梯田型黄土滑坡隐患发育特征与成因分析——以宁夏南部黄土丘陵区为例

毛正君，张瑾鸽，仲佳鑫，王军

（1. 西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；2. 西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院，陕西 西安 710054；3. 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；4. 宁夏回族自治区国土资源调查监测院，宁夏 银川 750002；5. 宁夏回族自治区矿产地质调查院，宁夏 银川 750021）

0 引言

“三调”数据显示，我国坡度大于6°的耕地有2.91×107ha，占耕地总面积的22.75%[1]。坡耕地是水土流失最严重的地类之一，同时水土流失会导致土壤和养分流失，也是造成区域生态环境恶化、生产力低下的根本原因[2]。为深入贯彻黄河流域生态保护和高质量发展战略，坡耕地综合治理是黄河流域水土流失治理的重要内容，是关系到农业可持续发展的紧迫问题[3]。其中，梯田建设是黄土高原水土流失治理中广泛采用的一项主要工程措施[4]。“梯田”一词最早出现在宋代，有明确记述及可考证的是在明、清两代[5]，20 世纪40 年代初天水水土保持科学实验站在梁家坪进行了沟洫梯田的试验示范。陈蝶等[6]、王彦武等[7]认为梯田是在丘陵山坡地上沿等高线方向修筑的条状台阶式或波浪式断面的田地，由不同大小和形状的平面结构组成，田面可用于耕作，边缘用土或石块砌成梯级状田埂，以防治水土流失。张宏鸣等[8]指出梯田的修筑在很大程度上开发了坡耕地的农业生长潜力，具有蓄水、保土作用，广泛分布在北方黄土高原区和南方低山丘陵区。坡改梯工程实施后，可以改变小地形，有效降低地面坡度，从而增加入渗、减少径流速率，提高土壤质量，可减少水土流失量90%，是建设可持续发展基本农田的可靠保证[3]。

从20 世纪80 年代“三西”建设开始，宁夏南部地区进行了大面积的坡改梯工程[9−10]。国内外学者主要开展了降雨入渗对梯田边坡稳定性的影响、侵蚀破坏过程、坡形优化设计等方面研究。Giordan等[11]采用LiDAR和现场调查的方法对意大利西北部Liguria 地区的滑坡开展调查，发现梯田农业区比森林和半自然区更容易发生浅层滑坡。Camera等[12]为深入了解意大利阿尔泰利纳山谷发生的梯田边坡浅表大规模移动过程，在对降雨事件和地下水运动进行深入监测的基础上，对地下水运动进行了详细的数值模拟和相关的稳定性分析，结果表明基岩与墙体回填土接触处的地下水位的形成以及回填土的饱和是梯田边坡失稳的决定因素。Wen等[13]为研究黄土丘陵沟壑区极端降雨条件下梯田浅层滑坡和深滑面的机理和过程，采用瑞典条分法进行了人工降雨条件下梯田的室内模型试验，结果表明细沟侵蚀加速了降雨入渗，增加了土体含水量，增大了孔隙水压力，减小了吸力，导致抗滑力矩小于滑动力矩，极易发生滑移。Bercic等[14]运用可视化程序工具Grasshopper，通过改变输入的梯田数据参数的值，对各种不同的解与所有相应的统计量进行组合仿真，使得在建造梯田时更容易有意识地决定哪些参数组合是最优的，以防止滑坡、规划适当的排水和控制土壤运动。

甘肃黑方台等台塬地区降水少，蒸发量大，因此通过抽取黄河水进行灌溉来保证农作物生长，一般一年灌溉4～6 次，7 月下旬的灌水量最大，导致地下水位快速上涨，从而导致了大量台塬边缘黄土滑坡的发生[15]；然而，宁夏南部黄土丘陵区水浇地只占耕地面积的13.46%，主要以旱地为主[16]，年降雨量虽小，但却集中，多暴雨和连阴雨。由于全球气候变化导致极端暴雨事件频发，此外坡改梯工程的实施，使得坡面降雨入渗条件发生了较大的变化，降雨入渗量增加，土体基质吸力降低，下滑力增大，降低了边坡的稳定性[17]，尤其是在古（老）滑坡体上进行坡改梯，使古（老）滑坡复活的可能性增大。文章以宁夏南部黄土丘陵区（海原县、隆德县、彭阳县、泾源县、西吉县、原州区）为研究区，在引入梯田型黄土滑坡隐患定义的基础上，通过结合历史资料收集、遥感影像解译、现场调查和统计分析等手段，分析了研究区梯田型黄土滑坡隐患的发育特征及分布规律，并进行了成因分析。研究对于宁夏南部黄土丘陵区以及黄河流域梯田型黄土滑坡隐患风险识别与风险管理具有指导和借鉴意义。

