1、1,第四章 土壤侵蚀规律,水土保持原理与技术,水文水资源学院,一、土壤侵蚀规律 二、土壤侵蚀程度与强度 三、土壤侵蚀影响因素,本章主要内容,第一节 土壤侵蚀规律,一、水力侵蚀从动力角度来讲，水力侵蚀是降雨侵蚀力和径流冲刷力共同作用的结果。,大雨冲走了美国爱荷华州西北部的土壤,径流冲刷形成的侵蚀沟道,1. 降雨侵蚀力 降雨侵蚀力是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力； 在下垫面特征相对一致条件下，降雨侵蚀力越大，引起的土壤侵蚀越剧烈。 威斯迈尔（Wischmeier）构建了一个复合参数R指标： R=EI30E 降雨动能，J/（m2.mm）I30最大30min雨强，mm/h,一、水力侵蚀,1. 降雨侵蚀力
2、空间分布具有从东南到西北递减的趋势，与降雨量的空间分布特征类似。 降雨侵蚀力取决于雨量和雨强两个方面，因此降雨侵蚀力和降雨量的空间分布也有许多不同点。 土壤侵蚀是降雨、植被、土壤、土地利用和水土保持等多因素相互作用的结果，我国降雨侵蚀力的空间分布与实际土壤流失分布状况并不一致。,1960-2009中国年均降雨侵蚀力空间分布图,2. 地表径流侵蚀作用 地表径流是土壤侵蚀最主要的外营力之一，不仅能侵蚀地面，形成各种形态的侵蚀沟谷，同时又将被侵蚀的物质沿途堆积。 （1）水流的基本特性：层流和紊流 （2）水流的作用：冲刷、搬运和沉积,2. 地表径流侵蚀作用 （1）水流的基本特性 层流与紊流层流没有垂直
3、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。层流是否失去稳定取决于作用于水体的惯性力(失去)与黏性力(保持)的对比关系。,定义雷诺数,R小，层流 R大，紊流, 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（R500）。 沟槽水流沟槽水流均属于紊流。,9, 冲刷：水流的侵蚀作用 下蚀（深向侵蚀） 侧蚀 （旁蚀）溯源侵蚀 搬运：水流的搬运方式 悬移 悬移质推移 推移质 沉积：泥沙来量挟沙能力,（2）水流的作用, 水流的
4、冲刷作用,a -初期,下蚀,溯源侵蚀,河谷发育初期：下蚀、溯源侵蚀，河谷加深和延长,这时的河谷深而窄，谷壁陡峭，河谷多为V型河谷。, 水流的冲刷作用,河谷发育中期：V型河谷形成后，河流的下蚀作用减弱，侧蚀作用加强,河流在凹岸侵蚀，在凸岸堆积，河谷拓宽，出现连续的河湾。,侧蚀, 水流的冲刷作用,河谷发育成熟期：河湾不断向两侧扩展，最终将河谷展宽，并在河谷内堆积大量泥沙，这时河谷发育进入成熟期，河谷较宽，横剖面呈U型。, 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。 （a）泥沙的搬运方式 推移质搬运: 运动行程是间歇的。 悬移质搬运：悬浮于水中，随水流动。 交换作用：推移质和悬移质之间，
5、以及它们与河床上的泥沙之间存在着不断交换现象。,（a）泥沙的搬运方式,水流中泥沙颗粒的跳跃运动是推移质运动的重要形式。,（b）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，称为挟沙能力 (kg/m3) ，它包括推移质和悬移质的全部沙量。上游来水的含沙量小于该水流的挟沙能力，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。, 水流的堆积作用泥沙的堆积 当泥沙来量大于水流的挟沙能力时，多余的泥沙就要沉积。,“引黄入呼”一期工程取水口处泥沙淤积,17,二、风力侵蚀,（1）风的侵蚀作用起沙风影响因素：沙粒粒径、沙层表土湿度、植被覆盖情况等。作用方式：吹蚀和磨蚀。,18
