鄂尔多斯脆弱地质区砒砂岩侵蚀特征探析

［关键词］ 砒砂岩；侵蚀特征；勘测；脆弱地质区;鄂尔多斯

［摘 要］ 选取鄂尔多斯脆弱地质区不同坡度、坡位的裸露及植被覆盖砒砂岩坡面为研究对象，在自然条件下，通过野外实地勘测，分析了长期冲刷侵蚀条件下砒砂岩坡面冲沟的形成及发育过程。结果表明：裸露和植被覆盖砒砂岩坡面侵蚀状况相似，坡顶冲沟少且细、坡中冲沟最多、坡底冲沟深且宽，且随着坡度的增加，冲沟下切深度增加，分支增多，对沟壁的侵蚀破坏作用增强，但植被覆盖砒砂岩坡面冲沟发育程度明显弱于裸露砒砂岩坡面。这说明植被覆盖可以有效减轻砒砂岩坡面侵蚀强度，应重视砒砂岩区植物的防护作用，根据不同坡位、坡度、植被覆盖状况调整防治措施，加强边坡绿化，种植具有优良固沙效果和经济价值的植物。

［中图分类号］ U418 "［文献标识码］ A "DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.10.018

［引用格式］ 刘勇，蔺建铭，张德全，等.鄂尔多斯脆弱地质区砒砂岩侵蚀特征探析［J］.中国水土保持，2024（10）：67-70.

砒砂岩是一种松散岩层，广泛分布在黄土高原北部晋陕蒙接壤地区的鄂尔多斯高原。在鄂尔多斯砒砂岩分布区，砒砂岩成岩程度低、沙粒间胶结程度差、结构强度低［1］，容易被冲刷、侵蚀、搬运，加之受当地寒冷、干旱的气候及风沙环境下的水力侵蚀、风蚀沙化等影响，形成了特殊的脆弱地质区。学者们针对砒砂岩区水土流失问题等开展了一系列研究。比如：在气候影响方面，李晓丽等［2］研究认为，气候条件会影响砒砂岩侵蚀程度，少雨干旱、气温骤升骤降等会使砒砂岩结构发生破坏，从而为水力、风力和冻融侵蚀提供条件；在物理特性影响方面，刘慧等［3］认为砒砂岩孔隙率大和透水性强的物理特性为侵蚀提供了结构条件，黏土颗粒含量低为风化提供了几何条件，碱性强为酸雨侵蚀提供了化学条件；在坡度等地形影响方面，李龙等［4］研究发现，裸露砒砂岩区坡度变化影响冲沟数量、密度、复杂度、割裂度等，随着坡度和冲刷强度增大，坡面产沙率表现为先增后减的变化趋势。

在砒砂岩区，降雨形成的水流在砒砂岩坡面聚集，使坡面受到大面积侵蚀，当形成稳定水流后，坡面表面砒砂岩逐渐被冲刷脱落直至形成冲沟，冲沟作为后续水流的流动通道，进一步加剧了水力侵蚀。本研究选择鄂尔多斯砒砂岩分布区，对两种不同类型砒砂岩坡面的冲沟发育情况进行野外勘测，分析砒砂岩区水土流失影响因素，以期为当地水土流失治理提供科学依据。

1 研究区概况

本研究选择内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗乌点补拉沟及其周边地区作为研究区，开展砒砂岩坡面冲沟发育情况野外勘测。研究区属于典型的温带半干旱高原大陆性气候区，冬季漫长且寒冷，夏季短暂且炎热，春季气温回升迅速，秋季气温下降明显，全年长时间受西伯利亚及蒙古高原气流控制，年均气温6.8 ℃，年均降水量245 mm，其中60%集中在7—9月。研究区地势崎岖，沟壑交错，水土流失非常严重，自然植被稀少，以人工植被为主，主要是退耕还林工程栽植的柠条、杨柴、沙棘等。

本次研究选取2种典型的砒砂岩坡面，分别为裸露砒砂岩坡面（见图1）、植被覆盖砒砂岩坡面（见图2）。在自然条件下，裸露砒砂岩坡面的水土流失最为严重，砒砂岩迅速崩解并随着雨水向下流失，随着时间的推移，坡面被雨水侵蚀形成多条沟壑；而植被覆盖砒砂岩坡面受水力侵蚀作用影响程度相比于裸露砒砂岩坡面轻，但在强降雨或持续降雨的条件下仍会发生严重的水土流失。

2 勘测设计

本次野外勘测共设置6组坡面，即坡度分别为10°、20°、30°的裸露砒砂岩坡面和植被覆盖砒砂岩坡面，通过数据统计，分析不同坡度、坡位的裸露砒砂岩和植被覆盖砒砂岩坡面冲沟侵蚀情况。野外勘测时间为2023年4月—2023年6月，期间降雨较少，植被覆盖砒砂岩坡面植被主要为杂草（杨柴），高度10～20 cm，坡面整体植被覆盖度约为50%，但植被生长缓慢，且在形成的冲沟内植被稀少。对比分析相同坡度情况下裸露砒砂岩及植被覆盖砒砂岩坡面不同坡位的冲沟侵蚀情况，等距离选取取样点，分别为坡顶（点位1）、坡顶到坡中（自上而下分别为点位2、3、4）、坡中（点位5）、坡中至坡底（自上而下分别为点位6、7、8）、坡底（点位9）。通过卷尺测量不同坡位冲沟宽度、分支数量等，以探究砒砂岩区冲沟发育规律。

