土壤侵蚀与水土保持.

第七章土壤侵蚀与水土保持土壤侵蚀概念；土壤侵蚀过程；土壤侵蚀计算；水土保持。§1土壤侵蚀的概念一、土壤侵蚀(soilerosion)土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外营力的作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程。简单的说，侵蚀是土壤物质从一个地方移动至另一个地方的过程。按速度正常侵蚀按时间加速侵蚀古代侵蚀现代侵蚀土壤侵蚀量土壤在外营力作用下产生位移的物质量。土壤流失量土壤侵蚀量中被输移出特定地段的泥沙量。流域产沙量在特定时段内，通过小流域出口某一观测断面的泥沙总量。土壤的侵蚀模数单位面积上的土壤侵蚀量。导致土壤侵蚀的基本营力促使土壤侵蚀发生的基本营力有内营力和外营力的作用。内营力作用地球内部能量地壳运动岩浆活动地震水平运动垂直运动外营力作用太阳能风化剥蚀搬运堆积水力侵蚀风力侵蚀冻融侵蚀重力侵蚀混合侵蚀等植物侵蚀层状土壤侵蚀正常侵蚀加速侵蚀水力侵蚀溅蚀面蚀鳞片沙砾化细沟状沟蚀浅沟切沟冲沟山洪侵蚀重力侵蚀陷穴泻溜崩塌滑坡冻融侵蚀冰川侵蚀混合侵蚀风力侵蚀二、土壤侵蚀形式1.水力侵蚀由于大气降水，尤其是降雨所导致的侵蚀过程及其一系列土壤侵蚀形式称为水力侵蚀。（1）溅蚀(splasherosion)（2）面蚀(surfaceerosion)面蚀是指由于分散的地表径流冲走坡面表层土粒的一种侵蚀现象。根据面蚀发生的地质条件、土地利用现状的不同及其表现的形态差异，又可以分为以下四种：面蚀层状面蚀鳞片状面蚀沙砾化面蚀细沟状面蚀层状面蚀鳞片状面蚀坡面径流将细小的土壤颗粒以悬移的方式带走，造成土层减薄，质地变粗放牧种植等不合理沙砾化面蚀细沟状面蚀面蚀反复进行，表土中的细粒减小，留下的是粗砂砾耕地砂砾化面蚀鳞片状面蚀细沟状面蚀（3）沟蚀(gullyerosion)沟蚀是指由汇集在一起的地表径流冲刷破坏土壤及母质，形成切入地表以下沟壑的土壤侵蚀形式。根据沟蚀程度及表现形式，可分为以下三种类型：浅沟侵蚀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面。浅沟侵蚀浅沟侵蚀切沟侵蚀：浅沟侵蚀继续发展，冲刷力量和下切力量增大，沟深切入母质中，有明显的沟头，并形成一定高度的跌水。特点横断面呈“V”字形，沟头有一定高度的跌水，长宽深三方面的侵蚀同时不同程度地进行，加之重力作用，沟岸不断坍塌。这种侵蚀在质地疏松、透水性好和具有垂直节理的地区，发展非常迅速。冲沟侵蚀切沟侵蚀进一步发展，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”形并逐渐定型，沟底纵断面与原坡面有明显的差异，上部较陡，下部已日渐接近平衡断面。冲沟侵蚀冲沟侵蚀形成的侵蚀沟是侵蚀沟发育的末期，但没有达到相对稳定的程度，这时沟底下切虽已缓和，但沟头的溯源侵蚀和沟坡沟岸的崩塌还在发生。冲沟侵蚀冲沟侵蚀（4）山洪侵蚀(torrentialflooderosion)山洪侵蚀是指山区河流洪水对沟道堤岸的冲淘、对河床的冲刷或淤积过程。山洪侵蚀2.重力侵蚀(gravitationalerosion)重力侵蚀是一种以重力作用为主引起的土壤侵蚀形式。以重力为主要外营力的侵蚀形式主要有：重力侵蚀泻溜陷穴滑坡崩塌陷穴泻溜•由于地表水汇集到黄土裂隙中，下渗水流进行机械侵蚀，并将可溶性盐类带走，致使下边掏空。崩塌崩塌滑坡滑坡和崩塌的区别：发生的坡度不同崩塌主要出现在地势高差大，有临空面高山地区，特别是河流侵蚀地带，滑坡一般发生在12～32度坡度范围内有无滑动面滑坡发生后，可以看见明显的滑动面，滑坡体的层次未大乱，而崩塌没有明显的滑动面，层次被打乱堆积物滑坡的堆积物有明显的分选性，而崩塌的堆积物则没有。3.冻融侵蚀(freeze-thawerosion)也称冰劈作用冻融侵蚀在我国北方寒温带较为广泛。冻融侵蚀（1）.