水土保持学第二章.docx

1、水土保持学第二章第二章 土壤侵蚀的基本特征土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀搬运和沉积的过程。因此，它的本质也是地球的外营力对地表的塑造与夷平。这一过程从陆地形成以后就在不断地进行着，只是在人类的出现与参与下，发生了根本变化，故通常将地史时期纯自然条件下发生和发展的侵蚀作用与过程，称为自然侵蚀或正常侵蚀（normal erosion）。它的特点是侵蚀速率缓慢，不受人为活动影响的纯自然过程，因而又可称为常态侵蚀。人类出现以后，他们为了生存，就自觉与不自觉地加入到了改造自然的过程中，在生产方式落后，效益低下的情况下，这一作用往往加快了土壤侵蚀的过程。所以，

2、有史以来（距今约5000年左右），人类大规模的生产活动逐渐形成，改变和促进了自然侵蚀过程，这种快速的侵蚀作用过程，称为加速侵蚀（accelerated erosion）。其特点是侵蚀速度快、破坏大、影响深远，除了有常态侵蚀作用外，还有人类活动的参与，两者作用相迭加，大大加速了侵蚀的发生与发展。另外，按土壤侵蚀发生的时代又可划分为古代侵蚀（ancient erosion）和现代侵蚀（human erosion）。其含意与上述概念基本相同。现在人们研究的土壤侵蚀（或水土流失），均是指加速侵蚀（或现代侵蚀）而言的。按侵蚀营力土壤侵蚀可分为：水力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵蚀、混合侵蚀、风力侵蚀、

3、生物侵蚀等。据其危害程度的大小，本章主要讨论水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀和混合侵蚀的一些主要问题。第一节 水力侵蚀一、水力作用从动力角度来讲，水力侵蚀是降雨侵蚀力与径流冲刷力共同作用的结果。（一） 降雨侵蚀力降雨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，在下垫面特征相对一致的条件下，降雨侵蚀力越大，引起的土壤侵蚀越剧烈。侵蚀力的计算，经过国内外许多学者的研究，已有很大进展。威斯迈尔，（W.H.Wischmeier）经过大量的寻优计算，找到了用一个复合参数R为指标来表示，其表达式为：REI30 （21）式中：E为该次降雨的总动能（英尺英寸或J/m2mm），I30是该次暴雨过程中

4、出现的最大30分钟强度（吋小时或mm/h）。（二） 水流作用力水体流动，对床面上的泥沙产生作用。作用于泥沙的力既包括水流作用力，也包括泥沙的重力及其分力（如图21），其中水流作用力有水流推移和上举力。设一边长为d的正立方体泥沙处于坡面上，并被埋于水体中，水流以速度流动，则该泥沙体的受力状况为：图21 坡面水流作用力1、重力及其分力泥沙在水中的重力 （22）沿坡面的分力 （23）对坡面垂直压力 （24）则泥沙与坡面的磨擦力 （25）式中：、分别为泥少和水的密度；当坡面坡度较小时，认为，为泥沙粒与坡面摩擦系数，为摩擦角。2、水流推移力水流推移力为水流对泥沙迎水面的作用力，又称迎面压力，是泥沙迎水面

5、与背水面的压力差产生的。推移力Ft为： （26）式中：为推移力系数，与泥沙颗粒形状有关。3、上举力水流的流速分布总是近表面最大，底部最小，伯努里定律告诉我们，流速的差异产生压力差，水中泥沙上下压力差总是向上的，产生上举力。其值为： （27）式中：为上举力系数，为水的密度，是容重和密度的关系式。泥沙的上升除上举力作用之外，还有颗粒间弹性碰撞，以及涡流等的作用，是十分复杂的，我们不再讨论。若泥沙的颗粒为球体，则需将以上公式中d3换成，换成，即成为球体泥沙的重力、推力和上举力了。（三） 水流侵蚀作用水流破坏地表，并冲走地表物质的作用，称水流侵蚀作用。除水流冲蚀外，还通过挟带物质对床面的撞击和磨蚀。1