6、,吹蚀作用：是指风力将地表的松散沉积物或者基岩上的风化产物吹走，使地面遭到破坏的作用。,（1）风的侵蚀作用,19,磨蚀作用：指的是疏松物质在搬运过程中对周围边界的机械侵蚀、磨削作用。,（1）风的侵蚀作用,20,（2）风的输移作用,21,1）沉降堆积：风速的减弱引起； 2）遇阻堆积：因障碍物引起； 3）凝结堆积：与水汽的结合。,（3）风的沉积作用,重力侵蚀是指斜坡上的风化碎屑、土体或岩体在重力作用下发生形变、位移和破坏的一种土壤侵蚀现象。重力侵蚀形式泻溜、陷穴、崩塌、滑坡。,三、重力侵蚀,23,坡面上块体的重力G 可分解为与坡面平行的下滑力T与垂直坡面的法向力N，其关系为：TG sinNG co
7、s式中：坡角。 位于坡地表面的土粒岩屑或石块，一方面下滑力T有促使块体向下移运的趋向；另一方面由于有摩擦阻力F牵制下滑力，使块体趋向稳定。,（1）土粒岩屑或石块运动,若F 为松散块体的抗滑强度，则有F NtgG costg 这时，坡面上的土粒、石块等的稳定条件应是：T F G sinG costgtan tan ,（1）土粒岩屑或石块运动,为内摩擦角，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。,25,内摩擦角的影响因素: 土、砂和松散岩屑的内摩擦角值随其颗粒大小、形状而异。 粗大并呈棱角状而又密实的颗粒的休止角大。 风化岩屑离源地愈远，其颗粒因磨蚀圆度增加，磨擦力减小，休止角
8、变小。因此愈近坡麓，坡度也愈缓和。 土的内摩擦角随含水量而变化。 土粒间充满水分将增加润滑性，休止角变小。因此湿润区的山坡坡度缓，于燥区的山坡坡度陡。,（1）土粒岩屑或石块运动,26,坡面上的块体运动并不限于在坡地表面移动，有时沿坡面以下一定深度的软弱面发生整体位移。这时还遇到另外一种阻力，即土层或岩层的粘结力C。块体运动一定要克服粘结力C和摩擦阻力F才能发生位移。块体运动的抗滑强度为 F Ntg十CA式中：C粘结力(kg/cm2)；A运动块体与坡面的结触面积(cm2)。,（2）块体的整体位移,27,坡地上的块体运动主要受重力引起的下滑和岩土块体的内摩擦力及粘结力的相互关系而定。其稳定系数K为
9、： K抗滑阻力/下滑力=（Ntg+CA）/T当K1时，岩体或土体处于极限平衡状态；当K1时，岩体或土体处于不稳定状态；当K1时，岩体或土体是稳定的。工程上一般采 用K23为安全稳定系数。,（2）块体的整体位移,28,粘结力C的影响因素土体的粘结力C与组成物质的成分、结构及土体含水量有密切关系。其中受水分影响最大。1）含水量少、干燥状态时，具有极其牢固的性质。2）如水分增加粘土可变成可塑状态，其强度大大降低，极易形成软弱面，土体往往沿此破裂而发生块体运动。 坚硬岩体的粘结力C值很大，一般不易发生移动。但岩层中常常存在软弱的结构面(层面、软弱夹层、断层面、节理面、劈裂面等)。软弱结构面的内摩擦角和
10、粘结力C都显著减小。,（2）块体的整体位移,滑坡形成条件a. 降水：增加滑体的重量，降低土石层的抗剪强度 b. 地质：具有松散土层、碎石土、风化壳和半成岩土层的斜坡抗剪强度低 c. 地貌：斜坡体前有滑动空间，两侧有切割面 主要触发因素a. 降水和地下水状态的变化b. 斜坡形态的改变c. 震动影响,（2）块体的整体位移,泥石流是沿途碎屑和水的固液两相混合呈饱和的、高浓度非均质流体沿侵蚀陡坡和陡峻沟床流动的现象。 长江上游及西南诸河是我国泥石流、滑坡山地灾害多发区。 泥石流的形成具备三个基本条件：（1）大量松散固体物质来源；（2）强大和集中的水源；（3）高差大、坡度陡的地形条件。,四、混合侵蚀,泥
