细沟流输送土壤颗粒

流体的输送能力

一旦沉积物被卷入流体中，它就会被输送，直到流体中的实际沉积物浓度超过其输送能力，才会发生沉积。流体的输送能力 $T_{f}$ 随速度的五次方变化 (Meyer 和 Wishmeier, 1969)^[1]

$T_{f}\propto Q^{\frac {5}{3}}s^{\frac {5}{3}}$ (1.18)

这种关系与地表径流本身的作用有关，而在实践中，径流通常伴随降雨。与雨滴的撞击相互作用会导致指数值略微上升 (Quansah, 1982)^[2]

$T_{f}\propto Q^{2.13}s^{2.27}$ (1.19)

虽然雨滴的撞击会降低流体的剥蚀能力 (公式 1.12，参见章节 → 细沟侵蚀)，但输送能力却会增强 (Savat, 1979^[3]; Guy 和 Dickinson, 1990^[4]; Proffitt 和 Rose, 1992^[5])。增强程度取决于土壤的抗性、雨滴的直径以及流体的深度和速度。

Nearing 等人 (1989)^[6] 通过简化一般输送方程得出 $T_{f}$ 的公式

$T_{f}=k_{t}\tau ^{\tfrac {3}{2}}$ (1.20)

其中 $k_{t}$ 是一个经验输送系数，而 $\tau$ 是流体施加的水力剪切应力 (根据达西-魏斯巴赫方程，参见章节 → 细沟侵蚀）。

最大泥沙浓度

地表径流的输送能力被定义为最大泥沙浓度 $C_{max}$ ，可以被携带 (Govers, 1990)^[7]

$C_{max}=a(sv-0.4)^{b}$ (1.21)

其中 $a$ 和 $b$ 是取决于粒径的经验系数。对于中值粒径（D₅₀）分别为 33 和 390 μm 的颗粒， $b$ 的值为 1.5 到 3.5（Everaert, 1991）^[8]。降雨的影响对细颗粒的关系影响可以忽略不计，但降低了 $b$ 到 1.5，表明降雨降低了地表径流输送粗粒物质的能力。

沉积速率

一些研究人员没有试图仅根据水流特性来定义输沙能力，而是试图将输沙能力与水流在剥蚀和沉积之间达到平衡状态时所能携带的最大泥沙浓度联系起来（Rose 等人，1983^[9]；Styczen 和 Nielsen, 1989^[10]）。沉积速率 $D_{p}$ 为

$D_{p}=v_{s}C$ (1.22)

其中 $v_{s}$ 是颗粒的沉降速度（Proffitt 等人，1991）^[11]。

鉴于坡面流的深度相当浅，地表粗糙度起着相当大的作用，雷诺数和弗劳德数通常很低，可以推测，大部分被输送的泥沙是由雨滴冲击产生的，而颗粒剪切速度很少达到使土壤颗粒剥蚀所需的水平（除了在陡坡或光滑的裸露土壤表面）。

与雨滴冲击相反，雨滴冲击使粒径在 0.063 到 0.250 毫米之间的颗粒最易剥蚀（参见 → 细沟侵蚀），而坡面流最易剥蚀的颗粒在 0.1-0.3 毫米范围内，坡面流中输送的泥沙缺乏大于 1 毫米的颗粒，而细粒物质含量较高。

随着时间的推移，山坡上的侵蚀区域将变得越来越沙化，沉积区域将富含粘土颗粒。大部分溅入水流的泥沙只是在被沉积之前移动了相对较短的距离。由于沉积是一个粒径选择过程，较粗的颗粒首先沉积，沉积层变得越来越粗（Proffitt 等人，1991）^[5]，并可能发展成沉积地壳（参见 → 细沟侵蚀）。然后，较少量的细粒物质暴露于侵蚀。这种机制甚至可以在一场风暴中发生，因此剥蚀量在风暴开始时最高，而输沙能力很快达到峰值。

然而，田间测量的坡面流输沙量与流量之间的关系并不总是与上述研究结果相符。在某些条件下，输沙过程可能主要是推移质形式的颗粒在土壤表面的滚动。雨滴冲击对坡面流的泥沙贡献部分作为推移质移动，而水流本身剥蚀贡献的成分则作为悬移质移动（Kinnell，1990）^[12]。这个过程是极其动态的，因此描述坡面流输沙量的最相关方程会随着时间的推移而不断变化。

