1.6.4　预先分离沉积层与雨滴溅蚀-流体输送模拟

据Kinnell(2005)分析,在雨滴溅蚀-流体输送阶段(RD-FT),被雨滴溅蚀分离的土壤颗粒在薄层水中可保持长时间的悬移而不再沉积到模拟区域的床面或者即使回到床面,径流也有足够的功率把它们输送到下游而不需借助雨滴的帮助,其输送距离大于RDRIS阶段。区分RD-FT与RD-RIS在于薄层水流速,当薄层水流速超过临界值,则雨滴溅蚀会从RD-RIS阶段转化为RD-FT(Kinnell, 2009, 2011),且在此阶段,流体输送的颗粒速度或等于流速或略低于流速,临界输送流速按照Larionov et al.(2006)模式(1-65)来计算:

其中,up,c为直径为p的颗粒临界流速,ρp,ρw分别为颗粒与流水的密度,g为重力加速度。

Kinnell(2005)认为,雨滴溅蚀-流体输送阶段主要搬运细颗粒而雨滴溅蚀-雨滴诱导的低速薄层水主要以小尺度悬移搬运粗颗粒。二者主要差异在于薄层流水流速而后者有更强的搬运能力。因而预先分离沉积层对雨滴溅蚀-流体输送阶段的影响类似于雨滴溅蚀-雨滴诱导的薄层水输送过程,仍可用式(1-62)及相关的数值计算过程来模拟(Kinnell, 1994)。

Kinnell(2005)假定在雨滴溅蚀-流体输送阶段溅蚀输送颗粒具有和薄层水流相同的速度且不发生沉积,预先分离沉积层消失,当I=50 mm·h-1, d=2 mm, hw=5 mm, uw=1 mm·s-1的情况下,雨滴溅蚀-流体输送强度在5 min后达到稳态(实际上,按照式(1-65),此时雨滴溅蚀过程类似于雨滴溅蚀-雨滴诱导的低速薄层水输送,因为此情形下水速过小而达不到流体输送的阈值流速,可参阅Kinnell(2009)论述)。在其他参数不变时,当uw=100 mm·s-1时,3 s之后溅蚀输送强度达到稳态。上述算例表明,当流速超过临界值时,预先分离沉积层对雨滴溅蚀-流体输送阶段的影响减弱。应该注意的是,上述算例如果发生在斜面之上,预先分离沉积层对雨滴溅蚀-流体输送的影响更微弱。

鉴于RD-RIS阶段与RD-FT阶段差异在于薄层水流速度的差异(Kinnell, 2009),在模拟计算中,流体输送的颗粒如果是悬移,则假定其速度等于流速;若输送颗粒是跃移则假定其速度为0.8倍的流速(在RD-RIS阶段,颗粒速度被设定为薄层水流速度的0.6倍)。利用降雨-径流模式(Moore ＆amp; Kinnell, 1987,前人模拟了土壤渗透率从流深为零的2 mm·h-1线性地增加到流深10 mm对应的100 mm·h-1),Kinnell(2009)模拟了中等降雨和强降雨过程中,30 m斜坡(坡度分别为0.25%和9%,每2 m一个实验小区)上由0.1 mm,0.2 mm,0.46 mm,0.9 mm的沙粒、细颗粒泥沙及0.46 mm煤粉以均等比率混合的表土的溅蚀-流体输送过程。结果表明:①在中等降雨和强降雨事件情景下对坡度为0.25%的斜坡而言,当预先分离的松散物质从上游边界输入时,各个粒级粗颗粒的溅蚀输送强度均比无松散物质输入情形高9折,而细粒泥沙与此相反,这意味着预先沉积层覆盖不利于细颗粒泥沙输送,但预先分离的松散物质是否从上边界输入并不影响各个粒级颗粒输送强度。除细颗粒泥沙外,粗颗粒输送强度在小区长度为15 m时到达最大;单位面积产沙量和颗粒物浓度均随着小区长度的增加而非线性减小,其中细颗粒降幅更大;②坡度为9%的坡面溅蚀-流体输送强度高于0.25%的坡面,而溅蚀颗粒输送强度与小区长度的关系与低坡度斜坡相似;③在中等降雨事件中,坡面侵蚀过程以雨滴溅蚀-雨滴诱导流体输送为主,其利于细颗粒泥沙输送,因而细颗粒在输送颗粒的比率从小区长度2 m处的40%增加到30 m处的80%,坡度增加会轻微地减小此趋势;在强降雨事件中,随着斜面薄层水流速度超过临界数值,坡面侵蚀转化为雨滴溅射-流体输送占主导地位,细颗粒泥沙的比率在缓坡上的30 m 处仅有30%,而在陡坡的相同位置仅有5%左右。在恒定的降雨强度下(50 mm·h-1),坡面侵蚀的组分也呈现随着时间由细颗粒组分为主转化为以粗颗粒为主的趋势;④当坡面侵蚀达到稳态时,溅蚀侵蚀方式转化为雨滴溅蚀-流体输送阶段,其输送颗粒组分逐渐与侵蚀土壤组分接近。

Kinnell(2011)用雨滴溅蚀动态模式进一步解释了在雨滴溅蚀过程中,预先分离沉积层及溅蚀输送方式转变对输送颗粒组分动态变化的影响机理。在降雨强度为75 mm·h-1,uw=100 mm·s-1,hw=7 mm的情景下,土壤溅蚀以雨滴溅蚀-雨滴诱导的薄层水输送为主,可看到预先分离沉积层对土壤中细颗粒物质溅蚀输送的保护效应,其溅蚀输送强度从最初较高数值迅速下降到较低的水平。当0.46 mm中沙的溅蚀输送达到稳定状态时,其输送强度高于细颗粒物质,此趋势与Kinnell(2009)结果一致。另外,在强降雨事件中当坡面流速达到粗颗粒的起动流速时,雨滴溅蚀转化为雨滴溅蚀-流体输送模式,这时坡面粗颗粒的产沙强度出现增加趋势。