《土壤侵蚀原理》水力侵蚀

1、第第3 3章章 水力侵蚀水力侵蚀2021-12-162021-12-16水力侵蚀的定义水力侵蚀的定义 水力侵蚀（water erosion）是指在降雨雨滴是指在降雨雨滴击溅、地表径流冲刷和下渗水分作用下，土壤、击溅、地表径流冲刷和下渗水分作用下，土壤、土壤母质及其他地表组成物质被破坏、剥蚀、搬土壤母质及其他地表组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程。运和沉积的全部过程。 水力侵蚀也简称水力侵蚀也简称水蚀水蚀。2021-12-16本章学习目标本章学习目标 分析水力侵蚀发生机制及其发展规律 阐述影响水力侵蚀的各种因素 掌握防治水力侵蚀的基本原理和方法2021-12-163.1 水及水流的基本特

2、性3.2 溅蚀3.3 面蚀3.4 沟蚀3.5 山洪侵蚀3.6 海岸、湖岸及库岸侵蚀3.7 水力侵蚀防治本章目录本章目录2021-12-163.1 3.1 水及水流的基本特性水及水流的基本特性3.1.1 作用于水流的力 惯性力惯性力 重力重力 黏滞力黏滞力 弹性力弹性力 表面张力表面张力 2021-12-163.1.2 水流的基本流态 水流可以分为水流可以分为层流层流和和紊流紊流两种基本流态。两种基本流态。 层流层流的水质点有一定的轨迹，与邻近的水质点有一定的轨迹，与邻近的质点作平行运动，彼此互不混乱。的质点作平行运动，彼此互不混乱。 紊流紊流的水质点呈不规则运动，并且相的水质点呈不规则运动，并

3、且相互干扰，在水层与水层之间夹杂了大小不一互干扰，在水层与水层之间夹杂了大小不一的漩涡运动。的漩涡运动。2021-12-163.1.3 水流剥蚀作用 水流剥蚀也就是地表泥沙被水流带走。水流剥蚀也就是地表泥沙被水流带走。 剥蚀过程中沙粒可以呈剥蚀过程中沙粒可以呈滑动滑动或或滚动滚动形式形式运动。运动。2021-12-16黄河河岸的剥蚀2021-12-163.1.4 水流搬运作用 泥沙的搬运形式可分为泥沙的搬运形式可分为推移推移和和悬移悬移两大类。这两两大类。这两种形式运动的泥沙分别称为种形式运动的泥沙分别称为推移质推移质及及悬移质悬移质。推移质推移质 河床河床床沙床沙(静止静止)悬移质悬移质床面

4、床面流速流速空气空气水水2021-12-16含沙量含沙量：单位体积浑水中所含的沙量。：单位体积浑水中所含的沙量。水流挟沙力水流挟沙力：在一定的水流条件下，能够挟运：在一定的水流条件下，能够挟运泥沙的数量。泥沙的数量。 含沙量含沙量挟沙力时挟沙力时 泥沙沉积泥沙沉积含沙量含沙量挟沙力时挟沙力时 河床冲刷河床冲刷含沙量含沙量挟沙力时挟沙力时 不冲不淤不冲不淤2021-12-16黄河水流搬运2021-12-163.1.5 水流堆积作用 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。2021-12-16黄河泥沙的沉积2021-12-16 定义定义：在雨滴击溅作用下土壤结构破坏和：在雨滴击溅作

5、用下土壤结构破坏和土壤颗粒产生位移的现象称为土壤颗粒产生位移的现象称为雨滴击溅侵雨滴击溅侵蚀蚀(rain drop splash erosion)(rain drop splash erosion)，简称为，简称为溅蚀（溅蚀（splash erosionsplash erosion）。）。3.2 3.2 溅蚀溅蚀2021-12-163.2.1 雨滴特性 雨滴特性包括雨滴形态、大小及雨滴分布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、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。度和降雨历时等，直接影响侵蚀作用的大小。 一般小雨滴