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参考文献

↑ Meyer, L. 和 Wishmeier, W. (1969)。水蚀土壤侵蚀过程的数学模拟。美国农业工程师学会论文集，12:754–758,762。
↑ Quansah, C. (1982)。用于土壤侵蚀模型和土壤保持设计方程统计推导的实验室实验。博士论文，克兰菲尔德理工学院。
↑ Savat, J. (1982)。流体输运过程中的共同选择性和不寻常选择性：裸露表面上的实地观测和实验室实验。Catena 补充，1:139–160。
↑ Guy, B. 和 Dickinson, W. (1990)。浅层坡面流中泥沙输运的起始。Catena 补充，17:91–109。
↑ ^a ^b Proffitt, A. 和 Rose, C. (1992)。降雨剥蚀和径流夹带对土壤流失的相对贡献。在 Hurni, H. 和 Tato, K. 主编，侵蚀、保持和小农，第 75.89 页。伯尔尼的地理学，伯尔尼。
↑ Nearing, M., Foster, G., Lane, L. 和 Finkner, S. (1989)。美国农业部水蚀预测项目技术的基于过程的土壤侵蚀模型。美国农业工程师学会论文集，32(5):1587–1593。
↑ Govers, G. (1990)。坡面流输运能力的经验关系。国际水文科学协会出版物，189:45–63。
↑ Everaert, W. (1991)。坡面流输沙能力的经验关系。地表过程与地貌，16:513–532。
↑ Rose, C., Williams, J., Sander, G. 和 Barry, D. (1983)。土壤侵蚀和沉积过程的数学模型。I. 平面单元的理论。美国土壤科学学会杂志，47:991–995。
↑ Styczen, M. 和 Nielsen, S. (1989)。对土壤侵蚀理论、过程研究和模型构建的看法：可能的相互作用和未来发展。土壤科学专刊，2:27–45。
↑ Proffitt, A., Rose, C. 和 Hairsine, P. (1991)。剥蚀和沉积：低坡度和显着水深条件下的实验。美国土壤科学学会杂志，55:325–332。
↑ Kinnell, P. (1990)。雨滴诱发水流输运的力学。澳大利亚土壤研究杂志，28:497–516。

[1] Meyer, L. 和 Wishmeier, W. (1969)。水蚀土壤侵蚀过程的数学模拟。美国农业工程师学会论文集，12:754–758,762。

[2] Quansah, C. (1982)。用于土壤侵蚀模型和土壤保持设计方程统计推导的实验室实验。博士论文，克兰菲尔德理工学院。

[3] Savat, J. (1982)。流体输运过程中的共同选择性和不寻常选择性：裸露表面上的实地观测和实验室实验。Catena 补充，1:139–160。

[4] Guy, B. 和 Dickinson, W. (1990)。浅层坡面流中泥沙输运的起始。Catena 补充，17:91–109。

[:0-5] Proffitt, A. 和 Rose, C. (1992)。降雨剥蚀和径流夹带对土壤流失的相对贡献。在 Hurni, H. 和 Tato, K. 主编，侵蚀、保持和小农，第 75.89 页。伯尔尼的地理学，伯尔尼。

[6] Nearing, M., Foster, G., Lane, L. 和 Finkner, S. (1989)。美国农业部水蚀预测项目技术的基于过程的土壤侵蚀模型。美国农业工程师学会论文集，32(5):1587–1593。

[7] Govers, G. (1990)。坡面流输运能力的经验关系。国际水文科学协会出版物，189:45–63。

[8] Everaert, W. (1991)。坡面流输沙能力的经验关系。地表过程与地貌，16:513–532。

[9] Rose, C., Williams, J., Sander, G. 和 Barry, D. (1983)。土壤侵蚀和沉积过程的数学模型。I. 平面单元的理论。美国土壤科学学会杂志，47:991–995。

[10] Styczen, M. 和 Nielsen, S. (1989)。对土壤侵蚀理论、过程研究和模型构建的看法：可能的相互作用和未来发展。土壤科学专刊，2:27–45。

[11] Proffitt, A., Rose, C. 和 Hairsine, P. (1991)。剥蚀和沉积：低坡度和显着水深条件下的实验。美国土壤科学学会杂志，55:325–332。

[12] Kinnell, P. (1990)。雨滴诱发水流输运的力学。澳大利亚土壤研究杂志，28:497–516。

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