武汉市龟山水土流失状况及形成机制探究

王冠陈晨

（武汉大学水利水电学院 湖北 武汉 430072）

0 前言

由于龟山山体陡峭，山上土壤覆盖层薄，水土保持能力差，再加上长期的雨水冲刷和大风暴影响，南坡临近长江大桥一带，出现不同程度的风化坍塌滑坡现象。据不完全统计，近年来，龟山由于降雨、暴风和雪灾而倒伏的大型树木多达百余棵。其中多为50-60年树龄的雪松、刺槐、青桐等。龟山的水土流失以水利侵蚀为主，沟蚀，面蚀严重[1]，局部地区有坍塌现象。

1 水土流失状况

就整个龟山而言，水土流失情况可以分为按照空间位置的不同分为三个层次，分别是山脚处，山脚至山腰处，以及山腰至山顶三个层次。从山脚开始，就清晰可见大量面蚀，沟蚀现象，基岩裸露在外，风化作用明显。山腰至山脚处山体陡峭，局部地区甚至达到完全垂直倾斜，土壤覆盖层非常薄，很多大树的根系裸露在外，土壤水土保持能力差，雨水冲刷影响，可见很多大树倒伏在侧，在这一区域中所覆盖的植被以低矮灌木植物为主。在龟山南坡临近大桥一侧，出现了很多滑坡和坍塌想象。从山腰开始其中出现大批的建筑群，植被覆盖率较小，环境状况不佳。两侧可见大量建筑废弃物，阻碍植物生长。从山腰沿山体向上，大树倾伏更多，多为雪松，青铜等树种。山顶建筑群导致植物覆盖率较小，水土流失严重，使得局部出现滑坡，面蚀，土体移位等土壤侵蚀现象，以致对于山顶建筑物产生一定的破坏，很多建筑物出现自上而下的裂纹，甚至是移位，可见其水土流失的严重性。

2 水土流失的主要原因

2.1 自然因素

武汉属于亚热带季风性湿润奇虎，雨量充沛，日照充足，夏季酷热，冬季严寒，气温变化快等特点。龟山位于长江之畔，水汽更为充足，常有大量降雨产生，水土流失量与降雨量和雨强的乘积呈明显的正相关，长期作用，导致土壤覆盖层薄，大树倾倒，矮小灌木根系较浅，土壤流失更为严重。同时，气温早晚，冬夏变化剧烈，冰冻和解冻仿佛进行，不利于土体的稳定。

2.2 地质地貌因素

经考察可见，龟山土体流失严重，岩石埋藏较浅，风化程度高，砂岩较多，孔隙度高，不易固定，岩层分层处明显，在分层和裂隙处形成了很多处冲沟，若遇降水，径流泥沙混合物易形成沟蚀。龟山山体特点明显，坡面陡峭，坡度大，大型树木不易支持，倒伏严重。

2.3 土壤和植被

龟山山腰以下种植植被多为矮小灌木群，密度不大，山上建筑物密集，植被量明显减少，雨水直接击溅在土壤层上，径流系数较高，土壤侵蚀量多，在暴雨急流的冲刷下，一定数量的悬移质和推移质，大量的砂砾石块以滚动，滑动，跃动的形式沿山体运动，形成冲沟，使得土壤层减少，土壤侵蚀严重。更重要的是，就龟山现在的土壤量，山体特点和建筑物密度来看，再移植大型树木恢复自然的生态环境的很困难的。

2.4 人为因素

龟山作为武汉市生态旅游资源和人文景观，每年接待游客约70万人次，但环境保护和垃圾处理设施不配套，龟山超负荷运行，建筑废弃物总舵，缺乏管理，生活，经营污水无序排放，造成山体污染的同时，因为排水设施的不完备，在遇较大降雨，径流易汇集，加大土壤流失量。龟山上景点开发力度过大，龟山上建设的电视塔、全景画馆、计谋殿等建筑和停车场等大面积的硬化附属设施，在设计时未作环评规划，损毁的植被没有及时修复。规划不善，现龟山上可见众多废弃不用的建筑物，年久失修，甚至出现倒塌现象，使得龟山的边坡稳定性降低。

3 水土流失形成机理

3.1 水利侵蚀机制

1）雨滴击溅机制

龟山松软的地表土壤条件，土壤覆盖浅，在遇大量降雨时，易形成雨滴击溅破坏机制。它破坏土层的表层结构，因无大型树木的阻碍，雨滴降落地面时的动能很大，随着降水历时延长，表层积水深度增加，表层土粒逐渐被水分饱和，当雨滴降落接地的瞬间，雨滴原有势能全部转为动能而对地表做功，使得土壤颗粒破碎，溅起湿土颗粒。当地表土体呈泥浆状态，阻塞孔隙，影响下渗，促进地表径流产生，地表裸露面压实，产生地表结皮，阻止雨水下渗，也为产生坡面径流和层状侵蚀创造了条件。同时，滴溅量随表层积水深度增加而增强。其中对于雨滴动能的计算，宜采用美国学者Wischemier和Simth建立的经验公式[2]：

