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第一篇 水土流失规律 第一章 水土流失及其形式1. 关于土壤侵蚀,有狭义和广义之分,前者指土壤被外营力分离、破坏和移动的过程;后者则包括成土母质及其它地面物质,并将风化作用包括其中。土壤侵蚀:在水力、风力、重力、冻融等外营力作用下,土壤、土壤母质及其它地面组成物质被剥蚀、破坏、转移和沉积的全过程。水土流失:指在外营力作用下引起的水土资源和土地生产力的破坏和损失。土壤侵蚀与水土流失相同:均表现为受外营力作用的过程相同。区别: 土壤侵蚀着重描述的是外力作用对象的位移和过程,而水土流失则还包括水本身的流失,水既是外营力,又是作用的对象; 水土流失着重外营力造成的后果,即水土资源和土地生产力的破坏和损失。这里突出的是一种标准或程度。而土壤侵蚀则立意于外营力作用的过程,实际上,只要有外营力,就会有相应规模的侵蚀现象发生。2. 土壤侵蚀的类别现代侵蚀与古代侵蚀,以出现大规模农垦为界限正常侵蚀与加速侵蚀。正常侵蚀土壤侵蚀速度小于土壤形成速度的侵蚀现象。加速侵蚀土壤侵蚀速度大于土壤形成速度的侵蚀现象。3.允许侵蚀极限保证土地生产力正常发挥条件下的最高侵蚀量。4.垂直侵蚀与重力侵蚀垂直侵蚀指土体中可溶性物质及细微颗粒随水分作垂直运动而产生的侵蚀现象。(土体不发生任何水平物理位移)重力侵蚀土壤由于自身重力及各种外因触发而发生的垂直下落或沿坡面下移的现象。崩塌:是坡面土体沿剪切面的剪切力大于抗剪力而使坡面土体的一部分或整体向下崩落的侵蚀现象。泻溜:裸露陡坡上的土(岩)体受风化作用分离破碎后,在重力作用下,呈小块向下坡滚落的现象。滑坡:斜坡上的土体(或岩体)在重力作用下,沿着一定软弱面整体向下滑移,滑移土体内部相对位置不发生明显错乱的侵蚀现象。5.面蚀由降水和分散的地表径流所引起的表层土壤的侵蚀现象。类型:层状面蚀在风和水的作用下,大面积裸露坡面上薄层土壤的侵蚀现象。 细沟状面蚀在分散水流作用下,地面被刻划成细沟状的侵蚀现象。鳞片状面蚀在风和水的作用下,地表被剥蚀成斑点状的侵蚀现象。砂砾化面蚀在水和风的作用下,地面细粒物质损失而粗大颗粒集聚的侵蚀现象。6. 沟蚀是集中的地表径流冲蚀地表,切入地面并形成沟壑的侵蚀现象。 7. 泥石流是在水力、重力综合作用下形成的一种含大量泥沙、石块等固体物质,并具有强大破坏力的快速混合流动体。 8.土壤侵蚀类型区3个一级区,9个二级区。水力侵蚀为主的类型区(5个)、风力侵蚀为主的类型区(2个)和冻融侵蚀为主的类型区(2个)。第二章 水力侵蚀作用1.溅蚀指雨滴直接击打地表或薄层水面上而引起的土粒溅散的过程。溅蚀是裸露坡面上最初的侵蚀形式2.终点速度雨滴以加速度运动过程中,由于受到不断增大的空气阻力的影响,下落速度逐渐减低,最终由加速运动变为匀速运动,并以这一速度到达地面。这一速度被称为终点速度。雨滴越大,终点速度越大。3.径流指由降落到流域地面上的降水从地表和地下汇流到河网并沿河槽下泄的水流。4.降雨强度小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨 特大暴雨mm/24 h 101024.9 2549.9 50 100 2505. 蓄满产流与超渗产流蓄满产流:降水量超过表层土壤最大蓄水量条件下产生的坡面径流称作蓄满产流。超渗产流:土壤水分未达到饱和蓄水量,而降水强度大于土壤下渗速度条件下产生的坡面径流。蓄满产流条件下 除产生坡面径流外,自表层向深层的水分入渗仍继续进行。这时,水分在土体非毛管孔隙中运动,下渗量逐渐趋于一定值。超渗产流条件下 除产生坡面径流外,入渗也在继续进行。下渗水分不断充填土壤孔隙,随着时间延长,土壤含水量逐步达到饱和。5. 河网集流 水自坡面流入沟道,通过河网由上游到下游,从支流到干流,沿河槽作纵向流动直至流出出口断面的全过程。