冻融使边坡上的土体含水量增大，加重了土体的不稳定性。（2）.冻融使土体发生机械变化，破坏了土壤内部的凝聚力。（3）.土壤解冻的时空差异性，形成不透水层。4.冰川侵蚀(glaciererosion)由于现代冰川的活动对地表造成的机械破坏作用称为冰川侵蚀。可分为剥蚀和拔蚀两种。5.混合侵蚀（mixederosion）混合侵蚀是指在水流冲力和重力共同作用下的一种特殊侵蚀形式，在生产上常称混合侵蚀为泥石流。根据其所含固体物质的比例，可分为泥石流、石洪和泥流。混合侵蚀泥石流石洪泥流固体物质以粘土和粉沙等细颗粒为主，并含有一定量的砾石仅含有少量石块、且粘度较大的称为泥流泥石流中固体物质主要是质地坚硬的大块石，泥浆浓度很稀时称为石洪石洪堆积泥流流动6.风力侵蚀(winderosion)主要包括空气干旱和害风，风沙流、沙尘暴等。风力侵蚀风沙流沙尘暴沙尘暴§2土壤侵蚀过程当土壤侵蚀发生时，其演进过程大致均可被分为四个阶段，即土体的破碎、松散、位移及停止。一、雨滴击溅引起的土壤侵蚀雨滴的特性与土壤侵蚀雨滴特性包括雨滴形态、大小、降落速度、接地时的冲击力、降雨量、降雨强度和降雨历时等。雨滴的大小与溅蚀成正相关；雨滴降落的速度与溅蚀成正相关；溅蚀过程：破坏土壤表层结构；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条件；干土溅散湿土溅散阶段泥浆溅散阶段地表板结溅蚀的危害：2.溅蚀形成过程（1）.雨滴势能转化为动能（2）.降雨动能的经验公式Wischmeier和Smith建立的经验公式E—降雨动能，J/（M2.CM）i—降雨强度，CM/HiElg892.210二、地表径流侵蚀作用1.水流的基本特性（1）层流与紊流层流没有垂直于水流方向上分力作用，一般不能卷起泥沙；紊流的水质点呈不规则的运动，并互相干扰，在水层与水层之间夹杂了大小不一的旋涡运动，易卷起泥沙。（2）坡面水流水流在向下流动的过程中，由于雨水和雪水的补充，一般顺坡流量会逐渐增大。当流量增大到一定值后，成层的流动便不再能够保持，变成紊流。（3）沟槽水流沟槽水流均属紊流。2.水流的侵蚀作用水流侵蚀也就是地表泥沙为水流带走，因此，是否发生侵蚀可以根据泥沙启动条件来判断。例如：砾石三轴长分别为a、b、d，其上受到三个方向力的作用。dbarrGWM)(重力:22pvyybap22pvxxbap水的推移力:上举力:砾石启动时应满足的平衡方程为：f—摩擦系数整理后滑动启动流速为整理后的滚动流速为xyppGf)(dkvd1dkvd203.水流的搬运作用泥沙的搬运形式可分为推移和悬移两大类。（1）泥沙的搬运方式推移质搬运方式:它的运动行程是间歇的，它被水流搬运一段距离后，便在床面上静止下来，转化为床沙的一部分，然后等待合适时机，再一次开始第二个行程。悬移质搬运方式：悬浮于水中，随水流动，泥沙分布比较均匀。交换作用：推移质和悬移质之间，以及它们与河床上的泥沙之间存在着不断交换现象。各部分泥沙之间的交换作用，使含沙量在垂线上分布成为一条连续曲线。（2）水流的挟沙能力在一定的水流条件下，能够挟运泥沙的数量，称为挟沙力。它包括推移质和悬移质的全部沙量，如果上游来水的含沙量小于该水流的挟沙力，水流就有可能从本段河床上获得更多的泥沙，造成床面的冲刷。反之，将发生沉积。4.水流的堆积作用（1）泥沙的沉速在下沉的开始，球体的运动速度较小，重力大于阻力，这时圆球以加速度前进，球体所承受的阻力在行进中不断加大。经过一定距离以后，阻力大到和重力相等，此后球体即以等速运动向下沉降。一般所谓物体的沉速，都是达到等速运动以后的下沉速度。因此。在F恒等于G时，得到沉速公式如下：DWMxrr1342面蚀的防治面蚀是水土流失的初期阶段，采取耕作、林草、工程措施可有效控制水土流失。1、工程措施（1）整治坡面水系，在坡面上开挖排洪沟，顺坡改为横坡.（2）坡改梯2、农业技术措施（1）等高耕作（横坡耕作）（2）沟垄耕作（3）间作套作轮作（4）改良轮作制度和草田轮作。