1.7.2 溅射距离观测结果分析与评述
对比前人关于溅蚀强度和溅射距离的成果,可以看到雨滴溅蚀过程的复杂性及所揭示的新机理(见表1-2)。
表1-2 近年来有关溅蚀输送及溅蚀距离研究结果的比较
续表
续表
续表
续表
Legouet al.(2005)研究揭示了粗细沙、粉壤土、黏壤土、粉黏壤土等4类土壤的不同粒级颗粒的溅蚀强度径向分布趋势,对前3类土壤而言,极粗沙(1000~2000 μm)的溅蚀质量比率随径向距离的增加而减小,粗沙(500~1000 μm)以10 cm为界先增后减;粉沙、细沙和中沙的溅蚀质量比率均随着径向距离的增加而增加,这意味雨滴分离、携带、溅射不同粒级颗粒过程存在差异,其体现了溅蚀的分选性。溅蚀颗粒权重平均粒径从径向距离5 cm对应的800 μm 下降到径向距离35 cm对应的350 μm,但随径向距离随权重平均粒径的变化是波动的而非线性下降。中细沙的溅蚀质量比率随径向距离增加而增加,中粗沙溅蚀质量比率随径向距离增加而减小。粗细沙权重平均粒径随径向距离增加而减小,但和前3类土壤相比较,权重径向平均距离从280 μm下降到250 μm,其随径向距离变化幅度较小。
对相似土壤类型而言,而室内与野外、林下与裸地及观测手段等方面差异导致了观测的平均溅射距离存在较大分歧:对沙壤质土壤而言,Legou et al.(2005)观测的平均溅射距离约为10 cm而高速摄影观测的数值不超过5 cm (Ahn, et al., 2013);在林下的天然降雨条件下,平均溅射距离在20 cm 以上,最大溅射距离可达2 m(Ghahramani, et al.,2012)。对上述差异可做以下的解释:高速摄影观测受拍摄视野的限制而影响最终的统计结果;在实际雨滴溅蚀过程中,存在溅射颗粒落地后再次起跳的机会,从而使得溅蚀颗粒被输送到更大的范围;再次起跳的假设也可解释林下数据(林下最大跃距被解释为降雨量和坡度的函数,见Ghahramani, et al., 2012)。前人观测数据的差异也暗示了雨滴溅蚀有着更复杂的机理。在前人观测的基础上,加强力学机理分析和数学建模的研究有助于深入地理解上述研究的分歧,也有助于进一步发现新的雨滴溅蚀机理。
前人发现坡地的溅射距离更符合对数正态分布模式(Ghahramani, et al., 2012),其可以更好地估计溅射距离大的颗粒对溅蚀输送质量的贡献。对数正态分布模式优于传统的负指数分布模式(e.g.Van Dijk, et al., 2002; Furbish, et al., 2007),这暗示了平地和坡地上溅射距离分布特征的差异,此发现对坡地溅蚀的模拟研究提供了新思路。
雨滴溅蚀微观过程的观测(Furbish, et al., 2007; Ahn, et al., 2013)为从溅射颗粒轨迹来模拟溅蚀输送提供了重要的参数。在未来溅蚀模拟中,应分别考虑溅射颗粒和蠕移颗粒对溅蚀过程的影响而后者在溅蚀过程(是床面颗粒之间碰撞的结果,与溅射颗粒不同,其具有低速、低溅射角的特征)的作用常被忽视。高速摄影表明蠕移是溅蚀的重要过程。起跳速度、起跳角、溅射距离及概率分布模式、单雨滴溅蚀颗粒数等是模拟沙面雨滴溅蚀的重要参数。积水会降低溅射颗粒数和起跳速度而会提高溅射角(平均溅射角大5度)从而影响整个溅蚀过程。这些有趣的微观研究可拓展到更丰富的雨滴溅蚀情景,以进一步理解土壤质量、坡向、坡度、坡长、植被类型及覆盖度,对溅蚀过程的影。这类精细地观测研究和基于单雨滴碰撞的力学机理模拟相结合,这既有助于观测数据的理论解释,也为力学建模提供了观测依据。
近年来,风驱雨滴溅蚀成为雨滴溅蚀领域的新方向(e.g.Cornelis, et al., 2004; Erpul, et al., 2009a, b, 2013; Marzen, et al., 2015),它反映了雨滴溅蚀的实际情形。前人的研究表明,风洞边界层降低了平均雨强和碰撞角,但增大了雨滴的平均粒径、雨滴降速和平均动能,从而提高了风驱雨的溅蚀量(约为雨滴溅蚀量的59倍)。风驱雨的溅射距离可达350 mm,比纯雨滴溅射距离高一个数量级,它与摩阻风速成正比。目前风驱雨溅蚀研究还集中于沙质土壤,其他质地土壤的风驱雨溅蚀规律还不清楚,这也是今后研究应关注的问题。溅蚀观测研究为风驱雨溅蚀的力学模拟提供了重要的依据。