6、、侵蚀作用方式按侵蚀作用方向，可分为下蚀和侧蚀。水流切深床面的作用，称下切侵蚀，简称下蚀或切蚀。下蚀的强度决定水流动能、含沙量及床面组成物质的抗冲性能。水流的动能愈大、含沙量愈少，地表组成物质愈松散，下切速度愈快；相反，下切愈慢。水流拓宽床面的作用，称侧蚀或旁蚀。它主要发生在水流弯曲处的凹岸，其作用强度受环流离心力大小和水流冲刷力控制。向源侵蚀是沟谷源头的后退侵蚀，指向源头，亦称溯源侵蚀。实质上是下切在源头和床面坡度突变处向上发展的表现，它受水流速度、流量和床面组成物质控制。溯源侵蚀导致沟谷伸长。2、侵蚀起动流速水流能冲刷推动泥沙运动的最小流速，称起动流速或临界流速。它分为滑动起动和滚动起动两

7、种。由以上水流作用力的分析可知，若要使静止泥沙开始沿坡面滑动，需要满足平衡方程： （28）式中：f为启动摩擦系数，基他符号意义同前。将以上诸式分别代入（28）式，整理可得到滑动起动流速： （29）式中：K1为系数，其值为若要使静止球形泥沙滚动，则应使滚动力柜与反力矩平衡，满足下列方程： （210）式中：、分别为球形体相接点的距离（如图22）。图22 泥沙滚动时的受力情况 将以上各式代入（210）式中，整理可得滚动起动的流速： （211）式中：K2为系数，（29）、（211）两式计算中未考虑颗粒沿坡面的向下分力。可以看出，砂砾的粒径总是与流速的平方成正比，而泥沙的体积或重量又与粒径立方成正比。因

8、此，搬动的砂粒颗粒的体积或重量总与流速6次方成正比，即，这就是山区河流能够搬动粗大颗粒巨石的原因。（四）水流搬运作用水流挟带泥沙及溶解质，并推动坡面物质移动的作用，为水流搬运作用。1、搬运方式在上举力作用下起动的较细小泥沙，进入水流以与水流相同的速度呈悬浮状态搬动，称为悬移，被搬运的物质称悬移质。它的悬浮主要受紊流的旋涡流影响，悬移质的数量与水流流速、流量及流域的组成物质有关。起动泥沙颗粒较大，可在水流中回落到床面上，对床面泥沙有一定冲击作用，使另一部分泥沙跃起进入水流，或起动泥沙沿床面滚动、滑动，称为推移，其搬运物质称推移质。推移质与悬移质之间，以及与河床上泥沙（称床沙质）之间存在着不断的交

9、换现象，这一交换，使水流含水量分布连续，泥沙颗粒较均一。2、水流挟沙能力在一定水流条件下，能够搬运泥沙的最大量称水流挟沙能力，或饱和挟沙量。若上游来水含沙量小于其挟沙能力，水流就会侵蚀床面，取得更多泥沙；反之，则发生泥沙沉积；只有来水含沙量等其挟沙能力，就会不冲不淤，来沙全部通过，或处于动态平衡。水流挟沙能力，常以悬移质的数量来度量。（五）泥沙堆积当水流能量降低时，搬动泥沙就要发生沉积，亦称堆积。堆积先从推移质中的大颗粒开始，最后悬移质转化为推移质，继而在床面上停积。图23表示出侵蚀、搬运、堆积的关系。横坐标为泥沙粒径大小，纵坐标为水流的摩阻流速，或沉速，其中是前边已阐明的近床面水流切应力，这

10、样可利用临界摩临流速VC代替泥沙起动时的水流切应力，作为泥沙起动的判别值。当摩阻流速相当于泥沙沉速时，泥沙才能悬移运动。图23 泥沙沉积条件分区(mm)（1）在COD线以上；VV*C，运动泥沙与床面泥沙有可能发生交换，只有当上游来沙量超过水流挟沙能力时，泥沙才开始沉降；同样，如上游来沙量不及水流挟沙能力，河床就会发生冲刷。其中OFD部分的泥沙运动以推移为主，其余泥沙以悬移为主。（2）在EOD线以下，VV*C及V，水流既不能冲刷床面泥沙，又不能足以支持上游的来沙，泥沙迅速淤积。（3）在COE线左侧，水流不足以自河床中取得泥沙补充，但只要上游来沙，则因该段的紊动强度能够支持其继续悬移运动，将上游来

