土壤侵蚀在自然界中广泛存在,随着经济社会的发展和人类活动的加剧,土壤侵蚀所引起的水土流失以及由此导致的生态环境问题日益恶化。坡面水力侵蚀过程是土壤侵蚀的基础和核心过程,虽然到目前为止已有大量的研究成果,但仍存在一定的不足,例如,前人对坡面水力侵蚀基础动力学过程的描述尚不全面,各家关于坡面径流侵蚀过程的坡度与尺度效应的研究成果还存在较大的争议,缺乏准确模拟复杂二元坡面水力侵蚀过程的可行方法等等。本文在前人研究成果的基础上,采用理论分析和数学模型的手段对坡面水力侵蚀基础动力学过程、坡面水力侵蚀过程的坡度和尺度效应以及坡面径流水动力特征进行了较为全面和细致的研究,这对丰富坡面尺度的水力侵蚀机理、理解生态系统演变以及防治水土流失等具有十分重要的意义,同时也为升尺度水力侵蚀模拟提供了基础理论支撑。本文主要研究内容可概括如下:(1)从水沙运动力学角度出发,对坡面水力侵蚀过程中的基础动力学过程进行更为全面的分析,并在此基础上定性地探讨了降雨、土壤、坡度和坡长因子对坡面雨滴击溅侵蚀和径流侵蚀过程的影响机理。(2)采用业内广泛认可并应用的改进后的Green-Ampt 土壤入渗模型、一维运动波坡面流模型和WEPP 土壤侵蚀模型建立了考虑坡度影响土壤入渗的坡面降雨—径流—侵蚀理论框架,并基于该框架对坡面水力侵蚀过程的坡度效应进行了研究。结果表明,短历时降雨情况下,坡面径流流速、产流率、剪切力、沟间侵蚀量和细沟侵蚀量首先随坡度的增加而增加,当坡度达到一定临界值后,随坡度的增加而减小。临界坡度并不是一成不变的,其随降雨历时剧烈变化,但随投影坡长变化较小。降雨强度、过程和坡面土壤临界切应力对坡面水力侵蚀过程的坡度效应影响相对较大;而沟间侵蚀经验系数、细沟侵蚀经验系数、泥沙输运经验系数、土壤初始含水量、土壤类型和土壤导水率对坡面水力侵蚀的坡度效应影响较小。对比物理模型WEPP和经验模型USLE与RUSLE发现,三种模型均能准确反映的长历时降雨情况下坡面水力侵蚀过程的坡度效应,而在场次降雨条件下,WEPP模型相对USLE和RUSLE模型能更精确的描述坡面水力侵蚀过程的坡度效应。(3)综合双层土壤入渗模型和二维扩散波坡面流模型建立了坡面二维降雨—入渗—径流模型,对坡面径流过程中尺度效应进行了研究。结果表明,恒定均匀降雨条件下,对于短历时降雨,单位面积坡面累计径流深与坡长呈幂函数关系。随着降雨历时的增加,坡面累计径流深与坡长之间的相关关系逐渐由幂函数关系转变为线性关系。天然间断降雨条件下,一般存在多个产流过程,径流深与坡长之间的相关关系处在不断转换过程中,既可以呈幂函数关系,也可以呈线性关系。此外,降雨强度、过程、土壤入渗和土壤结皮等参数对坡面径流过程中线性与非线性尺度效应的转变也有一定的影响。(4)在二维坡面降雨—入渗—径流模型的基础上,建立了考虑细沟平面形态的复杂二元坡面水力侵蚀模型,并基于该模型研究了坡长对坡面水力侵蚀过程的直接影响和降雨侵蚀动力条件下的坡面水流水(动)力学特征。结果表明坡面侵蚀量与坡长呈幂函关系,且该幂函数关系不随降雨强度、过程、坡度、土壤抗侵蚀能力和土壤入渗能力等相关因素的改变而转变。对比物理模型WEPP和经验模型USLE与RUSLE发现,长历时降雨情况下三种模型所反映的坡面水力侵蚀过程的尺度效应基本相同,而在场次降雨条件下,WEPP和RUSLE模型相对USLE模型能更精确的描述坡面水力侵蚀过程的尺度效应。此外,坡面径流的紊动性和侵蚀能力会随着降雨强度、坡度、坡长的增加或土壤入渗能力的减小而有所增强,但所受阻力正好相反,会有所下降。