細溝流輸送土壤顆粒

流體的輸送能力

一旦沉積物被捲入流體中，它就會被輸送，直到流體中的實際沉積物濃度超過其輸送能力，才會發生沉積。流體的輸送能力 $T_{f}$ 隨速度的五次方變化 (Meyer 和 Wishmeier, 1969)^[1]

$T_{f}\propto Q^{\frac {5}{3}}s^{\frac {5}{3}}$ (1.18)

這種關係與地表徑流本身的作用有關，而在實踐中，徑流通常伴隨降雨。與雨滴的撞擊相互作用會導致指數值略微上升 (Quansah, 1982)^[2]

$T_{f}\propto Q^{2.13}s^{2.27}$ (1.19)

雖然雨滴的撞擊會降低流體的剝蝕能力 (公式 1.12，參見章節 → 細溝侵蝕)，但輸送能力卻會增強 (Savat, 1979^[3]; Guy 和 Dickinson, 1990^[4]; Proffitt 和 Rose, 1992^[5])。增強程度取決於土壤的抗性、雨滴的直徑以及流體的深度和速度。

Nearing 等人 (1989)^[6] 透過簡化一般輸送方程得出 $T_{f}$ 的公式

$T_{f}=k_{t}\tau ^{\tfrac {3}{2}}$ (1.20)

其中 $k_{t}$ 是一個經驗輸送係數，而 $\tau$ 是流體施加的水力剪下應力 (根據達西-魏斯巴赫方程，參見章節 → 細溝侵蝕）。

最大泥沙濃度

地表徑流的輸送能力被定義為最大泥沙濃度 $C_{max}$ ，可以被攜帶 (Govers, 1990)^[7]

$C_{max}=a(sv-0.4)^{b}$ (1.21)

其中 $a$ 和 $b$ 是取決於粒徑的經驗係數。對於中值粒徑（D₅₀）分別為 33 和 390 μm 的顆粒， $b$ 的值為 1.5 到 3.5（Everaert, 1991）^[8]。降雨的影響對細顆粒的關係影響可以忽略不計，但降低了 $b$ 到 1.5，表明降雨降低了地表徑流輸送粗粒物質的能力。

沉積速率

一些研究人員沒有試圖僅根據水流特性來定義輸沙能力，而是試圖將輸沙能力與水流在剝蝕和沉積之間達到平衡狀態時所能攜帶的最大泥沙濃度聯絡起來（Rose 等人，1983^[9]；Styczen 和 Nielsen, 1989^[10]）。沉積速率 $D_{p}$ 為

$D_{p}=v_{s}C$ (1.22)

其中 $v_{s}$ 是顆粒的沉降速度（Proffitt 等人，1991）^[11]。

鑑於坡面流的深度相當淺，地表粗糙度起著相當大的作用，雷諾數和弗勞德數通常很低，可以推測，大部分被輸送的泥沙是由雨滴衝擊產生的，而顆粒剪下速度很少達到使土壤顆粒剝蝕所需的水平（除了在陡坡或光滑的裸露土壤表面）。

與雨滴衝擊相反，雨滴衝擊使粒徑在 0.063 到 0.250 毫米之間的顆粒最易剝蝕（參見 → 細溝侵蝕），而坡面流最易剝蝕的顆粒在 0.1-0.3 毫米範圍內，坡面流中輸送的泥沙缺乏大於 1 毫米的顆粒，而細粒物質含量較高。

隨著時間的推移，山坡上的侵蝕區域將變得越來越沙化，沉積區域將富含粘土顆粒。大部分濺入水流的泥沙只是在被沉積之前移動了相對較短的距離。由於沉積是一個粒徑選擇過程，較粗的顆粒首先沉積，沉積層變得越來越粗（Proffitt 等人，1991）^[5]，並可能發展成沉積地殼（參見 → 細溝侵蝕）。然後，較少量的細粒物質暴露於侵蝕。這種機制甚至可以在一場風暴中發生，因此剝蝕量在風暴開始時最高，而輸沙能力很快達到峰值。

然而，田間測量的坡面流輸沙量與流量之間的關係並不總是與上述研究結果相符。在某些條件下，輸沙過程可能主要是推移質形式的顆粒在土壤表面的滾動。雨滴衝擊對坡面流的泥沙貢獻部分作為推移質移動，而水流本身剝蝕貢獻的成分則作為懸移質移動（Kinnell，1990）^[12]。這個過程是極其動態的，因此描述坡面流輸沙量的最相關方程會隨著時間的推移而不斷變化。

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參考文獻

↑ Meyer, L. 和 Wishmeier, W. (1969)。水蝕土壤侵蝕過程的數學模擬。美國農業工程師學會論文集，12:754–758,762。
↑ Quansah, C. (1982)。用於土壤侵蝕模型和土壤保持設計方程統計推導的實驗室實驗。博士論文，克蘭菲爾德理工學院。
↑ Savat, J. (1982)。流體輸運過程中的共同選擇性和不尋常選擇性：裸露表面上的實地觀測和實驗室實驗。Catena 補充，1:139–160。
↑ Guy, B. 和 Dickinson, W. (1990)。淺層坡面流中泥沙輸運的起始。Catena 補充，17:91–109。
↑ ^a ^b Proffitt, A. 和 Rose, C. (1992)。降雨剝蝕和徑流夾帶對土壤流失的相對貢獻。在 Hurni, H. 和 Tato, K. 主編，侵蝕、保持和小農，第 75.89 頁。伯爾尼的地理學，伯爾尼。
↑ Nearing, M., Foster, G., Lane, L. 和 Finkner, S. (1989)。美國農業部水蝕預測專案技術的基於過程的土壤侵蝕模型。美國農業工程師學會論文集，32(5):1587–1593。
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↑ Everaert, W. (1991)。坡面流輸沙能力的經驗關係。地表過程與地貌，16:513–532。
↑ Rose, C., Williams, J., Sander, G. 和 Barry, D. (1983)。土壤侵蝕和沉積過程的數學模型。I. 平面單元的理論。美國土壤科學學會雜誌，47:991–995。
↑ Styczen, M. 和 Nielsen, S. (1989)。對土壤侵蝕理論、過程研究和模型構建的看法：可能的相互作用和未來發展。土壤科學專刊，2:27–45。
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