11、沙输送下去。二、水力侵蚀的分类与分级（一）水力侵蚀的分类水力侵蚀（water erosion）是指由大气降水及所形成的径流引起的侵蚀过程和一系列土壤侵蚀形式。早期的土壤保持专家主要依据地表径流逐渐集中的过程将其划分为片蚀、细沟侵蚀、切沟侵蚀和河岸侵蚀。1982年，捷克土壤侵蚀学家查赫（D.Zacher）将水力侵蚀划分为降雨侵蚀、河流侵蚀、山洪侵蚀、湖泊侵蚀、库岸侵蚀和海洋侵蚀等类型。得到了人们的普遍认可。我国水力侵蚀按侵蚀形式，可划分为溅蚀、面蚀、沟蚀和河沟山洪侵蚀等类型。1、溅蚀（splash erosion）溅蚀是指裸露的坡地受到雨滴击溅而引起的土粒与母体分离的一种土壤侵蚀现象。溅蚀破坏土

12、壤表层结构，堵塞土壤孔隙，阻止雨水下渗，为产生坡面径流和层状侵蚀创造了条件。因此，溅蚀是在一次降雨中最先导致的土壤侵蚀。2、面蚀（surface erosion）面蚀是指由分散的地表径流冲走坡面表层土粒的一种侵蚀现象，它是土壤侵蚀中最常见的一种形式。面蚀发生面积大，侵蚀的又都是肥沃的表土层，所以对农业生产的危害很大。根据其发生的地质条件、土地利用现状的不同及其表现的形态差异，又可分为层状而蚀、鳞片面蚀和细沟状面蚀。（1）层状面蚀层状面蚀是指降雨在坡面上形成薄层分散的地表径流时，把土壤可溶性物质及比较细小的土粒以悬移为主的方式带走，使整个坡地土层减薄、肥力下降的一种侵蚀形式。在土石山区，耕作层土

13、壤中细小颗粒冲蚀后，土壤质地明显变粗，土层减薄，最后将因表层土体中砂砾含量过高，不能作为农耕地使用而弃耕，这种面蚀特称为砂砾化面蚀。（2）鳞片状面蚀当面蚀发生在非农耕地的坡面上时，如果由于不合理过度樵采或过度放牧，使植被遭到破坏，生长不好或分布不均，有植被处和无植被处受冲蚀的程度不同，局部面蚀呈鱼鳞状斑点分布，这种面蚀称之为鳞片状面蚀。（3）细沟状面蚀在较陡的坡耕地上，暴雨过后，坡面被分散的小股径流冲成许多细小而密集的小沟，这就是细沟状侵蚀。一般来说细沟状面蚀的沟深和沟宽均不超过20cm，通过耕作措施即可以将其平复，并不需要特殊的土壤保护措施。3、沟蚀（gully erosion）沟蚀是指由汇

14、集成股的地表径流冲刷破坏土壤及其母质，形成切入地表以下沟壑的土壤侵蚀形式。沟蚀形成的沟壑称为侵蚀沟。根据沟蚀程度及形态，分为浅蚀侵蚀、切沟侵蚀和冲沟侵蚀等类型。（1）浅沟侵蚀地表径流由小股径流汇集成较大的径流，既冲刷表土又下切底土，形成横断面为宽浅槽形的浅沟，这种侵蚀形式称为浅沟侵蚀。浅沟侵蚀下切深度从0.5m以下逐渐加深到1m。沟宽一般超过沟深，以后继续加深加宽。浅沟侵蚀是侵蚀沟发育的初期阶段，其特点是没有形成明显的沟头跌水，正常的耕翻已不能复平，不妨碍耕犁通过，但已感到不便。由于耕犁作用，沟壁斜坡与坡面无明显界限。（2）切沟侵蚀浅沟继续发展，冲刷力量和下切力量增大，沟深切入母质中，有明显的

