潜蚀及其影响因素研究进展

杨 丹

(1.西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637009；2.西华师范大学 嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

1 潜蚀的成因及危害

潜蚀，又称洞穴侵蚀[1]，是指水流沿土层的垂直节理、劈理、裂隙或洞穴进入地下，复向沟谷流出，形成地下流水通道所发生的机械侵蚀和溶蚀作用(肖碧，2011)。潜蚀按主要作用类型可分为物理潜蚀和化学潜蚀，其中物理潜蚀也称机械潜蚀，是以物理作用为主的侵蚀现象，化学潜蚀则是以化学作用为主的侵蚀现象，包括化学风化潜蚀和化学溶蚀[2]。

关于潜蚀的研究最早可追溯到1886年(Von Richthofen)，随后关于潜蚀现象的报道越来越多[3～5]，但截至20世纪60年代，国内外学者对于潜蚀的研究才由早期简单的定性描述过渡到半定量的形态发育特征刻画，并逐渐开始关注潜蚀与气候、降水、土壤等因素的响应关系[6]。随后，关于潜蚀形成原因[7～9]、产流产沙规律[10,11]及相关动力机制[12]的研究开始成为关注的热点。尽管国内外学者针对潜蚀开展了大量研究，但对潜蚀成因的认识却有较大差异。其中，以罗来兴[13]、朱显谟[14]和杨怀仁[15]为代表的认为机械侵蚀是潜蚀发育的主要动力，这种观点将潜蚀与沟道的形成联系起来，并认为潜蚀与沟蚀作用类似；陈传康[16]认为化学溶蚀是潜蚀形成的主要原因，这种观点则将潜蚀种常见的土柱、土墙、陷穴和盲沟等侵蚀形态与喀斯特地区的地形相对比，认为是一种“假喀斯特”；第三种观点则认为潜蚀是由多种因素综合作用形成的，是由机械作用和化学作用共同作用，并以机械作用为主，且能够保证土粒运动的缝隙的存在失潜蚀形成的决定性因素[1,17,18]。

潜蚀作为一种独特的侵蚀方式，其发生发展往往影响着崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的发生和发展[19]，往往造成巨大的经济损失(表1)。如1960年宁县马槽沟在一次暴雨后，因沟头发生潜蚀导致崩塌而使得沟头一次性向塬畔推进了40 m。在黄土高原地区，因潜蚀存在可使得梯田的年侵蚀量高达6000 t/km2以上[1]。潜蚀不仅造成严重的水土流失、改变地形地貌，而且严重威胁着道路、大坝、房屋等工程建筑设施的安全。如2002年陕西省靖边县镰刀湾镇附近黄土陆地因潜蚀坍塌导致路堤边坡滑坡稻城车辆相撞，一死多伤；同年，甘肃211国道黄土路基因潜蚀塌陷造成交通中断15 d，且因潜蚀造成庆阳-西峰国道部分线路报废而改道[19]。

表1 潜蚀的危害性

2 潜蚀的分类

潜蚀地貌在世界范围内分布广泛，对区域地貌演化起着重要作用，对潜蚀地貌进行系统分类是进行相关研究的前提条件，然而国内外学者对潜蚀类型的划分观点不一[2]，主要包括以下几种分类方式。

2.1 根据水的作用方式和作用结果进行划分

陈文军[20]依据水的作用方式和结果对潜蚀环境划分为五大类型，再对各类型进行亚类划分。这五大类型分别为：“冲蚀—贯通类”、“冲蚀—潜蚀—贯通类”、“湿陷—潜蚀—贯通类”、“冲蚀—潜蚀—湿陷—潜蚀—贯通类”、“复合类”。根据汇水部位的差异，又可将“冲蚀—贯通类”划分为“陡倾斜坡底部潜蚀类”和“陡倾斜坡上部边缘附近潜蚀类”两种亚类；根据洞穴汇水及排泄条件将“冲蚀—潜蚀—贯通类”和“湿陷—潜蚀—贯通类”划分为“单汇单排类”、“单汇多排类”、“多汇单排类”、“多汇多排类”等四种亚类；根据湿陷部位不同的渗流方向将“冲蚀—潜蚀—湿陷—潜蚀—贯通类”划分为“一般自重湿陷类”和“逆向自重湿陷类”等两种亚类[20]。

