土壤侵蝕 劉宗強(qiáng)

土壤侵蝕

ＳＯＬＬＥＲＯＳＩＯＮ

－－－劉宗強(qiáng)第五章

流水的各種侵蝕過程及其空間和時(shí)間的控制：一種理論觀點(diǎn)5.1導(dǎo)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(shí)間變化5.1導(dǎo)言本章討論關(guān)于土壤侵蝕過程的力學(xué)及其在空間和時(shí)間上的變化方式.我們知道,當(dāng)攜帶和推移泥沙的力超過泥沙抵抗移動的力時(shí)便引起侵蝕.不過,就農(nóng)業(yè)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(zhì)的”平衡.而這又跟很多方面的因素有關(guān),在此就不一一列舉了.5.2.1入滲.貯存和徑流的產(chǎn)生

下雨時(shí)水的最終入滲強(qiáng)度稱為穩(wěn)滲率.當(dāng)降雨強(qiáng)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(qiáng)度低于終滲強(qiáng)度,魯賓解析了另外兩種情況:1>:降雨強(qiáng)度小于入滲,即無蓄水滲透2>:降雨強(qiáng)度大于入滲,即超滲蓄水5.2.2地表徑流

達(dá)西－韋斯巴赫阻力公式：Ｃ－謝才系數(shù)，Ｒ－水力半徑，Ｓ－坡度．其中：式子f（粗糙系數(shù)）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(shù)的關(guān)系為：１＞：流經(jīng)光滑表面的層流：２＞：流經(jīng)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(shù)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(shè)備條件下的常數(shù)。

近年來馬齊克用動力波模型成果與試驗(yàn)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(chǎn)雨流量。與流量方程結(jié)合，則：

式中a是包括坡度在內(nèi)的常數(shù)，若波長為L，地表徑流達(dá)到平衡的時(shí)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(shí)間Ts,對較長歷時(shí)，這是常見的形式。這是針對不定歷時(shí)的降雨的，對于一定歷時(shí)降雨，則先需求得降雨停止后的退水時(shí)間Ta,然后用下式計(jì)算：式中L為達(dá)到平衡所要的坡長。另外，影響水流的因數(shù)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(xì)溝等。

