环境地质学之水土流失

环境地质学分论——水土流失水土流失3主要内容概述我国水土流失的特点水土流失的形成过程水土流失的发育条件水土流失的防治4在水力、风力、冻融、重力及人类活动等外力地质作用下，地球表面土壤及其母质所发生的危害人类安全和生态良性发展的破坏、分离、移动和沉积过程与现象。水土流失实质上是地球表层岩土系统以渐变形式进行的失稳演化过程。环境地质学中的水土流失定义5水土流失的类型按外部动力作用类型不同，分为：（1）水力侵蚀降雨及径流引起的土壤侵蚀，亦称水蚀。包括坡面侵蚀和沟谷侵蚀。坡面侵蚀（面蚀）：初期——溅蚀、片蚀；后期——细沟侵蚀、浅沟侵蚀沟谷侵蚀：切沟、冲沟、坳沟和河沟固体物质的体积超过总体积的10%时，就成为泥石流。6水土流失的类型（2）风力侵蚀风力侵蚀可引起荒漠化、沙尘暴等地质环境问题。

（3）重力侵蚀大多数情况下是在其它外动力，特别是水力作用下，以重力为直接原因而发生的斜坡岩土体失稳位移现象。

（4）人为侵蚀人为侵蚀是指人类活动这一新的地质作用所引起的土壤侵蚀，即人工对岩土物质的挖掘、搬运和堆积。7水土流失在我国各省区均有发生。大兴安岭－阴山－贺兰山－青藏高原一线以东的地区是我国水土流失最严重的地区。其中以黄土高原（甘肃、宁夏、陕西、山西）、华南山地丘陵发育最强烈。统计表明，黄土高原水土流失面积达43万km2，平均侵蚀模数约8000吨/km2/a；长江中下游、珠江、辽河流域相对较轻，但也在加剧。以前认为，水土流失主要发生在黄土分布区，但调查发现，即使在花岗岩、砂页岩、碳酸岩分布区也发生最大范围的水土流失，如湖南、江西、山东、广西、云南、贵州、四川等省区，水土流失已成为主要地质灾害种类。我国水土流失的特点8我国水土流失的现状据中国地质环境监测院调查统计，目前我国水力侵蚀的面积为186.75×104km2、风力侵蚀的面积为202.81×104km2、冻融侵蚀的面积为126.53×104km2。除上海市外，其余30个省（区、市）均发育不同程度的土壤侵蚀，主要分布在新疆、西藏、内蒙古、青海、甘肃、四川、云南、陕西、黑龙江、山西等省（区），约占全国土壤侵蚀总面积的87%（表10-1）。在解放初期，全国水力侵蚀面积约150×104km2。这表明建国近50年来，全国水力侵蚀面积增长了24.5%，目前还以每年约0.5×104km2的速度在增加。9东部水力侵蚀区（受季风气候控制）（1）西北黄土区（2）东北黑土区（3）北方土石山区（4）南方红壤丘陵区（5）西南石山区西北部风力侵蚀区（降雨量小，干旱荒漠）青藏高原冻融侵蚀区（温度低、太阳辐射强烈

）10在全国范围内，水土流失在各地的发育强度差异明显，呈现出北强南弱，西强东弱的特点。这主要体现在平均侵蚀模数和泥砂流失量两项指标上，如陕西省神府南部侵蚀模数高达2.5-3万吨/km2.a

