張 猛，楊志全，王振霖

(1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093； 2.湖南科技大學 地球科學與空間信息工程學院，湖南 湘潭 411100)

0 引言

重力侵蝕是指巖土體在重力作用下失去平衡而發(fā)生位移并堆積的過程，可分為滑坡、崩塌、瀉溜、泥(石)流等類型[1]。山區(qū)地形陡峭，地質環(huán)境脆弱，普遍存在侵蝕退化現(xiàn)象，加劇了坡體重力侵蝕的發(fā)育[2]。目前我國黃土高原地區(qū)、震后山區(qū)等存在大量的重力侵蝕現(xiàn)象，其具有明顯的地質災害特征，在強降雨作用下，破碎山體將會誘發(fā)新的次生山地災害，引發(fā)大規(guī)模的崩塌、滑坡、泥石流。重力侵蝕顯著的產沙輸沙效應會造成嚴重的水土流失、河道淤積、城鎮(zhèn)荒漠化[3]，故需深入探究重力侵蝕發(fā)育-啟動-運動-堆積全過程，揭示各個階段發(fā)生和演化的力學機理，建立泥沙輸移定量估算模型，為山區(qū)泥沙治理和防災減災工作提供決策依據(jù)。

然而，重力侵蝕成因機理復雜，侵蝕演化特征研究尚不夠深入，仍未形成對重力侵蝕定量化研究的有效方法。通過查閱國內外相關文獻發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學者對于震后重力侵蝕的研究集中在重力侵蝕啟動機理及臨界條件[4-8]，對于重力侵蝕機理及其產沙輸沙機制的定量研究較少。由于重力侵蝕的隨機性、突發(fā)性等特點，因此難以建立長期、系統(tǒng)、有效的坡體重力侵蝕監(jiān)測體系和方法，導致重力侵蝕發(fā)育-啟動-運動-堆積全過程監(jiān)測難以實現(xiàn)，數(shù)據(jù)難以獲取，進而導致基于力學機理的定量刻畫重力侵蝕過程模型研究無法深入。

本文對坡體重力侵蝕監(jiān)測技術與方法、特征機理和模型方法等進行了總結，指出了當前研究中存在的不足，并對坡體重力侵蝕未來的研究方向進行了展望。

1 坡體重力侵蝕監(jiān)測技術進展

常見的重力侵蝕監(jiān)測技術有實地調查法﹑模擬試驗法、測針法、3S集成法等。

1.1 實地調查法

實地調查法是一種傳統(tǒng)的重力侵蝕觀測方法，其可以獲取原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的準確性高，實用性強，是對典型區(qū)域重力侵蝕進行研究的重要手段。KARIMINEJAD等[9]基于現(xiàn)場調查研究了黃土衍生土壤區(qū)域極端降雨事件導致的地貌變化過程之間復雜的空間相互作用。

自20世紀80年代以來，實地調查法得到了廣泛應用。段釗等[10]根據(jù)流域災害調查數(shù)據(jù)，探究了流域重力侵蝕的主要特點，對重力侵蝕的時間、空間及時空分布特征進行了分析?；谛×饔颥F(xiàn)場調查， WANG等[11-12]對重力侵蝕影響因子進行了研究，認為重力侵蝕的發(fā)生與降雨、下墊面條件、坡度、入滲深度等密切相關，并進一步分析了各因子與重力侵蝕之間的關系。

然而，現(xiàn)場調查觀測存在投入大、周期長、觀測效率低等問題，無法實現(xiàn)長期、有效、大范圍觀測，而模擬試驗法則有效解決了上述問題，這是一種能類比自然條件、反演自然現(xiàn)象且投入小、可重復的研究方法。

1.2 模擬試驗法

室內模擬試驗和野外原位試驗均是盡可能完全模擬自然條件，進而探索坡體擾動、形變、破壞崩塌機理和進行坡體穩(wěn)定性評價的一種科學、合理、經(jīng)濟、可持續(xù)的途徑和方法。大自然特殊的侵蝕地貌是一個天然實驗室[13]，而現(xiàn)場實驗就是為了保持自然過程的規(guī)模和復雜性[14]。