6. 滞后时间 降雨开始到河流水位上升要经历一定时间,这个时间称作滞后时间。7. 河网调节作用 由于河槽本身可容纳一定量的水,进入河槽的水量为最大时,并不立即在出口断面处表现出流量最大,而会经过一定时间的传输(上游至下游)和损失(向两岸渗透),然后才达到最大值。这种现象称为河网调节作用。8. 径流特征值流量 (Q) 单位时间内通过河流某一过水断面所流出的水量(m3/s) 。径流总量(W) 一定时段内(日、月、年)通过河流某一断面的总水量(m3 、万m3 )。径流模数 (Mw) 单位面积上的流量(m3/s km2)。径流深度 (R) 某一时段内总径流量平均分布在全流域水平面上所得水层深度(mm)。径流系数 () 某一时段内径流深与同期降雨量之比的百分数。9.地表水流的运动特征层流 在流动过程中,水质点运动迹线彼此平行,保持一层超覆一层向前运动的水流。紊流 在流动过程中,水质点呈不规则运动状态的水流。涡流 在流动过程中,水质点作绕轴旋转运动的水流。环流 水流运动过程中,水流流束线呈螺旋状运动的水流。单向环流 形成单向环流的原因是弯道水流离心力或地球偏转力。双向环流 一年中,洪、枯水期交替出现导致形成双向环流的原因。10. 泥沙起动原理剥蚀和搬运物的重量与流体流速的6次方成正比。11.坡面水流的侵蚀作用 沟头前进(溯源侵蚀) 沟头前进是坡面最活跃的侵蚀方式。股流冲刷以及伴随发生的潜蚀、滑塌、崩塌等是沟头前进的主要方式。 沟底下切 沟头不断延伸和沟头数量的增多,导致进入各沟道的水流流量、流速均减小。同时,沟头越近分水岭,径流流量越小并趋于零。故分水岭便成为沟头前进的极限。横断面呈“V”字形这些限制下切作用的点称作“侵蚀基准点”。通过侵蚀基准点所作的水平面称作“侵蚀基准面”。通过侵蚀基准点向上游作一不冲不淤的平滑曲面称作“平衡剖面”。基准面发生变化,则平衡剖面也随之变化。 沟岸扩张 水流依其自身的动能、溶解力以及所携带的泥沙石砾磨蚀力对沟岸进行侧向侵蚀而使沟道加宽的作用称作“沟岸扩张”。沟岸扩张的结果是沟道横断面不断拓宽并呈“U”字形。12.衡量侵蚀沟发育程度,常用沟谷密度值沟谷密度指单位面积上全部沟道(间歇性)的长度(km/km2)。河网密度指常流性水道长度与总面积之比(km/km2)。水系密度指全部常流性水道和间歇性水道总长度与总面积之比。13. 河流的侵蚀作用单向环流的侵蚀作用-形成河曲、牛轭湖14.地表水流的搬运作用水流将其冲起的物质携带到下游的过程称作“搬运作用”。被搬运的物质包括机械碎屑物和可溶性物质。机械碎屑物被搬运的过程称作“机械搬运”;可溶性物质的搬运过程称作“溶运”。15.机械搬运方式 悬运(Suspended move) 指细小颗粒在流水中以悬浮状态的搬运过程。 推运。 指流水使泥沙(碎屑物)或砾石沿底面滚动或滑动的搬运过程。按颗粒粒径大小,可将推移质分为砾级推移质和砂级推移质 跃运。 指水流底部泥沙呈跳跃方式向前搬运的过程。16.土壤侵蚀模数及河流输沙 土壤侵蚀模数(M) 单位时间、单位面积上土壤侵蚀的量(t/km2a)。 挟沙力(0) 在一定水流条件下,单位体积的水能够搬运泥沙的数量(kg/m3)。 含沙量() 单位体积浑水中所含泥沙的量(kg/m3)。含沙量 = 推移质 跃移质 悬移质 输沙率() 单位时间内通过河流(沟道)某一断面的泥沙量(kg/s、m3/s)。 =Q 输沙总量(Ws) 一定时段内,通过河流某一断面的泥沙总量(m3)17. 沉积物的特点因水动力状态改变,水流搬运能力降低,致使搬运物堆积下来的过程称作“沉积作用”。 分选性 碎屑颗粒按大小、形状及比重依次发生沉积的现象称作“机械分异现象”。其分异沉淀的程度称分选性。 层理性 由于水动力条件变化而使先后沉积下来的碎屑物在成分、粒度、以及颜色等方面具有一定差异而显示出来的成层现象。 磨圆性 碎屑物在搬运过程中,相互碰撞摩擦而使棱角逐渐磨蚀而成圆形的现象。