1 梯田型黄土滑坡隐患定义

针对滑坡一词，国内外有两种意见：一种是广义的，把斜坡岩土体顺坡向下的一切运动现象统称为滑坡；另一种仅把斜坡岩土体沿一定的软弱面（带）整体向下滑动的现象称为滑坡[18]。欧美国家多采用广义滑坡定义，苏联、日本和我国学者等多采用后者。如王恭先把滑坡定义为“滑坡是一定自然条件下的斜坡，由于河流冲刷、人工切坡、地下水活动或地震等因素的影响，使部分土体或岩体在重力作用下，沿一定的软弱面或带，整体、缓慢、间歇性、以水平位移为主的变形现象”[19]。殷跃平认为“滑坡是指地质体在重力作用下，沿地质弱面向下向外滑动”[20]。波波夫[21]认为“滑坡是大量的岩体在重力作用下沿着斜坡向下滑动，且与地表水及地下水的活动有关”。中国地质条件复杂，板块构造活动频繁，近年来受人类活动和全球气候变化影响，灾难型滑坡灾害频发，严重威胁人类生命财产安全[22]。重大滑坡隐患分析研究具有重要意义，事先发现和识别滑坡隐患，是变“被动避灾救灾”为“主动防灾治灾”，减少甚至避免造成灾难性地质灾害事件发生的主要途径[23]。许强等[24]认为滑坡隐患有广义与狭义之分，广义指近期内可能失稳破坏并成灾的斜坡，狭义指已具有明显破坏迹象并在近期内可能成灾的斜坡，针对广义上的滑坡隐患又可分正在变形区、历史变形破坏区和潜在不稳定斜坡三种。由此可见，梯田型黄土滑坡隐患是指对黄土坡地或古（老）滑坡体进行改造修建的梯田，在内、外部因素的共同作用下造成其影响范围内近期可能失稳破坏并成灾的边（斜）坡。

2 梯田型黄土滑坡隐患发育特征

2.1 黄土滑坡隐患编录

文中通过收集资料确定了宁夏南部黄土丘陵区35 处黄土滑坡隐患。在对这35 处黄土滑坡隐患进行野外现场调研和遥感影像解译工作后，共确定研究区梯田型黄土滑坡隐患26 处，其中在古（老）滑坡体上修建梯田的有4 处（表1，图1—5）。

图1 滑坡隐患点分布图Fig.1 Distribution of potential landslides points

表1 研究区滑坡隐患点Table 1 Potential landslides points in the study area

黄土高原在长期的地质演化过程中，存留着大量的古（老）滑坡体[25]，其经历了长期内外营力的改造，滑体内部应力状态达到了新的平衡，处在一个相对稳定的状态；但由于滑坡滑动过程中使原状黄土的土体结构发生了扰动，古（老）滑体土质疏松，结构性弱，裂隙、裂缝发育；在加载、坡脚侵蚀、库水位升降、人类工程活动及极端天气事件等影响下极易发生变形，对人员及财产安全造成了极大威胁[26]。

2.2 黄土滑坡隐患与梯田分布

文中基于谷歌地球引擎（GEE）云计算平台和Landsat 8 遥感影像，采用随机森林监督分类的方法提取了研究区的梯田分布（图1），其总体精度为0.91，Kappa 系数为0.81。将研究区35 处滑坡隐患与梯田分布进行叠置分析，发现仅有11 处滑坡隐患处于梯田影响范围内。对研究区11 处梯田影响范围内的滑坡隐患进行验证，有2 处不是梯田型黄土滑坡隐患，将其剔除。此外，在剩余的24 处滑坡隐患中，通过现场调查结合遥感解译还识别出了17 处梯田型黄土滑坡隐患，这17 处隐患不直接处于梯田范围内的原因为：通过对比多期历史遥感影像发现，有些滑坡隐患以前为梯田，但由于坡体变形，如今已无法识别出梯田迹象；文中滑坡隐患为点文件，而滑坡隐患现场实际是一个区域，由于滑坡隐患定位点位的偏差导致了不处于图1 中的梯田范围内。所以此次研究区内26 处符合研究要求。