3 结果与分析

3.1 裸露及植被覆盖砒砂岩坡面不同坡位侵蚀情况分析

选择坡度10°裸露及植被覆盖砒砂岩坡面进行不同坡位冲沟发育情况分析。坡度10°裸露砒砂岩坡面各坡位冲沟发育情况见图3。裸露砒砂岩坡面冲沟从坡底开始出现，随着降雨冲刷及风化侵蚀逐渐向坡顶延伸：坡顶冲沟较少，且呈现出细窄浅的特点；相比坡顶，坡中冲沟较多，多弯折，多分支，且更粗更深；坡底冲沟汇集，且呈现多弯折、粗宽深的特点。

图4为坡度10°植被覆盖砒砂岩坡面不同坡位冲沟发育情况。观测结果表明，与裸露砒砂岩坡面相似，植被覆盖砒砂岩坡面坡顶冲沟较少，坡中冲沟多弯折、多分支，坡底冲沟汇集且深度和宽度都明显大于坡中和坡顶；相比裸露砒砂岩坡面，植被覆盖砒砂岩坡面各坡位侵蚀冲沟呈现出更少更细更浅的特点。这说明，植被覆盖可以在一定程度上改善砒砂岩坡面冲沟的形成、发育及延伸。

图5、图6分别为坡度10°裸露砒砂岩、植被覆盖砒砂岩坡面冲沟宽度随坡位变化情况。对比图5、图6可知，坡度10°裸露砒砂岩和植被覆盖砒砂岩坡面坡顶、坡中、坡底冲沟宽度分别为0.153、3.098、10.217 m和0.025、2.212、4.035 m。两种坡面冲沟宽度分布均表现为从坡顶至坡底逐渐变宽，不过相比裸露砒砂岩坡面，植被覆盖砒砂岩坡面相同坡位的侵蚀冲沟宽度明显较窄。

图7、图8分别为坡度10°裸露砒砂岩、植被覆盖砒砂岩坡面不同坡位冲沟分支数量。坡度10°裸露砒砂岩和植被覆盖砒砂岩坡面坡顶、坡中、坡底冲沟分支数量分别为2、17、4条和1、7、2条，均呈现先增加后减少的变化趋势。分析其原因，砒砂岩坡面冲沟最先在坡底发生，随着时间的推移，坡底冲沟逐渐合并为较大型的冲沟，并逐渐向坡中、坡顶延伸，坡顶冲沟发育时间较短，为细浅型的小型冲沟，而坡中冲沟发育时间较长，且雨水汇集较为分散，故而发育成复杂、多条的中型冲沟。

3.2 不同坡度裸露及植被覆盖砒砂岩坡面侵蚀情况分析

图9、图10为不同坡度裸露砒砂岩、植被覆盖砒砂岩坡面冲沟发育情况。在相同降雨条件下，随着坡度增加，裸露及植被覆盖砒砂岩坡面的冲沟数量、分支数量、累计长度、分布面积、平均宽度、平均深度等各项指标均表现出明显的增加趋势。这说明，在降雨冲刷条件下坡度越大，冲沟下切越深，冲沟分支数量越多，对沟壁的侵蚀破坏越强。但同时，相同坡度条件下植被覆盖砒砂岩坡面的侵蚀程度明显弱于裸露砒砂岩坡面，这说明砒砂岩坡面的植被状况会直接影响坡面冲沟的形成，植被覆盖有助于防止砒砂岩侵蚀。图11、图12分别为裸露砒砂岩、植被覆盖砒砂岩坡面冲沟分支数量随坡度变化情况。对比图11、图12可知，随着坡度增加（10°～30°），裸露及植被覆盖砒砂岩坡面冲沟分支数量分别从8条增至18条和4条增至13条。坡度10°植被覆盖砒砂岩坡面出现的冲沟数量和分支数量也最少，分布面积、平均宽度和深度也最小，随着坡度增加，坡面出现的冲沟数量、分支数量、分布面积、宽度、深度等都呈增加趋势；同时裸露砒砂岩坡面在坡度10°时，出现的冲沟数量、分支数量也是最少，分布面积、宽度、深度也最小，随着坡度增加，这些数据都呈快速上升趋势。

对比相同自然条件下裸露与植被覆盖砒砂岩坡面的侵蚀状况可知，植被对砒砂岩区水土流失有一定的抑制作用，虽然在已形成的冲沟内部植被较少，但通过实施植物措施，冲沟内部特别是边缘的植物根系可以发挥固沙作用，抑制冲沟向两侧扩张。降雨时，植被可以减弱雨水对砒砂岩表面的溅蚀破坏，减缓冲沟的发育速度。

