面蚀与沟蚀的对比关系

在不考虑重力侵蚀的情况下，坡面的总侵蚀量为面蚀量和沟蚀量之和。当已知坡面总侵蚀量、面蚀量和沟蚀量这三者之间任两者之间的比例关系和第三者的侵蚀量之后，就可以计算出面蚀量和沟蚀量对坡面总侵蚀量的贡献^[6]。一般地，面蚀是指在坡面未形成输运通道之前的雨滴溅蚀和片流侵蚀，而沟蚀是指发生在沟道内的侵蚀。将面蚀和沟蚀分离之后，就可能对面蚀和沟蚀过程进行独立的研究，并对不同的侵蚀过程采用相应的防治措施。自组织模型有别于其它模型的一个重要特点就是能够动态地输出坡面地形和侵蚀量，从而有效地将坡面产沙过程中的面蚀与沟蚀量区分开来。利用自组织模型可以计算不同坡度情况下面蚀与沟蚀在坡面总侵蚀量中所占的比例(见图7).

随着坡度的增大面蚀在整个侵蚀量中的比重越来越小，然而在一次降雨过程中面蚀与沟蚀的贡献大小有一个转化过程。从图8可以看出，单位时间面蚀量在侵蚀初期较高，其后，随着细沟的发育和坡面破碎程度的加剧，单位时间面蚀量逐步下降，并稳定在50g/min左右。另一方面，单位时间沟蚀量则在整个侵蚀过程中都不断增加，在降雨后30min左右超过了面蚀量，并最终远远大于坡面侵蚀量。类似地，坡面累积沟蚀量在整个坡面发育过程中也逐渐超过累积面蚀量(见图9).

从坡面发育的过程来看，各坡度面蚀与沟蚀量的变化过程基本类似，在坡面侵蚀的初期以面蚀为主，其后随着细沟的形成与发展，细沟产沙量逐渐增加并成为坡面产沙的主要来源。在这个由面蚀为主向以沟蚀为主的转化过程中，坡度的影响十分重要。坡度增大时，水流速度加大，细沟侵蚀的发展速度加快，面蚀向沟蚀转化的速度较快。反之，变化过程就相对较慢。确定各种坡度条件下面蚀向沟蚀转化的临界时间有助于把握不同阶段坡面产沙的主要矛盾，从而便于有针对性地制订防治措施。在整个坡面发育过程中，可以用两个特征时间来描述面蚀向沟蚀的转化过程：一个是单位时间细沟侵蚀量与单位时间面蚀量趋于相同时对应的时间T_cr1，另一个是在整个侵蚀过程中累积细沟侵蚀量与累积面蚀量趋于相同时对应的时间T_cr2。T_cr1与T_cr2随坡度变化规律见图10.可以看出T_cr1和T_cr2随坡度的变化趋势大致相同。在5°坡，整个实验过程中面蚀都是决定坡面侵蚀的主要方面；对于10°与15°坡的情形，T_cr1相应于模拟降雨后50min左右，T_cr2相应于80～90min左右；对于20°以上的陡坡，T_cr1小于30min，T_cr2为50min左右。由此可见，在面蚀向沟蚀转化的过程中，陡坡与缓坡的变化规律存在很大差异。造成这种差异的原因在于不同坡度下的细沟发育过程的不同。由图1至图3可以看出，在坡面的细沟发育过程中，沟长主要受坡长限制，在发育到“无侵蚀区”之前，细沟有着充分的发育空间，与坡度的关系不大；而细沟的沟深受侵蚀基准面的限制，最终发育至3cm左右，受坡度的影响也不大。从反映坡面破碎程度的细沟条数变化过程来看，陡坡与缓坡有着明显的差异。对于缓坡而言，细沟条数在坡面发育过程中的增加速度基本保持稳定，同时细沟条数也较少；陡坡上的细沟条数明显高于缓坡，并且在降雨50min内的增加速度很快。进一步对不同坡度的细沟条数发育过程进行聚类分析，可以发现5°、10°和15°坡面属于一类，而20°以上的坡面则属于另一类。由此可见，陡、缓坡下细沟条数(坡面破碎程度)发育过程的不同正是导致面蚀向沟蚀转化速度不同的原因。