水力侵蝕
水力侵蝕
溝蝕 面蝕 溝蝕
目錄
中文名稱：水力侵蝕
英文名稱：water erosion
應用學科：電力（一級學科）；通論（二級學科）
定義2：在降雨和水流作用下，土壤、土壤母質及其他地面組成物質被破壞、剝蝕、搬運和沉積的全部過程。
應用學科：水利科技（一級學科）；水利水土保持（二級學科）；水土流失（水利）（三級學科）
水力侵蝕
第一節 水流作用
第二節 濺蝕
第三節 面蝕
第四節 溝蝕
第五節 山洪侵蝕
第六節 海岸、湖岸及庫岸浪蝕
第一節 水流作用
一、水流剝蝕作用
1.判斷條件
水流剝蝕也就是地表泥沙被水流帶走，沙粒可以呈滑動或滾動形式運動。是否發生剝蝕可根據泥沙起動條件來判斷。在水流流動時，礫石頂部和底部水流流速不同，根據伯努里定律，頂部流速高壓力小；底部流速低壓力大。所造成的壓差產生了上舉力Py，方向朝上，並通過顆粒重心。沙礫在流水作用下，無論是滑動或滾動，沙礫粒徑總是與起動流速平方成正比。
泥沙起動以後，在水流上舉力作用下可以跳離床面，與速度較高的水流相遇，被水流挾帶前進。但泥沙顆粒比水重，它又會逐漸落回到床面，並對床面上的泥沙產生一定衝擊作用，作用的大小取決於顆粒的跳躍高度和水流流速，如沙粒跳躍較低，由於水流臨底處流速較小，泥沙自水流中取得的動量也較小，在落回床面以後就不會再繼續跳動；如沙粒跳躍較高，自水流中取得的動量較大，則落於床面以後還可以重新跳起。流速繼續增加，紊動進一步加強，水流中充滿著大小不同的旋渦，這時泥沙顆粒自床面躍起后，有可能被旋渦帶入離床面更高的流區中，隨著水流以相同速度向前運動，這樣的泥沙稱為懸移質。在一定的水流條件下，能夠挾運泥沙的數量，稱為挾沙力。
當泥沙的來量大於水流的挾沙力時，多餘的泥沙就要沉積下來。
第二節 濺蝕
降雨雨滴的濺蝕是降雨和土壤相互作用的結果，任何一次降雨發生的濺蝕都受到這兩方面的制約。研究降雨濺蝕作用，需要首先研究雨滴的侵蝕力和土壤的可蝕性。
降雨雨滴侵蝕力的大小完全取決於降雨性質，即該次降雨的雨量、雨強、雨滴大小等，而與土壤性質無關。降雨雨滴的侵蝕力計算，經過國內外許多學者研究，已取得很大進展。40年代初埃利森(W. D. Ellison)、比薩爾(E. Bisal)、羅斯(J. O. Lawx)等人的大量實驗，發現了降雨雨滴侵蝕力與能量有關，後來又被土壤流失資料所證實。
土壤種類不同，其粘粒、有機質含量以及其他對土壤起粘結和膠結作用的物質也不同，土壤團粒粘結構的增加能降低或減少雨滴擊濺下的土粒分散坡壞。隨著團粒中粘土含量的增加，團粒強度增大，雨滴濺蝕量減少。富含粘粒的土壤一般易於膠結，並且其團粒較粉質或沙質土的團粒大。
雨滴濺蝕主要表現在以下幾個方面：
破壞土壤結構，分散土體或土粒，造成土壤表層孔隙減少或者堵塞，形成“板結”引起土壤滲透性下降，利於地表徑流形成和流動；直接打擊地表，導致土粒飛濺並沿坡面向下遷移。
雨滴打擊增強了地表薄層徑流的紊動強度，導致降雨侵蝕和地表徑流輸沙能力增大。
上述三方面在濺蝕過程中緊密相聯互有影響，就其過程而言大致分為四個階段。干土濺散階段：降雨初期由於地表土壤水分含量較低，雨滴首先濺起的是乾燥土粒；濕土濺散階段：隨降雨歷時延長，表層土壤顆粒逐漸被水分所飽和，此時濺起的是水分含量較高的濕土顆粒；泥漿濺散階段：土壤團粒受雨滴擊濺而破碎，隨著降雨的繼續，地表呈現泥漿狀態阻塞了土壤孔隙，影響了水分下滲，促使地表徑流產生；地錶板結：由於雨滴擊濺作用破壞了土壤表層結構，降雨後地表土層將由此而產生板結現象。
第三節 面蝕
坡面徑流的形成是降水與下墊面因素相互作用的結果，降水是產生徑流的前提條件，降水量、降水強度、降水歷時、降水面積等對徑流的形成產生較大的影響。由降水而導致徑流的形成可以分為蓄滲階段和坡面漫流階段。