15、沟头，并形成一定高度的沟头跌水，这种沟蚀称为切沟侵蚀。切沟侵蚀的特点是沟谷横断面呈窄“V”字形，沟头有一定高度的跌水，沟床比降比坡面比降大，侵蚀最活跃。在质地疏松、透水性好和具有垂直节理的黄土区，发展十分迅速，侵蚀量大。切沟侵蚀蚕蚀耕地，使耕地支离破碎，大大降低了土地利用率。切沟是侵蚀沟发育的盛期阶段，沟头前进、沟底下切和沟岸扩张均甚为激烈。所以这时是防治沟蚀最困难的阶段。（3）冲沟侵蚀切沟进一步发展，水流更加集中，下切深度越来越大，沟壁向两侧扩展，横断面呈“U”形；沟底纵断面与原坡面有明显差异，上部较陡，下部已日渐接近平衡剖面，这种侵蚀称为冲沟侵蚀。冲沟是侵蚀沟发育的末期，这时沟底下切虽已缓

16、和，但沟头的溯源侵蚀和沟坡沟岸的崩塌还在发生，没有达到相对稳定的程度。沟蚀虽不如面蚀涉及的面广，但其侵蚀量大、速度快，且把完整的坡面切割成沟壑密布、面积零散的小块坡地，使耕地面积减小，对农业生产的危害亦十分严重。4、河沟山洪侵蚀（torrent erosion）山洪侵蚀系指山区河流洪水对沟道堤岸的冲淘、对河床的冲刷和淤积过程。由于山洪具有流速高、冲刷力大和暴涨暴落的特点，因而破坏力大，并能搬运和沉积泥沙石块。山洪侵蚀改变河道形态，冲毁建筑物和交通设施，淹埋农田和居民点，可造成严重危害。（二）水力侵蚀强度与分级1、侵蚀强度土壤侵蚀强度是定量地表示和衡量某区域土壤侵蚀数量的多少和侵蚀的强烈程度，通

17、常由调查研究和长期定位观测得到，它是水土保持规划和水土保持措施布置、设计的重要依据。（1）土壤侵蚀模数及侵蚀深土壤侵蚀模数和侵蚀深是表示侵蚀强度最直观的指标，可比性强，常为水土保持工作采用。单位面积上每年侵蚀土壤的平均重量，称为土壤侵蚀模数，单位为：t/km2a。计算式是： （212）单位面积上每年流失的径流量，称为径流模数（m3/km2a）。计算式为： （213）式中：Ms、Mw表示侵蚀模数和径流模数；Ws、Ww为年侵蚀总量（t）和径流总量（m3）；F、T分别为侵蚀（产流）面积（km2）和侵蚀（产流）时限（年）。侵蚀深（h）是将上述Ms转化成土层深度（mm），表示侵蚀区域每年平均地表侵蚀的厚

18、度。转化式为： （214）式中：rs为侵蚀土壤容重（t/m3）。（2）沟谷密度及地面割裂度沟谷密度和地面割裂度可形象地表示侵蚀强度。通常把单位面积上沟谷的长度，称沟谷密度，单位为：公里平方公里；把沟壑面积占流域（某区域）总面积的百分数称为地面割裂度。它们形象地表示已经侵蚀的强度大小。此外人们为了对比不同时、空的侵蚀，还提出用特定径流深（如50mm流深）或特定降雨量（如10mm降雨量）产生的侵蚀深表示侵蚀强度大小。2、侵蚀强度分级土壤侵蚀强度分级是研究和生产部门工作的重要依据，因而世界上土壤侵蚀严重的国家和地区，均制订了适用于本国情况的土壤侵蚀强度分级方案。侵蚀强度分级是根据土壤侵蚀强度从小到大

19、的规律变化，划分出若干个等级序列，以便针对不同的侵蚀强度，实施不同的综合治理。我国水利部（1986）在水土保持技术规范中，依据不同侵蚀营力的侵蚀特点，制订出侵蚀强度分级方案，见表21、表22。表21 水力侵蚀强度分级指标级 别侵蚀模数t/(km2a)年平均流失厚度（mm） 微度侵蚀（无明显侵蚀）200，500，10000.16,0.4,0.8 轻度侵蚀（200，500，1000）2500（0.16,0.4,0.8）2 中度侵蚀2500500024 强度侵蚀5000800046 极强度侵蚀800015000612 剧烈侵蚀1500012注：由于各流域的成土自然条件的差异，可按实际情况确定土壤允许

