国内水力侵蚀研究现状论文

水力侵蚀第一节 水流作用第二节 溅蚀第三节 面蚀第四节 沟蚀第五节 山洪侵蚀第六节 海岸、湖岸及库岸浪蚀第一节 水流作用一、水流剥蚀作用1.判断条件水流剥蚀也就是地表泥沙被水流带走，沙粒可以呈滑动或滚动形式运动。是否发生剥蚀可根据泥沙起动条件来判断。在水流流动时，砾石顶部和底部水流流速不同，根据伯努里定律，顶部流速高压力小；底部流速低压力大。所造成的压差产生了上举力Py，方向朝上，并通过颗粒重心。沙砾在流水作用下，无论是滑动或滚动，沙砾粒径总是与起动流速平方成正比。泥沙起动以后，在水流上举力作用下可以跳离床面，与速度较高的水流相遇，被水流挟带前进。但泥沙颗粒比水重，它又会逐渐落回到床面，并对床面上的泥沙产生一定冲击作用，作用的大小取决于颗粒的跳跃高度和水流流速，如沙粒跳跃较低，由于水流临底处流速较小，泥沙自水流中取得的动量也较小，在落回床面以后就不会再继续跳动；如沙粒跳跃较高，自水流中取得的动量较大，则落于床面以后还可以重新跳起。流速继续增加，紊动进一步加强，水流中充满着大小不同的旋涡，这时泥沙颗粒自床面跃起后，有可能被旋涡带入离床面更高的流区中，随着水流以相同速度向前运动，这样的泥沙称为悬移质(图1)。在一定的水流条件下，能够挟运泥沙的数量，称为挟沙力。当泥沙的来量大于水流的挟沙力时，多余的泥沙就要沉积下来。第二节 溅蚀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。或击溅侵蚀。降雨雨滴的溅蚀是降雨和土壤相互作用的结果，任何一次降雨发生的溅蚀都受到这两方面的制约。研究降雨溅蚀作用，需要首先研究雨滴的侵蚀力和土壤的可蚀性。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。降雨雨滴的侵蚀力计算，经过国内外许多学者研究，已取得很大进展。40年代初埃利森(W. D. Ellison)、比萨尔(E. Bisal)、罗斯(J. O. Lawx)等人的大量实验，发现了降雨雨滴侵蚀力与能量有关，后来又被土壤流失资料所证实。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。雨滴溅蚀主要表现在以下几个方面：破坏土壤结构，分散土体或土粒，造成土壤表层孔隙减少或者堵塞，形成“板结”引起土壤渗透性下降，利于地表径流形成和流动；直接打击地表，导致土粒飞溅并沿坡面向下迁移。雨滴打击增强了地表薄层径流的紊动强度，导致降雨侵蚀和地表径流输沙能力增大。上述三方面在溅蚀过程中紧密相联互有影响，就其过程而言大致分为四个阶段。干土溅散阶段:降雨初期由于地表土壤水分含量较低，雨滴首先溅起的是干燥土粒；湿土溅散阶段：随降雨历时延长，表层土壤颗粒逐渐被水分所饱和，此时溅起的是水分含量较高的湿土颗粒；泥浆溅散阶段：土壤团粒受雨滴击溅而破碎，随着降雨的继续，地表呈现泥浆状态阻塞了土壤孔隙，影响了水分下渗，促使地表径流产生；地表板结：由于雨滴击溅作用破坏了土壤表层结构，降雨后地表土层将由此而产生板结现象。第三节 面蚀坡面径流的形成是降水与下垫面因素相互作用的结果，降水是产生径流的前提条件，降水量、降水强度、降水历时、降水面积等对径流的形成产生较大的影响。由降水而导致径流的形成可以分为蓄渗阶段和坡面漫流阶段。分散的地表径流亦可称为坡面径流，它的形成分两个阶段，一是坡面漫流阶段，二是全面漫流阶段。漫流开始时，并不是普及到整个坡面，而是由许多股不大的彼此时合时分的水流所组成，径流处于分散状态，流速也较缓慢；当降雨强度增加，漫流占有的范围较大，表层水流逐渐扩展到全部受雨面时，就进入到全面漫流阶段。