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1、第 3 章 水力侵蚀,3.1 溅蚀 3.2 面蚀 3.3 沟蚀 3.4 山洪侵蚀 3.5 海岸、湖岸及库岸浪蚀,3.1 溅蚀,3.1.1 雨滴特性 雨滴特性包括雨滴形态、大小及雨滴分布、降落速度、接地时冲击力、降雨量、降雨强度和降雨历时等，直接影响侵蚀作用的大小。,雨滴形状、大小及分布,一般情况下，小雨滴为圆形，大雨滴(5.5mm)开始为纺锤形，在其下降过程中因受空气阻力作用而呈扁平形，两侧微向上弯曲。因此把雨滴直径5.5mm时，降落过程中比较稳定的雨滴称稳定雨滴； 当雨滴直径5.5mm时，雨滴形状很不稳定，极易发生碎裂或变形，称暂时雨滴。对于直径0.25mm的雨滴称为小雨滴。,雨滴速度与能量
2、,雨滴降落时，因重力作用而逐渐加速，但由于周围空气的摩擦阻力产生向上的浮力也随之增加。当此二力趋于平衡时，雨滴即以固定速度下降，此时的速度即为终点速度。 达到终点速度的雨滴下落距离，随雨滴直径增大而增加，大雨滴约需12m以上，终点速度的大小，主要取决于雨滴直径的大小和形状。 雨滴的终点速度越大，其对地表的冲击力也越大，换言之对地表土壤的溅蚀能力也随之加大（E=0.5mv2）。,雨滴侵蚀力,降雨雨滴的侵蚀力是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力。 它是降雨物理特征的函数，降雨雨滴侵蚀力的大小完全取决于降雨性质，即该次降雨的雨量、雨强、雨滴大小等，而与土壤性质无关。,3.1.2溅蚀过程及溅蚀量,溅蚀过程 降
3、雨雨滴动能作用于地表土壤而作功，导致土粒分散，溅起和增强地表薄层径流紊动等现象称为雨滴溅蚀作用（rain drop splash erosion）。,溅蚀量,击溅侵蚀引起土粒下移的数量称为溅蚀量。 在侵蚀力不变情况下，溅蚀量决定于影响土壤可蚀性的诸因子(包括内摩擦力、粘着力等)。对同一性质的土壤以及相同管理水平而言，则决定于坡面倾斜情况、雨滴打击方向和降雨性质。 Fill研究了不同性质土壤的溅蚀，得出沙土溅蚀量与动能的0.9次方成正相关，壤土则与降雨动能的1.46次方成正相关。,3.1.3 影响溅蚀因素,气候因素 雨型不同雨滴大小分布亦不同，就一定雨强来说，局部地区短阵性雨型比大面积的普通雨型
4、更易引起土壤侵蚀。 降雨强度与雨滴的各种特征参数关系密切，因而，降雨强度也是影响溅蚀作用的因素之一。 溅蚀作用受风力强烈影响，风的推动作用会增加雨滴的打击能量，并改变雨滴打击角度。,地形因素,土粒受雨滴打击后，其移动方向取决于坡向和坡度。 在斜坡上土粒在击溅作用下向下坡移动的量大于向上坡移动的量。 一般情况下坡度越大，溅蚀导致的移动土粒向下坡移动的愈多，移动距离也愈远。 埃里林(Ellison)对溅蚀作用测量后发现，在10%的地面坡度上，75%的土壤溅蚀量移向下坡，在同样条件下的沙土上，60%的溅蚀量移向下坡。,土壤因素,土壤种类不同，其粘粒、有机质含量以及其他对土壤起粘结和胶结作用的物质也不
5、同 土壤团粒粘结构的增加能降低或减少雨滴击溅下的土粒分散坡坏。随着团粒中粘土含量的增加，团粒强度增大，雨滴溅蚀量减少。 富含粘粒的土壤一般易于胶结，并且其团粒较粉质或沙质土的团粒大。,植被因素,植被和其枯枝落叶层在防治溅蚀过程中具有及其重要的作用 枯枝落叶完全覆盖的土壤表面能承受雨点降落时的冲击力，可从根本上消除击溅侵蚀作用。 植被冠幅在大范围内减小雨滴的击溅侵蚀，像谷类和大豆这样密集生长的农作物能截留降雨、防止雨滴直接打击在土壤上。,3.3 面蚀,3.3.1 坡面径流形成 蓄渗阶段 蓄渗阶段一般包括植物截留、下渗和填洼三个部分。 植物截留是雨水在植物叶面吸着力、承托力、重力和水分子内聚力作用