6、（一般小雨滴（0.25mm0.25mm）为）为圆形圆形；大雨滴；大雨滴（5.5mm5.5mm）开始为）开始为纺锤形纺锤形，在其下降过程中因在其下降过程中因受空气阻力作用而呈受空气阻力作用而呈扁平形扁平形，两侧微向上弯曲，两侧微向上弯曲。（稳定雨滴、暂时雨滴）。（稳定雨滴、暂时雨滴） 2021-12-16 降雨雨滴动能作用于地表土壤而做功，导致降雨雨滴动能作用于地表土壤而做功，导致土粒分散，溅起和增强地表薄层径流紊动等现象土粒分散，溅起和增强地表薄层径流紊动等现象称为称为雨滴溅蚀作用雨滴溅蚀作用或或击溅侵蚀击溅侵蚀。 击溅侵蚀引起土粒下移的数量称为击溅侵蚀引起土粒下移的数量称为溅蚀量溅蚀量。20

7、21-12-16溅蚀过程 无雨滴无雨滴 干土溅散干土溅散 泥浆溅散泥浆溅散 地表板结地表板结2021-12-162021-12-16溅蚀的主要表现破坏土壤结构，分散土体或土粒，造成土壤表层破坏土壤结构，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。降，利于地表径流形成和流动。直接打击地表，导致土粒飞溅并沿着坡面向下迁直接打击地表，导致土粒飞溅并沿着坡面向下迁移。移。雨滴的打击增强了地表薄层径流的紊动强度，导雨滴的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的输沙能力增大。致降雨侵蚀和地表径

8、流的输沙能力增大。2021-12-16影响溅蚀的因素气候因素气候因素 雨型、降雨强度、风力作用雨型、降雨强度、风力作用地形因素地形因素 坡度和坡向坡度和坡向土壤因素土壤因素 种类、黏粒、有机质含量、团粒结构多少种类、黏粒、有机质含量、团粒结构多少植被因素植被因素 植被和枯枝落叶层植被和枯枝落叶层2021-12-163.3 3.3 面蚀面蚀 定义：分散的地表径流冲走地表土粒称之定义：分散的地表径流冲走地表土粒称之为为面蚀面蚀(surface erosion)(surface erosion)。 面蚀广泛地存在于自然界坡度大于面蚀广泛地存在于自然界坡度大于0 0的的斜面上，其主要侵蚀特征是分散的地

9、表径流从斜面上，其主要侵蚀特征是分散的地表径流从地表带走表层的松散土粒和土块。地表带走表层的松散土粒和土块。2021-12-16 面蚀主要发生在没有植被覆盖或植被稀少的面蚀主要发生在没有植被覆盖或植被稀少的土地上。土地上。 按发生的地质条件、土地利用现状和发生程按发生的地质条件、土地利用现状和发生程度不同，面蚀可分为度不同，面蚀可分为层状面蚀层状面蚀、砂砾化面蚀砂砾化面蚀、鳞片状面蚀鳞片状面蚀和和细沟状面蚀细沟状面蚀。2021-12-16层状面蚀层状面蚀2021-12-16砂砾化面蚀砂砾化面蚀2021-12-16鳞片状面蚀鳞片状面蚀2021-12-16细沟状面蚀细沟状面蚀2021-12-163

10、.3.1 坡面径流形成v 蓄渗阶段蓄渗阶段 蓄渗阶段一般包括蓄渗阶段一般包括植物截留、下渗和填洼植物截留、下渗和填洼三个部三个部分。植物截留是雨水在植物叶面分。植物截留是雨水在植物叶面吸着力、承托力、吸着力、承托力、重力和水分子内聚力重力和水分子内聚力作用下的叶面水分储存现象。作用下的叶面水分储存现象。其截留量一般为几毫米。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，这种现象称为些分散的洼地停蓄起来，这种现象称为填洼填洼。填洼。填洼量可达量可达10100mm10100mm。2021-12-16v漫流阶段漫流阶