2.2 根据形态特征进行划分

这种分类方式最早由朱显谟[14]提出，主要根据不同地形部位和沉积物中洞穴的特征划分为陷穴、跌穴和水涮窝等3种。随后，王斌科等[21]对这种分类方式进行了细化和完善，认为应将洞穴分为水涮窝、跌穴、陷穴以及派生或残余形态等四种，并将跌穴细分为跌穴和水冲穴，陷穴细分为竖井穴、漏斗穴和黄土碟，残余形态则包括潜蚀洼地、天然桥、盲谷和暗沟；此外，有学者认为应将洞穴的成因和形态特征结合起来进行分类[22]，将黄土洞穴分为：地质作用洞穴，生物洞穴和人工洞穴，并将地质作用洞穴分为冲穴、陷穴、碟形穴和暗穴、生物洞穴分为动物洞穴和植物洞穴。

2.3 根据主要形成原因进行划分

李喜安等[23]在总结前人研究的基础上，根据主要成因将黄土地区洞穴分为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两大类。根据水的侵蚀方式将土壤洞穴分为冲穴、暗穴和碟形地，冲穴可细分为水涮窝和跌穴，根据规模差异可将暗穴分为陷穴和陷坑(直径和深度大于3 m)，根据形态的不同陷坑又可细分为漏斗状陷穴、竖井状陷穴、葫芦状陷穴等。依据生物主体可将生物洞穴分为三类：①由田鼠、蛇、虫以及其它动物洞(巢)穴发展而成；②墓穴、废弃的窑洞和土窖、公路土桥、内部未衬砌或维护不良的泄水洞等发展而成；③植物根系腐烂或根劈作用形成的空洞发展而成。

3 潜蚀的主要影响因素

3.1 岩土性质

大量研究表明土壤渗透性、湿陷性、崩解性、抗冲刷性等岩土性质与潜蚀洞穴的形成密切相关[2,17]。渗透性反映了水在土壤种的渗入速度，影响着水对土壤侵蚀速率的大小，直接关系到潜蚀洞穴的形成。李昌贤[17]认为水在黄土垂直方向上的强渗透性是黄土暗穴形成的关键原因。黄土洞穴发育程度与黄土湿陷性强弱具有较好的宏观一致性，即黄土洞穴发育深度与自重湿陷性黄土层的厚度呈正相关，且黄土的湿陷性对黄土洞穴形成的各个阶段所起的作用有较大差异。土壤崩解性和抗冲性均是反映土壤抗蚀能力的重要指标，崩解速率越高则抗冲性越弱，土壤也更容易受到水利侵蚀，有利于促进暗穴的形成和发展[17,19]。

3.2 气候和水文

降水是潜蚀洞穴发育的直接动力，而干湿季明显、降雨集中的气候对潜蚀洞穴的发育具有明显的促进作用。旱季缺水，土体干缩导致裂隙发育，雨季来临，暴雨沿着裂隙形成优先流导致土层在垂直方向贯通，水流到达渗流界面后转而向水平方面运移，从而加速洞穴的形成[17]。暴雨能够产生大的地下径流，利于物质侵蚀搬运促进洞穴的形成，且暴雨对深大型跌穴形成的促进作用最为明显[24]。

3.3 地形和地貌

地形地貌与洞穴发育是相互影响相互制约的。一方面，地形和地貌变化会改变汇、排水条件，影响径流势能向动能转化的过程，决定潜蚀洞穴的形成部位和种类，如直形坡和凸形坡多发育跌穴，凹形和凸凹形坡多发育陷穴，而地形较为宽缓地带则多发育暗穴[17]。赵永伟[24]发现在相同的地貌单元上，坡度介于25°-60°之间的部位最易发育洞穴，且暗穴可与其他任何一种或多种洞穴组合发育。另一方面，洞穴的形成和发育改变地表水和地下水的分布状况和运动状态，影响地表土层的受力条件，引起滑坡或崩塌，进而改变地形和地貌。

3.4 人类活动

人类生产生活破坏地表植被，降低植被覆盖率，加速土地退化，利于潜蚀地貌的发育，特别是在干湿季交替明显的植被稀疏地区，潜蚀地貌非常发育[2]。王斌科[25]调查发现梯田、土坝和道路上的洞穴出口与填土结合部位一致，且农地和近期撂荒地比裸露和坚硬部位更易发育洞穴。此外，人类工程活动所形成的洞穴也是造成潜蚀发育的重要原因之一[24]。

4 结语

本文总结了前人对潜蚀成因和分类的研究，并对影响潜蚀的主要因素进行了归纳。机械侵蚀、化学溶蚀和多种因素综合作用是潜蚀形成和发育的主要原因。依据水的作用方式、潜蚀形态特征、潜蚀形成原因等可将潜蚀洞穴划分为不同的分类系统，而岩土性质、气候和水文、地形地貌以及人类活动是影响潜蚀发育的主要因素。