土壤侵蚀 刘宗强

土壤侵蚀

ＳＯＬＬＥＲＯＳＩＯＮ

－－－刘宗强第五章

流水的各种侵蚀过程及其空间和时间的控制：一种理论观点5.1导言5.2侵蚀的基本过程5.3各过程的空间变化5.4侵蚀过程的时间变化5.1导言本章讨论关于土壤侵蚀过程的力学及其在空间和时间上的变化方式.我们知道,当携带和推移泥沙的力超过泥沙抵抗移动的力时便引起侵蚀.不过,就农业而言,土壤侵蚀的鉴定不仅取决于流失比率,而且也取决于还有多少土壤可以利用和这部分原始土壤的功能及今后泥沙形成与输沙之间”正常的”或”地质的”平衡.而这又跟很多方面的因素有关,在此就不一一列举了.5.2.1入渗.贮存和径流的产生

下雨时水的最终入渗强度称为稳渗率.当降雨强度超过这种入渗能力后水便积存在地表形成径流.这种地表径流就是土壤侵蚀的主要营力.但是较常见的降雨强度低于终渗强度,鲁宾解析了另外两种情况:1>:降雨强度小于入渗,即无蓄水渗透2>:降雨强度大于入渗,即超渗蓄水5.2.2地表径流

达西－韦斯巴赫阻力公式：Ｃ－谢才系数，Ｒ－水力半径，Ｓ－坡度．其中：式子f（粗糙系数）由下式确定：d84为颗粒大小，即河床泥沙颗粒有８４％小于该值．其中f与雷诺数的关系为：１＞：流经光滑表面的层流：２＞：流经粗糙表面的层流:

霍顿等人在早期的工作中研究了浅层流动的基本过程，得出参数方程为：q＝ＫＤ式中q是单宽流量，Ｄ是水流深度，k和m是给定设备条件下的常数。

近年来马齐克用动力波模型成果与试验的过程线作了对比。列出了不定空间流量的线性方程：

式中q是单宽流量,y是水深，i是产雨流量。与流量方程结合，则：

式中a是包括坡度在内的常数，若波长为L，地表径流达到平衡的时间为t，则：

断面末端流量水深可由下式求得：山坡末端流量q可由下式求得：

式中t小于平衡时间Ts,对较长历时，这是常见的形式。这是针对不定历时的降雨的，对于一定历时降雨，则先需求得降雨停止后的退水时间Ta,然后用下式计算：式中L为达到平衡所要的坡长。另外，影响水流的因数有：1:降雨扰动水流2:渠道的表面粗糙率，比如丛生的草本植物.粗颗粒和横向的细沟等。

