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1、第3章 水力侵蚀的教学目的和方法,教学目的：分析水力侵蚀发生机制及其发展规律，阐述 影响水力侵蚀的自然因素，掌握防治水力侵 蚀的基本原理。 教学方法：以教师课堂讲授为主，学生自学和参阅课外 书为辅。 计划学时：约6学时。,第 3 章 水力侵蚀,3.1 水流作用 3.2 溅蚀 3.3 面蚀 3.4 沟蚀 3.5 山洪侵蚀 3.6 海岸、湖岸及库岸浪蚀,3.1 水流作用,3.1.1 水流剥蚀作用 水流剥蚀也就是地表泥沙被水流带走，沙粒可以呈滑动或滚动形式运动。是否发生剥蚀可根据泥沙起动条件来判断。,沙粒滑动时受力情况分析,式中：系数 K1,d泥沙粒径 f 摩擦系数； M砾石的容重； w水的容重 ；
2、 x 推移力系数； y 上举力系数； 水的密度。,沙粒滚动时受力分析,Vd0K2,起动流速,K2,式中符号物理意义同前。,3.1.2 水流搬运作用,泥沙的搬运形式可分为推移和悬移两大类。这两种形式运动的泥沙分别称为推移质及悬移质。 泥沙搬运方式 (流速分布，推移质与悬移质的相互转化),水流挟沙力,在一定的水流条件下，能够挟运泥沙的数量，称为挟沙力。它的单位与含沙量s(kg/m3)相同，以符号0 表示。 水流挟沙力应该包括推移质和悬移质的全部沙量。 但在天然河流中，悬移质一般成了全部运动泥沙的主体，因此，对于平原冲积性河流一说，常以悬移质输沙率代替水流的全部挟沙力。,3.1.3 泥沙的堆积,当泥
3、沙的来量大于水流的挟沙力时，多余的泥沙就要沉积下来。 当摩阻流速相当于泥沙的沉速时，泥沙悬移运动才有可能产生。 （水流摩阻流速* ，其中0为作用在床面上的水流切应力）。,3.2 溅蚀,3.2.1 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
4、滴。对于直径0.25mm的雨滴称为小雨滴。,雨滴速度与能量,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(terminal velocity)。 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
5、次降雨的雨量、雨强、雨滴大小等，而与土壤性质无关。,3.2.2溅蚀过程及溅蚀量,溅蚀过程 降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）。其过程图如下。,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，得了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。,3.2.3
6、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
7、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
8、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。,产流量可用下式表示：,Rs(t) t时刻地面径流深（mm); i 降雨强度（ mm /min）; In 植物截流率（ mm /min）; e 蒸发率（ mm /min）; Sd 填洼率（ mm /min）; f 下渗率（ mm /min）。,许多学者对水分下渗过程进行了研究，得出了一些经验或理论公式。具有代表性的如下。 （1）Green-Ampt（格林
9、安普特）方程,式中：i入渗率（mm/min）；I累积入渗量（cm或mm）；K湿润层的水力传导度，这里为饱和导水率（cm/min）；H0土表入渗处的压力头（cm）；Ht湿润锋处的有效压力头（cm）；Lt湿润锋到达的距离（cm）；zf垂直入渗时的湿润锋深度（cm）。,水平入渗时：,垂直入渗时：,（2）Philip(菲利蒲)入渗方程,水平入渗时：,垂直入渗时：,式中：i入渗率（mm/min）；I累积入渗量（cm或mm）； ， A土壤基摸的吸着率（LT-1/2）；t入渗时间（min）； B= 。,（3）Kostiakov（考斯恰可夫）方程,I=Cta,式中：i入渗率（mm/min）；I累积入渗量（cm
10、或mm）；C和a均为从实验求得的参数，它们取决于土壤质地和土壤物理性质。,（4）Horton(霍顿方程),式中： fp 入渗能力；fc稳定入渗率； f0初始入渗率； 参数。,（5）Holtan(霍尔坦方程),f入渗率；GI作物生物指数；Sa地表层有效蓄水量；fc稳定入渗率。,坡面上的地表径流流量为： Q=V 式中： Q 为流量（m3/s); v为断面平均流速(m/s)； 若将坡面水流看作均匀流，可利用谢才公式（Chezy Formula）计算其流速。 式中：v为断面平均流速(m/s)；R为断面的水力半径(m)； J为水力坡度(%)；C为谢才系数。,谢才系数C可用曼宁公式(Manning For
11、mula)计算： 式中：n为衡量边壁形状的不规则性和粗糙影响的一个综合性系数，叫做粗糙系数。R为水力半径。,坡面漫流阶段,坡面水流主要来源于超渗的降雨，在重力与摩阻力支配下的水流运动。坡面水流的能量主要耗用于克服沿程阻力，其运动可用坡面流运动方程和连续方程来描述。假定坡面流为单向水流时，运动方程采用如下形式。 h=Kqp,连续方程为,式中：h水深（m）；q单宽流量；i降雨强度（mm/min）；f下渗强度（mm/min）；ie超渗雨强（mm/min）； 坡面倾角（度）；p=3/5； ，其中n为糙率。,将两式联解，其特性方程为,3.3.2 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
12、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：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
13、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，
14、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。 陈永宗研究了黄土区域，提出水蚀的临界坡度为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，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
15、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
16、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。,