2.3 梯田型黄土滑坡隐患形态

依据《工程地质手册》[27]对研究区梯田型黄土滑坡隐患的形态特征进行分类统计。研究区梯田型黄土滑坡隐患的坡长在各区间都有分布，中长边坡数量较多，有13 处，短边坡与长边坡数量依次递减，分别为8 和5 处（图6）。将坡宽分为4 个统计区间，由图可知梯田型黄土滑坡隐患数量随着坡宽的增加逐渐减小，分别有12、8、5 和1 处（图7）。在剖面形态上，研究区没有超深层（厚度≥50 m）梯田型黄土滑坡隐患，主要为浅层（厚度为0～10 m）与中层隐患（厚度为10～25 m），分别各有12 处（图8）。研究区历史变形破坏区形态特征典型，边界轮廓清晰，具有明显的圈椅状形态，且滑坡后壁完好，多为直线型的陡坎或斜坡。

图2 原州区开城镇上青石村三组（YZ-01）滑坡隐患图Fig.2 Potential landslide of group 3,shangqingshi village,Kaicheng Town,Yuanzhou Distric (YZ-01)

图3 西吉县偏城乡花儿岔村白套子（XJ-05）滑坡隐患图Fig.3 Potential landslide of Baitaozi,huaercha village,piancheng Town,Xiji County (XJ-05)

图4 西吉县硝河乡新庄村（XJ-06）滑坡隐患图Fig.4 Potential landslide of Xinzhuang village,Xiaohe Town,Xiji County (XJ-06)

图5 彭阳县古城镇挂马沟村（PY-01）滑坡隐患图Fig.5 Potential landslide of Guamagou village,Gucheng Town,Pengyang County (PY-01)

图6 坡长分布统计图Fig.6 Statistical map of slope length distribution

图7 坡宽分布统计图Fig.7 Statistical map of slope width distribution

图8 隐患厚度分布统计图Fig.8 Statistical map of potential landslides thickness distribution

2.4 梯田型黄土滑坡隐患规模

就梯田型滑坡隐患规模而言，小型、中型和大型隐患均有可能发生。研究区梯田型黄土滑坡隐患规模主要为小型10 处，占总数的38.46%，其次为中型9 处，占总数的34.62%，大型7 处，没有特大型和巨型（图9）。可见研究区梯田型滑坡隐患规模以小型为主，中型次之，大型较少，特大型和巨型基本不发育。

图9 隐患规模分布统计图Fig.9 Statistical map of potential landslides scale distribution

3 梯田型黄土滑坡隐患分布规律

3.1 空间分布规律

（1）在人口密度相对大的区县集中

研究区梯田型黄土滑坡隐患具有集中发育、扎堆群发的特点，主要分布于人口密度大的原州区和隆德县，分别有9 处和6 处，占梯田型黄土滑坡隐患34.62%和23.07%，隐患密度分别为0.33 处/100 km2和0.60 处/100 km2（表2）。

表2 梯田型黄土滑坡隐患行政区分布统计Table 2 Administrative region distribution statistics of loess potential landslides of terrace

（2）在黄土梁峁区和大起伏山地区地貌类型集中分布

按不同地貌类型将研究区划分为中起伏山地区、冲洪积台地区、冲洪积平原区、大起伏山地区、洪积平原区、黄土塬区和黄土梁峁区7 个地貌类型。研究区26 处梯田型黄土滑坡隐患点，分布在冲洪积台地区3 处，冲洪积平原区1 处，大起伏山地区11 处，黄土梁峁区11 处。统计分析表明，梯田型黄土滑坡隐患主要分布在黄土梁峁区和大起伏山地区，分别占42.31%，冲洪积台地区和冲洪积平原区也有部分发育，在中起伏山地区和黄土塬区没有发育（图10）。

图10 梯田型黄土滑坡隐患与地貌类型关系图Fig.10 Relationship between loess potential landslides of terrace and geomorphic type

（3）在1 800～2 000 m 高程区间内相对集中

研究区高程分布于1 264～2 905 m，其中梯田型黄土滑坡隐患点的高程主要分布在1 800～2 000 m，共有10 处，约占梯田型黄土滑坡隐患点总数的38.46%。梯田型黄土滑坡隐患点在2 000～2 200 m 和高于2 200 m的高程区间分布有8 和5 处，分别占总数的30.77%和19.23%；1 600～1 800 m 和低于1 600 m 的高程区间分别为2 处和1 处，占总数的7.69%和3.85%（图11）。

图11 梯田型黄土滑坡隐患与高程关系图Fig.11 Relationship between loess potential landslides of terrace and elevation

