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土壤侵蚀是全球性的严重环境问题，土壤侵蚀引起的生态环境恶化及其对可持续发展的影响，已严重地威胁着人类的生存和发展，成为国际上普遍关注的焦点。土壤侵蚀物理模型是国际土壤侵蚀研究的主要方向和学术界关注的热点问题，更是土壤侵蚀及其预报研究的最前沿课题。土壤侵蚀物理模型的研发将促进土壤侵蚀模型研究的跨越式发展，推动土壤侵蚀动力学过程研究的深入开展，加速土壤侵蚀科学的进一步发展与完善，并将有效地服务于水土流失定量评价、水土保持决策规划、及土壤资源可持续利用等生产实践。土壤侵蚀物理模型率定与验证是发展土壤物理模型的重要环节，是保证和决定土壤侵蚀物理模型研发的科学性、合理性、应用性极其重要的基础和依据。因此，研究坡面土壤侵蚀物理模型及进行模型的率定与验证，具有重要的理论与实践意义。
本文充分应用理论力学、水力学、泥沙运动力学、土壤物理学、水文学等学科的理论，在深入研究坡面土壤侵蚀物理过程与机制，系统研究坡面土壤侵蚀过程中力能关系的基础上，通过理论分析、推导，结合人工模拟降雨试验及室内外分析测试等方法，建立了坡面侵蚀物理模型，进行了模型的率定与验证，取得了创新性的研究成果，促进了土壤侵蚀模型研究及土壤侵蚀科学的发展。主要结果如下：
(1)基于坡面入渗及产汇流过程分析，选择确定了适合黄土地区的坡面水文模型：用改进的Green-Ampt入渗模型模拟变雨强降雨过程中的入渗量；通过降雨强度与入渗率的比较计算净雨率；用运动波方程演算坡面汇流过程，求得坡底出口断面水文过程。
(2)在深入研究坡面土壤侵蚀物理过程与机制，系统研究坡面侵蚀过程中力能关系的基础上，强化理论分析与推导，建立了坡面侵蚀物理模型，模型包括：降雨流终速及动能物理模型--包括降雨流终速物理模型、单位面积单位雨量降雨流动能物理模型、单位时间降雨流动能物理模型、单位体积降雨流动能物理模型；坡面土壤分散能力物理模型--包括坡面径流势能物理模型、坡面径流层降雨冲压势能物理模型、坡面饱和土层渗蓄水重压势能物理模型、坡面饱和土层冲压应变势能物理模型、坡面土壤分散能力物理模型；坡面径流挟沙能力物理模型--包括坡面浑水径流势能物理模型、坡面浑水径流层降雨冲压势能物理模型、坡面松散土层渗蓄水重压势能物理模型、坡面浑水径流层泥沙冲压应变扩散势能物理模型、坡面径流挟沙能力物理模型：坡面径流输沙-侵蚀物理模型--包括断面径流输沙物理模型、坡段径流侵蚀物理模型。
(3)采用人工模拟降雨试验的方法，在特定设计的观测装置上测量不同雨强条件下既定历时不同高度承雨量的变化，并进行模拟，完成了降雨流动能物理模型参数测定；通过选择参数测定的典型地区进行野外采样和室内分析测试的方法完成了侵蚀物理模型土壤特征参数的测定。
(4)选择黄土高原典型地区及典型降雨资料进行了模型对各参数变化的敏感性分析，分析表明：研发的坡面侵蚀物理模型对坡度、坡长、饱和土壤水体积比率、分散土壤体积膨胀系数变化的敏感性具有波动或变化性；模型对雨强、清水流量、分散土壤水体积比率、土壤密度、饱和土壤体积膨胀系数、饱和土壤水土复密度、饱和土壤含水量变化的敏感性具有稳定性。
(5)采用黄土高原典型地区的黄河流域子洲径流实验站实测侵蚀产沙资料对模型进行了验证，并将降雨流动能物理模型计算结果与常规“色斑法”测定的降雨动能进行了比较，结果表明：本研究建立的的坡面侵蚀物理模型能够较好地模拟黄土地区的坡面侵蚀产沙过程及侵蚀总量，尤其对高强度的侵蚀产沙具有好的预报精度，模拟的侵蚀总量相对误差在24％以下；本研究建立的降雨流动能物理模型计算的降雨流动能与雨强具有确定性关系，而“色斑法”测定的动能随雨强变化的随机波动性明显。
(6)本研究建立的坡面侵蚀物理具有诸多重要创新：采取了与以往国内外学者不同的新方法研究建立基于土壤侵蚀过程中力能关系的真正意义上的坡面侵蚀物理模型；将土壤侵蚀按照土壤分散与搬运两个相对独立，同时相互联系与转化的过程进行描述，克服了常规/传统土壤侵蚀表述带给土壤侵蚀过程及预报研究的困惑；建立坡面水沙两相流动力物理模型并在侵蚀建模中使用，克服了以往土壤侵蚀模型中径流含沙对侵蚀影响表述存在的问题；将降雨雨滴群体作为一个整体，从降雨流概念出发，研究建立了降雨流动能物理模型，克服了以往从雨滴个体出发计算降雨动能存在的问题；提出了诸如降雨流终速、径流层降雨冲压势能等诸多土壤侵蚀学科的物理新概念及相应的参数体系，并建立了相应的物理描述方程；通过引进有关特征参数，既使复杂的土壤侵蚀问题找到相对简单的处理方法，又使力学理论得到充分应用；将降雨与径流结合在一起的复合动力-径流层降雨冲压势能，既包括了降雨流动力的直接侵蚀作用，也解决了降雨流对径流的打击扰动及其间接侵蚀作用；坡面径流侵蚀、输沙的计算程式与以往的常规途径不同。