Availability and performance of sediment detachment and transport functions for overland flow conditions

Abstract

Soil erosion is a global environmental problem. To quantify water erosion rates at the field, hillslope or catchment scale, several spatially-distributed soil erosion models have been developed. The accuracy of those models depends largely on the sediment detachment and transport functions used, many of which were developed from empirical research. In this paper, the physical basis of the available sediment detachment and transport functions is reviewed, and their application boundaries determined. Well-known and widely-used sediment detachment and transport functions are discussed on the basis of composite force predictors, i.e. shear stress, stream power, unit stream power and effective stream power, and their suitability is elucidated based on information in the literature. It was found that only a few sediment detachment functions are available, and those have been poorly tested. Most erosion models ignore direct calculation of sediment detachment, but use the sediment transport capacity deficit approach to estimate detachment rate. Many more sediment transport functions are available that also tested better for overland flow conditions. However, our tests did not result in a single function that appeared to perform best under a range of experimental conditions. The unit stream power-based functions developed by Govers seem to be the most promising ones for water erosion modelling. It is therefore recommended to evaluate the performance of existing sediment transport functions with more detailed field and laboratory datasets.

Editor Z.W. Kundzewicz

Résumé

L’érosion des sols est un problème environnemental mondial. Pour quantifier les taux d’érosion de l’eau à l’échelle terrain, versant ou bassin versant, plusieurs modèles d’érosion des sols spatialement distribués ont été développés. La précision de ces modèles dépend en grande partie sur les fonctions de détachement de sédiments et de transport utilisés, dont beaucoup ont été développés à partir de recherches empiriques. Dans cet article, la base physique des fonctions de détachement de sédiments et de transport disponibles est examiné, et leurs limites d’application déterminée. Bien connus et fonctions largement utilisés détachement de sédiments et de transport sont examinés sur la base de prédicteurs de force composites, soit contrainte de cisaillement, la puissance de flux, la puissance du flux de l’unité et de la puissance de flux efficaces, et leur adéquation élucidé basées sur des informations dans la littérature. Il a été constaté que seules quelques fonctions de détachement de sédiments sont disponibles, et ceux qui ont été mal testé. La plupart des modèles d’érosion ignorent calcul direct de détachement de sédiments, mais utilisent l’approche du déficit de capacité de transport des sédiments pour estimer le taux de détachement. Beaucoup de fonctions de transport plus de sédiments sont disponibles qui a également testé mieux pour des conditions d’écoulement terrestres. Toutefois, nos tests ne ont pas abouti à une fonction unique qui semble fonctionner le mieux dans une gamme de conditions expérimentales. Les fonctions à base de puissance-courant unitaire développés par Govers semblent être les plus prometteuses pour la modélisation de l’érosion de l’eau. Il est donc recommandé d’évaluer la performance des fonctions de transport des sédiments existant avec des ensembles de données de terrain et de laboratoire plus détaillées.

Key words:

• literature review
• sediment transport function
• sediment detachment function
• performance of sediment functions

Mots clefs:

• revue de la littérature
• fonction de transport des sédiments
• fonction de détachement de sédiments
• exercice des fonctions de sédiments