3、林草措施三、重力侵蚀作用过程重力侵蚀形式的发生，其主要外营力是由地心引力而产生的重力作用，但是土体下渗水分、土体性质、岩石结构、地形条件等也不可忽视。1.块体运动力学分析坡地上的风化碎屑或不稳定的岩体、土体在重力为主的作用下，以单个落石、碎屑或整块岩体、土体的向下运动称为块体运动。sinGTsinGNGNT摩擦阻力：F=N·tgθ平衡条件是：θ≤φ内摩擦角反映了块体沿坡面下滑刚好起动时的坡角，代表松散物质的休止角。岩屑和砂、土的内摩擦角随颗粒大小、形状和密度而异。粗大并呈棱角状而密实的颗粒，休止角大。一般情况下，随风化碎屑离源地愈远，其颗粒随着变小，棱角被磨蚀，圆度增大，摩擦力减小，休止角变缓，因此，愈向坡角，坡度愈趋缓和。土的内摩擦角还随含水量多寡而异。土粒间的孔隙被水充填后增加滑润性，减少摩擦力，因而休止角也相应变缓，在同一斜坡上，坡顶远离地下水面较干燥，而坡脚接近地下水较润湿，因此，坡度有向坡脚变缓的趋势。Φ2.滑坡的力学机制根据块体其受力情况，需要求得土坡得稳定系数K为K=总抗滑力矩/滑动力矩=（G2·d2+Tf·AB·R)/（G1·d1）当K＞1时，抗滑力大于滑动力，斜坡稳定；当K＜I时，滑动力大于抗滑力，发生滑动当K=1时，滑动力与抗滑力相等，斜坡处于极限平衡状态。四、冻融及冰川侵蚀作用过程1.冻土作用冻融作用：由于温度周期性地发生正负变化，冻土层中的地下冰和地下水不断发生相变和位移，使土层产生冻涨、融沉、流变等一系列应力变形。这一复杂过程称为冻融作用。它使岩石遭受破坏，松散沉积物受到分选和干扰，冻土层发生变形，从而塑造出各种类型的冻土地表类型。石环冻胀丘冰锥2.冰川作用重要有拔蚀作用和剥蚀作用,还有搬运作用。（1）刨蚀（磨蚀）作用：冰川滑动过程中，其底部所含的岩石碎块不断锉磨冰川床，就是刨蚀作用。（2）拔蚀作用：冰川下因节理发育而松动了的岩块的突出部分，可能和冰冻结在一起，冰川移动时把岩石拔出带走，这就是拔蚀作用。冰川的搬运能力是惊人的。大陆冰川可以把大片基岩从原地搬走，波罗的海南部平原上就有冰川从另一岸搬运来的4KMx2kmx0.12KM的大岩块。山岳冰川的搬运能力也不小，喜马拉雅山中即有直径达28m，重量超过万吨的大漂砾。五、风力侵蚀1、风沙流特征含沙的气流称为风沙流，它是一种气固两相流。风速达到一定程度时，泥沙才能运动，称为起沙风。起沙风速与沙粒粒径、地表性质、沙土含水率等有关。风沙流是一种贴近地面的泥沙搬运现象，一般在离地面0－30cm，集中在0－10cm。风沙流中含沙量与高度、风速有关。粒径（mm)不同含水率起动风速干燥含水率1％2％3％4％2.0～1.09.010.812.0--1.0～0.56.07.09.512.0-0.5～0.254.85.87.512.0-0.25～0.1753.84.66.010.512.02、风沙侵蚀作用风沙对地表的侵蚀作用，包括吹蚀作用和磨蚀作用。（一）吹蚀作用风吹过地表，产生紊流，使沙粒离开地表，造成地面的破坏，称为吹蚀作用。吹蚀作用与泥沙粒径有关，根据研究表明，粒径在0.1mm左右的泥沙最易遭受吹蚀作用。与下垫面条件有关,覆盖0.5%、15%，风蚀强度分分别为4.03g/(cm.min)、0.51g/(cm.min)。（二）磨蚀作用由于风沙流紧贴地表，沙粒对地表物质产生的冲击和磨损作用，称为磨蚀作用。沙粒集中在距地面30cm，使沙漠区电线杆下部磨损折断。3风沙搬运作用地表松散碎屑物，不断由源地转移到别处的作用，称为风沙的搬运作用。风沙的搬运作用分为三种形式：悬移（悬浮）、跃移(跳跃）和蠕移（推移）的方式。风沙搬运量——输沙率。§3土壤侵蚀的估计和预测土壤侵蚀量的计算是定量评价土壤侵蚀水平的依据，它是了解和评估侵蚀环境影响的重要基础。不同的研究者提出了不同的土壤侵蚀估计模型，但应用最为广泛的是Wischmeier等提出的通用土壤流失方程（USLE）20世纪90年代提出的WEPP(WaterErosionPredictionProject)也应用比较普遍。土壤侵蚀模型方法的主要任务是