由于重力侵蝕的隨機性強，發(fā)生過程不連續(xù)，野外調查和觀測結果不理想、觀測環(huán)境惡劣，要實現(xiàn)有效和系統(tǒng)的精確觀測難度很大。而通過室內模型試驗，可以在一定程度上復刻野外自然條件。王文龍等[15]以原生煤田區(qū)為研究對象，利用原位沖刷試驗探究了其地面侵蝕產沙的過程和規(guī)律。丁文斌等[16]對煤礦工程堆積體邊坡侵蝕特征及其臨界水動力條件進行了研究。MENGISTU等[17-19]通過人工降雨試驗分析了不同工況下的重力侵蝕產沙驅動因素和作用機制。RICHARD等[20]采用有限元或有限差分方法，在試驗和考慮更加復雜邊界條件對坡體穩(wěn)定性影響的基礎上建立了概化模型，并對重力侵蝕進行了分析。

室內模型試驗可以對多種試驗條件進行假定，在室內試驗中，尺度縮放是關鍵因素[21]，因為室內試驗旨在理想化自然過程、最小化復雜性，從而隔離關鍵變量的影響。雖然試驗能夠揭示在現(xiàn)場難以觀察或測量的現(xiàn)象，但是并不能完全真實地反映自然條件。

在研究坡體侵蝕破壞和泥沙輸移過程中，室內試驗、野外現(xiàn)場試驗都是受控的，這就提供了一種可靠的方法來隔離關鍵變量的影響，并進行確定的假設檢驗，但無法模擬自然環(huán)境下災害體的復雜性，從而影響了坡體重力侵蝕量與真實自然狀況的相關性[22-23]。因此，加強實地觀察和測量，注重尺度縮放在室內外模擬試驗中的關鍵作用，保持自然過程的規(guī)模和復雜性，降低時空分異是重力侵蝕監(jiān)測研究中需要重點關注的內容。

1.3 測針法

測針法是一種能夠精確測量地形表面特征點三維坐標的傳統(tǒng)測量方法，該方法的優(yōu)點在于監(jiān)測成本較低，常用于監(jiān)測小型崩塌。ROBI-CHAUD等[24]使用測針法對土壤微觀表面進行了測量試驗。高健健等[25]采用測針法和兜土法對辛店溝流域重力侵蝕發(fā)生的特點和影響因素進行了觀測，然而該方法在野外復雜地形和大區(qū)域的應用局限性較大，侵蝕嚴重時易導致測針被埋沒、破壞[26]。

1.4 3S集成法

20世紀90年代以來，3S技術在重力侵蝕定量監(jiān)測中的應用逐漸增多[27]，監(jiān)測范圍廣、分析計算結果精確度高，數(shù)據(jù)獲取和處理快捷、高效等是該技術相較于傳統(tǒng)監(jiān)測技術的優(yōu)勢，在定量描述重力產沙的影響因素、時空變化規(guī)律和侵蝕產沙速率等研究中的應用價值很大。遙感技術包括雷達[28]、航空攝影[29]、衛(wèi)星影像[30]等，已被廣泛應用于重力侵蝕監(jiān)測研究領域。盡管隨著技術的更新，監(jiān)測結果及其呈現(xiàn)的規(guī)律也更加真實有效，但隨著精度和尺度的提高，成本也迅速增加。影像分辨率、地物遮擋、特殊地貌特征等會對解譯精度產生影響，加大了重力侵蝕監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)處理及分析的難度。

2 坡體重力侵蝕特征機理研究現(xiàn)狀

不論是現(xiàn)場調查、模擬試驗還是基于先進技術的重力侵蝕監(jiān)測，大多是針對重力侵蝕形成和發(fā)展過程的現(xiàn)象、特征等的直觀研究，均未能完全考慮監(jiān)測對象內部細觀的特征變化、機理耦合過程等內在因素對坡體重力侵蝕的影響。因此，對基于坡體本身的重力侵蝕過程演化特征機理的研究顯得尤為重要。

