土壤侵蝕降雨物理學(xué)簡論

夏衛(wèi)兵

(江西省德安縣水務(wù)局，330400，江西德安)

眾所周知，降雨是影響水力侵蝕最直接的因素，最常見的降水形式是降雨。降雨不僅是濺蝕的動力，而且是地表徑流和下滲水分的重要來源，是形成土壤侵蝕過程中破壞力的物質(zhì)基礎(chǔ)。降雨物理特征研究是土壤侵蝕規(guī)律研究不可或缺的組成部分，更是理解水力侵蝕形成過程與機制的基礎(chǔ)。自1877年德國土壤學(xué)家沃倫(Wollny)開展世界上第1個土壤侵蝕小區(qū)試驗以來，特別是自1940年勞斯(J.O.Laws)在美國完成第1個關(guān)于天然降雨濺蝕土壤的詳盡過程研究［1］2以來，有關(guān)雨滴直徑、雨滴分布、雨滴降落速度等降雨物理特征、降雨動量、降雨動能的科學(xué)實驗與理論研究日漸深入，但作為全面的系統(tǒng)化的土壤侵蝕降雨物理學(xué)尚待建立。基于此，筆者提出了土壤侵蝕降雨物理學(xué)的基本概念，通過探討土壤侵蝕降雨物理學(xué)主要內(nèi)容、與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系、發(fā)展簡史等，試圖將這些分散的文獻資料匯集到一起，以期初步形成系統(tǒng)化的土壤侵蝕降雨物理學(xué)理論。

1 土壤侵蝕降雨物理學(xué)的概念

研究降雨物理特征、降雨的形成和發(fā)展過程及其動量、動能與侵蝕力的學(xué)科稱為土壤侵蝕降雨物理學(xué)，是一門尚待建立和完善的學(xué)科。

2 土壤侵蝕降雨物理學(xué)的主要內(nèi)容

土壤侵蝕降雨物理學(xué)的主要研究內(nèi)容包括降雨量、降雨強度、雨滴直徑、雨滴降落速度等降雨物理特征，降雨動量、降雨動能，降雨侵蝕力R值的計算方法。

2.1 降雨物理特征

1)與降雨有關(guān)的一些基本概念。主要包括降雨的基本概念，降雨量與降雨總量，降雨歷時與降雨時間，降雨強度，雨型、降雨的年內(nèi)分配等。

2)降雨特征與水力侵蝕的關(guān)系。包括發(fā)生水力侵蝕的潛在危險性大小，年降雨量和侵蝕量的相關(guān)性，降雨強度和侵蝕力的關(guān)系等。

2.2 流體的物理性質(zhì)與雨滴形狀

1)流體的物理性質(zhì)。主要研究流體的黏性［2］9-11和液體表面張力［2］14-16等。

2)降落雨滴的形狀。主要研究在表面張力、內(nèi)聚力、空氣阻力等作用下不同直徑雨滴的形狀、所受的空氣阻力等［1］30-41，［3-4］。

2.3 雨滴直徑

雨滴直徑的大小和分配是降雨動能的重要參數(shù)之一，對于研究降雨侵蝕力具有特殊的意義。

1)雨滴直徑的測定方法。測定雨滴大小的方法有方格法、濾紙法(色斑法)、面粉球法、快速攝影法和雷達觀測法、閃頻觀測器法等［1］30-41，［5-7］。研究各測定方法的測定手段、校正方法等。

2)雨滴直徑的大小。不同地區(qū)、不同雨型的測定結(jié)果表明，天然降雨的雨滴直徑一般在0.1～6.5 mm 之間［3，5，8］。雨滴直徑的大小與降雨的形成和發(fā)展過程密切相關(guān)。

