水力侵蚀/细沟侵蚀

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细沟侵蚀

细沟侵蚀的起始

细沟是在临界距离下坡处开始形成的，在那里地面径流变得集中。地面径流分解成细小的微沟道（Moss 等人，1982）。除了主要的径流路径下坡，次生径流路径也随着侧向成分而发展。当这些路径汇聚时，流量的增加会加剧颗粒的运动，并通过冲刷切割出小的沟道或沟渠。

从漫蚀到细沟侵蚀的过渡

在径流的流体力学特征（雷诺数和弗劳德数）方面，从漫蚀地面径流到细沟径流的转变经历四个阶段（Merritt，1984）

• 未集中的地面径流，

• 具有集中径流路径的地面径流，

• 没有头切的微沟道，

• 具有头切的微沟道。

在细沟侵蚀起始点，流动条件从亚临界变为超临界（Savat，1979）。弗劳德数 F 从大约 0.8 增加到 1.2 时，这四个阶段的总体流动条件变化会平稳地进行，而不是在达到特定阈值时发生（Torri 等人，1987b; Slattery 和 Bryan，1992)。因此，试图通过超过临界弗劳德数来解释细沟侵蚀的开始一直没有成功，必须在定义其值时包含其他因素 - 例如粒径的材料（Savat，1979） 和流体中的泥沙浓度（Boon 和 Savat，1981）。

在将细沟侵蚀的开始与流体力学剪切应力 $\tau$ 与抗剪强度 $\tau _{s}$ 之比超过临界值方面取得了更大的成功。当 $\tau /\tau _{s}$ > 0.0001 − 0.0005 时，会形成细沟（Torri 等人，1987a）。

使用达西-魏斯巴赫 均匀流动方程并假设流量随下坡距离 $x$ 线性变化，Nearing 等人（1989） 将 $\tau$ 描述为水的比重 $\rho _{w}$，峰值径流率 $Q_{p}$，谢齐 排放系数 $C$ 和局部坡度梯度 $s$ 的函数

$\tau =\rho _{w}{\Bigl (}{\frac {Q_{p}}{C}}xs{\Bigr )}^{\tfrac {2}{3}}$   (1.23)

其中 $C$ 与重力 $g$ 和总的沟壑摩擦系数 $f_{t}$ 有关。

$C={\frac {8g^{\tfrac {1}{2}}}{f_{t}}}$   (1.24)

沟壑起始的临界剪切速度（方程 1.10，参见章节 → 土壤流失/沟间地表径流剥蚀）与土壤的抗剪强度 $\tau _{s}$呈线性关系，土壤抗剪强度是在饱和状态下使用 Torvane 设备测量的（Rauws 和 Govers，1988）。

$u_{*crit}=0.89+0.56\tau _{s}$   (1.25)

当剪切应力或剪切速度完全作用于土壤颗粒时，两者都应严格称为颗粒剪切应力或颗粒剪切速度。

一旦沟壑形成，它们的向上坡延伸是由沟道顶部切口的退缩造成的。退缩速度受土壤的粘聚性、切壁的高度和角度、流量和流速的控制（De Ploey，1989）。沟壑的向下坡延伸受流速施加的剪切应力和土壤强度控制（Savat，1979）。

沟壑中的土壤剥蚀

沟壑中的剥蚀

当作用于土壤的液压剪切应力 $\tau$ 超过土壤的临界剪切应力 $\tau _{c}$，并且沉积物负荷小于沉积物输送能力时，沟壑中的土壤剥蚀就会发生。对于沟壑侵蚀，剥蚀率 $D_{f,r}$ 由流速的剥蚀能力 $D_{c}$、流速的沉积物负荷 $G$ 和沟壑中的沉积物输送能力 $T_{f}$ 决定（Nearing 等人，1989）。

$D_{f,r}=D_{c}{\Bigl (}1-{\frac {G}{T_{f}}}{\Bigr )}$   (1.26)

剪切应力也决定了土壤颗粒在沟壑中被流速剥蚀的剥蚀能力（Foster，1982），因为临界剪切应力被超过了。

$D_{c}=K_{r}(\tau -\tau _{c})$   (1.27)

其中 $K_{r}$ 是土壤可剥离性的量度，而 $\tau _{c}$ 是土壤的临界剪切应力。当实际剪切力小于土壤的临界剪切力时，沟蚀剥离被认为为零。

泥沙沉积

泥沙沉积

当泥沙负荷 $G$ 大于泥沙输运能力 $\tau _{f}$ 时，就会发生运输土壤颗粒的沉积。在这种情况下，泥沙剥离速率 $D_{f,r}$ 变成负数，并且可以表示为沉积颗粒的有效沉降速度 $v_{s}$、单位宽度流量 $Q$ 的函数（Nearing 等人，1989）

$D_{f,r}={\frac {v_{s}}{Q}}{\Bigl (}T_{f}-G{\Bigr )}$   (1.28)

沟流的输运能力 $\tau _{f}$ 可以用公式 1.19、1.21 或 1.20 近似表示（参见部分 → 水流对土壤颗粒的输运）。

Govers (1992) 通过实验发现沟流中的流速与沟流量 $Q$ 相关联。

$v=3.52Q^{0.294}$   (1.29)

该公式比曼宁公式（公式 1.7，参见部分 → 土壤表层径流的土壤剥离）能更好地预测。这是因为在 2 到 8 度的坡度范围内，坡度对流速没有影响，同样地，颗粒粗糙度或土壤表面形态也没有影响。Govers (1992) 因此对公式 1.21（参见部分 → 水流对土壤颗粒的输运）进行了修改，用公式 1.29 中的速度项代替了速度项。

$C_{max}=a(3.52Q^{0.294}-\omega _{c})Q$   (1.30)

其中$a$取决于沉积物的粒径，而$\omega _{c}$是单位流能的临界值，约为0.0074。该方程表示了沟壑径流所能携带的最大泥沙浓度。

实际的泥沙浓度，因此侵蚀量，可能与之有很大差异。这是因为沟壑中泥沙供应并不仅仅取决于水流对土壤颗粒的剥蚀。沟壑必须不断适应脉冲式泥沙输入

• 由于从沟间流入的冲刷，

• 由于沟壑顶壁的侵蚀和坍塌，

• 由于侧壁的坍塌。

侧壁的质量崩塌可能贡献了沟壑中清除泥沙量的一半以上（Govers and Poesen，1988）。

由于沟壑流对颗粒大小没有选择性，它可以携带较大的颗粒，甚至直径达9厘米的岩石碎块（Poesen，1987），可以被移动。沟壑侵蚀占山坡上清除泥沙量的很大一部分，除了土壤性质外，还取决于沟壑的间距和受影响区域的范围。沟壑中运输的物质可能占总侵蚀量的54-78%（Govers and Poesen，1988）。

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