第五节 山洪灾害的形成过程
一、坡面产流汇流
降雨引起的洪水及水土流失主要从坡面上产生和汇集，降雨产流和土壤侵蚀过程一般从坡面上开始。坡面产流与由此产生的坡面土壤侵蚀产沙是山洪灾害形成的首要环节。
（一）坡面产流
1.土壤入渗
降雨开始时，降落到坡面上的雨水产生下渗，当降雨强度大于下渗强度或土壤蓄水能力达到饱和时，坡面会产生多余的降水量，并在重力的作用下沿坡面流动形成坡面流。坡面流是降雨与土壤入渗过程相互作用的具体结果和表现形式。降雨和土壤入渗直接决定了产流过程和产流量。
在降雨的不同时间、不同条件下，下渗过程也不同。一次降雨的下渗量要比植物截留量大得多。随降雨的特征及下渗特征的不同，下渗量可占降雨量的百分之几十到全部，由几毫米到上百毫米。下渗强度随土壤含水量的增加而降低。
我国干旱地区植被较差，降雨稀少，地下水埋藏深，土壤缺水量大。一次降雨往往难以满足土壤的含水量需要。要产生地面径流，必须满足降雨强度大于下渗率的条件，这种产流模式称为超渗产流，即当
i＞f时，有
i＜f时，有
式中 i——降雨强度，mm/h；
f——下渗强度，mm/h；
t——降水历时，h；
Rs——地表径流深，mm。
在我国湿润地区，因年降雨充沛，地下水位高，包气带缺水量小，土壤下渗能力强。降雨时，当土壤缺水量未满足时，不易产流；而一旦包气带土层缺水量满足后，则全部降水直接转变为地表径流，这种产流方式称为蓄满产流。
式中 Rs——降雨形成径流深，mm；
P——一次降雨总量，mm；
Wm——流域平均最大蓄水量，mm；
W0——降雨开始时流域平均蓄水量，mm；
E——降雨期间蒸发量，mm。
对于暴雨山洪这种特殊形势下的径流来讲，由于一般均是在短历时强暴雨作用下发生的，无论是在中国干旱还是湿润地区，其产流形式主要是超渗产流，不同的是在湿润地区需要更大的降雨强度。
2.蒸发
蒸发是影响径流的重要因素之一，由降雨产生的水量中，很大一部分被蒸发掉了。据统计，中国湿润地区年降水量的30%～50%和干旱地区80%～95%都耗于蒸发，剩余部分才作为下渗和径流部分。流域的蒸发时时刻刻都在发生，但对于山洪的产流过程来说因整个过程非常短，其蒸发作用仅对前期土壤含水量有影响，雨间蒸发可忽略不计。
3.地下水
地下水指在土层下及岩石空隙、裂隙和洞穴中的水。由地下水补给区向排泄区流动的地下水称为地下径流，它与地面径流构成了径流的两个部分。一般来说，地面径流是由于超渗雨而产生的。在暴雨条件下，径流量很大，汇流迅速，极易形成大的洪峰。而地下径流是由于重力下渗的水分经过地下渗流而形成的，径流量小，出流慢，对山洪的形成作用不大。
（二）汇流过程
1.坡面汇流
水体在流域坡面上的运动，称为坡面汇流。坡面通常由土壤、植被、岩石及松散风化层所构成。人类的经济活动，如农业耕作、水利工程和山区城镇建设主要在坡面上进行。由于微地形的影响，坡面流一般是沟状流，降雨强度很大时，也可能是片状流。由于坡面表面粗糙度大，以致水流阻力很大、流速较慢；坡面流程也不长，仅100m左右，因此坡面汇流与流域产流几乎是同步进行的。在坡面汇流过程中，降雨的补充、下渗和蒸发作用同时发生，但其影响程度多有不同。
2.沟道汇流
经过坡面的水流进入沟道后的运动，称为沟道汇流或河网汇流。流域中的大小支沟组成及分布错综复杂，在各支沟的出口相互之间均有不同程度的干扰作用，因此沟道汇流要比坡面汇流复杂。沟道汇流流速比坡面汇流流速快，但由于沟道长度均长于坡面，沟道汇流的时间比坡面汇流时间长。流域面积越大，沟道越长，越不利于山洪的形成。所以山洪一般发生在较小的流域中，其汇流形式以坡面汇流为主。
3.影响流域水流运动的主要因素
（1）降雨空间分布和产流面积的变化。降雨空间分布的不均匀性是普遍存在的现象。同样的降雨总量和降雨过程，其空间分布不同，所形成的洪水过程也不同。暴雨中心在下游所形成的洪水与中心在上游的洪水相比，其过程线形状尖瘦，洪峰出现的时间早。