最初的地表径流冲力并不大，但当径流顺坡而下，水量逐渐增加，坡面糙率随之减小，促进流速增大，就增大了径流的冲力，这也是坡地流水作用分带性产生的机制，终将导致地表径流的冲力大于土壤的抗蚀能力时，也就是地表径流产生的剪切应力大于土壤的抗剪应力时，土壤表面在地表径流的作用下产生面蚀。虽然层状面蚀也可能发生，但因自然界完全平坦的坡面很少，而地表径流又常常稍行集中之后，才具有可以冲动表层土壤的冲力，因此由地表引起的面蚀，主要是细沟状面蚀。坡面侵蚀过程。坡面水流形成初期，水层很薄，速度较慢，但水质点由于地表凸起物的阻挡，形成绕流，流线相互不平行，故不属层流。由于地形起伏的影响，往往处于分散状态，没有固定的路径，在缓坡地上，能量不大，冲刷力微弱，只能较均匀地带走土壤表层中细小的呈悬浮状态的物质和一些松散物质，即形成层状侵蚀。但当地表径流沿坡面漫流时，径流汇集的面积不断增大，同时又继续接纳沿途降雨，因而流量和流速不断增加。到一定距离后，坡面水流的冲刷能力便大大增加，产生强烈的坡面冲刷，引起地面凹陷，随之径流相对集中，侵蚀力变强，在地表上会逐渐形成细小而密集的沟，称细沟侵蚀。最初出现的是斑状侵蚀或不连续的侵蚀点，以后互相串通成为连续细沟，这种细沟沟形很小，且位置和形状不固定，耕作后即可平复。细沟的出现，标志着面蚀的结束和沟道水流侵蚀的开始。第四节 沟蚀侵蚀沟的形成过程。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。坡面降水经过复杂的产流和汇流，顺坡面流动，水量增加、流速加大，出现水流的分异与兼并，形成许多切入坡面的线状水流，称为股流或沟槽流。水流的分异与兼并是地表非均匀性和水流能量由小变大，共同造成的。引起地表非均匀性的原因有：①地表凹凸起伏差异；②地表物质抗蚀性强弱、渗透强度、颗粒组成大小的差异；③地表植被覆盖上的差异。因之，在易侵蚀地方首先出现侵蚀沟谷，并逐渐演化为大型沟谷；在难侵蚀的地方会推迟出现小沟谷。径流集中的过程还产生横向均夷作用，导致强沟谷并弱沟谷的兼并现象。水流能量的差异除了降水、坡度、渗透消耗等影响外，在同一地区则主要是径流线的长度。因之，总是先出现细小沟谷，然后依次出现大型沟谷。股流水流集中，侵蚀能量增强，下切侵蚀剧烈，并不断旁蚀和溯源侵蚀，改变沟槽形态。在沟谷的深、宽达到不能为生产和其他活动所消除时，地面上就留下永久的沟槽，成为沟谷。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。现代侵蚀沟谷发育在古老沟谷上，被称为承袭沟谷。由于冲刷而形成的侵蚀沟具有一定的外形，它是一条长而深的水蚀沟，一般通入河谷或荒溪，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。第五节 山洪侵蚀山洪是山区地表径流沟网向河沟集中后形成的强大洪流。具有较大冲击力和负荷力，但其容重一般小于。依按照成因不同，可将山洪分为以下几种类型。1.暴雨引起的山洪它是山洪的主要类型，是由大强度的降雨所形成的，其过程特征、峰量的大小等，主要决定于暴雨的强度、暴雨中心移动方向、暴雨区域范围及暴雨过程等因素。根据暴雨的时空分布，又可分为三种：①由短历时(几小时或十几小时)大暴雨形成的局地性山洪，暴雨茏罩面积较小，约几十至几千平方公里，位于暴雨中心范围内的河沟产生较大山洪。②由中等历时的一次暴雨过程所形成的区域性山洪。持续时间在3～7天左右，可使一个地区内普遍暴发山洪，甚至使大河流发生大洪水。