20、流失量的大小，从200、500、1000t/(km2a)起止，但允许值不得少于200t或超过1000t/(km2a)表22 不同水力侵蚀类型强度分级参考指标级 别面 蚀沟 蚀重力侵蚀坡度（坡耕地）植被（林地、草地）覆盖度（）沟壑密度（km/km2）沟蚀面积占总面积的百分数（）滑坡、崩塌、泻溜面积占坡面面积的百分数（） 微度侵蚀（无明显侵蚀）390以上 轻度侵蚀35709011010 中度侵蚀5850701210151025 强度侵蚀81530502315202535 极强度侵蚀152510303520303550 剧烈侵蚀251053050三、水力侵蚀的影响因素影响水力侵蚀的因素，可归纳为气候

21、、水文、地质、地貌、土壤、植被和人为活动等因素。（一）气候因素1、降雨量降雨量是影响侵蚀的因子之一。一般来说，年降雨量大，可能侵蚀总量也大，但是，年降雨量大的地区，自然植被常常生长较好，自然侵蚀反而并不严重；降雨稀少地区的植被较差，径流量也少，水力侵蚀相对减弱。因此，在半湿润与半干旱地区水力侵蚀强烈。研究结果表明，在天然降雨条件下，降雨量与土壤侵蚀量之间的直接关系并不明显。因此，人们在进行降雨量与土壤侵蚀的研究中，常常统计的是可蚀性降雨量。所谓可蚀性降雨，指的是侵蚀模数1t/km2的降雨。黄土高原每年能引起土壤流失的可蚀降雨量约为163.0mm，其中坡面为128.1mm，沟道小流域为197.5

22、mm。2、降雨强度降雨强度是影响土壤侵蚀的最重要因子。大量研究证明，土壤侵蚀只发生在少数几场暴雨之中。例如，天水站19421954年12年测定结果表明，1947年一次最大降雨量达155mm，所造成的水土流失量占12年总量的35以上；绥德站测定结果，1956年曾经发生过一次为3.5mm/min强度的暴雨，该年的水土流失量占19541956年的三年总量的30以上。3、降雨量、降雨强度的最佳组合作用单就降雨量、降雨强度对土壤侵蚀的影响进行分析时，并不能充分反映降雨对侵蚀的作用。因此，通常利用降雨量P与降雨强度I进行不同的组合，再与侵蚀进行分析。经研究证明，黄土高原在其他条件一致的情况下，一次降雨量和

23、平均雨强与侵蚀量的关系为一非线性函数，可用下式表示：Ms=APaIb (215)式中：Ms为某一定坡度的一次降雨侵蚀模数（t/km2），P为一次降雨量（mm）；I为次降雨平均强度（mm/h）;A、a、b为待定系数。4、降雨时空分布对侵蚀的作用侵蚀的形成往往是与可蚀降雨集中程度相一致。一年中，侵蚀主要发生在雨季。例如，天水站19451953年径流小区的观测表明，68月降雨量占全年降水量的47.8，而其径流量占年总径流量的78.5%，侵蚀量占年侵蚀总量的81.7%。降雨量的年际变化也对土壤侵蚀造成影响，一般情况下，丰水年侵蚀强烈，干旱年侵蚀微弱。5、前期降雨表23 前期降雨对水土流失的影响序号前期

24、降水情况时间（年月日）降水量（毫米）历时（时分）强度径流（m3/ha）冲刷（kg/ha）作物1雨前32天内共降水22次，最大一次6.1毫米74.7.316.33018.300玉米2雨前11天内降水9次最大一次6mm74.8.144.07.1213.615.5239玉米3雨前15天降水3次，最大1.3mm75.8.322.13.513.600小麦4雨前半月降水2次，共1.6mm78.8.227.95.146.100谷子5雨前一天降水27毫米，雨前67天降16.3和149mm74.7.1012.32.003.710.9321.4玉米6雨前两天连降16.5和11.6mm75.7.105.90.355

