砒砂巖坡面出現的沖溝數量和分支數量也最少，分布面積、平均寬度和深度也最小，隨著坡度增加，坡面出現的沖溝數量、分支數量、分布面積、寬度、深度等都呈增加趨勢；同時裸露砒砂巖坡面在坡度10°時，出現的沖溝數量、分支數量也是最少，分布面積、寬度、深度也最小，隨著坡度增加，這些數據都呈快速上升趨勢。

對比相同自然條件下裸露與植被覆蓋砒砂巖坡面的侵蝕狀況可知，植被對砒砂巖區水土流失有一定的抑制作用，雖然在已形成的沖溝內部植被較少，但通過實施植物措施，沖溝內部特別是邊緣的植物根系可以發揮固沙作用，抑制沖溝向兩側擴張。降雨時，植被可以減弱雨水對砒砂巖表面的濺蝕破壞，減緩沖溝的發育速度。

4 討論

鄂爾多斯脆弱地質區砒砂巖坡面侵蝕受多種因素影響。本次野外勘測結果表明，自然條件下砒砂巖坡面侵蝕表現出面蝕—斷續沖溝—連續沖溝的發展過程，且在斷續沖溝與連續沖溝過程中伴隨著跌坎和侵蝕穴的出現［5］。針對鄂爾多斯脆弱地質區砒砂巖坡面而言，坡度、坡位和植被覆蓋狀況是影響其坡面沖溝發育的3個重要因素。

根據研究區實地現場勘測照片（圖13、圖14），坡度變化對沖溝形態具有較大影響，小坡度坡面沖溝在水蝕和風蝕作用下呈現出多分支、多彎折、淺沖刷的特點；而大坡度坡面沖溝在水蝕和風蝕作用下呈現出多通路、多直溝、深沖刷的特點。其原因是邊坡坡度越大，坡面水流流速越快，單位水流攜帶的土壤顆粒越多，坡面下切越嚴重，因此沖溝形態偏向于多直線、少彎折［5］。與此同時，勘測還發現隨著坡位的變化，坡面沖溝發育呈現出不同的特點，沖溝由坡底開始發育，逐漸加深拓寬并向上延伸，隨著坡位的上升，沖溝深度逐漸變淺，寬度和沖刷表面積逐漸減小。此外，對比相同條件下裸露與植被覆蓋砒砂巖坡面的侵蝕情況，可以觀察到有植被覆蓋砒砂巖坡面的沖溝呈現出少細淺的特點，這說明植被根系的固土固沙能力能使砒砂巖邊坡保持一定的抗侵蝕能力。

綜上，鄂爾多斯脆弱地質區砒砂巖坡面侵蝕受坡度、坡位及植被覆蓋等因素影響，所以在黃河流域生態保護和砒砂巖脆弱地質區防治工程實施過程中要充分考慮這三者耦合作用的影響。比如在砒砂巖邊坡侵蝕治理工作中，對坡度大、坡位低、植被覆蓋少的防治工程要預留更多的安全儲備，對坡度小、坡位高、植被覆蓋多的防治工程則可適當降低安全儲備。

5 結論

1）坡度10°的裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝發育寬度均表現為坡底＞坡中＞坡頂，沖溝分支數量由坡頂到坡底表現為先增后減的變化趨勢。裸露及植被覆蓋砒砂巖坡面沖溝分布特點均為坡頂沖溝較少且細，坡中沖溝分支最多且形狀蜿蜒曲折，坡底沖溝最先發育且深度最深。

2）坡度較緩的10°坡面，沖刷形成的沖溝表現為細淺型，坡度相對較陡的20°和30°坡面，沖溝的形態表現為寬深型；在自然條件下隨著坡度的增加，沖溝線條變直，分支增多，下切加深，對溝壁的侵蝕破壞變強。

3）3種不同坡度下裸露與植被覆蓋砒砂巖坡面侵蝕形成的沖溝有著明顯差異，植被覆蓋砒砂巖坡面較裸露砒砂巖坡面的沖溝數量和分支數量更少，分布面積更小，深度更淺，說明在鄂爾多斯脆弱地質區植被覆蓋會影響砒砂巖坡面溝壑的形成，可在一定程度上防止侵蝕的發生。

綜合上述分析結果，鄂爾多斯脆弱地質區水土保持工作應以生態保護為主、工程治理為輔，種植固沙效果優良且有經濟價值的植物（如沙棘等），發揮植物的固沙作用，并根據不同的坡位、坡度調整措施布設。采取植物防護措施時，應考慮植物的水源補給問題，在年降雨量較小的地方設置水源收集儲存與補給系統。考慮到已經沖刷出相當規模的沖溝內植物難以存活，可輔以工程防護措施（如淤地壩等），先穩定坡面再栽植植物。

［參考文獻］

［1］ 王愿昌，吳永紅，寇權，等.砒砂巖分布范圍界定與類型區劃分［J］.中國水土保持科學，2007，5（1）：14-18.

［2］ 李曉麗，于際偉，劉李杰.鄂爾多斯砒砂巖土壤侵蝕與氣候條件關系的研究［J］.內蒙古農業大學學報（自然科學版），2014，35（3）：105-109.

［3］ 劉慧，時明立，蔡懷森，等.砒砂巖侵蝕的物理特性試驗研究［J］.人民黃河，2016，38（6）：8-10.

［4］ 李龍，秦富倉，錢秋穎，等.沖刷條件下裸露砒砂巖區坡面沖溝微形態變化及其侵蝕特征［J］.水土保持學報，2021，35（5）：37-43.

［5］ 焦念，王占禮，劉俊娥，等.黃土坡面沖溝水流流速試驗研究［J］.水土保持通報，2012，32（5）：117-121.

收稿日期： 2024-05-10

基金項目： 鄂爾多斯市科技合作重大專項（2021EEDSCXQDFZ013）

第一作者： 劉勇（1971—），男，內蒙古伊金霍洛旗人，高級工程師，學士，主要從事水利工程管理等工作。

通信作者： 張德全（1980—），男，甘肅隴西人，工程師，學士，主要從事水土保持工作。

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（責任編輯 李楊楊）