，个别地段达4万吨/km2.a，其侵蚀强度之达居世界首位。全省每年流失的泥砂量（含推移质）为10亿吨。河南陕县火烧羊沟，1982年7月30日，一场特大暴雨造成的侵蚀量就高达9140吨/km2。位于黄土高原的陕西、山西、甘肃、宁夏、河南、内蒙则是我国水土流失最严重，也是世界上最严重的地区。华东、华南等地一般侵蚀模数为5000吨/km2a，每年泥沙流失均小于1.5亿吨，水土流失占全省区面积的比率为：北方及西南等地均为29-65%，华东中南均为6-25%。我国水土流失的特点11水土流失的发育具有累进性和渐变的特点，其危害往往不被人们重视，不自觉陷入“越垦越穷，越穷越垦”的怪圈中。严重的水土流失使我国河流的泥沙含量普遍增高。例如长江，由于上游地区的水土流失，江水的含沙量明显上升，有可能成为第二条黄河。又如，辽宁的柳河、贵州的汾河的泥沙含量已达47.7kg/m3，已超过了黄河。河水泥沙量的增高，加速了湖泊、水库、河道的淤积过程，造成了水运行洪、蓄水发电等功能降低。例如洞庭湖在1949年到1983年的34年间，由于淤积围垦，水面面积缩小了约40%（4350-2691km2）。我国水土流失的特点12（1）侵蚀区：土地生产力下降土壤和肥分的流失，土层变薄，土地贫瘠，宜耕地减少。据水利部2002年的调查资料，我国因自然营力的水土流失导致的N、P、K养分损失量相当于4000×104t标准化肥，总量超过每年的化肥施用量。我国每年因自然营力而导致的土壤流失量达50×108t以上，相当于从全国耕地上刮去3mm厚的肥沃表土。此外，水土流失还影响着土壤的物理性状。以水力侵蚀为例，在坡度3～5的缓坡上，土壤中粒径的粘粒含量可达83.59%，而在坡度为7～15的坡麓土壤中，其含量减少到40%。水土流失的危害13（2）堆积区：水体泥沙淤积流失土壤的堆积，使河道水库淤塞，加剧洪涝灾害的威胁自建国成立以来，我国湖泊减少了500多个，因水土流失而损失的库容累计达200×108m3以上；全国5万多条河流上的8万多个水库每年因泥沙淤积损失库容量达10×108m3；黄河和长江荆江段成为“悬河”，洞庭湖已成为“悬湖”。

有专家预测，如不能有效治理长江上游的水土流失，三峡水库的使用寿命可能不足30年。水土流失的危害14（3）径流区和堆积区：水体水质下降我国1984～1994年化肥施用量增加了90.7%，而粮食产量只增加9.1%。我国单位面积施氮量为191.6kg/hm2，是世界平均水平的3.55倍，但氮的谷物产量仅为20.95kg/kg，不到世界平均值的一半。水土流失所导致的农业面源污染是下游水体富营养化的主要原因之一。例如，有研究表明，在滇池入湖污染负荷中，农业化肥的流失占总氮输入量的53%和总磷输入量的42%。水土流失的危害15（1）产流过程地表产流的具体过程为：降水开始以后，降落到受雨区的雨水一部分被植物截留，另一部分被土壤吸收，然后下渗进入土壤和岩石的孔隙中。因此，降雨初期不能立即产生径流。随着降雨继续进行到降雨量大于上述消耗时，首先在地表发生积水。地表积水达到一定程度后开始填洼，即积水首先流入地表比较低洼的地方并积蓄起来。上述过程是对降水的一个耗损过程，又称为蓄渗阶段。当蓄渗阶段完成后，开始形成漫流或薄层片流（overlandflow）；随着降雨过程的持续，薄层片流开始汇聚形成股流（concentratedflow）；最后汇入沟道形成河川径流（channelflow）。水土流失的形成过程16（2）侵蚀过程雨滴的击打作用雨滴落到裸露的地面特别是农耕地上时，具有一定质量和速度，必然对地表产生冲击，使土体颗粒破碎、分散，引起土体结构的破坏，被雨滴击碎后的土体很容易被流水搬运。径流的分散作用径流对土壤的分散作用是径流浸泡破坏土壤结构、径流剪切力剥离土粒和径流紊动上举土粒等作用的综合体现。水土流失的形成过程17（3）搬运过程搬运过程是指径流将从土体上分离出来的土壤颗粒向下坡输送的过程。径流在沿坡下流过程中，一部分能量用于分离土壤，一部分能量则用于输送和搬运被分离进入径流的土粒。水流对泥沙的搬运形式可分为推移和悬移两大类，这两种形式运动的泥沙分别称为推移质及悬移质，它们各自遵循不同的规律。水土流失的形成过程18（4）堆积过程堆积过程是地形条件或水流状况变化时泥沙沿程沉积的过程。通常情况下，泥沙沉积主要是由地形条件改变而引起。径流沿坡下流的过程中，流态特征、侵蚀特征和泥沙输移特性之间会达到一种平衡状态。当地形条件变化，如坡度变缓时，径流挟沙力降低，径流中的泥沙就会发生沉积。泥沙在坡面发生沉积的另一种情况是由于降雨变化引起径流量减少或消退时泥沙的沉积。水土流失的形成过程19（1）坡面侵蚀雨滴溅蚀水力侵蚀的形式雨滴溅蚀过程图20（1）坡面侵蚀片状侵蚀水力侵蚀的形式砂砾化面蚀层状面蚀鳞片状面蚀21（1）坡面侵蚀细、浅沟侵蚀水力侵蚀的形式基岩上的细沟侵蚀细沟侵蚀浅沟侵蚀22（2）沟谷侵蚀水力侵蚀的形式沟谷侵蚀的表现形式（1）沟头；（2）沟底；（3）沟口；（4）沟沿；（5）沟坡；（6）冲积圆锥