（4）在坡向为东南、南和西南时相对集中分布

不同坡向山坡的小气候和水热等条件有着规律性的差异，会导致斜坡土体含水量、风化程度、坡度等要素的不同，都可能影响滑坡发育状况，从而导致滑坡发育存在坡向性[28]。研究区梯田型滑坡隐患在坡向为东南、南和西南时分布7、6 和6 处（图12），这主要是由于河流及水系切割破碎的黄土梁峁导致的。

图12 梯田型黄土滑坡隐患与坡向关系图Fig.12 Relationship between loess potential landslides of terrace and slope direction

（5）在坡度10°～20°区间内相对集中

利用ArcGIS 软件中的3D Analysis 功能，从分辨率为12.5 m 的DEM 中提取研究区地形坡度，坡度范围是0°～76°，60°以下以10°为间隔进行分组，60°以上为一组。可以看出，研究区梯田型黄土滑坡隐患数量在10°～20°范围内最多，有15 处，占总数的57.69%（图13）。这是因为坡改梯工程的改造对象主要为坡度在25°以下的边坡。

图13 梯田型黄土滑坡隐患与坡度关系图Fig.13 Relationship between loess potential landslides of terrace and slope

（6）在第四系浅黄色粉砂质黄土地层岩性集中分布

研究区地层岩性主要以第四系浅黄色粉砂质黄土为主，其中南部呈条带状分布着白垩系砾岩、砂岩、泥岩、灰岩等岩体（图14）。黄土是一种碎散的多孔多相颗粒介质，由于独特的物质来源、特有的生成环境及遭受过的应力-应变历史而具有特殊微结构，当遇水浸湿或遭受中强地震作用时，其结构会出现崩溃性破坏，导致强度突发性完全丧失，从而诱发严重的地质灾害或者工程病害[29]。研究区梯田型黄土滑坡隐患主要分布于第四系黄土中，还有部分分布于古近系砂岩、白垩系泥岩等岩性中，文中为便于统计就不再单独区分了。宁夏南部梯田型黄土滑坡隐患按物质成分可分为黄土滑坡隐患和黄土-基岩滑坡隐患。

图14 梯田型黄土滑坡隐患与地层岩性关系图Fig.14 Relationship between loess potential landslides of terrace and formation lithology

3.2 时间分布规律

在时间域上，研究区梯田型黄土滑坡隐患也呈现出集中分布的规律。主要表现为：在一年中的雨季相对集中；在地震活动时期相对集中。

降雨是诱发地质灾害的主要因素[30]。研究区梯田型滑坡隐患的发生与降雨周期关系密切，表现为滑坡隐患的发生主要在丰水年，在每年6—9 月的雨季，并且与雨季降雨集中和暴雨频次相一致，但在连阴雨季节时滑坡隐患的发生有一定的滞后性。

周期性的地震活动使得滑坡灾害的发生频率也具有周期性[31]。1920 年海原大地震和1970 年的苏堡地震使研究区内产生大量滑坡灾害。宁夏南部黄土丘陵区的地震震中均分布于六盘山南北向造山带，即“南北古脊梁”附近，在造山带上梯田型黄土滑坡隐患均匀分布，造山带西部梯田型黄土滑坡隐患可能主要由于地震诱发产生，造山带东部地震因素不强烈（图15）。

图15 梯田型黄土滑坡隐患与地震关系图Fig.15 Relationship between loess potential landslides of terrace and seismic

4 梯田型黄土滑坡隐患成因分析

4.1 地形地貌

地形地貌是滑坡等突发性地质灾害类型和规模的主控因素，为地质灾害提供能量和活动场所[32]。研究区梯田型滑坡隐患主要发生于地貌切割破碎、山梁单薄的黄土梁峁。这主要是因为黄土梁峁受到研究区内葫芦河、红河、茹河及其支流的强烈切割，导致地形地貌较为破碎，形成高陡临空面，减少了斜坡前缘抗滑支撑。并且黄土地区大多发育一些微地貌，如落水洞、裂隙等，以及人工梯田的修建，都为地表水的聚集与快速入渗滑坡体内提供了条件与有利通道，导致坡体内部孔隙水压力升高，基质吸力下降，黄土抗剪强度降低，在其他外因的作用下，有利于梯田上土体发生滑动破坏。

4.2 地层结构

研究区梯田型滑坡隐患密集分布在第四系黄土中，并且在第四系黄土中分布着古土壤层。由于古土壤层为黄土层中的软弱结构面，因此研究区梯田型滑坡隐患可能为以古土壤层作为软弱接触面的黄土层内滑坡。而黄土下伏的古近系砂泥岩等基岩为相对隔水层，当降雨下渗至两者接触面时，土体被软化，孔隙水压力增大，抗剪强度降低，形成了黄土-基岩接触面滑坡，一般在暴雨或连阴雨之后发生，具有一定的时间滞后性。

