土壤侵蝕

ＳＯＬＬＥＲＯＳＩＯＮ

－－－劉宗強第五章

流水的各種侵蝕過程及其空間和時間的控制：一種理論觀點5.1導言5.2侵蝕的基本過程5.3各過程的空間變化5.4侵蝕過程的時間變化5.1導言本章討論關于土壤侵蝕過程的力學及其在空間和時間上的變化方式.我們知道,當攜帶和推移泥沙的力超過泥沙抵抗移動的力時便引起侵蝕.不過,就農業而言,土壤侵蝕的鑒定不僅取決于流失比率,而且也取決于還有多少土壤可以利用和這部分原始土壤的功能及今后泥沙形成與輸沙之間”正常的”或”地質的”平衡.而這又跟很多方面的因素有關,在此就不一一列舉了.5.2.1入滲.貯存和徑流的產生

下雨時水的最終入滲強度稱為穩滲率.當降雨強度超過這種入滲能力后水便積存在地表形成徑流.這種地表徑流就是土壤侵蝕的主要營力.但是較常見的降雨強度低于終滲強度,魯賓解析了另外兩種情況:1>:降雨強度小于入滲,即無蓄水滲透2>:降雨強度大于入滲,即超滲蓄水5.2.2地表徑流

達西－韋斯巴赫阻力公式：Ｃ－謝才系數，Ｒ－水力半徑，Ｓ－坡度．其中：式子f（粗糙系數）由下式確定：d84為顆粒大小，即河床泥沙顆粒有８４％小于該值．其中f與雷諾數的關系為：１＞：流經光滑表面的層流：２＞：流經粗糙表面的層流:

霍頓等人在早期的工作中研究了淺層流動的基本過程，得出參數方程為：q＝ＫＤ式中q是單寬流量，Ｄ是水流深度，k和m是給定設備條件下的常數。

近年來馬齊克用動力波模型成果與試驗的過程線作了對比。列出了不定空間流量的線性方程：

式中q是單寬流量,y是水深，i是產雨流量。與流量方程結合，則：

式中a是包括坡度在內的常數，若波長為L，地表徑流達到平衡的時間為t，則：

斷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小于平衡時間Ts,對較長歷時，這是常見的形式。這是針對不定歷時的降雨的，對于一定歷時降雨，則先需求得降雨停止后的退水時間Ta,然后用下式計算：式中L為達到平衡所要的坡長。另外，影響水流的因數有：1:降雨擾動水流2:渠道的表面粗糙率，比如叢生的草本植物.粗顆粒和橫向的細溝等。