E=210.2+8glogI

其中 E 为降雨动能，J/（m2*cm）；I为降雨强度（cm/h）

2）坡面径流侵蚀机制

坡面径流起始于降雨强度大于土壤渗流强度而产生的坡面薄层水流，而后漫流态水流汇集成细沟流，细沟的形成，可以吸纳更大的片流进入，加大侵蚀量，水流向低凹，下坡部位集中。所以结果表现为：最初是沿层侵蚀，到一定距离后，地表不均匀，从而出现侵蚀斑痕和不连续侵蚀，进一步发展到细沟贯通，当细沟出现后就大大加剧了这一进程。因此，坡面径流的发展，表现为沿程侵蚀，侵蚀斑痕，细沟侵蚀。因为冲刷能力表现为流速越大，动能越强，冲刷能力越强，所以坡面径流沿程可分为三个作用带，分别为层状面蚀冲刷带，细沟冲刷带和淤积带。层状面蚀冲刷带，位于坡地上部，坡度稍缓，冲刷恩呢管理较弱，地面以斑痕侵蚀为主。细沟冲刷带位于斜坡中部，因坡面较抖，细沟冲刷能力最强，细沟以下切和侧蚀为主，形成横剖面成V型的细沟，其中细颗粒和中粗砂砾，少量小砾石均被冲走。淤积带由于坡度变缓，坡面径流流速减小，水流携带的碎屑物质堆积在坡地下部。龟山地区土壤抗冲系数远小于表层,即存在着“上硬下软”的结构,这更有利用土壤蠕动、滑动的进行[2]。

3）槽流侵蚀机制

沟槽水流均属紊流，因沟槽附近流速梯度大，易产生漩涡，且水流运动受到沟床周界限制，产生横向环流和螺旋流，因此，水流平均方向取决于槽线方向，产生环流和螺旋流的原因常见的有两点：

（1）弯道离心力产生的环流，在离心力的作用下，水面会形成横向必将J，凹岸水面抬高，结果是表层水流流向凹岸，产生冲刷，底层水流流向凸岸，产生淤积。其中离心力的大小可以表示为：F=G/gV2/2

由离心力引起的水面横向比降J=V2/gr

（2）地球自转的影响地面上的水体和其他物质一样，受到地球自转的作用，使得它的运动发生偏移，也就是所说的科里奥利加速度。

沟谷水流的侵蚀作用，可有侵蚀方向分为下切侵蚀，溯源侵蚀和侧向侵蚀等。因龟山山体有较大的深沟槽出现，且有弯曲出现，表现为下切和侧向侵蚀较多，特别是龟山南坡地段。由上公式也可看出，影响沟蚀的主要水文因素是流速和流量。控制因素与坡面侵蚀相似，但两者的是有明显的区别的，槽沟侵蚀与坡面侵蚀能量分析法所得的临界坡度范围为 22.22－26.58 度[3]。

3.2 重力侵蚀机制

坡面上的风化碎屑和不稳定岩体，在重力作用下导致崩塌，滑坡，当下滑力大于摩擦阻力时，土体就可能顺着软弱层向下滑动。土粒间孔隙被水充填后会增加滑润性，减少摩擦力。且龟山上砂土和废弃建筑物等土粒性质的影响，使得土壤粘结力大大降低，易形成滑动面而下滑。总的来说，土体下渗水分，土体性质，岩石结构，地形条件影响移动提的内摩擦角φ和粘结力c，运动块体的抗滑能力可写为：τf=Ntanφ+cA,其中A是运动块体与坡面的接触面积。坡面上的块体运动时重力引起的下滑力与岩石块体的内摩擦力和粘结力相互作用的结果。岩石体是否沿结构面发生位移，可以用岩体稳定系数K（=抗滑阻力/下滑力）对其稳定性进行评价。当K＝1时，岩体或土体处于极限平衡状态，当K<1时，岩体处于不稳定状态；当K>1时，可以认为岩体或土体是稳定的。

［1］连米钧.水土流失概念及水土流失强度分级标准[J].水土保持科技情报，2001，1.

［2］张平仓,杨勤科2,夏艳华.长江中上游地区土壤侵蚀机制及过程试验研究[J].长江流域资源与环境，2002，7.

［3］夏卫生，雷廷武，赵军.坡面侵蚀动力学及其相关参数的探讨[J].中国水土保持科学.