溅蚀力学机理研究综述

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1、溅蚀力学机理研究摘要：溅蚀是水蚀的初始阶段，是雨滴对地表击打直接作用的结果，是一个动能减少，地表土壤颗粒发生位移的过程。溅蚀主要发生在坡面产生径流之前和刚产生径流时，是水蚀的主要形式之一。国内外学者对溅蚀力学机理的研究主要集中在降雨侵蚀力指标计算上，分别提出了适用于不同地区的降雨侵蚀力计算公式。本文通过整理比较目前在国内外应用比较广泛的降雨侵蚀力指标，力求进一步明确各个降雨侵蚀力指标的计算方法和适用范围，为溅蚀力学机理的研究提供一定的参考。关键词：溅蚀，降雨侵蚀力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。溅蚀是水土流失的初期阶段[1]

2、，溅蚀会破坏土壤结构[2]，增加径流紊动性[3]，增强径流的分散和搬运能力[4-5]。同时雨滴的打击作用使得土壤颗粒堵塞土壤本身的孔隙，减少或者阻止了雨水的入渗，从而极大的增加了径流的侵蚀力[6-7]。雨滴击溅本质上是由于水滴的动能做功或打击，使土壤结构遭受破坏的一种力学现象。雨滴的能量并非全部用于打击土壤表面，Mihara在1951年的研究表明，雨滴2/3的能量消耗在土壤表面形成小坑和移动土壤颗粒方面，而其余的1/3形成水雾。因而，只有用于土壤的那部分能量才是降雨的真正侵蚀力。这样，我们就把降雨侵蚀力定义为雨滴用于分散和击溅土壤颗粒的作用力或能量。Wischmeier[8]根据美国800

3、0多个小区-年降雨径流资料的分析，提出以降雨总动能E与最大30min雨强I30的乘积EI30作为降雨侵蚀力指标，定量表征次降雨可能引起土壤侵蚀的能力，它反映了雨滴溅蚀以及地表径流对土壤侵蚀的综合效应[9]。此后Hudson[10]、Foster[11]、Lal[12]、Williams[13]、Kinnell[14～16]等提出了许多其它形式的侵蚀力指标，但从综合资料的可得性及适用范围看，EI30仍是世界上应用最广的降雨侵蚀力指标。我国降雨侵蚀力指标的研究从1980年代开始，许多学者基于区域性观测资料的分析，得出了一些区域性研究结果：黄土高原的降雨侵蚀力指标是E60I10或EI10[7,1

4、7]，其中E60表示最大60min雨强对应的60min降雨总动能，I10是最大10min雨强；安徽大别山区及福建的侵蚀力指标是EI60[18～20]，其中I60是最大60min雨强；黑龙江及云南滇东北的侵蚀力指标为E60I30[21,22]；云南昭通盆地的侵蚀力指标为EI15[23]，其中I15表示15min最大雨强；广东电白的侵蚀力指标为EI30或EI5[24]，其中I5表示5min最大雨强。王万忠[25]在对全国各地区的降雨、径流资料进行综合分析后，认为我国降雨侵蚀力指标还是采用EI30相对比较适宜。降雨侵蚀力是指雨滴分散和击溅土壤颗粒的作用力，它与降雨雨滴的能量和动量相关。拟定降雨侵

5、蚀力指标的目的是为了评估降雨引起土壤侵蚀的潜在能力大小，并能在其它研究或实践中进行应用，确定降雨侵蚀力指标必须从描述土壤侵蚀大小的精度、可对比性、资料可得性以及资料处理计算的难易程度等几个方面综合考虑。1能量降雨侵蚀力公式Wischmeier[8]在普渡大学通过实验室的降雨试验，发现暴雨的动能和其30分钟降雨强度的乘积与土壤侵蚀量之间的关系最为密切，可以反映一场降雨的侵蚀能力。因此，他提出了著名的降雨侵蚀力表达式：R=EI30(1)式中：E为次暴雨的总动能，J/m2；I30为降雨过程中连续30分钟最大降雨强度，cm/h；R就是降雨侵蚀力，100J·cm/(m2·h)。由(2-1)式可以计算

6、出一场暴雨的侵蚀力，也可以将某一时段内所有暴雨的侵蚀力值加起来，得到周、月或日的侵蚀力值。在中国黄土丘陵沟壑区的降雨多为暴雨型，雨量集中。根据中科院水土保持研究所的分析，土壤流失量与降雨的最大60分钟雨强的动能与10分钟最大雨强的乘积关系最为密切，其侵蚀力的表达式为R=E60I10(2)若降雨不超过60分钟，则有：R=(∑E)I10(3)式中：∑E是各级雨强降雨动能之和。通过不少科研工作者对黄土地区的降雨侵蚀力的系统研究，均提出了适用于黄土地区的降雨侵蚀力计算公式。王万忠[7]通过深入研究，分别给出黄土高原次降雨、年降雨及多年平均的降雨侵蚀力估算公式：次降雨：(4A)年降雨：(4B)多年平

7、均：(4C)式中：R为降雨侵蚀力，m·t·cm/(hm2·h·a)；P60为最大60分钟降雨量，mm；I10，I60为最大10分钟和60分钟降雨强度，mm/h；P为年降雨量，mm。高学田[26]选用黄土高原地区的安塞黄绵土、绥德黄绵土、杨凌粘黄土、杨凌农地耕层土进行人工降雨溅蚀试验。研究了降雨特性和土壤结构对雨滴溅蚀的影响，结果表明：土壤溅蚀量与降雨强度相关关系的最佳函数为指数函数，将降雨动能与雨滴中数直径的乘积(Ed5