第五節 山洪災害的形成過程
一、坡面產流匯流
降雨引起的洪水及水土流失主要從坡面上產生和匯集，降雨產流和土壤侵蝕過程一般從坡面上開始。坡面產流與由此產生的坡面土壤侵蝕產沙是山洪災害形成的首要環節。
（一）坡面產流
1.土壤入滲
降雨開始時，降落到坡面上的雨水產生下滲，當降雨強度大于下滲強度或土壤蓄水能力達到飽和時，坡面會產生多余的降水量，并在重力的作用下沿坡面流動形成坡面流。坡面流是降雨與土壤入滲過程相互作用的具體結果和表現形式。降雨和土壤入滲直接決定了產流過程和產流量。
在降雨的不同時間、不同條件下，下滲過程也不同。一次降雨的下滲量要比植物截留量大得多。隨降雨的特征及下滲特征的不同，下滲量可占降雨量的百分之幾十到全部，由幾毫米到上百毫米。下滲強度隨土壤含水量的增加而降低。
我國干旱地區植被較差，降雨稀少，地下水埋藏深，土壤缺水量大。一次降雨往往難以滿足土壤的含水量需要。要產生地面徑流，必須滿足降雨強度大于下滲率的條件，這種產流模式稱為超滲產流，即當
i＞f時，有
i＜f時，有
式中 i——降雨強度，mm/h；
f——下滲強度，mm/h；
t——降水歷時，h；
Rs——地表徑流深，mm。
在我國濕潤地區，因年降雨充沛，地下水位高，包氣帶缺水量小，土壤下滲能力強。降雨時，當土壤缺水量未滿足時，不易產流；而一旦包氣帶土層缺水量滿足后，則全部降水直接轉變為地表徑流，這種產流方式稱為蓄滿產流。
式中 Rs——降雨形成徑流深，mm；
P——一次降雨總量，mm；
Wm——流域平均最大蓄水量，mm；
W0——降雨開始時流域平均蓄水量，mm；
E——降雨期間蒸發量，mm。
對于暴雨山洪這種特殊形勢下的徑流來講，由于一般均是在短歷時強暴雨作用下發生的，無論是在中國干旱還是濕潤地區，其產流形式主要是超滲產流，不同的是在濕潤地區需要更大的降雨強度。
2.蒸發
蒸發是影響徑流的重要因素之一，由降雨產生的水量中，很大一部分被蒸發掉了。據統計，中國濕潤地區年降水量的30%～50%和干旱地區80%～95%都耗于蒸發，剩余部分才作為下滲和徑流部分。流域的蒸發時時刻刻都在發生，但對于山洪的產流過程來說因整個過程非常短，其蒸發作用僅對前期土壤含水量有影響，雨間蒸發可忽略不計。
3.地下水
地下水指在土層下及巖石空隙、裂隙和洞穴中的水。由地下水補給區向排泄區流動的地下水稱為地下徑流，它與地面徑流構成了徑流的兩個部分。一般來說，地面徑流是由于超滲雨而產生的。在暴雨條件下，徑流量很大，匯流迅速，極易形成大的洪峰。而地下徑流是由于重力下滲的水分經過地下滲流而形成的，徑流量小，出流慢，對山洪的形成作用不大。
（二）匯流過程
1.坡面匯流
水體在流域坡面上的運動，稱為坡面匯流。坡面通常由土壤、植被、巖石及松散風化層所構成。人類的經濟活動，如農業耕作、水利工程和山區城鎮建設主要在坡面上進行。由于微地形的影響，坡面流一般是溝狀流，降雨強度很大時，也可能是片狀流。由于坡面表面粗糙度大，以致水流阻力很大、流速較慢；坡面流程也不長，僅100m左右，因此坡面匯流與流域產流幾乎是同步進行的。在坡面匯流過程中，降雨的補充、下滲和蒸發作用同時發生，但其影響程度多有不同。
2.溝道匯流
經過坡面的水流進入溝道后的運動，稱為溝道匯流或河網匯流。流域中的大小支溝組成及分布錯綜復雜，在各支溝的出口相互之間均有不同程度的干擾作用，因此溝道匯流要比坡面匯流復雜。溝道匯流流速比坡面匯流流速快，但由于溝道長度均長于坡面，溝道匯流的時間比坡面匯流時間長。流域面積越大，溝道越長，越不利于山洪的形成。所以山洪一般發生在較小的流域中，其匯流形式以坡面匯流為主。
3.影響流域水流運動的主要因素
（1）降雨空間分布和產流面積的變化。降雨空間分布的不均勻性是普遍存在的現象。同樣的降雨總量和降雨過程，其空間分布不同，所形成的洪水過程也不同。暴雨中心在下游所形成的洪水與中心在上游的洪水相比，其過程線形狀尖瘦，洪峰出現的時間早。