分散的地表徑流亦可稱為坡面徑流，它的形成分兩個階段，一是坡面漫流階段，二是全面漫流階段。漫流開始時，並不是普及到整個坡面，而是由許多股不大的彼此時合時分的水流所組成，徑流處於分散狀態，流速也較緩慢；當降雨強度增加，漫流佔有的範圍較大，表層水流逐漸擴展到全部受雨面時，就進入到全面漫流階段。最初的地表徑流衝力並不大，但當徑流順坡而下，水量逐漸增加，坡面糙率隨之減小，促進流速增大，就增大了徑流的衝力，這也是坡地流水作用分帶性產生的機制，終將導致地表徑流的衝力大於土壤的抗蝕能力時，也就是地表徑流產生的剪切應力大於土壤的抗剪應力時，土壤表面在地表徑流的作用下產生面蝕。雖然層狀面蝕也可能發生，但因自然界完全平坦的坡面很少，而地表徑流又常常稍行集中之後，才具有可以衝動表層土壤的衝力，因此由地表引起的面蝕，主要是細溝狀面蝕。
坡面侵蝕過程。坡面水流形成初期，水層很薄，速度較慢，但水質點由於地表凸起物的阻擋，形成繞流，流線相互不平行，故不屬層流。由於地形起伏的影響，往往處於分散狀態，沒有固定的路徑，在緩坡地上，能量不大，沖刷力微弱，只能較均勻地帶走土壤表層中細小的呈懸浮狀態的物質和一些鬆散物質，即形成層狀侵蝕。但當地表徑流沿坡面漫流時，徑流彙集的面積不斷增大，同時又繼續接納沿途降雨，因而流量和流速不斷增加。到一定距離后，坡面水流的沖刷能力便大大增加，產生強烈的坡面沖刷，引起地面凹陷，隨之徑流相對集中，侵蝕力變強，在地表上會逐漸形成細小而密集的溝，稱細溝侵蝕。最初出現的是斑狀侵蝕或不連續的侵蝕點，以後互相串通成為連續細溝，這種細溝溝形很小，且位置和形狀不固定，耕作后即可平復。細溝的出現，標誌著面蝕的結束和溝道水流侵蝕的開始。
第四節 溝蝕
坡面降水經過複雜的產流和匯流，順坡面流動，水量增加、流速加大，出現水流的分異與兼并，形成許多切入坡面的線狀水流，稱為股流或溝槽流。水流的分異與兼并是地表非均勻性和水流能量由小變大，共同造成的。
引起地表非均勻性的原因有：①地表凹凸起伏差異；②地表物質抗蝕性強弱、滲透強度、顆粒組成大小的差異；③地表植被覆蓋上的差異。因之，在易侵蝕地方首先出現侵蝕溝谷，並逐漸演化為大型溝谷；在難侵蝕的地方會推遲出現小溝谷。徑流集中的過程還產生橫向均夷作用，導致強溝谷並弱溝谷的兼并現象。水流能量的差異除了降水、坡度、滲透消耗等影響外，在同一地區則主要是徑流線的長度。因之，總是先出現細小溝谷，然後依次出現大型溝谷。
股流水流集中，侵蝕能量增強，下切侵蝕劇烈，並不斷旁蝕和溯源侵蝕，改變溝槽形態。在溝谷的深、寬達到不能為生產和其他活動所消除時，地面上就留下永久的溝槽，成為溝谷。通常把晚更新世以前形成的溝谷稱古老溝谷，把全新世以來形成的溝谷稱現代侵蝕溝谷。現代侵蝕溝谷發育在古老溝谷上，被稱為承襲溝谷。由於沖刷而形成的侵蝕溝具有一定的外形，它是一條長而深的水蝕溝，一般通入河谷或荒溪，每一條侵蝕溝可分為溝頂，溝底，水道，溝沿，沖積園錐及侵蝕溝岸地帶等幾個部分。
第五節 山洪侵蝕
山洪是山區地表徑流溝網向河溝集中后形成的強大洪流。具有較大衝擊力和負荷力，但其容重一般小於1.3t/m3。依按照成因不同，可將山洪分為以下幾種類型。
1.暴雨引起的山洪
它是山洪的主要類型，是由大強度的降雨所形成的，其過程特徵、峰量的大小等，主要決定於暴雨的強度、暴雨中心移動方向、暴雨區域範圍及暴雨過程等因素。
根據暴雨的時空分佈，又可分為三種：①由短歷時(幾小時或十幾小時)大暴雨形成的局地性山洪，暴雨蘢罩面積較小，約幾十至幾千平方公里，位於暴雨中心範圍內的河溝產生較大山洪。②由中等歷時的一次暴雨過程所形成的區域性山洪。持續時間在3～7天左右，可使一個地區內普遍暴發山洪，甚至使大河流發生大洪水。③由長時間大範圍的連續淫雨，並有多個地區多次暴雨組合產生的大範圍淫雨性山洪。其降雨時間可長達1～2個月，造成幾個大流域同時發生大洪水。
