由于高强度人类活动和极端降雨的影响, 黄土塬沟道侵蚀剧烈, 水土流失严重, 塬面萎缩呈逐年加剧的趋势, 对当地的生产生活和经济社会发展产生了严重影响。近几十年来, 以固沟保塬为目标的水土保持工作取得一些重要进展, 但对固沟保塬工程的基础研究相对薄弱, 尤其是对水动力与人类活动双重作用下黄土塬沟道侵蚀扩张机理、不合理固沟保塬措施的水土灾变过程和控制因素缺乏深刻认识, 塬区溯源侵蚀及塬面破碎化问题依然严重。基于这一现状, 中国科学院地球环境研究所金钊研究员联合长安大学彭建兵院士团队，以黄土高原最大的塬面——董志塬为例, 开展了黄土塬沟道侵蚀扩张机理与固沟保塬工程科学性研究, 取得系列创新性认识：

　　（1）阐明了黄土节理的形成演化过程及其对塬边侵蚀的控制作用

　　发现垂直节理的普遍发育是黄土各向异性、强水敏和易侵蚀的根本原因，而黄土结构孔隙中存在的孔隙集中带和垂直管状通道，是原生垂直节理形成的微细观结构基础。对甘肃黑方台、董志塬、陕西泾阳南塬、洛川塬等地开展了详细的野外地质调查，揭示了黄土斜坡节理裂隙发育对塬边侵蚀的控制作用（图1）；结合黄土沟坡、塬边与裂缝之间的伴生关系，将黄土高原滑坡发生的地质基础归结为由10种易滑软弱层与4类控滑结构面有效组合的斜坡地质结构体系。

　　（2）揭示了地质历史时期和现代黄土塬沟道侵蚀演变过程及机理

　　地质历史时期黄土塬沟谷发育与气候变化密切相关。以洛川塬为例，自第五层古土壤形成开始，距今至少经历了五次较强的侵蚀时期，侵蚀强度与气候变化关系密切，气候湿润时发生冲沟侵蚀。历史时期人类活动大大加速了黄土塬沟道侵蚀的发育过程，最直接的影响因素是古道路、古村庄和古城镇的建设，在塬面形成了大量的人为硬化路面，加速了塬面的汇水作用和溯源侵蚀。以此认识为指导，发现塬面快速的城镇化和交通路网扩张导致地表水动力增强、冲刷加剧，是现时期董志塬沟道侵蚀剧烈和塬面破碎化的主要原因（图2）。

　　（3）查明了影响董志塬固沟保塬工程稳定性的最主要问题

　　揭示了地表水的不合理疏导和地下水位的上升是影响董志塬固沟保塬工程稳定性的两个最主要问题。研究发现，沟头回填压实后降雨很难通过地表入渗，但随着降雨强度和历时的增加，回填坡面出现不同程度的侵蚀破坏。结合室内物理模型试验，发现不同防护类型的边坡，其破坏程度和破坏类型各不相同，其中平整坡面处理的边坡最易受到破坏，而采用逐级放缓坡度的边坡不易发生整体失稳。针对地下水对固沟保塬工程的影响，发现地下水进入边坡后导致底部土体软化和有效应力减小，是诱发边坡失稳的主要原因（图3）；进一步发现黄土存在临界流态化的现象，即黄土静态液化行为的发生并非是在饱和条件，而是当含水率增加到某一临界阈值时启动。

　　（4）提出了以控水为核心的固沟保塬 “拦-蓄-排-固”科学模式

　　结合大量的理论和实践成果，提出了以控水为核心的固沟保塬 “拦-蓄-排-固”科学模式和系统治理思路（图4）。拦（水）：主要利用塬边护边埂和坡面梯田拦截地表径流，减少塬边和坡面侵蚀冲刷，增加降雨就地入渗；蓄（水）：主要在塬面修建人工湖和涝池，收集地表径流，减少径流冲刷，实现塬水不下沟；此外，在沟底修建淤地坝和小型水库，进行水沙集蓄，减轻沟床下切；排（水）：在塬面和沟坡修建排水渠或导水管道，沟坡配套修建消能井，降低势能差，引导径流有序下沟；固（沟）：实施沟头回填固定和坡面防护工程，阻止沟头前进，降低地质灾害风险。

　　图1  黄土塬边垂直节理的形态特征、发育规律及对塬边侵蚀和滑坡的影响

　　图2 董志塬快速的城镇化和交通路网扩张加速了塬面侵蚀和萎缩

　　图3 地下水抬升导致填方边坡失稳过程和机制

　　图4 以控水为核心的固沟保塬 “拦-蓄-排-固”科学模式和系统治理思路

　　上述研究成果以总结性文章发表在《中国科学：地球科学》，该研究得到国家自然科学基金重大项目 (编号: 41790444)和中国科学院战略性先导科技专项 (编号: XDB40000000)资助的联合资助。

　　相关论文信息如下：

　　中文：金钊, 彭建兵, 庄建琦, 冯立, 霍艾迪, 穆兴民, 王文龙. 2023. 黄土塬沟道侵蚀扩张机理与固沟保塬工程的科学性. 中国科学: 地球科学, 53(4): 806–822，https://doi.org/10.1360/SSTe-2022-0059

　　英文: Jin Z, Peng J, Zhuang J, Feng L, Huo A, Mu X, Wang W. 2023. Gully erosion and expansion mechanisms in loess tablelands and the scientific basis of gully consolidation and tableland protection. Science China Earth Sciences, 66(4): 821–839, https://doi.org/10.1007/s11430-022-1020-2