流域的產流面積隨時間而變化，除取決于降雨的時空變化外，還與下墊面的產流條件有關。產流面積的大小和產流區域在流域中的位置，直接影響山洪的出流過程。此外，降雨中心若是從上游向下游移動，形成的洪峰量大峰高；反之則峰量較小。
（2）降雨強度對流域匯流的影響。不同的降雨強度對流域匯流的供水強度不同，對于同樣的降水總量，雨強越大，洪峰流量越大，流量過程線也越顯尖瘦。
（3）流域坡度和流域水系形狀對流域匯流的影響。流域的平均坡度越大，坡面流速和溝道流速越快。降雨形成山洪所需的時間越短。流域形狀和水系分布對山洪的影響也是明顯的。扇形流域水系［圖1-11（a）］最有利于水流的匯集，各支流徑流幾乎同時到達主溝，主溝一般較短，調蓄功能較弱，易形成大的徑流量；平行水系［圖1-11（b）］（或羽狀水系）則由于各支溝洪水在主溝的不同區段分別匯入主溝，并且在向溝口流動時又經溝道較長距離的調蓄作用，形成的徑流流量相對較小，對山洪的形成不利；樹枝狀水系［圖1-11（c）］對山洪的影響作用介于前兩者之間（圖1-11）。
圖1-11 水系形狀示意圖
（4）水源比例對流域匯流的影響。降雨后形成的地表流、表層流和地下水流比例上的差異主要與降雨強度和下墊面的土壤、植被以及地質條件有關。所形成的洪峰流量過程尖瘦。在山洪的形成過程中，幾乎不含有表層流和地下水流的成分。
二、坡面產沙
降雨徑流是坡面水力侵蝕的主要動力，坡面侵蝕產沙能力往往取決于降雨的直接影響。一般而言，在下墊面相同時，坡面侵蝕產沙過程的變化，主要取決于降雨徑流的侵蝕作用力和地表土壤抗蝕力兩個方面。其中，在降雨的打擊下，坡面表層土壤的微結構變化，反映了在降雨、入滲、產流的水的作用下，土表層密實與分解狀態下土壤抗蝕力的變化特征。降雨濺蝕的作用較強；長歷時的降雨，地表徑流的匯集，其侵蝕能力較大。
1.通用土壤流失方程
自20世紀50年代以來，國內外發展了許多區域性的經驗方程，主要考慮了降雨強度和過程、坡度、土壤特性、地表條件等因素。最具代表性的通用土壤流失方程是收集了美國21個州36個地區的大量暴雨和土壤侵蝕資料，通過對各因素進行多重回歸試驗分析，得到的經驗公式，即
式中 A——單位面積多年平均土壤流失量，kg/（m2·a）；
R——降雨侵蝕力，R=EI；
E——降雨動能，kg·m/（m2·mm）；
I——雨強，mm/h；
K——土壤侵蝕性因子；
L——坡長因子；
S——坡度因子；
C——作物管理因子；
P——土壤保持措施因子。
事實上，坡面土壤侵蝕過程可以簡單地概括為坡面水流與地表土壤顆粒的相互作用過程，即坡面水流動力作用下的土壤顆粒的剝蝕和運輸過程。
坡面流總是首先引起面流侵蝕，逐步形成細溝，導致坡面流的集中，進而產生細溝侵蝕，之后隨著細溝的不斷發育合并發展成為更大的淺溝、切溝等。因此，可將坡面流侵蝕概括為面蝕和細溝侵蝕兩部分。
2.產沙過程
山洪中含有大量的泥沙石塊是它區別于一般洪水的特征之一。山洪中所挾帶的泥沙物質是由剝蝕過程以及流域中所積累的過去山洪的攜帶物、沖積物和冰水沉積物等所形成。
剝蝕作用是指地球表面上巖石破壞過程及破壞產物從其形成地點移往較低地點的搬運過程的總稱。對于山洪而言，最重要的有3種剝蝕過程或作用，即風化作用、破壞產物沿坡面移動（如崩塌、滑坡等）和侵蝕作用。這些不僅能直接為山洪提供豐富的物質來源，而且為壅塞潰決型山洪的形成準備了有利的條件。
（1）地質因素。山洪挾帶泥沙極多的地區，絕大多數是地質構造復雜、斷裂褶皺發育、新構造運動強烈、地震烈度大的地區，這些地區導致地表巖層破碎以及發生山崩、滑坡、崩塌、錯落等不良地質現象，為山洪提供了豐富的固體物質來源。
（2）風化作用。風化作用是指礦物和巖石長期處在地球表面，在物理、化學等外動力條件下所產生的物理狀態與化學成分的變化。風化作用有3種類型，即物理風化作用、化學風化作用和生物風化作用。各種風化作用在自然界中是彼此交錯進行不可分割的。只是在不同的時間、地點條件下，表現為某些作用的活動強一些，另一些作用的活動弱一些而已。