18.沉积类型 坡积物 坡面泥沙、石块在水力、重力作用下,向坡下方运动并在坡脚堆积下来的过程。 沟口洪积扇 由暂时性流水堆积成的扇形地貌。 河流泥沙沉积。 1)河段沉积2)河漫滩沉积 3)心滩 4)河口沉积(三角洲)5)水库沉积第三章 风力侵蚀作用1.风沙流指含有沙砾的运动气流。风沙流是一种气流及其搬运的固体颗粒(沙粒)的混合流。2.当风力逐渐增加到某一临界值以后,地表沙粒开始脱离静止状态而运动,这个使沙粒开始运动的临界风速称作起动风速。一切超过起动风速的风称作起沙风。3.沙粒在气流中运动的形式悬移运动:沙土颗粒保持一定时间悬浮于空气中而不与地面接触,并以与气流相同的速度向前运动的形式。跃移运动:沙粒在受风力上扬作用和自身重力作用下呈现连续跳跃式运动的过程。蠕移运动:沙粒在风力作用下,沿地面滚动或滑动的运动方式。搬运方式比较分析 跃移质占风沙输沙量的主体; 与悬运和蠕运关系密切(表层蠕移质的主要动量来自跃移质。破坏地表细沙表面的隐蔽作用,驱使其悬浮于气流中运动)。 降落的跃移质沙粒有60%的能量消耗于风蚀(破坏沙质地表)。4.气流和水流中沙粒(泥沙)运动的主要区别运动形式的差别。风沙流中,跃运占首要地位。水流中,一般情况下泥沙以悬移质为主。沙粒受力的差别 沙粒在气流中从高处以相当大的量落到床面,对沙面冲击力很大,亦即,冲击力在沙粒跃移及悬移、蠕移运动中起主要作用;在水流中,泥沙受推移力和上举力的作用。流体承受阻力的差别。水流与气流中沙粒粒径。水能推动的颗粒粒径比气流所能推动的颗粒粒径大得多。5. 风沙流结构气流中所搬运的沙粒在搬运范围内随高度的分布状况。对于同一风速:总输沙量越大,下层输沙量越多;随着风速加大,下层沙量相对减少,上层沙量增多6.吹蚀和磨蚀风和沙对地表物质的吹蚀和磨蚀作用统称为风蚀作用。吹蚀作用 风吹经地表时,由于风的动压力作用,将地表松散物质吹走,使地面遭受破坏的作用。磨蚀作用 风沙流以挟带的沙粒为工具对地表物质的冲击、摩擦破坏作用称为磨蚀作用。7.风蚀地貌 风棱石部分凸露于地表的碎石,经定向风沙长期冲击磨蚀而形成的具棱角和光滑磨面的石砾。 石窝指陡峭的岩壁经风蚀后形成许多圆形或不规则椭圆形小洞穴和凹坑(又称风蚀壁龛)。 风蚀蘑菇(和风蚀柱)具有水平节理或层理很发育的岩石出露地表,在强劲风沙流作用下,易被风蚀成顶部大于下部的蘑菇外形,称为风蚀蘑菇。 风蚀残丘 风蚀谷经长期风蚀,不断扩展,使风蚀谷之间的地面不断缩小而成为岛状高地或孤立小丘,称风蚀残丘。 风蚀雅丹泛指风蚀土墩和风蚀凹地(沟槽)的垄槽地貌组合。 风蚀谷和风蚀洼地松散物质组成的地面,经风长期吹蚀形成大小不同的浅凹地,叫做风蚀洼地。8. 风积作用当风沙流的风力减弱或遇到障碍物时,其搬运的沙粒发生沉积的作用。风力搬运堆积下来的碎屑物质叫风积物。9. 风沙堆积物特征 具不明显的层理构造 沙粒分选性好 磨圆度好 矿物成分以石英为主10. 风积物形态 新月形沙丘(Barchan dune) 纵向沙垄(Longitudinal Dune) 抛物线沙丘(Parabolic dune) 金字塔沙丘(Pyramidal Dune)11.荒漠化的概念荒漠化:在包括气候与人类活动的多种因素作用下,干旱区、半干旱区及干旱的半湿润区的土地退化过程。12沙漠化和沙漠的异同点: 时间:沙漠是自然因素作用下形成,发生于第四纪地质时期;沙漠化是在潜在的自然因素基础上以人为因素作用为主形成的。 空间:沙漠是干旱气候带和有丰富沙源条件下产生的;沙漠化不限于干旱地带,可发生在半干旱草原及部分半湿润区。 发展进程:沙漠在自然状态下难于逆转而有自行扩大的可能性;沙漠化土地上一般在消除人为干扰和破坏作用后,有自我恢复的可能性,措施到位则可加速逆转。13. 沙化是指有风蚀(或水蚀)所引起的地面物质中细粒部分和营养损失而出现的表层粗化过程。14. 