第三章 水力侵蚀

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20～60kg/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。
•
V＝Ｋ· qn· Ｊm
─ 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＝Σ（it-ft）Δt
─ ─ 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。
─ 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。
• 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。
─ 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
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。
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
─ 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过程正是沟顶前进，沟底下切的 反复过程。
─ 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 10~100mm。
─ 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。
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(l)式
E＝ρɡsinθ·Q·L
式中θ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
W G0 hx V sin 1000
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。
• 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)；θ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。
─ 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。
─ ①由短历时大暴雨形成的局地性山洪；
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。
─ ②由中等历时的一次暴雨过程所形成的区域性山洪； ─ ③由长时间大范围的连续淫雨，3.5.2 山洪时空分布
• 一次山洪
─ 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。
─ 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，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。
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。
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
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。
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。 • 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。
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、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。
•
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。
• 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）。
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。
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
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
• 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。
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