11、段 随着植物截流和填洼过程的结束，水分主要随着植物截流和填洼过程的结束，水分主要入渗土壤，而土壤入渗率随着时间的延续而逐渐入渗土壤，而土壤入渗率随着时间的延续而逐渐减弱，当降雨强度超过土壤的入渗率时，地表即减弱，当降雨强度超过土壤的入渗率时，地表即开始形成地表径流。（降雨量、降雨强度、入渗开始形成地表径流。（降雨量、降雨强度、入渗能力、植被和地形等）能力、植被和地形等） 分散的地表径流也可称为坡面径流。它的形分散的地表径流也可称为坡面径流。它的形成分两个阶段：坡面漫流阶段和全面漫流阶段。成分两个阶段：坡面漫流阶段和全面漫流阶段。2021-12-163.3.2 坡面侵蚀过程 层状侵蚀层状侵蚀：能

12、量不大、冲刷力微弱，只能较：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。和一些松散物质。 细沟侵蚀细沟侵蚀：当地表径流沿坡面漫流时，坡面当地表径流沿坡面漫流时，坡面水流的水流的冲刷能力冲刷能力便大大增加，产生强烈的坡面冲便大大增加，产生强烈的坡面冲刷。刷。 细沟的出现，标志着面蚀的结束和沟道水流细沟的出现，标志着面蚀的结束和沟道水流侵蚀的开始。侵蚀的开始。2021-12-162021-12-163.3.3 面蚀的影响因素：气候因素气候因素降雨强度和前期降雨降雨强度和前期降雨地形因素地形因素坡度，坡长，坡形，坡向

13、坡度，坡长，坡形，坡向土壤因素土壤因素 土壤的抗蚀性土壤的抗蚀性：是指土壤抵抗径流对其分散和悬：是指土壤抵抗径流对其分散和悬浮的能力。浮的能力。 土壤的抗冲性土壤的抗冲性：是指土壤抵抗径流对其机械破坏：是指土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的能力。和推动下移的能力。2021-12-16 土壤质地，土壤结构及其水稳性，土壤孔隙，剖土壤质地，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，土地利用方式等。面构造，土层厚度，土壤湿度，土地利用方式等。 土壤越黏重，胶结物越多，抗蚀性越强。腐殖质土壤越黏重，胶结物越多，抗蚀性越强。腐殖质能把土壤胶结成稳定团聚体和团粒结构，因而含腐殖能把土壤

14、胶结成稳定团聚体和团粒结构，因而含腐殖质多的土壤抗蚀性强。质多的土壤抗蚀性强。 土壤的抗冲性可以用土块在水中的崩解速度来判土壤的抗冲性可以用土块在水中的崩解速度来判断，崩解速度越快，抗冲能力越差；有良好植被的土断，崩解速度越快，抗冲能力越差；有良好植被的土壤，在植物根系的缠绕下，难于崩解，抗冲能力较强壤，在植物根系的缠绕下，难于崩解，抗冲能力较强。 土壤结构性越好，总孔隙度越大，其透水性和持土壤结构性越好，总孔隙度越大，其透水性和持水量就越大，土壤侵蚀就越轻。水量就越大，土壤侵蚀就越轻。 植被因素 人为因素2021-12-163.4 3.4 沟蚀沟蚀 集中的地表径流冲刷地表，切入地面带走土集中

15、的地表径流冲刷地表，切入地面带走土壤、母质及基岩，形成沟壑的过程称之为壤、母质及基岩，形成沟壑的过程称之为沟蚀沟蚀(gully erosion)(gully erosion)。 沟蚀沟蚀是地表径流集中冲蚀土壤和母质并切入是地表径流集中冲蚀土壤和母质并切入地面形成沟壑的一种侵蚀形态。地面形成沟壑的一种侵蚀形态。2021-12-163.4.1 侵蚀沟的形成 侵蚀沟侵蚀沟是在水流不断下切、侧蚀，包括由切是在水流不断下切、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。水流悬移、推移搬运作用下形成的。2021-12-16