流域的产流面积随时间而变化，除取决于降雨的时空变化外，还与下垫面的产流条件有关。产流面积的大小和产流区域在流域中的位置，直接影响山洪的出流过程。此外，降雨中心若是从上游向下游移动，形成的洪峰量大峰高；反之则峰量较小。
（2）降雨强度对流域汇流的影响。不同的降雨强度对流域汇流的供水强度不同，对于同样的降水总量，雨强越大，洪峰流量越大，流量过程线也越显尖瘦。
（3）流域坡度和流域水系形状对流域汇流的影响。流域的平均坡度越大，坡面流速和沟道流速越快。降雨形成山洪所需的时间越短。流域形状和水系分布对山洪的影响也是明显的。扇形流域水系［图1-11（a）］最有利于水流的汇集，各支流径流几乎同时到达主沟，主沟一般较短，调蓄功能较弱，易形成大的径流量；平行水系［图1-11（b）］（或羽状水系）则由于各支沟洪水在主沟的不同区段分别汇入主沟，并且在向沟口流动时又经沟道较长距离的调蓄作用，形成的径流流量相对较小，对山洪的形成不利；树枝状水系［图1-11（c）］对山洪的影响作用介于前两者之间（图1-11）。
图1-11 水系形状示意图
（4）水源比例对流域汇流的影响。降雨后形成的地表流、表层流和地下水流比例上的差异主要与降雨强度和下垫面的土壤、植被以及地质条件有关。所形成的洪峰流量过程尖瘦。在山洪的形成过程中，几乎不含有表层流和地下水流的成分。
二、坡面产沙
降雨径流是坡面水力侵蚀的主要动力，坡面侵蚀产沙能力往往取决于降雨的直接影响。一般而言，在下垫面相同时，坡面侵蚀产沙过程的变化，主要取决于降雨径流的侵蚀作用力和地表土壤抗蚀力两个方面。其中，在降雨的打击下，坡面表层土壤的微结构变化，反映了在降雨、入渗、产流的水的作用下，土表层密实与分解状态下土壤抗蚀力的变化特征。降雨溅蚀的作用较强；长历时的降雨，地表径流的汇集，其侵蚀能力较大。
1.通用土壤流失方程
自20世纪50年代以来，国内外发展了许多区域性的经验方程，主要考虑了降雨强度和过程、坡度、土壤特性、地表条件等因素。最具代表性的通用土壤流失方程是收集了美国21个州36个地区的大量暴雨和土壤侵蚀资料，通过对各因素进行多重回归试验分析，得到的经验公式，即
式中 A——单位面积多年平均土壤流失量，kg/（m2·a）；
R——降雨侵蚀力，R=EI；
E——降雨动能，kg·m/（m2·mm）；
I——雨强，mm/h；
K——土壤侵蚀性因子；
L——坡长因子；
S——坡度因子；
C——作物管理因子；
P——土壤保持措施因子。
事实上，坡面土壤侵蚀过程可以简单地概括为坡面水流与地表土壤颗粒的相互作用过程，即坡面水流动力作用下的土壤颗粒的剥蚀和运输过程。
坡面流总是首先引起面流侵蚀，逐步形成细沟，导致坡面流的集中，进而产生细沟侵蚀，之后随着细沟的不断发育合并发展成为更大的浅沟、切沟等。因此，可将坡面流侵蚀概括为面蚀和细沟侵蚀两部分。
2.产沙过程
山洪中含有大量的泥沙石块是它区别于一般洪水的特征之一。山洪中所挟带的泥沙物质是由剥蚀过程以及流域中所积累的过去山洪的携带物、冲积物和冰水沉积物等所形成。
剥蚀作用是指地球表面上岩石破坏过程及破坏产物从其形成地点移往较低地点的搬运过程的总称。对于山洪而言，最重要的有3种剥蚀过程或作用，即风化作用、破坏产物沿坡面移动（如崩塌、滑坡等）和侵蚀作用。这些不仅能直接为山洪提供丰富的物质来源，而且为壅塞溃决型山洪的形成准备了有利的条件。
（1）地质因素。山洪挟带泥沙极多的地区，绝大多数是地质构造复杂、断裂褶皱发育、新构造运动强烈、地震烈度大的地区，这些地区导致地表岩层破碎以及发生山崩、滑坡、崩塌、错落等不良地质现象，为山洪提供了丰富的固体物质来源。
（2）风化作用。风化作用是指矿物和岩石长期处在地球表面，在物理、化学等外动力条件下所产生的物理状态与化学成分的变化。风化作用有3种类型，即物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。各种风化作用在自然界中是彼此交错进行不可分割的。只是在不同的时间、地点条件下，表现为某些作用的活动强一些，另一些作用的活动弱一些而已。
