坡体重力侵蚀研究现状及展望*
时间：2023-06-19 11:25:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张 猛，杨志全，王振霖
(1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；
2.湖南科技大学 地球科学与空间信息工程学院，湖南 湘潭 411100)
重力侵蚀是指岩土体在重力作用下失去平衡而发生位移并堆积的过程，可分为滑坡、崩塌、泻溜、泥(石)流等类型[1]。山区地形陡峭，地质环境脆弱，普遍存在侵蚀退化现象，加剧了坡体重力侵蚀的发育[2]。目前我国黄土高原地区、震后山区等存在大量的重力侵蚀现象，其具有明显的地质灾害特征，在强降雨作用下，破碎山体将会诱发新的次生山地灾害，引发大规模的崩塌、滑坡、泥石流。重力侵蚀显著的产沙输沙效应会造成严重的水土流失、河道淤积、城镇荒漠化[3]，故需深入探究重力侵蚀发育-启动-运动-堆积全过程，揭示各个阶段发生和演化的力学机理，建立泥沙输移定量估算模型，为山区泥沙治理和防灾减灾工作提供决策依据。
然而，重力侵蚀成因机理复杂，侵蚀演化特征研究尚不够深入，仍未形成对重力侵蚀定量化研究的有效方法。通过查阅国内外相关文献发现，多数学者对于震后重力侵蚀的研究集中在重力侵蚀启动机理及临界条件[4-8]，对于重力侵蚀机理及其产沙输沙机制的定量研究较少。由于重力侵蚀的随机性、突发性等特点，因此难以建立长期、系统、有效的坡体重力侵蚀监测体系和方法，导致重力侵蚀发育-启动-运动-堆积全过程监测难以实现，数据难以获取，进而导致基于力学机理的定量刻画重力侵蚀过程模型研究无法深入。
本文对坡体重力侵蚀监测技术与方法、特征机理和模型方法等进行了总结，指出了当前研究中存在的不足，并对坡体重力侵蚀未来的研究方向进行了展望。
常见的重力侵蚀监测技术有实地调查法﹑模拟试验法、测针法、3S集成法等。
1.1 实地调查法
实地调查法是一种传统的重力侵蚀观测方法，其可以获取原始数据，数据的准确性高，实用性强，是对典型区域重力侵蚀进行研究的重要手段。KARIMINEJAD等[9]基于现场调查研究了黄土衍生土壤区域极端降雨事件导致的地貌变化过程之间复杂的空间相互作用。
自20世纪80年代以来，实地调查法得到了广泛应用。段钊等[10]根据流域灾害调查数据，探究了流域重力侵蚀的主要特点，对重力侵蚀的时间、空间及时空分布特征进行了分析。基于小流域现场调查， WANG等[11-12]对重力侵蚀影响因子进行了研究，认为重力侵蚀的发生与降雨、下垫面条件、坡度、入渗深度等密切相关，并进一步分析了各因子与重力侵蚀之间的关系。
然而，现场调查观测存在投入大、周期长、观测效率低等问题，无法实现长期、有效、大范围观测，而模拟试验法则有效解决了上述问题，这是一种能类比自然条件、反演自然现象且投入小、可重复的研究方法。
1.2 模拟试验法
室内模拟试验和野外原位试验均是尽可能完全模拟自然条件，进而探索坡体扰动、形变、破坏崩塌机理和进行坡体稳定性评价的一种科学、合理、经济、可持续的途径和方法。大自然特殊的侵蚀地貌是一个天然实验室[13]，而现场实验就是为了保持自然过程的规模和复杂性[14]。
由于重力侵蚀的随机性强，发生过程不连续，野外调查和观测结果不理想、观测环境恶劣，要实现有效和系统的精确观测难度很大。而通过室内模型试验，可以在一定程度上复刻野外自然条件。王文龙等[15]以原生煤田区为研究对象，利用原位冲刷试验探究了其地面侵蚀产沙的过程和规律。丁文斌等[16]对煤矿工程堆积体边坡侵蚀特征及其临界水动力条件进行了研究。MENGISTU等[17-19]通过人工降雨试验分析了不同工况下的重力侵蚀产沙驱动因素和作用机制。RICHARD等[20]采用有限元或有限差分方法，在试验和考虑更加复杂边界条件对坡体稳定性影响的基础上建立了概化模型，并对重力侵蚀进行了分析。