③由长时间大范围的连续淫雨，并有多个地区多次暴雨组合产生的大范围淫雨性山洪。其降雨时间可长达1～2个月，造成几个大流域同时发生大洪水。2.融雪引起的山洪主要发生在高纬度积雪区或高山积雪区。3.水体溃决引起的山洪因种种原因造成水库、湖泊等坝体溃决，水体突然涌出，产出的山洪，由于来势猛，水流急，常造成重大危害。山洪具有强大的动能，可将沿途的土沙物质侵蚀、搬运到下游，并在沟口开阔部位沉积下来。山洪发生后，在沟网中有一个汇聚过程。以河沟主沟道为准，可分为上游、中游、下游。在上游径流量小，但沟道两侧坡面陡，汇流速度快，沟底纵比降大，流速更大，所以上游产生的径流以冲力为主，沟道下切侵蚀最明显。中游由于汇水面积大，有较多支流的径流汇集于沟道，不但流量增加，而且因支沟汇流与主沟径流流向不一致，产生一定角度，迫使主沟径流向彼岸流去，形成偏态流动，产生侧蚀，冲淘河岸。下游段，坡降缓，但流量更集中，因下游支流汇入主沟道中，同样影响主沟道径流流向，存在侵蚀作用。在冲淘两岸时，由于曲流和侧蚀作用，被冲淘的一侧往往后退形成凹岸，另一侧不断淤积形成凸岸。使河流表现为蛇形前进。山洪的搬运作用与河谷水流一样，也有四种方式，推移、跃移、悬移和溶解搬运。根据水力不的定律（爱里定律）在流水中推移的单个固体物质的重量与起动流速的六次方成正比。山洪在行进过程中，当流路条件发生变化时，所携带的土砂物质即沉积下来。土砂物质的沉积包括流路中的沉积和山口的沉积。山洪行进到中下游地带，受曲流侧蚀作用影响，河道曲折，出现了凹岸、凸岸。泥沙在凸岸沉积下来，而凹岸的冲刷较严重。当山洪行进到山口地带时，地势突然变得开阔，流速很快降下来，所带土砂石块则沉积下来。在山前出现了倾斜的半圆扇形堆积体，即洪积扇。山前的洪积物质分选作用较明显，距沟口越近，组成物质越粗，距沟口越远，组成物质越细小。第六节 海岸、湖岸及库岸浪蚀海洋水体与陆地的接触称为海岸带。海岸带自陆向海可分为海岸、潮间带和水下岸坡三部分。波浪、潮夕和海流是作用于海岸带最主要的动力因素，在入海的河口，河水的动能以及河水与海水交互作用产生的动能对河口、海岸的侵蚀作用也很强烈，如钱塘江喇叭口型河口的形成就是典型一例。海洋中的波浪主要是风作用于海面将其能量传递给海水所发生的现象。能量的传递是通过风作用于海面时在波面产生的压力差以及波面的磨擦，二者对水质点作功而实现的。当水质点发生振动时，就在顺着风向的垂直断面作圆周运动，当水质点处于圆形轨道最高位置的地方，水面凸起就形成波峰。水质点处于最低位置的地方，水面凹陷就形成波谷。相邻波峰与波谷间的垂直距离h就是波高；相邻两波峰或两波谷间的水平距离L称波长；波浪传播的速度或者单位时间内波形传播的距离C称为波速；同一时刻波峰最高水质点的连线称波峰线；指向波浪前进方向而与波峰线垂直的线称波射线。波浪对海岸作用的大小决定于波浪的能量E，其大小与波高的二次方、波长的一次方成正比，因此，波浪愈大，尤其是波高愈大，波能就愈大，其对海岸的侵蚀作用也愈强。波浪对海岸的侵蚀，首先是波浪水体给予海岸的直接打击，即冲蚀作用。当波浪以巨大的能量冲击海岸时，水体本身的压力和被其压缩的空气，对海岸产生强烈的破坏。波浪的冲蚀作用对于松软岩石或者岩石虽较坚硬，但节理密度较大的海岸来说，是非常显著的。尤其当波浪水体夹带岩块或砾石时，其侵蚀力更大，这即是磨蚀作用。若海岸为含有易溶矿物的岩石，如石灰岩等，还要发生溶蚀作用。海岸侵蚀形态的形成和演化大都是暴风浪的产物，普通波浪则起着经常的修饰海岸的作用，因此，可以分别把它们对海岸的侵蚀比做鲸吞和蚕食。海蚀作用的结果，不仅造成海岸位置的变化，还会产生一系列的海蚀的地貌。