西夏王陵4號陵沖溝發育過程特征及其影響因素

康 超 諶文武 崔 凱 孫光吉 程 佳

內容摘要：以我國西北干旱、半干旱區的西夏王陵4號陵上的沖溝為代表，在現場勘察和測量的基礎上，選取沖溝的特征值。對其進行統計分析，結合遺址體上沖溝的形成過程，分析沖溝的形成原因以及影響因素，探討沖溝在干旱、半干旱區發育的特殊性，為將來深入研究奠定基礎。

關鍵詞：沖溝；土遺址；溝頭寬；溝深；寬深比

中圖分類號：K854.3文獻標識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0071-04

一前言

國內外許多學者針對土壤沖蝕進行過大量系統地研究，主要內容涉及沖溝侵蝕的形態學特征與土地利用類型、植被覆蓋率的關系，以及侵蝕的臨界條件和侵蝕量與沖溝的特征值之間的關系。針對土遺址上沖溝的研究目前尚不多見。

我國干旱、半干旱區分布著大量的土遺址，但是，它們在內、外營力的作用下發育眾多病害，沖溝便是主要病害之一。遺址土體的水理性質、力學性質與自然堆積物不盡相同，以及遺址體上沖溝特殊的產流和侵蝕方式，使得土遺址上的沖溝與農業區的沖溝存在著很大的差異。因此，對其進行研究具有特殊的意義。本文以西夏王陵4號陵為代表，在現場勘察和測量的基礎上，選取代表沖溝特性的特征值，對其進行統計分析，并結合遺址體上沖溝的形成過程，分析沖溝的形成原因以及影響因素。

西夏王陵4號陵位于賀蘭山中段東麓的山腳下，坐北朝南，為較為典型的山川溝谷地貌，海拔高度1108m～1215m，地形落差較大。遺址區現存角臺、闕臺、碑亭、門闕、獻殿，陵臺和神墻等夯土建筑遺址(圖1)。遺址體病害發育。沖溝為主要病害之一，對遺址體的賦存有很大的影響。

二西夏王陵4號陵沖溝分類和發育特征

通過對西夏王陵4號陵沖溝的統計分析，選擇和提出可以代表土遺址沖溝特性的數值，作為表征沖溝性質的特征值(表1)。然后根據沖溝的特征值，結合沖溝形成原因，將土遺址沖溝分為兩種類型：第1類沖溝，水流侵蝕裂隙(縫)發展成的沖溝；第2類沖溝，墻體上產生的徑流，沿墻體低洼區匯水后，沖刷墻面形成的沖溝。

從表1中可以看出，西夏王陵4號陵第1類沖溝的溝頭寬較小。溝長較大，面積也較第2類沖溝小，寬深比較小。

第1類沖溝的平均溝頭寬較小，平均溝長較大，面積較小。這主要是裂隙(縫)的存在，為水流提供了通道，水流易于匯流，沖刷裂隙(縫)，沖溝易于發育，且發展速度較快。第1類沖溝的平均溝底寬較小。這主要也是由于第1類沖溝是沿著裂隙(縫)發育的，為沖溝的發育提供了通道，利于其垂向發育，同時也約束了沖溝的橫向發育。從表1可以看出，第1類沖溝的寬深比明顯小于第2類沖溝，即在相同的溝頭寬下，第2類沖溝較深。

三土遺址上沖溝的形態特征

通過對西夏王陵4號陵的現場調查分析發現，裂隙(縫)的存在，加上集中式降雨和風力的侵蝕作用，使第1類沖溝(圖2a)具有溝頭窄、沖深大、溝壁陡直、面積較小等特點，裂隙(縫)對第2類沖溝的走向有很好的控制作用；第2類沖溝(圖2b)面積大、沖深淺、頂部開闊，匯水面積大于第一類沖溝。

從表2可以看出，除南立面以外，其他各個面上主要以第2類沖溝為主。通過分析發現，南立面上第一類沖溝的溝槽走向與該區的結構面的發育優勢方向吻合較好，加上日照時間較長，易于發生裂隙(縫)，進而影響第1類沖溝的發育。

四沖溝的發育過程

沖溝在垂直方向上可以劃分為溝底、溝坡、溝緣等三部分，在水平方向上可以劃分為上部、中部、下部(圖3)。溝底是指沖溝的底部，間歇性流水流經的部分；溝坡是指沖溝兩側溝床與溝壁間傾斜的坡地；溝緣是指溝坡與溝岸的轉折處。

沖溝的上部主要是徑流的匯集，流量不大，水較淺，因此，沖刷能力較弱，沖深也較淺，主要表現在片蝕。中部的沖刷是最強的，主要過水斷面面積減小，加上流量自上而下增加。水流的侵蝕能力較強，因此沖深最深。而下部主要表現為中上游侵蝕物的堆積。