2.1 坡體重力侵蝕影響因素研究

重力侵蝕成因機制復雜，影響因素眾多，大致可歸結為內因和外因兩類[31]。重力侵蝕的發(fā)生是多種影響因素非線性共同作用的結果，不同階段的主控因子也在不斷轉換。區(qū)域地形地質、氣象水文條件的特征等決定了該區(qū)域重力侵蝕的主要特點，而巖土體結構特性、下墊面狀況或者典型凍融環(huán)境等都是重力侵蝕發(fā)育和形成過程中的重要影響因素[32]。

1)巖土體理化性質

巖土體的物理化學性質包括物質結構、顆粒組成等，決定了重力侵蝕的啟動方式、形成規(guī)模和類型以及發(fā)展速率等。地層巖性對重力侵蝕的影響，究其本質是物質組成的不同使得坡體保持穩(wěn)定的臨界坡角不同[33]，并影響其風化程度，而風化作用同樣也是重力侵蝕的誘因之一[34]。

2)地形地貌

高山峽谷等復雜多樣的地形地貌是地球內外營力作用的結果，其作用強度決定了地形地貌的特點，重力侵蝕的發(fā)生頻率、作用類型和方向以及后續(xù)侵蝕強度等都與原始營力對抗強度密切相關[35]，其中坡度的增加會使坡體下滑力增大，并使坡體以更快的速度飽和，加速惡化坡體穩(wěn)定性，導致重力侵蝕的發(fā)生[36]。有研究表明[37-38]，只有溝坡的坡度大于巖土體的內摩擦角時才會發(fā)生失穩(wěn)破壞，高陡邊坡是重力侵蝕的重災區(qū)。

3)氣候

影響重力侵蝕的氣候因素主要為降雨，降雨是重力侵蝕的重要誘發(fā)因素。降雨使土體軟化，容重增大，基質吸力減弱，黏聚力減小，從而降低了土體抗剪強度，當土體下滑力大于抗滑力時，土體穩(wěn)定性便遭到破壞。降雨與重力侵蝕的產生一般具有同時性和滯后性，即重力侵蝕有可能在降雨過程中發(fā)生也有可能滯后[39]。有研究表明[40]，降雨不僅影響重力侵蝕的發(fā)生次數(shù)、侵蝕規(guī)模，還影響侵蝕的發(fā)生時間，并會促使坡體裂隙、溝道進一步橫向擴展和縱向加深，從而激發(fā)和加劇重力侵蝕的形成和發(fā)展。此外，凍融效應也是寒冷地區(qū)造成重力侵蝕蠕變的主要因素，凍融交替過程中，巖土體體積發(fā)生變化，邊坡的巖土體在重力作用下產生滑坡、垮塌等重力侵蝕現(xiàn)象[41]。

4)植被

植被對重力侵蝕的影響既可作為外因，也可作為內因，其與重力侵蝕間復雜的相互作用過程以及對重力侵蝕的雙向反饋是重力侵蝕研究領域中重要但尚未完全解決的問題之一。不少學者就植被對重力侵蝕發(fā)生的時間、侵蝕強度、發(fā)展規(guī)模及速率等規(guī)律進行了研究。植被對重力侵蝕的發(fā)生有一定的延緩作用，能降低極大規(guī)模重力侵蝕的侵蝕量，增加小規(guī)模重力侵蝕的發(fā)生頻率，且短期內植被會增加重力侵蝕速率[42]。但隨著植被覆蓋度的上升，也會在一定程度上降低重力侵蝕模數(shù)[43]。植被與重力侵蝕間相互作用關系，在不同的觸發(fā)及作用條件下所表現(xiàn)的作用方式也不相同，植被根系作用可以起到固結土體的作用[44]，但根系同樣可以作為土體水分入滲的媒介，參與并促進坡體重力侵蝕的發(fā)生[45]。

