人工模拟降雨器在坡面土壤侵蚀实验中的应用

土壤侵蚀是危及人类生存与发展的主要环境问题之一。因此,土壤侵蚀研究在世界各国受到普遍重视。自19世纪70年代德国科学家Wollny建立了世界上第一批径流小区,研究土壤、覆盖、坡度等与土壤侵蚀的关系以后,美国科学家Miller建立了野外径流小区研究作物类型及其轮作对土壤侵蚀的影响。20世纪40年代以前,土壤侵蚀过程研究主要是通过人工模拟降雨器对侵蚀现象的观察和一般性描述。20世纪40年代,Ellison将水蚀过程分为雨滴侵蚀过程、径流侵蚀过程、雨滴搬运过程和径流搬运过程,标志着土壤侵蚀过程研究由定性描述进入定理研究阶段。60年代后,由于相关学科的发展,模拟降雨试验的研制成功和测试技术的改进以及计算机的应用,为建立具有一定物理成因基础的侵蚀预报模型奠定了科学基础。80年代后,侵蚀产沙过程及其机理研究取得了重要进展。土壤侵蚀动力过程是水流和土壤两者相互作用的复杂物理过程，而含沙水流是土壤侵蚀的主要动力，深入理解坡面流动力学特征及侵蚀动力是研究土壤侵蚀动力学规律的基础。然而，坡面水流不同于一般明渠流，其水深极浅，水流运动受降雨及地表状况影响较大，如降水强度和历时、土壤质地或种类、前期水分条件、植被密度和类型、坡度和坡长，以及边界粗糙度和微地形，所有这些指标的变化都将对水流运动产生显著影响，使其坡面流运动特征发生显著变化。

雨滴溅蚀是指雨滴直接打击土壤表面,使土壤颗粒发生分散、分离、跃迁位移的过程。雨滴溅蚀主要发生在坡面产流之前和产流之初,是坡面水蚀过程的开始,Ellison[1～4]首次揭示出降雨击溅是水蚀过程中的一种主要营力;溅蚀破坏土壤结构,增加径流紊动性,增强径流的分散和搬运能力;同时，雨滴打击作用使土壤颗粒堵塞土壤孔隙,阻滞降水入渗,增加地面径流和侵蚀力。因此,溅蚀是细沟间侵蚀的主要过程,溅蚀的研究成果主要体现在雨滴物理特性和溅蚀量模型两大方面。

片蚀是指坡面薄层水流对土壤的分散和输移过程,片蚀作用的动力是薄层水流的作用力,对薄层水流水力学特性的研究一直受到人们的普遍重视,并取得了一些研究成果。但由于坡面薄层水流水力学特性的复杂性和试验技术的限制,对其进行理论分析、野外观测和试验研究存在一定困难,已有的研究基本上都是将坡面薄层水流看作恒定的非均匀沿程变量,用明渠水力学的方法进行研究。
    细沟是在坡面径流差异性侵蚀条件下,在坡面上产生的一种小沟槽地形,其纵剖面与所在斜坡纵剖面一致,并能为当年犁耕所平复。细沟侵蚀是细沟小股流对细沟沟壁、沟底、沟头土壤的分散、冲刷和搬运过程。细沟侵蚀的发生取决于坡面水流的水力学特性和坡面土壤条件。当坡面水流达到一定水力学指标称之水力临界后,才能发生细沟侵蚀,主要用径流量、佛汝德数、径流水流动力、径流剪切力等来描述。

浅沟是我国黄土高原特有的侵蚀方式,对其研究是从土壤侵蚀分类和坡面土壤侵蚀垂直带划分开始的,而对其进行定量分析主要是从20世纪80年代开始的。目前研究仍局限在浅沟侵蚀量、浅沟发生的临界坡长与坡度及其影响因素、集水面积、浅沟横断面形态等方面[52,53]。浅沟侵蚀是坡面水力面蚀与沟状侵蚀之间的过渡类型,浅沟侵蚀的发生发展过程包括浅沟沟头溯源侵蚀、浅沟水流对浅沟沟槽的冲刷和浅沟水流对浅沟沟间区泥沙搬运,但目前尚没有浅沟水流水力学特性、浅沟槽与浅沟区泥沙输移关系、浅沟侵蚀过程动力机制等方面的较为系统的研究报道。浅沟侵蚀在坡面侵蚀中占有重要地位,是坡面侵蚀预报必须考虑的重要方面,加强浅沟侵蚀机理及其水力学特性的研究对促进包括浅沟侵蚀在内的坡面侵蚀预报模型的研究具有重要的现实意义。

坡面侵蚀的发生取决于坡面水流的水力学特性和地表土壤条件。当坡面水流超过一定的水力学指标(称之水力临界)后，才能发生细沟侵蚀。水力临界主要用径流流速、水深、流量、佛罗德数、雷诺数、流态、阻力系数、径流剪切力等来描述。

坡面流流速直接影响坡面水蚀的土壤分离、泥沙输移和沉积过程，它是研究坡面土壤侵蚀的一个非常重要的水动力学参数，同时它也是计算其他水动力学参数的必要参数。对坡面土壤侵蚀过程中的坡面流速进行研究，有助于准确地认识坡面侵蚀演化过程及其发育发展机理，因此历来受到国内外学者的重视。现阶段对坡面流速的研究一般集中在坡面流流速的测定方法和流速公式上。

有关土壤侵蚀过程实验，主要通过人工模拟降雨器及相关的实验材料进行，模拟实验。且大多将坡面流参照明渠均匀流理论进行参数计算与分析，反映的是整个坡面流的平均情况。

关键词：人工模拟降雨器   雨滴溅蚀    片蚀   细沟  浅沟  坡面侵蚀  坡面流流速