16、2021-12-162021-12-16 坡面降水经过复杂的产流和汇流，顺坡面流动，水量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。坡面的线状水流，称为股流或沟槽流。水流的分异与兼并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。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：引起地表非均匀性的原因有： 地表凹凸起伏差异；地表凹凸起伏差异； 地表物质抗蚀性强弱、渗透强度、颗粒组成大小的地表物质抗蚀性强弱、渗透强度、颗粒组

17、成大小的差异；差异； 地表植被覆盖上的差异。地表植被覆盖上的差异。2021-12-16 根据发生部位侵蚀沟又可分为原生侵蚀沟根据发生部位侵蚀沟又可分为原生侵蚀沟和次生侵蚀沟。和次生侵蚀沟。 原生侵蚀沟是发生在斜坡坡面的侵蚀沟。原生侵蚀沟是发生在斜坡坡面的侵蚀沟。 次生侵蚀沟是再次下切水文网底部而形成次生侵蚀沟是再次下切水文网底部而形成的侵蚀沟。的侵蚀沟。2021-12-163.4.2 侵蚀沟的发育阶段溯源侵蚀阶段溯源侵蚀阶段纵向侵蚀阶段纵向侵蚀阶段横向侵蚀阶段横向侵蚀阶段停止阶段停止阶段2021-12-16 第一阶段的侵蚀沟形态第一阶段的侵蚀沟形态2021-12-16第三阶段的侵蚀沟形态第三阶

18、段的侵蚀沟形态第二阶段的侵蚀沟形态第二阶段的侵蚀沟形态第三阶段的侵蚀沟形态第三阶段的侵蚀沟形态2021-12-16第四阶段侵蚀沟第四阶段侵蚀沟2021-12-163.4.3 影响侵蚀沟发育的自然因素汇水面积汇水面积坡度和坡长坡度和坡长土壤结构土壤结构植被条件植被条件人为因素人为因素2021-12-16 汇水面积是保证浅沟汇水面积是保证浅沟形成发育的首要条形成发育的首要条件，有了足够大的件，有了足够大的汇水面积，才能够汇水面积，才能够形成足以进行浅沟形成足以进行浅沟侵蚀的水流。侵蚀的水流。2021-12-163.5 3.5 山洪侵蚀山洪侵蚀 定义定义：山区河流洪水对沟道堤岸的冲淘、对：山区河流洪

19、水对沟道堤岸的冲淘、对河床的冲刷或淤积过程称之为河床的冲刷或淤积过程称之为山洪侵蚀山洪侵蚀(torrential flood erosion)(torrential flood erosion)。2021-12-163.5.1 山区洪水类型 依照成因不同依照成因不同, ,可将山洪分为以下几种。可将山洪分为以下几种。 由短历时大暴雨形成的由短历时大暴雨形成的局地性局地性山洪；山洪； 由中等历时的一次暴雨过程所形成的由中等历时的一次暴雨过程所形成的区域性区域性山洪；山洪； 由长时间大范围的连续淫雨，并有多个地区多次暴雨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组合产生的大范围淫雨性大

20、范围淫雨性山洪。山洪。2021-12-163.5.2 山洪时空分布一次山洪一次山洪季节分布季节分布年际变化年际变化2021-12-16 一次山洪一次山洪 在流域面积、降水强度、历时相等的情况在流域面积、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。被条件较好的流域洪峰流量小。2021-12-16 季节分布季节分布 每年春夏之交我国华南地区暴雨开始增多每

21、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，受其影响的珠江流，洪水发生机率随之加大，受其影响的珠江流域在域在5 5、6 6月月易发山洪，易发山洪，6 6、7 7月月主雨带北移，受主雨带北移，受其影响的长江流域易发生山洪。其影响的长江流域易发生山洪。7 7、8 8月月华东、华东、华北、东北地区，淮河流域、黄河流域、海河华北、东北地区，淮河流域、黄河流域、海河流域、辽河流域易发生山洪。流域、辽河流域易发生山洪。2021-12-16 年际变化年际变化 山洪在年际分布上表现为不规律性，很难山洪在年际分布上表现为不规律性，很难准确预报。就近准确预报。就近8080年的资料来看，山洪在不同年的