5)其他因素

人類工程建設活動既可以導致區(qū)域大范圍地形地貌變化，也可以在小范圍內引起局部孕災環(huán)境的劇變，進而影響坡體重力侵蝕的形成和發(fā)展[46]。人類工程活動通常會引起重力侵蝕的發(fā)生，極大地改變區(qū)域原始地質地形條件，使侵蝕營力環(huán)境發(fā)生不可逆的改變，且短期內該區(qū)域地質環(huán)境無法恢復[47-48]。有研究表明，地震是重力侵蝕的重要影響因素之一，主要表現(xiàn)為震中或震后的崩塌、滑坡和泥石流[49]，同時地震致使震區(qū)地質環(huán)境發(fā)生巨變，形成震裂山體并在坡體、溝道產生大量的松散物源，在強降雨作用下，極易引發(fā)大規(guī)模的重力侵蝕[50-51]。故在探究重力侵蝕的誘因和觸發(fā)條件時，應將地震納入討論中。

2.2 坡體重力侵蝕力學機理研究

重力侵蝕的隨機性和非連續(xù)性一般體現(xiàn)在多種因素綜合作用下，重力侵蝕有可能瞬時發(fā)生，也有可能滯后[52]。自然條件下，重力侵蝕是區(qū)域產沙輸沙的重要方式，而重力侵蝕的觸發(fā)、演變及形成過程極其復雜，是多種影響因素相互作用、非線性疊加的結果，但本質上仍然是力學范疇內的變化所引起的。

已有研究大多基于力學理論，將重力侵蝕與坡體穩(wěn)定、應力應變原理、巖土體內在條件等相結合，綜合分析重力侵蝕的力學機制[53-54]。李鐵鍵等[55-61]研究了強降雨條件下溝坡重力侵蝕產沙機制及其觸發(fā)頻率，以及植被對溝坡重力侵蝕的作用機制，對降雨誘發(fā)滑坡、泥石流的降雨閾值、作用機制和滑坡侵蝕強度進行了研究。CAZZADOR等[62]研究了地形坡度對溝壑重力侵蝕的發(fā)生演變、侵蝕強度和侵蝕產沙總量的影響，揭示了重力侵蝕機制。FULLER等[63]基于模擬降雨試驗，對邊坡的孔隙水壓力、含水量和濕潤鋒等進行了監(jiān)測，探討了不同巖土體顆粒組成、不同含水率下的崩崗侵蝕觸發(fā)機理及其侵蝕特征。

坡體重力侵蝕影響因素中的內因決定了巖土體抗剪強度，是誘發(fā)重力侵蝕的初始條件；外因則通過改變巖土體抗剪強度和坡體受力情況，進而引發(fā)重力侵蝕[64-66]。侵蝕過程中主控因子的轉換也同時影響重力侵蝕強度、速率、規(guī)模等特征[67]，但各因素間的相互作用和轉換關系、重力侵蝕過程演變機制等尚不明了，需要進一步研究。重力侵蝕顯著的產沙輸沙效應已經(jīng)嚴重威脅生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展，因此建立重力侵蝕模型、預測重力侵蝕量對于水土保持和防災減災工作尤為重要。

3 坡體重力侵蝕模型方法研究現(xiàn)狀

近年來，學者們開始將研究重點從單一力學機理研究轉向結合重力侵蝕過程機制、機理的模擬研究，建立了指標體系，并對重力侵蝕進行了易發(fā)性評價，進而結合過程中指標權重的變化評估了重力侵蝕規(guī)模。本文主要對常用的經(jīng)驗模型和物理模型進行總結。

國內外學者就模型參數(shù)對不同的地貌特征[68-69]、土壤類型[70-71]、土地利用類型[72]以及世界不同氣候區(qū)域[73]的不同土壤保護措施的適應性[74]進行了研究。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術的興起，大規(guī)模土壤侵蝕研究的優(yōu)勢可以更好地與模型兼容。BEHERA等[75]基于試驗結果，通過二元非線性回歸，建立了輸沙產沙與重力侵蝕影響因素之間的經(jīng)驗公式。但統(tǒng)計模型通常基于樣本數(shù)量和經(jīng)驗判斷，模型缺乏對機理過程的描述和刻畫。