23（3）山洪侵蚀暴雨引起的山洪融雪引起的山洪水体溃决引起的山洪水力侵蚀的形式24外界作用天然条件下，影响坡面岩土系统的外部输入主要是降雨，它是坡面侵蚀发生发展的动力来源，决定了外界作用对表层岩土系统的侵蚀力大小，因此又常被称为动力因子。近一两百年来，随着人为地质作用的加强，人类活动也已成为影响坡面侵蚀的重要外界输入。与降雨不同，人类活动通常情况下并不能为坡面侵蚀直接提供动力，它主要是通过改变坡面岩土系统的结构，影响其抗蚀能力，从而加剧或减弱坡面侵蚀的强度。水土流失的发育条件25（2）人类活动人口数量增加滥砍滥伐、过度放牧开发自然资源土地垦殖率增大土地利用结构变化（1）降雨水土流失的发育条件雨滴的大小和速度降水量降水强度降水历时雨型26内部结构影响坡面岩土系统抗蚀力大小的因素有坡形、土壤及母岩的性质、植被覆盖等，这些因素又称为抗蚀因子。需要指出的是，坡面岩土系统的抗蚀力并不仅仅取决于这些要素本身的性状，而是很大程度上受这些要素的组织方式、配置形式及相互作用关系的影响。水土流失的发育条件27坡形坡度坡长坡面组合坡向Q=0.0062L.I凸形、直线形、凹形与复合形

迎风坡、背风坡、向光坡、背光坡土壤及母质的性质：抗蚀能力、渗透性等植被：枝叶、树冠、枯枝落叶、腐殖质、根系坡度降雨强度水土流失的发育条件28衡量土壤抗蚀能力大小的常见定量指标是分散率和侵蚀率，此外还有抗冲力、抗剪强度、团聚体表面率等指标。分散率为5.2～15%的土壤定为耐蚀性土壤；分散率为15%～60%的土壤为易蚀性土壤；我国黄土的分散率为23%～60%，显然属易蚀性土壤。29黄河下游“地上河”的形成、危害和治理中游流经黄土高原世界含沙量最大的河流下游进入平原地区河床抬高地上河人工筑堤约束河堤决口泛滥成灾成因危害防洪修建水库，防洪、治沙并举水土保持治本治标土质疏松植被破坏流速减慢泥沙沉积暴雨洪峰30压缩农业用地，提高土地生产率旱涝保收，高产稳产的基本农田重点建成扩大林、草种植面积改善天然草场植被，适当压缩牲