6、下的叶面水分储存现象。其截留量一般为几毫米。 当降雨量大于植物截留和下渗量时，雨水便在一些分散的洼地停蓄起来，这种现象称为填洼。填洼量可达10100mm。,坡面漫流阶段,坡面径流 坡面漫流阶段 全面漫流阶段 实质是地表径流,3.3.1 坡面径流能量分析,坡面流流速 坡面流的流动情况十分复杂，沿程有下渗、蒸发和降水补给，再加上坡度的不均一，使流动总是非均匀的。为了使问题简化，不少学者在人工降雨条件下，研究了稳渗后的坡面水流，得到了各自的流速公式。但均可以归纳成如下形式 Vqnm 式中：V流速；q单宽流量；J坡度；n、m指数；K系数。,径流量 坡面径流量的形成可用下式计算 W（it-ft）t 式中
7、：W径流量； it不同时刻的降雨强度； ft 入渗率的差值与时段乘积来 也可通过量算降雨入渗曲线所包围区域的面积来确定。,坡面径流能量公式,坡面径流能量公式无论是经验式还是理论式，均是上述二因素或影响其的相关因素的函数。典型的有： (1)拉尔(R.Lal)式 EsinQL 式中为坡面倾角，Q为单位面积上的径流量，L为坡长。 (2)赫尔顿(R.E.Hartan)式 式中：G0为每立方米含沙水流的重量(kg/m3)；hx为距分水岭X处径流深(mm)；V为X处的流速(m/s)；为坡度。,3.3.3 坡面侵蚀过程,坡面水流形成初期，水层很薄，速度较慢能量不大，冲刷力微弱，只形成层状侵蚀。 但当地表径流
8、沿坡面漫流时，坡面水流的冲刷能力便大大增加，产生强烈的坡面冲刷，称细沟侵蚀。,3.3.4 影响因素,气候因素 面蚀与降雨量之间的关系不很显著，而与降雨强度之间的关系十分密切。当降雨强度很大时，雨滴的直径和末速都很大，因而它的动能也很大，对土壤的击溅作用也表现的十分强烈。 前期降雨使土壤水分饱和，再继续降雨就很容易产生径流而造成土壤流失。,地形因素,地形因素包括坡度、坡长、坡形、坡向。 陈永宗研究黄土区域，提出水蚀临界坡度为28.5，小于28.5时，侵蚀程度与坡度呈正相关；大于28.5时，侵蚀强度与坡度呈反相关。 坡长之所以能够影响到土壤的蚀侵，主要是当坡度一定时，坡长越长，其接受降雨的面积越大
9、，因而径流量越大，当坡越长时，其将有较大的重力位能，因此当其转化为动能时能量也大，其冲刷力也就增大。 除此以外，坡形的影响也较明显。,土壤因素,通常利用土壤的抗蚀性和抗冲性作为衡量土壤抵抗径流侵蚀的能力。 影响土壤抗蚀性和抗冲性的因素有土壤质地、土壤结构及其水稳性、土壤孔隙、剖面构造、土层厚度、土壤湿度，以及土地利用方式等。 一般来看，质地较粗，有降低侵蚀的作用。 土壤结构性愈好，总孔隙率愈大，其透水性和持水量就愈大，土壤侵蚀就愈轻。,植被因素,森林、草地中有一厚层枯枝落叶，具有很强的涵蓄水分的能力。随凋落物量的增加，其平均蓄水量和平均蓄水率都在增加，一般可达2060kg/m2。 由于凋落物的
10、阻挡，蓄持以及改变土壤的作用，提高了林下土壤的渗透能力。 上述几种作用，使得有较好植被分布区域，径流量减小，且延长了径流历时，起到了减小径流量，延缓径流过程进而减小径流能量的作用。,人为因素,历史上，不能合理地利用土地，甚至是掠夺式地利用土地资源，在坡地上就引起了水土流失。 影响破坏土壤侵蚀发生和发展及控制土壤侵蚀的有关各因素的改变，都会影响破坏力与土体的抵抗力的消长。 因此，可以通过改变有利于消除破坏力的因素，有利于增强土体抗蚀能力的因素，来达到保持水土的作用。也就是说人类的活动既有引起水土流失的一面，又有通过人的活动控制土壤侵蚀的一面。,3.4 沟蚀,3.4.1 侵蚀沟的形成 侵蚀沟是在水
11、流不断下切、侧蚀，包括由切蚀引起的溯源侵蚀和沿程侵蚀，以及侵蚀物质随水流悬移、推移搬运作用下形成的。在易侵蚀地方首先出现侵蚀沟谷，并逐渐演化为大型沟谷。 通常把晚更新世以前形成的沟谷称古老沟谷，把全新世以来形成的沟谷称现代侵蚀沟谷。 每一条侵蚀沟可分为沟顶，沟底，水道，沟沿，冲积园锥及侵蚀沟岸地带等几个部分。,3.4.2 侵蚀沟的发育,侵蚀沟纵断面形成 侵蚀沟开始形成的阶段，向长发展最为迅速，首先在沟顶处形成水蚀穴，水蚀穴继续加深扩大，沟顶逐渐形成跌水状。 沟顶跌水形成之后，沟底的纵剖面线与当地的坡面坡度相一致的状态就明显的表现出来，水流的冲力表现在下切沟底的作用亦较明显。 侵蚀沟纵剖面的形成