室内模型试验可以对多种试验条件进行假定，在室内试验中，尺度缩放是关键因素[21]，因为室内试验旨在理想化自然过程、最小化复杂性，从而隔离关键变量的影响。虽然试验能够揭示在现场难以观察或测量的现象，但是并不能完全真实地反映自然条件。
在研究坡体侵蚀破坏和泥沙输移过程中，室内试验、野外现场试验都是受控的，这就提供了一种可靠的方法来隔离关键变量的影响，并进行确定的假设检验，但无法模拟自然环境下灾害体的复杂性，从而影响了坡体重力侵蚀量与真实自然状况的相关性[22-23]。因此，加强实地观察和测量，注重尺度缩放在室内外模拟试验中的关键作用，保持自然过程的规模和复杂性，降低时空分异是重力侵蚀监测研究中需要重点关注的内容。
1.3 测针法
测针法是一种能够精确测量地形表面特征点三维坐标的传统测量方法，该方法的优点在于监测成本较低，常用于监测小型崩塌。ROBI-CHAUD等[24]使用测针法对土壤微观表面进行了测量试验。高健健等[25]采用测针法和兜土法对辛店沟流域重力侵蚀发生的特点和影响因素进行了观测，然而该方法在野外复杂地形和大区域的应用局限性较大，侵蚀严重时易导致测针被埋没、破坏[26]。
1.4 3S集成法
20世纪90年代以来，3S技术在重力侵蚀定量监测中的应用逐渐增多[27]，监测范围广、分析计算结果精确度高，数据获取和处理快捷、高效等是该技术相较于传统监测技术的优势，在定量描述重力产沙的影响因素、时空变化规律和侵蚀产沙速率等研究中的应用价值很大。遥感技术包括雷达[28]、航空摄影[29]、卫星影像[30]等，已被广泛应用于重力侵蚀监测研究领域。尽管随着技术的更新，监测结果及其呈现的规律也更加真实有效，但随着精度和尺度的提高，成本也迅速增加。影像分辨率、地物遮挡、特殊地貌特征等会对解译精度产生影响，加大了重力侵蚀监测区域数据处理及分析的难度。
不论是现场调查、模拟试验还是基于先进技术的重力侵蚀监测，大多是针对重力侵蚀形成和发展过程的现象、特征等的直观研究，均未能完全考虑监测对象内部细观的特征变化、机理耦合过程等内在因素对坡体重力侵蚀的影响。因此，对基于坡体本身的重力侵蚀过程演化特征机理的研究显得尤为重要。
2.1 坡体重力侵蚀影响因素研究
重力侵蚀成因机制复杂，影响因素众多，大致可归结为内因和外因两类[31]。重力侵蚀的发生是多种影响因素非线性共同作用的结果，不同阶段的主控因子也在不断转换。区域地形地质、气象水文条件的特征等决定了该区域重力侵蚀的主要特点，而岩土体结构特性、下垫面状况或者典型冻融环境等都是重力侵蚀发育和形成过程中的重要影响因素[32]。
1)岩土体理化性质
岩土体的物理化学性质包括物质结构、颗粒组成等，决定了重力侵蚀的启动方式、形成规模和类型以及发展速率等。地层岩性对重力侵蚀的影响，究其本质是物质组成的不同使得坡体保持稳定的临界坡角不同[33]，并影响其风化程度，而风化作用同样也是重力侵蚀的诱因之一[34]。
2)地形地貌
高山峡谷等复杂多样的地形地貌是地球内外营力作用的结果，其作用强度决定了地形地貌的特点，重力侵蚀的发生频率、作用类型和方向以及后续侵蚀强度等都与原始营力对抗强度密切相关[35]，其中坡度的增加会使坡体下滑力增大，并使坡体以更快的速度饱和，加速恶化坡体稳定性，导致重力侵蚀的发生[36]。有研究表明[37-38]，只有沟坡的坡度大于岩土体的内摩擦角时才会发生失稳破坏，高陡边坡是重力侵蚀的重灾区。
3)气候