3)雨滴直徑的組成。研究雨滴中徑d50的定義、雨滴大小分布的概念及其規(guī)律，雨滴中徑的影響因素等。

2.4 雨滴降落速度

1)雨滴下降速度和終點速度。主要研究雨滴降落的一般規(guī)律、雨滴下降速度的概念、雨滴降落終點速度及影響因素等。

2)雨滴降落速度的觀測方法。測定雨滴降落的許多方法是20世紀(jì)初一些物理學(xué)家提出來的，如德國的梅欽(Mache)、施米特(Schmidt)，利茲納(Liznar)和萊納德(Lenard)及英國的弗勞爾(Flower)，所有這些初期測定方法都適當(dāng)考慮了簡單儀器的使 用［1］30-41，［6］。 具 體 包 括 目 測 法、高 速 攝 影法［5-6，9］、靜 電 感 應(yīng) 圈 法［1］30-41，［5-6］、閃 頻 觀 測 器法［9］等的研究。

3)雨滴降落速度的主要測定成果。1940—1941年，勞斯(J.O.Laws)用現(xiàn)代化高速攝影法觀測出在停滯大氣中各種不同大小雨滴的終點速度［4，6，10］;1949年，岡恩(R.Gunn)和金澤爾(G.D.Kinzel)用靜電感應(yīng)圈法測出了雨滴降落速度［4，6］，其測定結(jié)果只比勞斯(J.O.Laws)的同類結(jié)果小3%［1］30-41;1950年前后，三原義秋用高速攝影法在室內(nèi)測量了從11～12 m高處落下的雨滴的降落速度［9］;20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)的沙維布斯觀測了小雨滴的降落速度［3］;1967 年，布蘭查德(D.C.Blanchard)也對雨滴降落速度進行了實測研究［4］;夏喬里(A.Shachori)和塞吉納爾(I.Seginer)等研究了受風(fēng)影響的雨滴終點速度，得出風(fēng)速20 km/h下直徑3.0 mm的雨滴終點速度為9.8 m/s，比該雨滴在停滯大氣中的終點速度8.1 m/s增加20%［3］;查普曼則研究了紅松(Pinus koraiensis)林內(nèi)的雨滴降落速度［10］;R·埃斯等也對雨滴終點速度進行了研究［11］。

由雨滴降落速度的測定成果可知:不同大小的雨滴若要達到其相應(yīng)的雨滴終點速度，所需最小降落高度是不相同的;當(dāng)雨滴降落高度小于最小降落高度時，相同大小的雨滴，因降落高度不同，其相應(yīng)的雨滴著地速度也可能不同。

4)雨滴降落速度計算的經(jīng)驗與半經(jīng)驗公式。雨滴降落速度的計算歷來為人們所重視，從最初的勞斯(J.O.Laws)觀測停滯大氣中各種不同大小雨滴的終點速度開始，以后又有許多學(xué)者和專家利用物體在空氣中的運動規(guī)律，求解偏微分方程，從理論上進行計算［9］，得出了許多經(jīng)驗與半經(jīng)驗計算公式。具體包括埃利森經(jīng)驗公式［9］、三原義秋經(jīng)驗公式［9］、喬恩和哈博計算公式［6，8，12］、比爾德(K.V.Beard)計算公式［5］、牟金澤與周佩華等(1983年)計算公式［3-4，8-9］、徐銳等計算公式［8，12］、特維爾斯戈伊(П.Н.Тверской)等經(jīng)驗公式［7，13］、吳魁鰲等計算公式［9，14］、陳文亮等計算公式［8-9］、福櫻盛一義等計算公式［9］、呂宏興等計算公式［4，9］等。

5)雨滴降落速度的數(shù)值模擬。通過對雨滴降落時空氣阻力系數(shù)的擬合及修正，建立雨滴在空氣中降落運動的微分方程，采用四階龍格—庫塔(Runge-Kutta)法數(shù)值計算，求解雨滴從初始時刻到勻速降落時段內(nèi)各時刻的降落速度［4］。

2.5 人工模擬降雨裝置簡介

人工模擬降雨主要包括模擬方法［14-15］和常見的人工模擬降雨裝置［16］100-101，［17］2 部分。

1)模擬方法。人工模擬降雨的模擬方法包括強度法、中徑法和能量法。

2)常見人工模擬降雨裝置。自20世紀(jì)40年代以來，研究人員設(shè)計出了各種類型的人工模擬降雨裝置，根據(jù)雨滴形成機制，主要分成2大類，即網(wǎng)柵式和噴嘴式，2大類下又可細(xì)分出多種類型。常見的有網(wǎng)柵式、噴嘴式、噴灑式以及人工降雨機等人工模擬降雨裝置。