22、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。频发期，而在另一时期则很少发生。 2021-12-163.5.3 影响山洪因素暴雨暴雨地形地形植被植被人类活动人类活动2021-12-163.5.4 山洪侵蚀特征 突发性突发性 侵蚀强烈侵蚀强烈 2021-12-163.5.5 山洪沉积物特征 洪积扇分选性较明显。洪积扇分选性较明显。 距沟口越近，组成物质越粗，反之越细。距沟口越近，组成物质越粗，反之越细。 2021-12-162021-12-163.6 3.6 海岸、湖岸及库岸侵蚀海岸、湖岸及库岸侵蚀3.6.1

23、海岸带划分 海洋水体与陆地的接触称为海岸带。海岸带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自陆向海可分为海岸、潮间带和水下岸坡海岸、潮间带和水下岸坡三部分三部分。 陆地上陆地上湖岸带湖岸带的划分与海岸带类似，只是规的划分与海岸带类似，只是规模小一些。模小一些。2021-12-162021-12-163.6.2 海浪、湖浪及库浪形成 海洋中的波浪主要是海洋中的波浪主要是风风作用于海面将其能量作用于海面将其能量传递给海水所发生的现象。传递给海水所发生的现象。 波浪对海岸作用的大小决定于波浪对海岸作用的大小决定于波浪的能量波浪的能量E E，其大小与，其大小与波高波高的二次方、的二次方、波

24、长波长的一次方成正比的一次方成正比，因此，波浪愈大，尤其是波高愈大，波能就愈，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。大，其对海岸的侵蚀作用也愈强。 2021-12-163.6.3 波浪的侵蚀作用 当波浪以巨大的能量冲击海岸时，当波浪以巨大的能量冲击海岸时，水体水体本身的压力和本身的压力和被其压缩的被其压缩的空气空气，对海岸产生强烈的破坏，即，对海岸产生强烈的破坏，即冲蚀作用冲蚀作用。 当波浪水体夹带岩块或砾石时，其侵蚀力更大，这即当波浪水体夹带岩块或砾石时，其侵蚀力更大，这即是是磨蚀作用磨蚀作用。 若海岸为含有易溶矿物的岩石，如石灰岩等，还要发若海岸为含有易溶矿

25、物的岩石，如石灰岩等，还要发生生溶蚀作用溶蚀作用。 2021-12-162021-12-163.6.5 影响海岸侵蚀作用的因素v 原始海岸类型原始海岸类型 其对侵蚀作用有很大影响，主要反映在侵蚀其对侵蚀作用有很大影响，主要反映在侵蚀作用的强弱上。作用的强弱上。v 构造运动构造运动 构造运动强烈的地区，侵蚀速度快于构造构造运动强烈的地区，侵蚀速度快于构造稳定区。稳定区。2021-12-16v 气候条件气候条件 气候条件对海岸侵蚀作用的影响在不同的气候条件对海岸侵蚀作用的影响在不同的气候区，气候区，风力风力的大小，风的的大小，风的持续时间持续时间，风向风向及其与岸线的及其与岸线的交角交角不同，也会影响海岸侵蚀不同，也会影响海岸侵蚀作用的强弱。作用的强弱。 v 潮汐作用潮汐作用2021-12-163.7 3.7 水力侵蚀防治水力侵蚀防治3.7.1 防治原则防治并重，治管结合；防治并重，治管结合；以小流域为单元综合治理；以小流域为单元综合治理；坡沟兼治加强治坡；坡沟兼治加强治坡；治理与开发相结合。治理与开发相结合。2021-12-163.7.2 防治措施及布设防治措施分类防治措施分类 工程措施、植物措施、农业措施和管理措施工程措施、植物措施、农业措施和管理措施工程措施工程措施 坡面治理工程主要包括斜坡固定工程和梯坡面治理工