也正是由于統(tǒng)計模型的局限性，一些學者以重力侵蝕力學機理為切入點，從空間和時間尺度、輸入和輸出變量、控制方程、模型強度、模型效率等方面考慮，構建了泥沙顆粒運動物理方程模擬水文、土壤侵蝕和泥沙輸移過程[76-78]。同時結合傳統(tǒng)水、土力學理論和分析方法對溝坡進行力學分析，評估坡體穩(wěn)定性和可靠性，得到了滑坡侵蝕的簡化模型[41]。部分學者還將數(shù)值仿真分析技術應用于溝坡穩(wěn)定性分析和評價中，為重力侵蝕機理量化分析提供了基礎[48,79-80]?，F(xiàn)有研究成果涉及模擬重力侵蝕規(guī)模及其演化的較少，僅有極少數(shù)學者以數(shù)字模型框架為基礎，通過耦合集成坡面降雨徑流模型、土壤侵蝕模型和溝道不平衡輸沙模型，實現(xiàn)重力侵蝕發(fā)生概率和規(guī)模的侵蝕產沙模型的建立[81-82]。

4 存在的問題

綜上所述，國內外對坡體重力侵蝕影響因素、室內外試驗觀測、特征分析與過程轉化機理和模型方法等的研究已經(jīng)取得許多有益的成果，但要深入探究重力侵蝕發(fā)育-啟動-運動-堆積全過程，闡明各個階段發(fā)生和演化特征，揭示其力學機理，建立泥沙輸移定量估算模型，仍有許多問題需要解決：

a.重力侵蝕現(xiàn)象本身具有極強的隨機性、突發(fā)性，要建立一套符合重力侵蝕且科學、合理、系統(tǒng)、有效的觀測體系和方法極為困難，坡體侵蝕過程中重力侵蝕與其他侵蝕大多是共同存在、相互影響和相互作用的，僅從觀測角度并不能完全將其區(qū)分開。

b.現(xiàn)有觀測主要是試驗和典型小流域觀測，觀測難度大、投入多、周期長、效率低、時空分異性強，且大多是針對坡體失穩(wěn)啟動、堆積等單一過程的觀測分析，缺乏對重力侵蝕發(fā)育-啟動-運動-堆積全過程的動態(tài)觀測分析。

c.重力侵蝕影響因素眾多，成因機制復雜，各影響因素間的相互作用呈非線性疊加。已有的機理研究簡化了作用過程，忽略了各因素的疊加及相互作用，脫離了實際，側重于定性分析，缺乏定量化成果來揭示重力侵蝕與其影響因素間復雜的耦合關系。

d.重力侵蝕全過程連續(xù)模型稀缺，已有研究大多刻畫單一階段，計算精度低、移植性差，機理研究不深入，大多基于力學理論方法，將重力侵蝕與坡體穩(wěn)定、應力應變原理、巖土體內在條件等相結合，鮮有對重力侵蝕過程演化、規(guī)模特征及其強度特性等進行模擬研究的報道。

5 展望

為繼續(xù)攻克重力侵蝕研究中的重點、難點和關鍵科學問題，在未來的研究工作中，建議關注以下幾個方面：

a.加強坡體重力侵蝕的定量研究。包括揭示坡體重力侵蝕過程中主控因子的轉換關系和方式，各因子之間的耦合作用關系、重力侵蝕的觸發(fā)和過程演化機理，量化作用關系等。

b.融合新技術、新理念實現(xiàn)重力侵蝕大范圍、連續(xù)性、系統(tǒng)性動態(tài)過程觀測。目前鮮見融合多種技術手段研究重力侵蝕發(fā)育、產生、演變過程等的成果。

c.需要在不同地域時空范圍內，通過實地調查掌握重力侵蝕現(xiàn)狀，以及通過室內外試驗探究其觸發(fā)機理和產沙機制等，結合3S技術進行動態(tài)定量觀測，獲取系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)和資料，為進一步研究重力侵蝕機理提供數(shù)據(jù)支撐。

d.建立重力侵蝕過程模型。單純采用經(jīng)驗統(tǒng)計模型或物理過程模型，現(xiàn)階段均難以表征重力侵蝕過程，要基于合適的建模尺度，將兩種模型結合起來，取長補短，建立能表征重力侵蝕過程演化、主控因子轉換及因子間相互作用的本構關系模型，以達到操作方式更便捷、模擬過程更高效、分析結果更精確的效果。