4 讨论

鄂尔多斯脆弱地质区砒砂岩坡面侵蚀受多种因素影响。本次野外勘测结果表明，自然条件下砒砂岩坡面侵蚀表现出面蚀—断续冲沟—连续冲沟的发展过程，且在断续冲沟与连续冲沟过程中伴随着跌坎和侵蚀穴的出现［5］。针对鄂尔多斯脆弱地质区砒砂岩坡面而言，坡度、坡位和植被覆盖状况是影响其坡面冲沟发育的3个重要因素。

根据研究区实地现场勘测照片（图13、图14），坡度变化对冲沟形态具有较大影响，小坡度坡面冲沟在水蚀和风蚀作用下呈现出多分支、多弯折、浅冲刷的特点；而大坡度坡面冲沟在水蚀和风蚀作用下呈现出多通路、多直沟、深冲刷的特点。其原因是边坡坡度越大，坡面水流流速越快，单位水流携带的土壤颗粒越多，坡面下切越严重，因此冲沟形态偏向于多直线、少弯折［5］。与此同时，勘测还发现随着坡位的变化，坡面冲沟发育呈现出不同的特点，冲沟由坡底开始发育，逐渐加深拓宽并向上延伸，随着坡位的上升，冲沟深度逐渐变浅，宽度和冲刷表面积逐渐减小。此外，对比相同条件下裸露与植被覆盖砒砂岩坡面的侵蚀情况，可以观察到有植被覆盖砒砂岩坡面的冲沟呈现出少细浅的特点，这说明植被根系的固土固沙能力能使砒砂岩边坡保持一定的抗侵蚀能力。

综上，鄂尔多斯脆弱地质区砒砂岩坡面侵蚀受坡度、坡位及植被覆盖等因素影响，所以在黄河流域生态保护和砒砂岩脆弱地质区防治工程实施过程中要充分考虑这三者耦合作用的影响。比如在砒砂岩边坡侵蚀治理工作中，对坡度大、坡位低、植被覆盖少的防治工程要预留更多的安全储备，对坡度小、坡位高、植被覆盖多的防治工程则可适当降低安全储备。

5 结论

1）坡度10°的裸露及植被覆盖砒砂岩坡面冲沟发育宽度均表现为坡底＞坡中＞坡顶，冲沟分支数量由坡顶到坡底表现为先增后减的变化趋势。裸露及植被覆盖砒砂岩坡面冲沟分布特点均为坡顶冲沟较少且细，坡中冲沟分支最多且形状蜿蜒曲折，坡底冲沟最先发育且深度最深。

2）坡度较缓的10°坡面，冲刷形成的冲沟表现为细浅型，坡度相对较陡的20°和30°坡面，冲沟的形态表现为宽深型；在自然条件下随着坡度的增加，冲沟线条变直，分支增多，下切加深，对沟壁的侵蚀破坏变强。

3）3种不同坡度下裸露与植被覆盖砒砂岩坡面侵蚀形成的冲沟有着明显差异，植被覆盖砒砂岩坡面较裸露砒砂岩坡面的冲沟数量和分支数量更少，分布面积更小，深度更浅，说明在鄂尔多斯脆弱地质区植被覆盖会影响砒砂岩坡面沟壑的形成，可在一定程度上防止侵蚀的发生。

综合上述分析结果，鄂尔多斯脆弱地质区水土保持工作应以生态保护为主、工程治理为辅，种植固沙效果优良且有经济价值的植物（如沙棘等），发挥植物的固沙作用，并根据不同的坡位、坡度调整措施布设。采取植物防护措施时，应考虑植物的水源补给问题，在年降雨量较小的地方设置水源收集储存与补给系统。考虑到已经冲刷出相当规模的冲沟内植物难以存活，可辅以工程防护措施（如淤地坝等），先稳定坡面再栽植植物。

［参考文献］

［1］ 王愿昌，吴永红，寇权，等.砒砂岩分布范围界定与类型区划分［J］.中国水土保持科学，2007，5（1）：14-18.

［2］ 李晓丽，于际伟，刘李杰.鄂尔多斯砒砂岩土壤侵蚀与气候条件关系的研究［J］.内蒙古农业大学学报（自然科学版），2014，35（3）：105-109.

［3］ 刘慧，时明立，蔡怀森，等.砒砂岩侵蚀的物理特性试验研究［J］.人民黄河，2016，38（6）：8-10.

［4］ 李龙，秦富仓，钱秋颖，等.冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面冲沟微形态变化及其侵蚀特征［J］.水土保持学报，2021，35（5）：37-43.

［5］ 焦念，王占礼，刘俊娥，等.黄土坡面冲沟水流流速试验研究［J］.水土保持通报，2012，32（5）：117-121.

收稿日期： 2024-05-10

基金项目： 鄂尔多斯市科技合作重大专项（2021EEDSCXQDFZ013）

第一作者： 刘勇（1971—），男，内蒙古伊金霍洛旗人，高级工程师，学士，主要从事水利工程管理等工作。

通信作者： 张德全（1980—），男，甘肃陇西人，工程师，学士，主要从事水土保持工作。

E-mail： 55825669@qq.com

（责任编辑 李杨杨）