11、石流形成条件 （1）地形条件：多发生在150350陡坡上，一般可分为形成区、流通区和堆积区。形成区是固体物质补给区，崩塌侵蚀强烈；流通区是在形成区下游的泥石流通道。 （2）松散的固体物质。 （3）水体供给：与1min和1h的雨强关系密切。其他水体的补给有：冰雪融水、地下水和溃决水。 （4）人为因素：不合理的人类活动、植被破坏、陡坡开荒、工程建设处置不当（开矿、修路等）增加径流，破坏山体稳定。,2010年8月7日晚至8日凌晨，舟曲发生强降雨引发泥石流灾害，当地两万多人受灾,一、地质地貌原因。舟曲一带是秦岭西部的褶皱带，山体分化、破碎严重，大部分属于是炭灰夹杂的土质，非常容易形成地质灾害。,二、“
12、5 12”地震震松了山体。舟曲是“5 12”地震的重灾区之一，地震导致舟曲的山体松动，极易垮塌。,舟曲泥石流灾害发生主要有以下4个原因：,三、气象原因。2010年国内大部分地方遭遇严重干旱，这使岩体、土体收缩，裂缝暴露出来，遇到强降雨，雨水容易进入山缝隙，形成地质灾害。,四、瞬时的暴雨和强降雨。舟曲特大山洪泥石流灾害的直接原因是三眼峪、罗家峪地区突降大雨，一小时降雨量达77.3mm。,第二节 土壤侵蚀程度与强度,一、重要概念 1. 土壤侵蚀程度：指任何一种土壤侵蚀形式在特定外营力种类作用和一定环境条件影响下，自其发生开始，截至到目前为止的发展状况。常用土壤原生剖面已被剥蚀的厚度来表示。 反映了
13、：侵蚀结果；目前的发展阶段；土壤肥力水平。 2. 土壤侵蚀强度：地壳表层土壤在自然营力和人类活动作用下，单位面积和单位时段内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量。常用土壤侵蚀模数来衡量。,3. 土壤侵蚀模数: 单位面积土壤及土壤母质在单位时间内侵蚀量的大小。 表征单位面积年度侵蚀量时：t/(km2.a)。 某区域某次降雨条件下单位面积侵蚀量时： t/km2。 4. 土壤侵蚀深度： 侵蚀区域每年平均地表侵蚀的厚度(mm)。 形成1cm土壤，在正常情况下需100-400年；在人为干扰条件下，形成1cm土壤也需30-50年。,5. 容许土壤侵蚀量: 是指小于或等于成土速度的年土壤流失量。 允许土壤流失量是不
14、至于导致土地生产力降低而允许的年最大土壤流失量。,各侵蚀类型区土壤容许流失量,37,二、土壤侵蚀程度分级标准,1. 土壤发生层：简称土层，为土壤剖面上表现出的水平层状构造。反映了土壤形成过程中物质的迁移、转化和累积的特点。一般划分3个最基本层次：表土层（A层）。为有机质积聚层和物质淋溶层； 心土层（B层）。为淋溶物质淀积层； 底土层（C层）。又称母质层。,38,二、土壤侵蚀程度分级标准,2. 土壤侵蚀分类分级标准（水利行业标准SL 190-2007）,39,三、土壤侵蚀强度分级标准,1. 土壤侵蚀强度地壳表层土壤在自然营力和人类活动作用下，单位面积和单位时段内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量。常用
15、土壤侵蚀模数来衡量。 2. 土壤侵蚀强度分级标准按2008年1月4日发布的水利部发布的土壤侵蚀分类分级标准（SL 190-2007）进行。,40,三、土壤侵蚀强度分级标准,3. 土壤侵蚀分类分级标准（水利行业标准SL 190-2007）,41,三、土壤侵蚀强度分级标准,4. 土壤侵蚀模数（水蚀）的确定方法 (1) 根据实测径流泥沙资料统计分析； (2) 野外及室内人工模拟降雨； (3) 野外土壤侵蚀调查； (4) 利用小水库、塘坝及淤地坝的淤积量进行量测推算； (5) 根据省、地水文手册年输沙模数资料，用泥沙输移比进行推算； (6) 采用土壤侵蚀或产沙数学模型，包括通用土壤流失方程（USLE）
