水土保持学第二章.doc

第二章第二章 土壤侵土壤侵蚀蚀的基本特征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，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古代侵蚀（ancient erosion）和现代侵蚀现代侵蚀（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、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第一节 水力侵蚀水力侵蚀一、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一一一降雨侵降雨侵蚀蚀力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：R＝EI30 （2－1）式中：E 为该次降雨的总动能（英尺·英寸或 J/m2·mm） ，I30是该次暴雨过程中出现的最大 30 分钟强度（吋／小时或 mm/h） 一一一水流作用力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 2－1） ，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 υ 流动，则该泥沙体的受力状况为：图图 2－－1 坡面水流作用力坡面水流作用力1、重力及其分力泥沙在水中的重力gdGs3（2－2）沿坡面的分力JgdasingdPss331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 1945－1953 年径流小区的观测表明，6－8 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 2－3 前期降雨对水土流失的影响序号前期降水情况时间（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6－7 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11.6mm75.7.105.90.355.31.9919.0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2－3 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（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：bsaQM（2－16）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（三）地质质、地貌因素、地貌因素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图 2－－4 延安杏子河流域沟床纵比降与沟头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 5－15mm／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 2－4，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 2－5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 2－6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2－4 是阜新市七农子试验站的结果表 2－4 坡度与径流冲刷的关系径流量冲刷量区号坡度年径流降雨量(mm)径流量(m3/垧)径流深(mm)冲刷量(kg/垧)冲刷深(cm)年径流系数3°～5～63°320.393.7459.37455882.520.0222.9276°～5～66°320.2118.46011.84608306.310.0353.7109°～1～29°320.2147.72114.721011387.120.0434.59013°～1～213°230.2146.08114.608116581.790.0634.560＊东北地区 1 垧地约为 15 亩θθ1 1＞＞θθ2 2＞＞θθ3 3＞＞θθ4 4＞＞θθ5 5 a a1 1b b1 1>a>a2 2b b2 2>a>a3 3b b3 3>a>a4 4b b4 4>a>a5 5b b5 5 b b1 1a>a2 2b b2 2>a>a3 3b b3 3>a>a4 4b b4 4>a>a5 5b b5 5 b b1 1

在整个坡面上，侵蚀量随坡度的增加是有一定极限的F.G. Renner 通过研究证明，坡度约在 40°以下时，侵蚀量与坡度呈正相关，超过此值反有降低趋势，见图 2－7图图 2 2－－7 7 F.F. G.G. RennerRenner 的坡度与土壤侵蚀关系的坡度与土壤侵蚀关系(2)坡长坡长指的是从地表径流的起点到坡度降低到足以发生沉积的位置或径流进入一个规定沟（渠）的入口处的距离当坡面其他条件一致时，径流深一般随着坡长的增加而增加，如图 2－8当距分水线的距离 L 处的径流深为 h 时，则径流深的递增率可由下式表示dldhZ （2－18）则任一点 X 处则有：xxLdldhh（2－19）天水和绥德站的资料表明：①在特大暴雨以及暴雨（雨强大于 0.5mm/min）时，坡长与径流和冲刷呈正相关；②当降雨平均强度较小，或大强度降雨持续时间很短，坡长与径流呈反相关，与冲刷呈正相关；③当降雨量很小（3－15mm） ，强度也很小时，坡长与径流、冲刷均成反相关西北农林科技大学在淳化试验（1987－1994） ，坡度均为 9％的20、40、60mm 坡长的 45 次产流侵蚀，按不同可蚀降雨级别进行统计（表 2－5）图图 2 2－－8 8 随坡度的增加径流深的增加随坡度的增加径流深的增加可知，坡长与侵蚀的关系较为复杂。

22kmtM/表 2－5 淳化县 1987－1994 年不同坡长侵蚀试验结果可蚀降雨分级（mm）20m 坡长40m 坡长sM（t/km2）60m 坡长sM（t/km2）＜1046.0423.939.6310～2026.8027.8730.6320～3019.4212.2330.8330～40423.83353.39411.5540～50873.9628.85＊538.9450～60347.881358.40338.80＞6031.8817.7429.22合计1772.031548.411389.60*缺 1987 年资料，sM为平均侵蚀模数（3）坡度、坡长的不同组合对侵蚀的影响在水土流失规律研究中，人们往往按照地形特征，将坡度 s 和坡长 L 进行综合考虑，以探求其对侵蚀的影响通过大量的研究证明，其通式为：ba sLASM（2－20）式中：Ms为侵蚀模数（t/km2） ；S为坡度；L为坡长（m） ；A，a、b 均为待定系数4）坡形自然界的坡面依据其形态，可分为直线形坡、凸形坡、凹形坡和阶形坡四种类型，其他形态实际上是上述坡形的不同方式的自然组合。