25、.31.9919.0小麦7雨前一天降48.1mm78.6.1013.85.093.651.343267谷子8同一天雨前降水35.6mm77.7.2248.94.4310.0132.416533玉米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水土流失。由表23可知，前4次降水次数不少，但前期降水少，除第二次因降雨强度很大产生一些冲刷外，其他几次均无径流和冲刷。后四次前期降雨很大，都产生了冲刷，其中5、6、7号降雨强度都不大，也都有不同程度冲刷，第8号前期降雨量和本次降雨量都很大，而且降雨强度也很大，因此，产生了严重冲刷。（6）雨型雨型不同，雨滴大小的分布亦不同。例如，黄土地区的降雨主

26、要有两种雨型，一种是由局部地形和气候影响产生的来势猛、历时短（1小时左右）的小面积降雨，称短阵性雨型；另一种主要是锋面影响的大面积普通降雨雨型。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。除上述影响因素以外，降雨的雨滴特性雨滴形状、大小、分布、降落速度和接地时的冲击力等也影响着水力侵蚀的发生及强弱大小。（二）水文因素水文因素主要指的是降雨及冰雪融水形成的坡面径流的侵蚀作用。坡面侵蚀是由径流冲刷造成的，水大沙大是必然的结果。其侵蚀量Ms与径流量关系为： （216）式中：MS为侵蚀模数，Q为径流量，a、b为待定系数。因此，随着径流量和流速的增大，侵蚀量增大；（三）地质、地

27、貌因素1、地质因素（1）岩性与地面组成物质地面组成物质不同，其抵抗侵蚀的能力不同。因此，影响侵蚀的程度不同。就黄土区而言，红粘土的粒度小于黄土，渗透性弱，在相似降雨条件下产生的径流量大于黄土，因其结构紧密，颗粒不易被水流起动，抗蚀性远远大于黄土；沙土的质地较黄土粗，结构疏松，渗透性强，相似降雨条件下的产流量小于黄土，可蚀性远远小于黄土。图24 延安杏子河流域沟床纵比降与沟头（2）新构造运动新构造运动的上升区，往往是侵蚀的严重区，黄土高原抬升比较显著。据观测六盘山西侧近百年内上升速度约515mm年，引起这个地区的侵蚀复活，使得冲沟和斜坡上的一些古老侵蚀沟再度活跃。（3）侵蚀基准面变化侵蚀基准面的

28、变化除与径流的直接冲刷有关外，还与新构造运动密切相关。在现代构造运动以上升为主的地区，地壳活动对侵蚀的间接影响，首先是在沟谷或河谷中反映出来，并逐渐向坡地传递。河谷或沟谷接受内力的影响首先表现于纵剖面变化，并通过纵剖面调整影响沟谷的其他形态要素。因此，沟床下切深度沟头前进速度和谷坡扩展速度，都和侵蚀基面变化有关。图24，是反映延安杏子河流域沟床纵比降与沟头前进速度的关系，说明纵比降越大，沟头前进速度越快。2、地貌因素（1）坡度坡度的大小直接影响到坡面土（岩）体的稳定性，以及承雨量、渗透量和径流量的多少等。坡度愈小，径流在坡面上停留的时间愈长，水流损失也愈大，则入渗土壤的机会也愈多；在坡度较大的地面上则情况相反。因此，在渗透较大的条件下，渗透量与坡度成反比关系。从受雨量方面看，当降雨量相等时，随着坡面坡度的增加，单位坡面上的受雨量减少，如图25。因此，地表径流量有可能减少。天水站的实测资料证明了这一点，见图26。但是，坡度大渗透量减小，因之，一些学者研究后认为，径流量随坡度的增大而增加。表24是阜新市七农子试验站的结果。表24 坡度与径流冲刷的关系区号坡度年径流降雨量(mm)径流量冲刷量年径流系数径流量(m3/垧)径流深(mm)冲刷量(kg/垧)冲刷深(cm)3563320.393.7459.37455882.520.0222.92