2.6 降雨動能的測定與計算

雨滴動量等于速度乘以質(zhì)量，每滴雨具有一定的動能，而每次降雨的雨滴數(shù)目相當(dāng)大，其總的動能則相當(dāng)可觀［11］，［16］125-127。

1)降雨動量、動能的測定。現(xiàn)在國際上有人試圖通過降雨在靈敏度很高的天平托盤上所產(chǎn)生的作用力來測出雨滴的平均動量;也有人試圖通過感音記錄儀測定雨滴動能，這種儀器是把雨滴在發(fā)聲薄膜上的音響效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電脈沖，并作出圖示記錄，通過解析計算來進行［1］30-41，［6，13］。

2)降雨動能計算的理論方法。包括單顆雨滴的動能的計算公式、降雨雨滴群體的動能，即z個組群多雨滴動能的計算公式。雨滴的質(zhì)量及其降落速度均與雨滴粒徑有關(guān)，要計算出降雨雨滴群體的動能或單位功率，必須確定雨滴粒徑的大小組成分布，這是相當(dāng)復(fù)雜的，最可靠的方法是通過實際量測確定［12-13］。

3)降雨動能計算的經(jīng)驗方法。根據(jù)大量資料分析，降雨動能與降雨強度密切相關(guān)，威斯奇邁爾(W.H.Wischmeier)和史密斯(D.D.Smith)提出了降雨動能計算的經(jīng)驗公式［13］。

2.7 降雨侵蝕力R值的計算

降雨侵蝕力(rainfall erosivity)反映了降雨引起土壤侵蝕的這種潛在能力。如何度量降雨侵蝕力，對此很多學(xué)者進行了深入研究。威斯奇邁爾(W.H.Wischmeier)和史密斯(D.D.Smith)等通過對降雨量(P)、降雨動能(E)、最大時段降雨強度(I)等各種單因子及它們組合的復(fù)合因子與土壤侵蝕量進行了回歸分析，發(fā)現(xiàn)降雨動能E和最大30 min降雨強度I30的乘積EI30與土壤侵蝕量的相關(guān)性最好;因此，將其作為降雨侵蝕力的度量指標(biāo)，并應(yīng)用于通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)中，預(yù)報多年平均土壤流失量，該指標(biāo)也在世界其他國家得到了廣泛應(yīng)用。此外，各國學(xué)者陸續(xù)推出了不同降雨侵蝕力的簡易計算方法，亦即采用常規(guī)降雨資料，通過建立與實測降雨侵蝕力或EI30的關(guān)系，計算多年平均年降雨侵蝕力。這些均是降雨侵蝕力R值的計算所包括的內(nèi)容。

3 土壤侵蝕降雨物理學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

土壤侵蝕降雨物理學(xué)是氣象學(xué)與水土保持學(xué)的交叉學(xué)科，與氣象學(xué)、水土保持學(xué)中的相關(guān)分支關(guān)系密切，又是大氣物理學(xué)的邊緣學(xué)科。

3.1 土壤侵蝕降雨物理學(xué)與氣象學(xué)的關(guān)系

土壤侵蝕降雨物理學(xué)與氣象學(xué)的分支學(xué)科云降雨物理學(xué)［18］關(guān)系最為密切，兩者均把降雨作為研究對象，研究內(nèi)容有重疊，均研究降雨的物理特征，也可以互相借鑒。云降雨物理學(xué)的側(cè)重點是研究云霧降雨宏微觀特征、降雨的形成和發(fā)展過程，而土壤侵蝕降雨物理學(xué)的側(cè)重點是研究降雨形成后雨滴降落速度與降雨動能、降雨侵蝕力等。