1）物理風化作用。物理風化作用是指由于溫度的變化使巖石分散為形狀與數量各不相同的許多個別碎塊，或分散為其各個組成的礦物成分。在晝夜溫度差別很大的地方，在大陸性氣候地區，特別是干旱地區，這種現象非常顯著。由于巖石的導熱性差，因而急劇的溫度變化就引起各部分（各層）體積變化的不均勻，從而形成裂縫，隨后巖石發生分裂現象。在寒帶地區，尤其是高山地區雪線附近，凍脹風化在物理風化中起著重要作用。這是因為水滲入巖石的縫隙或空隙后，因溫度下降而凍結，水凍結后體積會膨脹。據試驗，水結凍時加給巖石裂縫壁面上的壓力可達600kg/cm2，足以使巖石發生破壞。物理風化作用只是指巖石由大塊變成小塊，由小塊變成砂與細土的現象，而巖石化學成分不發生變化或變化極少。
2）化學風化作用。由于空氣中的氧氣、水、二氧化碳和各種水溶液的作用，引起巖石中的化學成分發生變化的作用稱為化學風化作用。它與物理風化作用的區別就在于，化學風化作用不僅巖石破壞，而且還使巖石的礦物成分有顯著的改變。
3）生物風化作用。生物風化作用是指生物在生長或活動過程中使巖石發生破壞的作用。例如，植物根系和動物活動的孔穴，以及生物分泌的有機酸與巖石作用，致使巖石發生崩解、分解破壞，逐步形成土壤。
殘積層是指在原有巖石處形成的新的松散層，坡積層是指移動到剝蝕基面（坡腳）的風化產物；而墜積層是指已停止運動的風化產物。
移動的方式主要可分為：崩解、滑坡、剝落、土流、覆蓋層崩塌等。
松散物質在坡面上能停住不動的最大傾角為休止角，或稱安息角。休止角隨松散堆積體構成物質的特征而不同，在25°～50°范圍內變化。石塊越大，且其外形越不規則，棱角也越多，其休止角也越大。石灰巖巖堆的休止角為32°～34°；頁巖巖堆的休止角為26°～32°。
物理風化能將巖石變碎，減小其休止角，這樣就能促使坡積物沿坡面向下移動。
4）侵蝕作用。侵蝕泛指在風和水的作用下，地面泥沙、石塊剝蝕并產生轉運和沉積的整個過程。對于山洪，主要是水蝕的作用。水蝕又是雨蝕、面蝕、溝蝕、冰（雪）水蝕、浪蝕等侵蝕的總稱。
a.雨蝕。雨滴的沖蝕作用是十分巨大的，降雨侵蝕土量約有80%是雨滴剝離而造成的，其余部分才是地表流水侵蝕造成的，所以侵蝕量很大程度上取決于暴雨的強度及沖擊力。雨滴降落到地面的最大速度可達8～9m/s，據試驗，降雨時雨滴沖擊地面或覆在地面上的薄水層，使土粒從原位分離、破碎、激濺離地面的土粒躍起高度可超過75cm，在平地上，土粒激濺的水平距離可達到1.5m。
b.面蝕。面蝕指分散的地表徑流從地表沖走表層的土粒。面蝕是徑流的開始階段，是由坡面徑流引起的，多發生在沒有植被覆蓋的荒坡地或坡耕地。坡面徑流具有無固定方向和沖力較小的特點，因而從地面帶走的僅是表層土粒。由于面蝕所沖走的是最肥沃的表層土，且影響面積較大，因此無論是對農業生產的危害，還是對于山洪的形成影響都是很大的。面蝕的數量取決于坡面風化產物的數量與特性，以及地面徑流的強度。根據面蝕的方式及其表現形式，面蝕還可分為3類，即層狀面蝕、細溝狀面蝕和鱗片狀面蝕。
c.溝蝕。溝蝕是指集中的水流侵蝕。溝蝕的影響面積不如面蝕大，但溝蝕對土壤的破壞程度則遠比面蝕嚴重。溝蝕由于水流集中，一遇較大山洪，發展異常迅速，對于耕地面積的完善，灌溉渠道及鐵路、公路的橋梁及涵洞等建筑物都有很大的危害。
溝蝕按其發展程度，可分為3種。
淺溝侵蝕。一般深達0.5～1.0m、寬約1.0m。橫斷面呈扁平狀，后來逐步切入母質層。
中溝侵蝕。溝寬達2.0～10.0m。
大溝侵蝕。溝寬在10.0m以上，溝床下切至少在1.0m以上，溝的斷面呈狹長形，危害嚴重。
d.其他侵蝕。主要有冰（雪）侵蝕、浪蝕和陷穴侵蝕。陷穴侵蝕多發生在中國黃土區，原因是黃土疏松多孔，多垂直節理，并含有很多的可溶性碳酸鈣，降雨后雨水下滲，溶解并帶走這些可溶性物質，日積月累，內部形成空洞，至下部不能負擔上部重量時，即下陷而形成陷穴。