5.2.3地下水流地下水流在确定土壤侵蚀的性质中占有头等重要的地位.他以常态的饱和的流动影响着地表水的可利用性.地下水流通过在溶液中矿物质的输移和机械交换作用,作为一种控制可蚀性物质的风化作用力和水力特性也是很重要的.在饱和条件下,根据达西定律:水流与地表崔直或平行,表达式为在非饱和条件下,组成渗径的孔隙只有局部的饱和,透水性是饱和度的函数.此外,空隙的分布产生毛管吸力,而毛管吸力随地下水位以上的高度增加而增加,并达到一定临界值.正如透水性那样,毛管吸力是饱和度的函数,因此流动不只取决于重力水头.5.2.4明渠流细沟和切沟的水流,起水深通常明显地大于最粗糙部分,因此与一般的明渠流十分相似,这是众所周知的过程.其主要的差别在于峰值的陡峻上升和急速的减少,如同洪水消失般地下降.这种情况反映了十分急速的降雨频率特性.上游和下游地区常年基流部分相对意义不大,或者季节性沟道中没有蓄水作用.上游地区短暂洪水的另重要性是迅速的集流时间.在季节性流域,这种特性可能表现出山坡流量过程线直接向沟道平移,但在湿润的流域,这种快速的集流时间则由于附近的水路环境作用形成饱和地表径流引起.侵蚀沟和细沟中的明渠流通常是急流并伴随着高输沙量.当在沟口以上形成水流或者在切沟.细沟和冲蚀中存在沟头切割时,一般的明渠流和力学条件趋于破坏.可惜这些现象的大量观察只限于沟头发育与总流量的关系5.2.5在土壤内部的过程 中期来看,土壤特性在很大程度上被植物所控制,至少对土壤最敏感的土层是如此.在短期内,影响土壤特性的是由渗透中通过阳离子的交换作用.土壤PH值和二氧化碳的状况以及有机物的分解作用.长期的作用则是土壤的细胶粒的范德华力和双电层力的作用影响较大.5.2.6泥沙输移—可蚀性泥沙进入水流中是土壤侵蚀最重要的方式.这种作用是由于雨滴的溅蚀,水流的作用,土体的崩塌和滑坡,以及诸如胀裂和动物挖穴活动等引起的.土壤可蚀性与其说主要和土壤团聚体的稳定性有关,不如说是和它的质地组成有关,尽管着两方面是不相关的.在输移过程中,地表层结皮的形成是重要的因素.有三种地表堵塞作用类型看来是重要的,即:雨滴打击,由于蒸发而使空隙伸张和化学结皮.5.2.7雨滴击溅雨滴溅蚀的发生本质是由于水滴的打击力.降雨时的雨滴具有很大的动能和势能,在一次巨大的热带暴风雨中,自重为35000公斤的雨水可能在三十分钟内降落到一公顷的土地上.在一般的强度与能量关系中,每公顷面积上的能量大约等于一千万焦耳.假设侵蚀性不变,土壤的净击溅量是坡度的函数,因为土壤颗粒移动的平均距离随着坡度的增加而增加.在图5.9中表示了这种作用.从图中可以看出上坡的影响明显比下坡情况下影响的大.另一种情况,击溅蠕动,就是借助跳远作用,较细粒部分溅后,较粗的部分留下,在雨滴的打击下进行了行如蠕动的运动.5.2.8水流挟沙泥沙借助流水的剪切分离而输移很可能是最基本的过程.通常假设非粘性泥沙的分离是由于在颗粒的上.下表面存在不同的额应力的作用所引起的.事实上,还要包括直接推移剪应力以外的因素的影响外,一种重要的影响是泥沙的浓度.迈耶和蒙克威利斯根据实验记录,非粘性河床上部的分离比率是输移量差值的线形函数,即:式中Gf是正被输移的泥沙,Tc为泥沙输移总量,c为常数.在非细沟区域,一般的冲刷所产生的剪应力太小,以至与雨滴击溅比较时,在理论上只能分离占百分数极小的泥沙颗粒.实际上颗粒往往是由于水流推移的.在切沟中,跌水抗对水流分离物质和造成沟头切割前进是相当重要的,但这种情形很有限和在总作用中是次要的.5.2.9块体移动在半干旱环境下,块体移动相对的不重要,而在其他地区则可能十分重要,在切沟发展中,块体移动尤为重要.在粘性沉积区域,侵蚀沟趋向于构成陡崖峡谷,板块断裂可能是常见的.另外,山坡上与土壤侵蚀有关的浅层平面滑动也是常见的常因有极端的暴风雨激发和由于大雨导致高孔隙水压力而发生.特若非模型说明这些浅层断裂是由高空隙水压力倒置物质剪切强度降低所引起的,水在土层下移动，在流动方向形成渗透压力，这个渗透压力与水力坡度成正比。