4.3 降雨

降雨是滑坡发生的主要因素。黄土地区年降雨量虽小，但却集中，多暴雨和连阴雨，黄土滑坡空间上多发生在降雨量大的区域，时间上多集中在雨季[33]。由于黄土的渗透性很低，降雨直接入渗影响的深度有限，但在连阴雨作用下，30°～50°的黄土斜坡上，也会触发数量多但规模不大的浅层黄土滑坡。虽然黄土的渗透性很低，但黄土结构疏松、强度低、遇水软化、垂直节理裂隙发育等特性，导致黄土坡面多发育一些微地貌，又由于黄土斜坡经人工改造形成阶梯型平面，促进了降雨的入渗作用，导致地下水位的局部上升或形成上层滞水，导致梯田型黄土滑坡隐患的发育。

4.4 地表水

研究区主要有葫芦河、红河、茹河及安家川河等。地表水对滑坡隐患的诱发具有直接影响作用。季节性或常年性流水的侧蚀、下蚀作用会割裂坡体，冲刷、掏蚀坡脚，浸泡土体，使坡体下部支撑力减小，可能破坏斜坡稳定性，从而有利于产生滑坡。此外，地表水补给地下水致使地下水位升高，在地表水与地下水的浸润软化作用下，斜坡土体容重增大，也易产生滑坡。同时研究区由于降雨量小，水库周边斜坡前缘抗滑段被库水淹没，削弱其抗滑能力，并且导致坡体内地下水位抬升，孔隙水压力增加，有效应力减小，促进了梯田型黄土滑坡隐患的发育。

4.5 人类工程活动

宁夏南部黄土丘陵区不合理的人类工程活动，改变了地表的环境状态和应力条件，容易造成地质灾害问题。目前对于坡改梯工程，研究人员重点关注其减少水土流失、提高土壤墒情、增加粮食产量的正效应[34]。但与原始坡面相比，坡改梯工程的实施使得坡面降雨入渗条件发生了较大的变化，地表径流减少，降雨入渗量增加，土体基质吸力降低，黏聚力、内摩擦角降低，重度增加，下滑力增大，降低了边坡的稳定性，可能引发梯田型黄土滑坡隐患。对于梯田型黄土滑坡隐患的忽视，尤其是极端气候背景下容易造成该类型滑坡隐患的风险识别与评估管理的漏洞。

5 结论

（1）文中在给出梯田型黄土滑坡隐患定义的基础上，总结了梯田型黄土滑坡隐患的发育特征。研究区梯田型黄土滑坡隐患的中长边坡数量较多，坡宽主要集中在0～200 m 范围内，主要为浅层（厚度为<10 m）与中层（厚度为10～25 m）梯田型黄土滑坡隐患，规模以小型为主。

（2）从空间来看，研究区梯田型黄土滑坡隐患在人口密度相对大的区县、黄土梁峁区和大起伏山地区、1 800～2 000 m 的高程区间、坡向为东南、南、西南时分布较多；从时间来看，在一年中的雨季和地震活动时期相对集中，在“南北古脊梁”造山带上均匀分布，造山带西部由地震诱发产生，造山带东部地震因素不强烈。

（3）研究区梯田型黄土滑坡隐患的形成原因为地形地貌、地层结构、降雨、地表水和人类工程活动的综合作用。梯田型黄土滑坡隐患主要发生于地貌切割破碎、山梁单薄的黄土梁峁区，主要为第四系黄土。研究区年降雨量虽小，但却集中，多暴雨和连阴雨，此外葫芦河、红河、茹河及安家川河季节性和常年性的流水对梯田型黄土滑坡隐患具有影响作用。

（4）目前对于坡改梯工程，研究人员重点关注其正效应，往往忽视了梯田型黄土滑坡隐患。由于全球气候变化导致极端暴雨事件频发，此外坡改梯工程的实施，使得坡面降雨入渗条件发生了较大的变化，降雨入渗量增加，土体基质吸力降低，下滑力增大，降低了边坡的稳定性，尤其是在古（老）滑坡体上进行坡改梯，使古（老）滑坡复活的可能性增大。因此，重视梯田型黄土滑坡隐患风险识别与评估管理，将为进一步推广坡改梯工程及保护已建梯田，并为增加农民收入、科技服务“三农”、推动乡村振兴提供理论和科学依据。