2.融雪引起的山洪 主要發生在高緯度積雪區或高山積雪區。
3.水體潰決引起的山洪
因種種原因造成水庫、湖泊等壩體潰決，水體突然湧出，產出的山洪，由於來勢猛，水流急，常造成重大危害。
山洪具有強大的動能，可將沿途的土沙物質侵蝕、搬運到下游，並在溝口開闊部位沉積下來。山洪發生后，在溝網中有一個匯聚過程。以河溝主溝道為準，可分為上游、中游、下游。
在上游徑流量小，但溝道兩側坡面陡，匯流速度快，溝底縱比降大，流速更大，所以上游產生的徑流以衝力為主，溝道下切侵蝕最明顯。中游由於匯水面積大，有較多支流的徑流彙集於溝道，不但流量增加，而且因支溝匯流與主溝徑流流向不一致，產生一定角度，迫使主溝徑流向彼岸流去，形成偏態流動，產生側蝕，沖淘河岸。
下游段，坡降緩，但流量更集中，因下游支流匯入主溝道中，同樣影響主溝道徑流流向，存在侵蝕作用。在沖淘兩岸時，由於曲流和側蝕作用，被沖淘的一側往往後退形成凹岸，另一側不斷淤積形成凸岸。使河流表現為蛇形前進。山洪的搬運作用與河谷水流一樣，也有四種方式，推移、躍移、懸移和溶解搬運。根據水力不的定律（愛里定律）在流水中推移的單個固體物質的重量與起動流速的六次方成正比。山洪在行進過程中，當流路條件發生變化時，所攜帶的土砂物質即沉積下來。土砂物質的沉積包括流路中的沉積和山口的沉積。山洪行進到中下游地帶，受曲流側蝕作用影響，河道曲折，出現了凹岸、凸岸。泥沙在凸岸沉積下來，而凹岸的沖刷較嚴重。當山洪行進到山口地帶時，地勢突然變得開闊，流速很快降下來，所帶土砂石塊則沉積下來。在山前出現了傾斜的半圓扇形堆積體，即洪積扇。山前的洪積物質分選作用較明顯，距溝口越近，組成物質越粗，距溝口越遠，組成物質越細小。
第六節 海岸、湖岸及庫岸浪蝕
海洋水體與陸地的接觸稱為海岸帶。海岸帶自陸向海可分為海岸、潮間帶和水下岸坡三部分。波浪、潮夕和海流是作用於海岸帶最主要的動力因素，在入海的河口，河水的動能以及河水與海水交互作用產生的動能對河口、海岸的侵蝕作用也很強烈，如錢塘江喇叭口型河口的形成就是典型一例。
海洋中的波浪主要是風作用於海面將其能量傳遞給海水所發生的現象。能量的傳遞是通過風作用於海面時在波面產生的壓力差以及波面的磨擦，二者對水質點作功而實現的。當水質點發生振動時，就在順著風向的垂直斷面作圓周運動，當水質點處於圓形軌道最高位置的地方，水面凸起就形成波峰。水質點處於最低位置的地方，水面凹陷就形成波谷。相鄰波峰與波谷間的垂直距離h就是波高；相鄰兩波峰或兩波谷間的水平距離L稱波長；波浪傳播的速度或者單位時間內波形傳播的距離C稱為波速；同一時刻波峰最高水質點的連線稱波峰線；指向波浪前進方向而與波峰線垂直的線稱波射線。
波浪對海岸作用的大小決定於波浪的能量E，其大小與波高的二次方、波長的一次方成正比，因此，波浪愈大，尤其是波高愈大，波能就愈大，其對海岸的侵蝕作用也愈強。
波浪對海岸的侵蝕，首先是波浪水體給予海岸的直接打擊，即沖蝕作用。當波浪以巨大的能量衝擊海岸時，水體本身的壓力和被其壓縮的空氣，對海岸產生強烈的破壞。波浪的沖蝕作用對於鬆軟岩石或者岩石雖較堅硬，但節理密度較大的海岸來說，是非常顯著的。尤其當波浪水體夾帶岩塊或礫石時，其侵蝕力更大，這即是磨蝕作用。若海岸為含有易溶礦物的岩石，如石灰岩等，還要發生溶蝕作用。
海岸侵蝕形態的形成和演化大都是暴風浪的產物，普通波浪則起著經常的修飾海岸的作用，因此，可以分別把它們對海岸的侵蝕比做鯨吞和蠶食。海蝕作用的結果，不僅造成海岸位置的變化，還會產生一系列的海蝕的地貌。