根據西夏王陵4號陵上沖溝平面結構和分類結果，結合沖溝的形成原因，將沖溝的發育過程分為四個階段(詳見表3)。

五影響因素

(1)土體性質

土體性質的不同，導致其抗侵蝕的能力不同，進而影響沖溝的發育。

①水理性質

為了查明4號陵遺址的基本物理性質，對所取10組樣品，開展了崩解試驗，試驗結果見表4。

對調查數據整理發現，試樣1、2、3、8、10取樣區段上沖溝的平均深度較大，這說明了土體水理性質對其上沖溝的發育有很大的影響。

②易溶鹽含量

當易溶鹽含量越大時，這些鹽分在土體總所占的比例越大。如果這些鹽分在其中承擔土骨架的作用，當這些鹽分遇水溶解，土體強度降低，易于崩解，進而影響沖溝的發育。

③力學性質

不同的力學強度，土體的抗侵蝕能力也同，C、φ值越大，土體抗侵蝕能力越強，沖溝在土體上越不易發育。西夏王陵4號陵的夯土的力學參數見表5。

④其他因素

除上述因素外，土遺址的夯筑形式、夯土層的厚度、夯土的顆粒組成和級配等，對沖溝的發育都有一定的影響。

(2)風向和風速

風作為常規的一種外營力，對土遺址上沖溝的發育有著一定的影響，尤其在干旱半干旱的西北地區，干旱半干旱的氣候特征導致該區常年以多風天氣為主。

該區終年多風，風向以西北和偏南為主(圖4)，多大風，極大風速28.8m/s。從表2可以看出，對于第1類沖溝來說，南、西立面的沖溝較東、北立面的深，相同的土體條件和風速下，墻體迎風面的沖深較大。而對于第2類沖溝來說，南、西立面的沖深較小，這主要是由于在西北、偏南風和集中降雨下，強烈的雨滴濺蝕，對土體有一定的壓實，使得土體的抗侵蝕能力提高，因而，沖溝的溝深較小。

(3)裂隙(縫)

存在的裂隙(縫)，就為墻體上的徑流提供了通道，于是就比較容易地導致其兩邊的土體崩墜，最后發育成沖溝。西夏王陵的沖溝中，第1類沖溝的沖深大于第2類沖溝，主要是由于墻體之間存在裂隙(縫)，導致第1類沖溝在其基礎上迅速發育。因此，裂隙(縫)對發育在墻體上的沖溝的發育過程和程度有很大的影響。

(4)氣溫條件

該區多年平均氣溫8.5℃，年較差32.4℃，日溫差12-15℃，1月最冷，平均-9.0℃，7月最高，平均23.4℃。年端最高氣溫39.3℃，極端最低氣溫-30.6℃。在強烈的溫差以及其他內外營力的長期作用下，引起裂隙(縫)的形成，為第1類沖溝的發育提供了條件。

(5)降雨類型

不同的降雨類型對沖溝的發育也有著十分重要的影響。暴雨，除了產生的徑流對土體有侵蝕作用外，雨滴的濺蝕也是一個重要的因素。從圖5可以看出，該地區降雨主要集中在夏季，占全年總降雨量的70％以上，且多以集中式暴雨方式降水為主，這樣便為沖溝的發育提供了條件。

(6)地震

地震作用對土遺址有一定的破壞作用，對土遺址上裂隙的發育有一定的影響。4號陵位處賀蘭山東麓斷裂帶，此斷裂帶更是新構造運動活躍區域。據不完全統計，此帶在近1000年內共發生破壞性地震9次，小震難以計數，其中最大震級8級。

(7)集水面積

集水面積越大，產流量越大。沖溝的中游，沖溝寬度減小，水深增大，加上水量增大，侵蝕能力增強，利于沖溝的發育。

六結論與討論

(1)我國干旱、半干旱區遺址土體的水理性質和力學性質與自然堆積物不盡相同，以及遺址體上沖溝特殊的產流和侵蝕方式，使得對土遺址上的沖溝的研究具有特殊的意義。

(2)對西夏王陵4號陵土遺址上沖溝進行分析，選出溝深、溝頭寬、寬深比和匯水面積作為度量沖溝的特征值。并根據其形成原因將其分為兩種類型：一種水流沿裂隙(縫)發展成的沖溝；另一種是在墻體上產生的徑流，沿墻體低洼區匯水后，沖刷墻面形成沖溝。

(3)影響西北干旱區土遺址上沖溝發育的主要因素有土體性質、風向、氣溫條件、裂隙(縫)、降雨類型、地震和集水面積等。

(4)雖然在土壤侵蝕方面取得了大量成果，但是得出的侵蝕方程大多為經驗方程，且其只適用于農業生產區。因此針對土遺址上沖溝的侵蝕研究還需繼續進行，得出一個侵蝕量與其影響因素之間的多因子關系式和侵蝕模型。