5.2.10管流在土壤化学和水头的特殊条件下，管流的作业逻辑上应该是风化的延续。管道实质上是大量的地下渠。管道除了影响坡面排水外，也是造成侵蚀和导致物质被掏空的原因。管道一旦形成，它便为局部水力坡度提供新的基准面，水流向管道集中，管流速度加快。最后基部变得不稳定二可能倒塌，导致切沟的形成。5.2.11泥沙输移和切沟的形成物质一旦被携带，它将以悬浮或输移的形式移动。为了维持输移，这些水作用每一固体层，而且一定是处于统计学平衡状态。然而，控制泥沙输移的基本特性包括水体积，以及水体积以外的固体自加重量，以水流降落的重力坡度来表示势能损失的平均比率和输移做功的效率。由于输移受约束，对于中等坡度的山坡所估算的输沙量只占计算输移能力的一个很小的百分数的情况很普遍。因此，如果输沙量超过了输移能力便发生沉积。有三方面的沉积:开阔的山坡和冲积圆锥沉积.河槽沉积和湖泊.水库沉积。5.3各过程的空间变化土壤侵蚀问题，其总的侵蚀量级和发生的侵蚀类型在空间上的变化是很大的，这是由于各种侵蚀过程本身的变化和各个侵蚀作业的侵蚀量不同二造成的。土壤和表面覆盖相应的阻力不同也是引起变化的原因。5.3.1山坡剖面在控制面蚀中，无论是集中的和分散的，坡度都是重要的。坡度增加，流速增大，并因此牵引剪切应力增大，导致更大的携带和输移能力。近期的工作定性的证明冷坡度与侵蚀的关系。关系式反映了特殊情况下径流的形成，并认为径流总量是坡度的函数。但是径流系数还与其它坡面特征和物质组成存在着复杂的关系。例如耶尔和克莱因发现径流和坡度没有明显的关系，但在他们研究的荒地条件下，径流和坡地的关系似乎可以认为径流总量随坡度的递减而增加。这是因为在较陡的山坡有较大的粗糙和较高的入渗能力。实践表明雨滴击溅与山坡坡度相关不密切，而且坡度在20%时几乎达到了平衡。5.3.2流域范围的侵蚀控制石质甲壳的发展，虽然防止了雨滴打击土壤，但有助于抑制渗透和增加地表径流，随着细沟密度增大，产沙量也增大。半干旱地区流域内侵蚀沟的分布，主要受地貌临界值所控制。泥沙在沟床上沉积并达到临界角度以上时，堑壕便形成排水系统的网状轮廓和切沟----沟道系统的水流频率及大小，也部分地决定了水文过程线的特征和沟蚀，淤积的特性。5.3.3地区的空间控制地区范围最重要的空间变化是控制自然植被以及土壤侵蚀的气候条件。分析气候影响因素时，有两个要素对土壤侵蚀是特别重要的，就是降雨强度与能量，他们影响着溅蚀过程。季节影响对控制自然植被和土壤水分消耗是重要的。其他地区有效的影响主要是地质条件。他有三个方面的重要性：第一，通过岩石长期的风化过程而影响了地形。第二，风化的产物和土类受岩石类型的影响。第三，在宏观方面，岩石本身的微结构决定了对地下水和地表水的影响。5.4侵蚀过程的时间变化5.4.1引言随着时间的推移，侵蚀作用的类型和速度可能发生显著的变化，导致了土壤侵蚀形式和数量的改变。5.4.2单场暴雨的侵蚀变化单场暴雨期间悬移质的变化和悬移质与流量之间的滞后作用相互联系。通常这起因在前的含沙量峰值和主要流量之间的阶段滞后作用。如下图;作为更普遍的情况，在季节行的上游河沟.切沟和山坡上，前述的条件对确定物质输移量其着重要作用。5.4.3各土壤侵蚀过程的季节性变化在土壤特性方面的季节性变化起因于膨胀土壤的容积的变化.动物的活动.落叶形成的有机物增减和冬季冰冻的影响。这些都影响着土壤的贮水性和渗透性.地表物质的类型和特征。在温带也存在土壤渗透性的季节性变化。虽然动物的季节性活动显然是相当重要的，但最重要的季节性影响主要与天然的工人的植被覆盖的变化有关。最后，降雨的季节性差别导致地表径流季节性差别，通常，在有冬雨的地方，暴雨的特性也有显著的变化。5.4.4各过程的长期变化阐明和模拟侵蚀过程的类型.数量.和频率的长期变化是比较困难的，他们往往处于不稳定状态。一方面，由于地区的稳定性不同，局部的影响可能导致侵蚀发生增强或减弱。另一方面，长期地区的不