16、、WEPP等，但是“必须经过验证，谨慎采用”。,42,第三节 土壤侵蚀影响因素,43,一、水文气象因素,所有的气候因子都不同程度地影响着水土流失，最主要的是降雨、风、降雪和温度。 1. 降雨：引起水土流失最直接因子（降雨量、降雨季节分布、一次降雨量、降雨强度、充分的前期降雨）（1）降雨量：一般，降雨量多的地区，发生侵蚀的潜在危险就大，反之则小。当研究某一地区水蚀发生的潜在危险程度时，应首先分析年平均降水量资料。 但是，降雨量与侵蚀量的相关性并不密切，同一数量的降雨，在不同的时期，所产生的侵蚀量极不相同。,44,（2）降雨季节分布降雨集中是引起土壤侵蚀的一个主要原因。我国是一个比较典型的季风气候
17、的国家，年降雨量分布很不均匀且很集中。,哈尔滨、北京、武汉、广州降水量年变化柱状图,45,天水水保站19451953年平均月降水和水土流失比较,6、7、8三个月降水量占全年降水量的47.8%。在此期间径流量占全年径流量的78.5%，侵蚀量占年侵蚀总量的81.7%。,46,（3）一次降雨量 天水水保站19451956年资料： 降雨：1157次；产生径流：81次；比例：7%结论：一次降水量愈大，产生径流的可能性也愈大，发生土壤流失的可能性亦就愈大。,47,（4）降雨强度,降雨强度对径流量和冲刷量的影响（绥德水保站-陕西）,结论： 降雨强度是引起水土流失最突出的因子。 土壤侵蚀在很大程度上取决于降雨
18、强度。 美国通用土壤流失方程式把降雨强度作为土壤侵蚀的重要指标。,（5）充分的前期降雨： 是导致形成径流和严重冲刷的重要因素之一。 使土壤含水量增大，渗透能力降低，再遇暴雨，极易形成地表径流和产生冲刷。,例如：在计算山洪灾害雨量预警指标（临界雨量）时，按前期湿润（Pa=0.9WM）、较湿（Pa=0.7WM ）、一般（Pa=0.5WM）和干旱（Pa=0.2WM）四种情景考虑。,江西杜头小流域湿润、较湿、一般及干旱1h临界雨量三种方法均值为：40.4mm、55.6mm、68.1mm和90.4mm。,杜头流域（a）湿润、（b）较湿、(c) 一般和（c）较干临界雨量图,49,2. 风：是风力侵蚀的动力
19、 风蚀的强弱取决于多个因素： （风速、风的持续时间、风的次数、地面组成物质的性质、干湿程度、颗粒大小、地表植被情况）,50,二、地形对水土流失的影响,主要影响因子： 坡度 坡长 坡形,51,1. 坡度：是决定径流和径流冲刷的基本要素之一 （1）坡度分级 0-2度：平地或近似平坦 2-5度：缓坡地 5-10度：中等斜坡地 10-18度：中等陡坡 18-30度：陡坡地 30-45度：极陡坡地 45度以上：陡崖 70度以上：近似垂直地 注意：坡度决定侵蚀的方式，45度以上重力侵蚀以崩塌为主；45度以下陡坡经常出现滑坡的侵蚀。,52,（2）坡度对渗透量的影响 水分入渗量与坡度成反比管辖 坡度小，流速小
20、则入渗量大（3）坡度对径流的影响 关系比较复杂（径流与坡度、降雨和入渗有关） 不考虑入渗时，坡度与径流成反比。（为什么？）受雨面积不同！坡度大，受雨面积小，径流小。,53,（4）坡度和土壤侵蚀关系 一般，随着坡面坡度的增加，土壤侵蚀量呈幂函数方式（幂指数b大于1）递增。 土壤侵蚀量与坡度的幂函数关系规律，只有在较低坡度下是存在的；当坡度增加到一定界限时，随着坡度的增加，土壤侵蚀量反而下降，出现转折坡度。在黄土沟壑丘陵区，转折坡度大致是25-28.5。,54,2. 坡长：是决定径流和径流冲刷的基本要素之一 在其他条件相同的情况下，水力侵蚀强度决定于坡长。 土壤侵蚀量随坡长的变化遵守幂函数规律，但