影响重力侵蚀的气候因素主要为降雨，降雨是重力侵蚀的重要诱发因素。降雨使土体软化，容重增大，基质吸力减弱，黏聚力减小，从而降低了土体抗剪强度，当土体下滑力大于抗滑力时，土体稳定性便遭到破坏。降雨与重力侵蚀的产生一般具有同时性和滞后性，即重力侵蚀有可能在降雨过程中发生也有可能滞后[39]。有研究表明[40]，降雨不仅影响重力侵蚀的发生次数、侵蚀规模，还影响侵蚀的发生时间，并会促使坡体裂隙、沟道进一步横向扩展和纵向加深，从而激发和加剧重力侵蚀的形成和发展。此外，冻融效应也是寒冷地区造成重力侵蚀蠕变的主要因素，冻融交替过程中，岩土体体积发生变化，边坡的岩土体在重力作用下产生滑坡、垮塌等重力侵蚀现象[41]。
4)植被
植被对重力侵蚀的影响既可作为外因，也可作为内因，其与重力侵蚀间复杂的相互作用过程以及对重力侵蚀的双向反馈是重力侵蚀研究领域中重要但尚未完全解决的问题之一。不少学者就植被对重力侵蚀发生的时间、侵蚀强度、发展规模及速率等规律进行了研究。植被对重力侵蚀的发生有一定的延缓作用，能降低极大规模重力侵蚀的侵蚀量，增加小规模重力侵蚀的发生频率，且短期内植被会增加重力侵蚀速率[42]。但随着植被覆盖度的上升，也会在一定程度上降低重力侵蚀模数[43]。植被与重力侵蚀间相互作用关系，在不同的触发及作用条件下所表现的作用方式也不相同，植被根系作用可以起到固结土体的作用[44]，但根系同样可以作为土体水分入渗的媒介，参与并促进坡体重力侵蚀的发生[45]。
5)其他因素
人类工程建设活动既可以导致区域大范围地形地貌变化，也可以在小范围内引起局部孕灾环境的剧变，进而影响坡体重力侵蚀的形成和发展[46]。人类工程活动通常会引起重力侵蚀的发生，极大地改变区域原始地质地形条件，使侵蚀营力环境发生不可逆的改变，且短期内该区域地质环境无法恢复[47-48]。有研究表明，地震是重力侵蚀的重要影响因素之一，主要表现为震中或震后的崩塌、滑坡和泥石流[49]，同时地震致使震区地质环境发生巨变，形成震裂山体并在坡体、沟道产生大量的松散物源，在强降雨作用下，极易引发大规模的重力侵蚀[50-51]。故在探究重力侵蚀的诱因和触发条件时，应将地震纳入讨论中。
2.2 坡体重力侵蚀力学机理研究
重力侵蚀的随机性和非连续性一般体现在多种因素综合作用下，重力侵蚀有可能瞬时发生，也有可能滞后[52]。自然条件下，重力侵蚀是区域产沙输沙的重要方式，而重力侵蚀的触发、演变及形成过程极其复杂，是多种影响因素相互作用、非线性叠加的结果，但本质上仍然是力学范畴内的变化所引起的。
已有研究大多基于力学理论，将重力侵蚀与坡体稳定、应力应变原理、岩土体内在条件等相结合，综合分析重力侵蚀的力学机制[53-54]。李铁键等[55-61]研究了强降雨条件下沟坡重力侵蚀产沙机制及其触发频率，以及植被对沟坡重力侵蚀的作用机制，对降雨诱发滑坡、泥石流的降雨阈值、作用机制和滑坡侵蚀强度进行了研究。CAZZADOR等[62]研究了地形坡度对沟壑重力侵蚀的发生演变、侵蚀强度和侵蚀产沙总量的影响，揭示了重力侵蚀机制。FULLER等[63]基于模拟降雨试验，对边坡的孔隙水压力、含水量和湿润锋等进行了监测，探讨了不同岩土体颗粒组成、不同含水率下的崩岗侵蚀触发机理及其侵蚀特征。
坡体重力侵蚀影响因素中的内因决定了岩土体抗剪强度，是诱发重力侵蚀的初始条件；
外因则通过改变岩土体抗剪强度和坡体受力情况，进而引发重力侵蚀[64-66]。侵蚀过程中主控因子的转换也同时影响重力侵蚀强度、速率、规模等特征[67]，但各因素间的相互作用和转换关系、重力侵蚀过程演变机制等尚不明了，需要进一步研究。重力侵蚀显著的产沙输沙效应已经严重威胁生态环境和经济发展，因此建立重力侵蚀模型、预测重力侵蚀量对于水土保持和防灾减灾工作尤为重要。
近年来，学者们开始将研究重点从单一力学机理研究转向结合重力侵蚀过程机制、机理的模拟研究，建立了指标体系，并对重力侵蚀进行了易发性评价，进而结合过程中指标权重的变化评估了重力侵蚀规模。本文主要对常用的经验模型和物理模型进行总结。
