1.2　雨滴溅蚀基本物理过程

雨滴溅蚀是雨滴动能及雨滴诱导径流的动能在土壤表面消耗的物理过程(Kinnell,2005,2013)。它被鉴别为雨滴击打-土壤团聚体分离-雨滴溅蚀输送(RD-ST)、雨滴击打-土壤团聚体分离-雨滴流驱动的跃移输送(raindrop detachment and raindrop-induced flow saltation, RD-RIS)、雨滴分离-径流悬移(raindrop detachment and flow suspension, RDFS)、雨滴分离-径流驱动的跃移(raindrop detachment and flow saltation, RD-FDS)、雨滴分离-径流驱动的悬移(raindrop detachment and flow suspension, RD-FS)、流体分离-径流悬移/跃移等(flow detachment and flow saltation/suspension, FD-FDS/FS)(见图1-1)。

图1-1为研究者提供了一个雨滴溅蚀分析的总框架,它把雨滴溅蚀、积水过程溅蚀和后续的径流侵蚀联系起来,为理解片蚀、沟蚀和相关地貌演化过程奠定了分析的基础。和风沙跃移起动的研究相似,雨滴溅蚀的研究中也引入了2个临界指标,即临界雨滴溅蚀动能和临界流体剪切应力,前者可以从雨滴溅蚀实验中建立的溅蚀强度和雨滴动能的定量关系外推获得(e.g.Van Dijk et al., 2002),不同土壤类型会有不同的Ec,且受土壤表面积水深度等因素的影响(e.g.Kinnell,2005)。至于临界流体剪切应力,在河流泥沙动力学领域,它可以通过对边界层流速梯度和对泥沙起动现象的观测来确定。溅蚀积水属于薄层水流,如何测定临界土壤颗粒起动及对应的流体剪切应力可能存在技术上的困难。Kinnell(2005)曾提出用临界流体动能来界定流体对土壤团聚体的分离性能,该指标比临界流体切应力更容易获得。

在风蚀领域,对松散的可蚀性组分而言,研究者常用基于风洞实验建立的半经验模式来推测跃移起动的临界切应力(常用起动摩阻风速来表征,e.g.Bagnold, 1941; Marticorena ＆amp; Bergametti, 1995);对于有结构非完全松散的表土而言,研究者常根据风洞实验实测来确定不同质地土壤的临界切应力/起动摩阻风速(e.g.Gillette, 1982, 1988)。风蚀领域这些研究方法和途径对溅蚀研究有借鉴价值。

图1-1　溅蚀及相关过程的分析和建模方案(据Kinnell(2013)重绘)

E-雨滴的动能;Ec-临界溅蚀动能(与表土性质如松散的团聚体粒径及分布特征、非松散表面的黏结性质、土壤水分含量、积水、不可蚀组分的覆盖等因素有关),Ec线斜率的增加意味着随着土壤积水和径流的出现土壤抵抗雨滴溅蚀和径流冲刷的阻力增加如通过雨滴击打导致土壤结皮的出现, τc-临界的切应力(此数值与土壤性质有关),τc(loose) 是指输送雨滴溅蚀的松散颗粒所需要的流体剪切应力,τc(bound)是流体分离输送黏结表土所需要的临界剪切应力;RD-ST是指雨滴分离-溅射输送;RD-RIS指的是雨滴分离-雨滴诱导的流体输送;RD-FS指的是雨滴分离-流体输送;RD-FDS指的是雨滴分离-流体分离、输送驱动的跃移;FD-FDS指的是流体分离-流体驱动的跃移;A线条代表的土壤表面无径流和积水时雨滴溅蚀分离土壤所需要的最小Ec;B线条代表的是雨滴溅蚀分离后土壤表面出现径流和积水时土壤被分离和输送所需要最小的Ec。