12、过程正是沟顶前进，沟底下切的反复过程。,侵蚀沟的发育阶段,（1）溯源侵蚀阶段-开始阶段 侵蚀沟的第一阶段是属于冲刷范围的，形成的水蚀穴和小沟通过一般耕作不能平复，此阶段向长发展最快，向宽发展最慢。其深度一般不超过0.5m。（水平方向）,(2) 纵向侵蚀阶段,由于沟头继续前进，侵蚀沟出现分支现象，集水区的地表径流从主沟顶和几个支沟顶流入侵蚀沟内。结果在沟顶下部形成明显跌水。 通常以沟顶跌水明显与否作为第一、第二阶段划分的主要依据，它的纵剖面与原来的地面线不相一致，沟底纵坡甚陡且不光滑。第二阶段是侵蚀沟发展最为激烈的阶段，因此它是防治最困难的时期。,(3)平衡剖面阶段,发展到这一阶段由于受侵蚀基底
13、的影响，不再激烈的向深冲刷，而两岸向宽发展却成为主要形式，沟底纵坡虽然较大，但沟底下切作用已经甚微，以沟岸局部扩张为主，其外形具有最严重的侵蚀形态。,(4)停止阶段,在这一阶段，沟顶接近分水岭，沟底纵坡接近于或相当接近于临界侵蚀曲线，沟岸大致接近于自然倾角，因此沟顶已停止朔源侵蚀，沟底不再下切，沟岸停止扩张。,3.4.3 影响沟谷发育自然因素,沟谷的发育主要受地形及水流形态影响 而汇水面积的大小影响到径流量，坡度、坡长影响到径流流速及沟谷的发育空间。,汇水面积,汇水面积是保证浅沟形成发育的首要条件，有了足够大的汇水面积，才能够形成足以进行浅沟侵蚀的水流。 一般地说，集水面积在降雨量大的地区比降
14、雨量小的地区小；坡度平缓地区的浅沟汇水面积大于坡度较陡地区；黄土高原砂黄土分布区较细黄土区大。,坡度与坡长,一般情况下，切沟长度随坡度和坡长增加而增加。 地貌条件也是影响浅沟发育的重要因素，尤以坡度、坡长最大。在有的凹斜形坡上，切沟在坡度较大地段出现，沿坡向下，坡度变缓，切沟随之消失。如果缓坡下方坡度再次变陡，又可以出现切沟。,3.5 山洪侵蚀,3.5.1 山区洪水类型 依按照成因不同，可将山洪分为以下几种。 由短历时大暴雨形成的局地性山洪； 由中等历时的一次暴雨过程所形成的区域性山洪； 由长时间大范围的连续淫雨，并有多个地区多次暴雨组合产生的大范围淫雨性山洪。,3.5.2 山洪时空分布,一次
15、山洪 在流域面积、降水强度、历时相等的情况下，狭长形坡度较缓的流域汇流历时长，洪峰流量小，洪水历时长。 而漏斗形坡度较陡的流域汇流历时短，洪峰流量大，洪水历时短。 植被条件较好的流域洪峰流量小。,季节分布,每年春夏之交我国华南地区暴雨开始增多，洪水发生机率随之加大，受其影响 珠江流域在5、6月易发山洪， 6、7月主雨带北移，受其影响的长江流域易发生山洪。,年际变化,山洪在年际分布上表现为不规律性，很难准确预报。 就近80年的资料来看，山洪在不同时期发生频次也很不均匀，常在某一时段形成频发期，而在另一时期则很少发生。,3.5.3 影响山洪因素,山洪发生的影响因素很多，其中较为密切的有暴雨、地形、
16、植被和人类活动等。 暴雨 在我国，暴雨是引起山洪的主要原因。一次高强度的暴雨，降水强度远大于土壤入渗速率，降水来不及入渗即产生地表径流。地表径流从坡面到沟道不断汇聚，产生山洪。,地形,流域形状对山洪也有着很大的影响。 狭长形流域，其沟系单一，主沟较长，支沟少，等流时线短，产生径流历时长，洪峰流量小。 圆形、扇形、辐射形流域，主沟较短，支沟多，等流时线长，汇流快，洪峰流量大。,植被,植被，尤其是森林植被，具有涵养水源，保持水土的作用，它对水循环中的降雨、下渗和径流三个环节都有调节和控制作用。因此，它可以消减洪峰流量，增加枯水流量，使河(沟)径流在年内分配趋于均匀。,人类活动,森林被砍伐后，暴雨之后不能蓄水于山上，使洪峰来势迅猛，峰高量大，增加了水灾频率。 城市化加大了洪水成灾因素。 库坝兴建之初，由于种种原因可造成洪水漫顶溃坝。溃坝洪水所造成的损失要比暴雨洪水大的多。,3.5.4 山洪侵蚀特征,发生山洪的河沟，以主沟道为准，可分为上游、中游、下游。 上游径流量小，产生的径