1）物理风化作用。物理风化作用是指由于温度的变化使岩石分散为形状与数量各不相同的许多个别碎块，或分散为其各个组成的矿物成分。在昼夜温度差别很大的地方，在大陆性气候地区，特别是干旱地区，这种现象非常显著。由于岩石的导热性差，因而急剧的温度变化就引起各部分（各层）体积变化的不均匀，从而形成裂缝，随后岩石发生分裂现象。在寒带地区，尤其是高山地区雪线附近，冻胀风化在物理风化中起着重要作用。这是因为水渗入岩石的缝隙或空隙后，因温度下降而冻结，水冻结后体积会膨胀。据试验，水结冻时加给岩石裂缝壁面上的压力可达600kg/cm2，足以使岩石发生破坏。物理风化作用只是指岩石由大块变成小块，由小块变成砂与细土的现象，而岩石化学成分不发生变化或变化极少。
2）化学风化作用。由于空气中的氧气、水、二氧化碳和各种水溶液的作用，引起岩石中的化学成分发生变化的作用称为化学风化作用。它与物理风化作用的区别就在于，化学风化作用不仅岩石破坏，而且还使岩石的矿物成分有显著的改变。
3）生物风化作用。生物风化作用是指生物在生长或活动过程中使岩石发生破坏的作用。例如，植物根系和动物活动的孔穴，以及生物分泌的有机酸与岩石作用，致使岩石发生崩解、分解破坏，逐步形成土壤。
残积层是指在原有岩石处形成的新的松散层，坡积层是指移动到剥蚀基面（坡脚）的风化产物；而坠积层是指已停止运动的风化产物。
移动的方式主要可分为：崩解、滑坡、剥落、土流、覆盖层崩塌等。
松散物质在坡面上能停住不动的最大倾角为休止角，或称安息角。休止角随松散堆积体构成物质的特征而不同，在25°～50°范围内变化。石块越大，且其外形越不规则，棱角也越多，其休止角也越大。石灰岩岩堆的休止角为32°～34°；页岩岩堆的休止角为26°～32°。
物理风化能将岩石变碎，减小其休止角，这样就能促使坡积物沿坡面向下移动。
4）侵蚀作用。侵蚀泛指在风和水的作用下，地面泥沙、石块剥蚀并产生转运和沉积的整个过程。对于山洪，主要是水蚀的作用。水蚀又是雨蚀、面蚀、沟蚀、冰（雪）水蚀、浪蚀等侵蚀的总称。
a.雨蚀。雨滴的冲蚀作用是十分巨大的，降雨侵蚀土量约有80%是雨滴剥离而造成的，其余部分才是地表流水侵蚀造成的，所以侵蚀量很大程度上取决于暴雨的强度及冲击力。雨滴降落到地面的最大速度可达8～9m/s，据试验，降雨时雨滴冲击地面或覆在地面上的薄水层，使土粒从原位分离、破碎、激溅离地面的土粒跃起高度可超过75cm，在平地上，土粒激溅的水平距离可达到1.5m。
b.面蚀。面蚀指分散的地表径流从地表冲走表层的土粒。面蚀是径流的开始阶段，是由坡面径流引起的，多发生在没有植被覆盖的荒坡地或坡耕地。坡面径流具有无固定方向和冲力较小的特点，因而从地面带走的仅是表层土粒。由于面蚀所冲走的是最肥沃的表层土，且影响面积较大，因此无论是对农业生产的危害，还是对于山洪的形成影响都是很大的。面蚀的数量取决于坡面风化产物的数量与特性，以及地面径流的强度。根据面蚀的方式及其表现形式，面蚀还可分为3类，即层状面蚀、细沟状面蚀和鳞片状面蚀。
c.沟蚀。沟蚀是指集中的水流侵蚀。沟蚀的影响面积不如面蚀大，但沟蚀对土壤的破坏程度则远比面蚀严重。沟蚀由于水流集中，一遇较大山洪，发展异常迅速，对于耕地面积的完善，灌溉渠道及铁路、公路的桥梁及涵洞等建筑物都有很大的危害。
沟蚀按其发展程度，可分为3种。
浅沟侵蚀。一般深达0.5～1.0m、宽约1.0m。横断面呈扁平状，后来逐步切入母质层。
中沟侵蚀。沟宽达2.0～10.0m。
大沟侵蚀。沟宽在10.0m以上，沟床下切至少在1.0m以上，沟的断面呈狭长形，危害严重。
d.其他侵蚀。主要有冰（雪）侵蚀、浪蚀和陷穴侵蚀。陷穴侵蚀多发生在中国黄土区，原因是黄土疏松多孔，多垂直节理，并含有很多的可溶性碳酸钙，降雨后雨水下渗，溶解并带走这些可溶性物质，日积月累，内部形成空洞，至下部不能负担上部重量时，即下陷而形成陷穴。