21、其变化速率却因研究条件不同而异。,坡长与土壤流失量的关系（绥德站1954-1956年试验）,结论： 当坡度相同时，坡长愈大，汇聚的流量愈大，其末速度亦愈大，冲刷力愈强。,55,不同坡长下土壤侵蚀试验,56,3. 坡形：分为四种直线形斜坡：上半部土壤侵蚀不严重，下半部严重。凸形斜坡：上部缓，下部陡，土壤侵蚀较直线形坡强烈。凹形斜坡：上部陡，下部缓，中部土壤侵蚀强烈，下部侵蚀减小，有堆积现象。台阶斜坡：台阶与斜坡相间，对水流起缓冲作用，既增加水流下渗机会，减小径流量，又减小径流流速，降低冲刷，在台阶边缘上，容易发生沟蚀。,57,三、 土壤对水土流失的影响,在水土流失过程中，土壤是被破坏的对象。在一
22、定的地形和降雨条件下，地表径流的大小以及水土流失的程度和强度则取决于土壤的性质，包括：透水性抗蚀性抗冲性,58,1. 透水性： 也就是土壤的渗透性，直接关系到地表径流的大小。土壤渗透性强弱主要取决于土壤的质地、土壤结构、孔隙率等因素。 2. 抗蚀性： 指土壤抵抗雨点打击而分散和抵抗径流悬浮的能力。与土壤机械组成、化学特性、土壤被复等有关。取决于土粒的亲水性。用分散率、侵蚀率、分散系数来表示。 3. 抗冲性： 指土壤抵抗地表径流机械破坏和推动下移的能力。一般用土体在静水中的崩解情况作为它的指标。,59,四、地质条件对水土流失的影响,地质条件中，影响水土流失较大的主要有两个方面： 岩性 新构造运动
23、,1. 岩性对侵蚀的影响： 岩性的基本特性影响风化过程、风化产物、土壤类型及抗蚀能力； 容易风化的岩石易受强烈侵蚀； 块状坚硬的岩石可抵抗较大的冲刷； 岩性透水性影响土壤降雨入渗、径流和地下水。,2. 新构造运动： 地震、地壳的抬升（下降），是引起侵蚀基准面变化的根本原因。 地震诱发大量的滑坡、崩塌和泥石流；地壳的抬升（下降）引起侵蚀基准面的变化，影响沟床下切深度、沟头前进速度和谷坡扩展速度。,2008年5月12日汶川大地震,2010年8月8日舟曲特大泥石流,62,五、植被对水土流失影响,植被是被复在土地上的自然植物群体；是自然因素中对防止水土流失起积极作用的因素，有阻缓水蚀和风蚀的作用。具体
24、体现在以下几个方面：,拦截雨滴 调节径流 固持土壤 改良土壤 防止风害,63,1.拦截雨滴植被通过林冠截留和枯枝落叶截留，在减少雨量的同时，能大大削减降雨的动能，减少溅蚀及地面径流。 2.调节地表径流植被中的枯枝落叶层，保护地表，吸收地表径流，增加地表粗糙度，分散、滞缓径流，过滤泥沙。对到达地表的降雨进行再分配。 3.固持土壤 植被的根系象铆钉一样，对土壤起到一定的网络固持作用，大大增加了土壤的稳定性。 4.改良土壤性状枯枝落叶腐烂后，可以增加土壤的团粒结构，植被根系在土壤中存在又增加了土壤的孔隙度，尤其是非毛管孔隙度。 5.减低风速，防止风害植被存在对减低风速，防止风害有积极的作用，但植被不同的结构起到的防护效果，应用的条件是不一样的。植被的结构一般分为紧密结构、疏透结构、通风结构。,64,塔里木沙漠公路防护林,淮北平原防护林,65,六、人类活动对水土流失的影响,人类社会经济活动对水土流失的影响比上述因素要大得多，人类活动是有意识的，与其它自然因素本质不同，可以加速水土流失，也可以控制水土流失。,66,破坏 森林,消极作用,坡地开垦,67,积极作用,退耕还林,保土耕作,End,谢谢关注！,