5.2.3地下水流地下水流在確定土壤侵蝕的性質(zhì)中占有頭等重要的地位.他以常態(tài)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(zhì)的輸移和機(jī)械交換作用,作為一種控制可蝕性物質(zhì)的風(fēng)化作用力和水力特性也是很重要的.在飽和條件下,根據(jù)達(dá)西定律:水流與地表崔直或平行,表達(dá)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(shù).此外,空隙的分布產(chǎn)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(dá)到一定臨界值.正如透水性那樣,毛管吸力是飽和度的函數(shù),因此流動不只取決于重力水頭.5.2.4明渠流細(xì)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(qū)常年基流部分相對意義不大,或者季節(jié)性溝道中沒有蓄水作用.上游地區(qū)短暫洪水的另重要性是迅速的集流時(shí)間.在季節(jié)性流域,這種特性可能表現(xiàn)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(shí)間則由于附近的水路環(huán)境作用形成飽和地表徑流引起.侵蝕溝和細(xì)溝中的明渠流通常是急流并伴隨著高輸沙量.當(dāng)在溝口以上形成水流或者在切溝.細(xì)溝和沖蝕中存在溝頭切割時(shí),一般的明渠流和力學(xué)條件趨于破壞.可惜這些現(xiàn)象的大量觀察只限于溝頭發(fā)育與總流量的關(guān)系5.2.5在土壤內(nèi)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(nèi),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(jī)物的分解作用.長期的作用則是土壤的細(xì)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(jìn)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(tuán)聚體的穩(wěn)定性有關(guān),不如說是和它的質(zhì)地組成有關(guān),盡管著兩方面是不相關(guān)的.在輸移過程中,地表層結(jié)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(fā)而使空隙伸張和化學(xué)結(jié)皮.5.2.7雨滴擊濺雨滴濺蝕的發(fā)生本質(zhì)是由于水滴的打擊力.降雨時(shí)的雨滴具有很大的動能和勢能,在一次巨大的熱帶暴風(fēng)雨中,自重為35000公斤的雨水可能在三十分鐘內(nèi)降落到一公頃的土地上.在一般的強(qiáng)度與能量關(guān)系中,每公頃面積上的能量大約等于一千萬焦耳.假設(shè)侵蝕性不變,土壤的凈擊濺量是坡度的函數(shù),因?yàn)橥寥李w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(yuǎn)作用,較細(xì)粒部分濺后,較粗的部分留下,在雨滴的打擊下進(jìn)行了行如蠕動的運(yùn)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(shè)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(yīng)力的作用所引起的.事實(shí)上,還要包括直接推移剪應(yīng)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(jù)實(shí)驗(yàn)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(shù),即:式中Gf是正被輸移的泥沙,Tc為泥沙輸移總量,c為常數(shù).在非細(xì)溝區(qū)域,一般的沖刷所產(chǎn)生的剪應(yīng)力太小,以至與雨滴擊濺比較時(shí),在理論上只能分離占百分?jǐn)?shù)極小的泥沙顆粒.實(shí)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(zhì)和造成溝頭切割前進(jìn)是相當(dāng)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(huán)境下,塊體移動相對的不重要,而在其他地區(qū)則可能十分重要,在切溝發(fā)展中,塊體移動尤為重要.在粘性沉積區(qū)域,侵蝕溝趨向于構(gòu)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(guān)的淺層平面滑動也是常見的常因有極端的暴風(fēng)雨激發(fā)和由于大雨導(dǎo)致高孔隙水壓力而發(fā)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(zhì)剪切強(qiáng)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(gè)滲透壓力與水力坡度成正比。5.2.10管流在土壤化學(xué)和水頭的特殊條件下，管流的作業(yè)邏輯上應(yīng)該是風(fēng)化的延續(xù)。管道實(shí)質(zhì)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(dǎo)致物質(zhì)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(zhǔn)面，水流向管道集中，管流速度加快。最后基部變得不穩(wěn)定二可能倒塌，導(dǎo)致切溝的形成。5.2.11泥沙輸移和切溝的形成物質(zhì)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(tǒng)計(jì)學(xué)平衡狀態(tài)。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(jì)算輸移能力的一個(gè)很小的百分?jǐn)?shù)的情況很普遍。因此，如果輸沙量超過了輸移能力便發(fā)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(fā)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(gè)侵蝕作業(yè)的侵蝕量不同二造成的。土壤和表面覆蓋相應(yīng)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(yīng)力增大，導(dǎo)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(guān)系。關(guān)系式反映了特殊情況下徑流的形成，并認(rèn)為徑流總量是坡度的函數(shù)。但是徑流系數(shù)還與其它坡面特征和物質(zhì)組成存在著復(fù)雜的關(guān)系。例如耶爾和克萊因發(fā)現(xiàn)徑流和坡度沒有明顯的關(guān)系，但在他們研究的荒地條件下，徑流和坡地的關(guān)系似乎可以認(rèn)為徑流總量隨坡度的遞減而增加。這是因?yàn)樵谳^陡的山坡有較大的粗糙和較高的入滲能力。實(shí)踐表明雨滴擊濺與山坡坡度相關(guān)不密切，而且坡度在20%時(shí)幾乎達(dá)到了平衡。5.3.2流域范圍的侵蝕控制石質(zhì)甲殼的發(fā)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(xì)溝密度增大，產(chǎn)沙量也增大。半干旱地區(qū)流域內(nèi)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(dá)到臨界角度以上時(shí)，塹壕便形成排水系統(tǒng)的網(wǎng)狀輪廓和切溝----溝道系統(tǒng)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(qū)的空間控制地區(qū)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(shí)，有兩個(gè)要素對土壤侵蝕是特別重要的，就是降雨強(qiáng)度與能量，他們影響著濺蝕過程。季節(jié)影響對控制自然植被和土壤水分消耗是重要的。其他地區(qū)有效的影響主要是地質(zhì)條件。他有三個(gè)方面的重要性：第一，通過巖石長期的風(fēng)化過程而影響了地形。第二，風(fēng)化的產(chǎn)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(jié)構(gòu)決定了對地下水和地表水的影響。5.4侵蝕過程的時(shí)間變化5.4.1引言隨著時(shí)間的推移，侵蝕作用的類型和速度可能發(fā)生顯著的變化，導(dǎo)致了土壤侵蝕形式和數(shù)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(zhì)的變化和懸移質(zhì)與流量之間的滯后作用相互聯(lián)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(jié)行的上游河溝.切溝和山坡上，前述的條件對確定物質(zhì)輸移量其著重要作用。5.4.3各土壤侵蝕過程的季節(jié)性變化在土壤特性方面的季節(jié)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(jī)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(zhì)的類型和特征。在溫帶也存在土壤滲透性的季節(jié)性變化。雖然動物的季節(jié)性活動顯然是相當(dāng)重要的，但最重要的季節(jié)性影響主要與天然的工人的植被覆蓋的變化有關(guān)。最后，降雨的季節(jié)性差別導(dǎo)致地表徑流季節(jié)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(shù)量.和頻率的長期變化是比較困難的，他們往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)。一方面，由于地區(qū)的穩(wěn)定性不同，局部的影響可能導(dǎo)致侵蝕發(fā)生增強(qiáng)或減弱。另一方面，長期地區(qū)的不