国内外学者就模型参数对不同的地貌特征[68-69]、土壤类型[70-71]、土地利用类型[72]以及世界不同气候区域[73]的不同土壤保护措施的适应性[74]进行了研究。随着地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术的兴起，大规模土壤侵蚀研究的优势可以更好地与模型兼容。BEHERA等[75]基于试验结果，通过二元非线性回归，建立了输沙产沙与重力侵蚀影响因素之间的经验公式。但统计模型通常基于样本数量和经验判断，模型缺乏对机理过程的描述和刻画。
也正是由于统计模型的局限性，一些学者以重力侵蚀力学机理为切入点，从空间和时间尺度、输入和输出变量、控制方程、模型强度、模型效率等方面考虑，构建了泥沙颗粒运动物理方程模拟水文、土壤侵蚀和泥沙输移过程[76-78]。同时结合传统水、土力学理论和分析方法对沟坡进行力学分析，评估坡体稳定性和可靠性，得到了滑坡侵蚀的简化模型[41]。部分学者还将数值仿真分析技术应用于沟坡稳定性分析和评价中，为重力侵蚀机理量化分析提供了基础[48,79-80]。现有研究成果涉及模拟重力侵蚀规模及其演化的较少，仅有极少数学者以数字模型框架为基础，通过耦合集成坡面降雨径流模型、土壤侵蚀模型和沟道不平衡输沙模型，实现重力侵蚀发生概率和规模的侵蚀产沙模型的建立[81-82]。
综上所述，国内外对坡体重力侵蚀影响因素、室内外试验观测、特征分析与过程转化机理和模型方法等的研究已经取得许多有益的成果，但要深入探究重力侵蚀发育-启动-运动-堆积全过程，阐明各个阶段发生和演化特征，揭示其力学机理，建立泥沙输移定量估算模型，仍有许多问题需要解决：
a.重力侵蚀现象本身具有极强的随机性、突发性，要建立一套符合重力侵蚀且科学、合理、系统、有效的观测体系和方法极为困难，坡体侵蚀过程中重力侵蚀与其他侵蚀大多是共同存在、相互影响和相互作用的，仅从观测角度并不能完全将其区分开。
b.现有观测主要是试验和典型小流域观测，观测难度大、投入多、周期长、效率低、时空分异性强，且大多是针对坡体失稳启动、堆积等单一过程的观测分析，缺乏对重力侵蚀发育-启动-运动-堆积全过程的动态观测分析。
c.重力侵蚀影响因素众多，成因机制复杂，各影响因素间的相互作用呈非线性叠加。已有的机理研究简化了作用过程，忽略了各因素的叠加及相互作用，脱离了实际，侧重于定性分析，缺乏定量化成果来揭示重力侵蚀与其影响因素间复杂的耦合关系。
d.重力侵蚀全过程连续模型稀缺，已有研究大多刻画单一阶段，计算精度低、移植性差，机理研究不深入，大多基于力学理论方法，将重力侵蚀与坡体稳定、应力应变原理、岩土体内在条件等相结合，鲜有对重力侵蚀过程演化、规模特征及其强度特性等进行模拟研究的报道。
为继续攻克重力侵蚀研究中的重点、难点和关键科学问题，在未来的研究工作中，建议关注以下几个方面：
a.加强坡体重力侵蚀的定量研究。包括揭示坡体重力侵蚀过程中主控因子的转换关系和方式，各因子之间的耦合作用关系、重力侵蚀的触发和过程演化机理，量化作用关系等。
b.融合新技术、新理念实现重力侵蚀大范围、连续性、系统性动态过程观测。目前鲜见融合多种技术手段研究重力侵蚀发育、产生、演变过程等的成果。
c.需要在不同地域时空范围内，通过实地调查掌握重力侵蚀现状，以及通过室内外试验探究其触发机理和产沙机制等，结合3S技术进行动态定量观测，获取系统的观测数据和资料，为进一步研究重力侵蚀机理提供数据支撑。
d.建立重力侵蚀过程模型。单纯采用经验统计模型或物理过程模型，现阶段均难以表征重力侵蚀过程，要基于合适的建模尺度，将两种模型结合起来，取长补短，建立能表征重力侵蚀过程演化、主控因子转换及因子间相互作用的本构关系模型，以达到操作方式更便捷、模拟过程更高效、分析结果更精确的效果。
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