风沙化指干旱及半干旱地带以外地表具有风沙活动,并形成风沙地貌景观的过程。15. 风沙化与沙漠化的比较:区别: 景观季节差夏季多雨,少风时具一定植被覆盖,春、冬季节大风天气才出现风沙景观; 自然地带湿润、半湿润地带河流下游沙质河床故道、泛滥决口洪积扇、海滨沙地; 风沙地貌形态简单; 面积小、零星分散,只有风沙地貌景观,并没有周围环境整体退化。第四章 重力侵蚀作用特征 崩塌 滑坡斜坡坡度一般50一般 50发生的斜坡部位 发生在坡脚以上的坡面上 发生在坡面上或在坡脚处边界面特征 侧面和底面各自独立存在,不能构成统一平面 侧面和底面有时可连成统一的曲面底面摩阻特征 底面摩阻大 底面摩阻小群体底面几何特征 各崩塌块体底面往往各自独立存在 各滑动的底面有时为统一的滑动面运动本质 弯裂 剪切运动速度 极快 极快极慢运动状态 多为滚动、跳跃 相对整体滑移运动规模 很小较大,块体一般不超过数千立方米 较小极大典型标志 坡面上出现反向错台 地表裂缝,滑坡平台典型内部结构 松动开裂,局部架空,叠瓦状构造总体上保持岩层原始结构特征。也可出现叠瓦状构造第五章 影响水土流失的因素1. 气候因素 降水 风 温度五种雨型中,侵蚀量最大的为型,最小的为型。型降雨的特点是前期强度大而后期强度小,前期小雨已将土壤充分湿润,使土体分散,处于易起动状态。然后再发生高强度降雨,于是产生强烈侵蚀。型雨一般强度小,持续时间长,大部分雨水为土壤吸收,产流量小,溅蚀和冲刷均较弱,是坡地侵蚀量最弱的产流侵蚀雨型。2. 地质因素溶解作用(Dissolution)常见矿物的溶解度顺序:方解石白云石橄榄石辉石角闪石斜长石钾长石黑云母白云母石英水化作用 (Hydration) 矿物水化后,体积膨胀,其硬度较原矿物显著降低,从而使岩石抗侵蚀力下降。水解作用 (Hydrolgsis) 矿物成分中,最多的是硅酸盐和铝硅酸盐类矿物,他们都是强碱弱酸盐,易被水解。碳酸化作用 水中溶有CO2时,形成H2CO3,CO23与矿物中阴离子结合形成易溶性碳酸盐,使水溶液对岩石矿物离解力加强。化学反应速度增快。3.岩层产状 岩层在空间产出的状态和方位的总称。产状三要素走向、倾向、倾角4. 节理 指岩石中的裂隙。是没有明显位移的断裂(是地壳上部岩石中最广泛发育的一种断裂构造。顺层节理走向节理倾向节理斜向节理5.水理性质指土粒与水相互作用而表现出的性质。6.可塑性和界限含水量 可塑性:指土体在外力作用下可以塑成任何形状,外力除去后仍保持已有变形而不回弹亦不坍塌的特性。 稠度状态:表征粘性土在某一含水量时的状态称作稠度状态。 稠度界限:粘性土由某一稠度状态转变成另一稠度状态的界限含水量。7.影响可塑性的因素 土的粒度成分和矿物成分 有机质8. 土体抗蚀性 指土体抵抗外力破坏的能力。9. 侵蚀随坡度增加而增加10.枯枝落叶层(litter)的作用防止雨滴击溅土壤,保护土壤结构拦蓄和渗透降水,减少地表径流分散、缓滞地表径流,消减洪峰 控制侵蚀11.水分在森林土壤中的贮存和运动 森林涵养水源作用林冠层截留降雨,减少地表径流,推迟林内降雨时间,减缓降雨时间;枯落物吸收大量水分,减少径流量,反复拦阻水流,减低流速,延长径流历时;林地土壤能增加渗透量,减少地表径流,非毛管孔隙提供暂时贮存,使水分更多、更长时间下渗,延缓地下径流时间。 森林的减少地表径流,增加下渗,促进水流均匀进入水文网,并在枯水季节仍能维持一定量水流进入河川的作用称作森林涵养水源作用。12.植被固持土体的作用1. 以相当大的水平范围和垂直深度网络土体。2. 林木之间根系相互交织、相互牵制。3. 深浅根在各土层均有分布,深根使土壤与母质、岩石之间成渐进状态,减少滑落面形成.1. 下坡方向的根具有支撑作用,阻止土体滑落;2. 垂直向下的根具有抗土
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