5.2.3地下水流地下水流在確定土壤侵蝕的性質中占有頭等重要的地位.他以常態的飽和的流動影響著地表水的可利用性.地下水流通過在溶液中礦物質的輸移和機械交換作用,作為一種控制可蝕性物質的風化作用力和水力特性也是很重要的.在飽和條件下,根據達西定律:水流與地表崔直或平行,表達式為在非飽和條件下,組成滲徑的孔隙只有局部的飽和,透水性是飽和度的函數.此外,空隙的分布產生毛管吸力,而毛管吸力隨地下水位以上的高度增加而增加,并達到一定臨界值.正如透水性那樣,毛管吸力是飽和度的函數,因此流動不只取決于重力水頭.5.2.4明渠流細溝和切溝的水流,起水深通常明顯地大于最粗糙部分,因此與一般的明渠流十分相似,這是眾所周知的過程.其主要的差別在于峰值的陡峻上升和急速的減少,如同洪水消失般地下降.這種情況反映了十分急速的降雨頻率特性.上游和下游地區常年基流部分相對意義不大,或者季節性溝道中沒有蓄水作用.上游地區短暫洪水的另重要性是迅速的集流時間.在季節性流域,這種特性可能表現出山坡流量過程線直接向溝道平移,但在濕潤的流域,這種快速的集流時間則由于附近的水路環境作用形成飽和地表徑流引起.侵蝕溝和細溝中的明渠流通常是急流并伴隨著高輸沙量.當在溝口以上形成水流或者在切溝.細溝和沖蝕中存在溝頭切割時,一般的明渠流和力學條件趨于破壞.可惜這些現象的大量觀察只限于溝頭發育與總流量的關系5.2.5在土壤內部的過程 中期來看,土壤特性在很大程度上被植物所控制,至少對土壤最敏感的土層是如此.在短期內,影響土壤特性的是由滲透中通過陽離子的交換作用.土壤PH值和二氧化碳的狀況以及有機物的分解作用.長期的作用則是土壤的細膠粒的范德華力和雙電層力的作用影響較大.5.2.6泥沙輸移—可蝕性泥沙進入水流中是土壤侵蝕最重要的方式.這種作用是由于雨滴的濺蝕,水流的作用,土體的崩塌和滑坡,以及諸如脹裂和動物挖穴活動等引起的.土壤可蝕性與其說主要和土壤團聚體的穩定性有關,不如說是和它的質地組成有關,盡管著兩方面是不相關的.在輸移過程中,地表層結皮的形成是重要的因素.有三種地表堵塞作用類型看來是重要的,即:雨滴打擊,由于蒸發而使空隙伸張和化學結皮.5.2.7雨滴擊濺雨滴濺蝕的發生本質是由于水滴的打擊力.降雨時的雨滴具有很大的動能和勢能,在一次巨大的熱帶暴風雨中,自重為35000公斤的雨水可能在三十分鐘內降落到一公頃的土地上.在一般的強度與能量關系中,每公頃面積上的能量大約等于一千萬焦耳.假設侵蝕性不變,土壤的凈擊濺量是坡度的函數,因為土壤顆粒移動的平均距離隨著坡度的增加而增加.在圖5.9中表示了這種作用.從圖中可以看出上坡的影響明顯比下坡情況下影響的大.另一種情況,擊濺蠕動,就是借助跳遠作用,較細粒部分濺后,較粗的部分留下,在雨滴的打擊下進行了行如蠕動的運動.5.2.8水流挾沙泥沙借助流水的剪切分離而輸移很可能是最基本的過程.通常假設非粘性泥沙的分離是由于在顆粒的上.下表面存在不同的額應力的作用所引起的.事實上,還要包括直接推移剪應力以外的因素的影響外,一種重要的影響是泥沙的濃度.邁耶和蒙克威利斯根據實驗記錄,非粘性河床上部的分離比率是輸移量差值的線形函數,即:式中Gf是正被輸移的泥沙,Tc為泥沙輸移總量,c為常數.在非細溝區域,一般的沖刷所產生的剪應力太小,以至與雨滴擊濺比較時,在理論上只能分離占百分數極小的泥沙顆粒.實際上顆粒往往是由于水流推移的.在切溝中,跌水抗對水流分離物質和造成溝頭切割前進是相當重要的,但這種情形很有限和在總作用中是次要的.5.2.9塊體移動在半干旱環境下,塊體移動相對的不重要,而在其他地區則可能十分重要,在切溝發展中,塊體移動尤為重要.在粘性沉積區域,侵蝕溝趨向于構成陡崖峽谷,板塊斷裂可能是常見的.另外,山坡上與土壤侵蝕有關的淺層平面滑動也是常見的常因有極端的暴風雨激發和由于大雨導致高孔隙水壓力而發生.特若非模型說明這些淺層斷裂是由高空隙水壓力倒置物質剪切強度降低所引起的,水在土層下移動，在流動方向形成滲透壓力，這個滲透壓力與水力坡度成正比。