3.2 土壤侵蝕降雨物理學(xué)與水土保持學(xué)的關(guān)系

土壤侵蝕降雨物理學(xué)是水土保持學(xué)的分支學(xué)科土壤侵蝕力學(xué)的重要組成部分，是研究雨滴擊濺侵蝕、坡面水流侵蝕的形成和發(fā)展的力學(xué)機制的基礎(chǔ)，也是土壤侵蝕量預(yù)測預(yù)報的重要理論基礎(chǔ)。反過來，土壤侵蝕量預(yù)測預(yù)報、雨滴擊濺侵蝕、坡面水流侵蝕等試驗研究的廣泛開展，又大大地促進了土壤侵蝕降雨物理學(xué)的發(fā)展，并豐富了它的內(nèi)容。

4 土壤侵蝕降雨物理學(xué)相關(guān)理論發(fā)展簡史與展望

我國先民對云霧降雨的體驗和認(rèn)識很早，《竹書紀(jì)年》《詩經(jīng)》《莊子》《呂氏春秋》《漢書·天文志》等書就提出了體驗和認(rèn)識。20世紀(jì)40年代，人類對主動干預(yù)天氣過程的愿望獲得了一定的科學(xué)依據(jù)，從而實現(xiàn)了降雨物理學(xué)從理論到實踐的飛躍，從此，云降雨物理學(xué)成為了氣象學(xué)中一門獨立的分支學(xué)科［18］。

1940年，勞斯(J.O.Laws)在美國完成的第1個關(guān)于天然降雨濺蝕土壤的詳盡過程研究則為土壤侵蝕降雨物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1971年，N.W.Hudson編寫了《SOIL CONSERVATION》一書，該書第3章為“降雨物理學(xué)”，第4章為“降雨的侵蝕力”，初步提出了與土壤侵蝕相關(guān)的降雨物理學(xué)的主要內(nèi)容，也即提出了土壤侵蝕降雨物理學(xué)的基本構(gòu)架;1976年，竇葆璋等將該書翻譯成《土壤保持》［1］;1983年，牟金澤發(fā)表了《雨滴速度計算公式》［3］、徐銳發(fā)表了《關(guān)于天然降雨和人工降雨的動能計算方法》［12］，此后，我國對土壤侵蝕降雨物理學(xué)的相關(guān)理論和實驗也逐步重視起來。

截至目前，作為全面的系統(tǒng)化的土壤侵蝕降雨物理學(xué)似乎尚未真正建立起來，作為土壤侵蝕力學(xué)的重要組成部分，雨滴擊濺侵蝕、坡面水流侵蝕的基礎(chǔ)理論之一，土壤侵蝕降雨物理學(xué)很有建立的必要。土壤侵蝕降雨物理學(xué)是一門經(jīng)過長期發(fā)展并不斷繼續(xù)向前發(fā)展的學(xué)科，和所有學(xué)科一樣，社會經(jīng)濟發(fā)展的需求是土壤侵蝕降雨物理學(xué)發(fā)展的根本動力，通過土壤侵蝕力計算進行土壤侵蝕量預(yù)測預(yù)報是土壤侵蝕降雨物理學(xué)滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求的具體體現(xiàn)。目前，對于土壤侵蝕降雨物理過程的很多方面還有待深入研究，也正因為如此，土壤侵蝕降雨物理學(xué)有著廣闊的空間等待發(fā)展。

5 結(jié)束語

1)土壤侵蝕降雨物理學(xué)是氣象學(xué)與水土保持學(xué)的交叉學(xué)科，又是大氣物理學(xué)的邊緣學(xué)科，是土壤侵蝕力學(xué)的重要組成部分，是一門經(jīng)過長期發(fā)展并不斷繼續(xù)向前發(fā)展的學(xué)科，很有建立的必要。

2)土壤侵蝕降雨物理學(xué)的內(nèi)容主要包括降雨量、降雨強度、雨滴直徑、雨滴降落速度等降雨物理特征的概念，雨滴直徑的測定方法與測定成果，雨滴降落速度的測定成果、計算的經(jīng)驗與半經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬方法與成果，降雨動量與動能的概念與計算方法，降雨侵蝕力R值的計算方法等。

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