5.2.10管流在土壤化學和水頭的特殊條件下，管流的作業邏輯上應該是風化的延續。管道實質上是大量的地下渠。管道除了影響坡面排水外，也是造成侵蝕和導致物質被掏空的原因。管道一旦形成，它便為局部水力坡度提供新的基準面，水流向管道集中，管流速度加快。最后基部變得不穩定二可能倒塌，導致切溝的形成。5.2.11泥沙輸移和切溝的形成物質一旦被攜帶，它將以懸浮或輸移的形式移動。為了維持輸移，這些水作用每一固體層，而且一定是處于統計學平衡狀態。然而，控制泥沙輸移的基本特性包括水體積，以及水體積以外的固體自加重量，以水流降落的重力坡度來表示勢能損失的平均比率和輸移做功的效率。由于輸移受約束，對于中等坡度的山坡所估算的輸沙量只占計算輸移能力的一個很小的百分數的情況很普遍。因此，如果輸沙量超過了輸移能力便發生沉積。有三方面的沉積:開闊的山坡和沖積圓錐沉積.河槽沉積和湖泊.水庫沉積。5.3各過程的空間變化土壤侵蝕問題，其總的侵蝕量級和發生的侵蝕類型在空間上的變化是很大的，這是由于各種侵蝕過程本身的變化和各個侵蝕作業的侵蝕量不同二造成的。土壤和表面覆蓋相應的阻力不同也是引起變化的原因。5.3.1山坡剖面在控制面蝕中，無論是集中的和分散的，坡度都是重要的。坡度增加，流速增大，并因此牽引剪切應力增大，導致更大的攜帶和輸移能力。近期的工作定性的證明冷坡度與侵蝕的關系。關系式反映了特殊情況下徑流的形成，并認為徑流總量是坡度的函數。但是徑流系數還與其它坡面特征和物質組成存在著復雜的關系。例如耶爾和克萊因發現徑流和坡度沒有明顯的關系，但在他們研究的荒地條件下，徑流和坡地的關系似乎可以認為徑流總量隨坡度的遞減而增加。這是因為在較陡的山坡有較大的粗糙和較高的入滲能力。實踐表明雨滴擊濺與山坡坡度相關不密切，而且坡度在20%時幾乎達到了平衡。5.3.2流域范圍的侵蝕控制石質甲殼的發展，雖然防止了雨滴打擊土壤，但有助于抑制滲透和增加地表徑流，隨著細溝密度增大，產沙量也增大。半干旱地區流域內侵蝕溝的分布，主要受地貌臨界值所控制。泥沙在溝床上沉積并達到臨界角度以上時，塹壕便形成排水系統的網狀輪廓和切溝----溝道系統的水流頻率及大小，也部分地決定了水文過程線的特征和溝蝕，淤積的特性。5.3.3地區的空間控制地區范圍最重要的空間變化是控制自然植被以及土壤侵蝕的氣候條件。分析氣候影響因素時，有兩個要素對土壤侵蝕是特別重要的，就是降雨強度與能量，他們影響著濺蝕過程。季節影響對控制自然植被和土壤水分消耗是重要的。其他地區有效的影響主要是地質條件。他有三個方面的重要性：第一，通過巖石長期的風化過程而影響了地形。第二，風化的產物和土類受巖石類型的影響。第三，在宏觀方面，巖石本身的微結構決定了對地下水和地表水的影響。5.4侵蝕過程的時間變化5.4.1引言隨著時間的推移，侵蝕作用的類型和速度可能發生顯著的變化，導致了土壤侵蝕形式和數量的改變。5.4.2單場暴雨的侵蝕變化單場暴雨期間懸移質的變化和懸移質與流量之間的滯后作用相互聯系。通常這起因在前的含沙量峰值和主要流量之間的階段滯后作用。如下圖;作為更普遍的情況，在季節行的上游河溝.切溝和山坡上，前述的條件對確定物質輸移量其著重要作用。5.4.3各土壤侵蝕過程的季節性變化在土壤特性方面的季節性變化起因于膨脹土壤的容積的變化.動物的活動.落葉形成的有機物增減和冬季冰凍的影響。這些都影響著土壤的貯水性和滲透性.地表物質的類型和特征。在溫帶也存在土壤滲透性的季節性變化。雖然動物的季節性活動顯然是相當重要的，但最重要的季節性影響主要與天然的工人的植被覆蓋的變化有關。最后，降雨的季節性差別導致地表徑流季節性差別，通常，在有冬雨的地方，暴雨的特性也有顯著的變化。5.4.4各過程的長期變化闡明和模擬侵蝕過程的類型.數量.和頻率的長期變化是比較困難的，他們往往處于不穩定狀態。一方面，由于地區的穩定性不同，局部的影響可能導致侵蝕發生增強或減弱。另一方面，長期地區的不