土壤侵蚀降雨物理学简论

2013-01-28夏卫兵

中国水土保持科学 2013年2期

夏卫兵

(江西省德安县水务局，330400，江西德安)

众所周知，降雨是影响水力侵蚀最直接的因素，最常见的降水形式是降雨。降雨不仅是溅蚀的动力，而且是地表径流和下渗水分的重要来源，是形成土壤侵蚀过程中破坏力的物质基础。降雨物理特征研究是土壤侵蚀规律研究不可或缺的组成部分，更是理解水力侵蚀形成过程与机制的基础。自1877年德国土壤学家沃伦(Wollny)开展世界上第1个土壤侵蚀小区试验以来，特别是自1940年劳斯(J.O.Laws)在美国完成第1个关于天然降雨溅蚀土壤的详尽过程研究［1］2以来，有关雨滴直径、雨滴分布、雨滴降落速度等降雨物理特征、降雨动量、降雨动能的科学实验与理论研究日渐深入，但作为全面的系统化的土壤侵蚀降雨物理学尚待建立。基于此，笔者提出了土壤侵蚀降雨物理学的基本概念，通过探讨土壤侵蚀降雨物理学主要内容、与相关学科的关系、发展简史等，试图将这些分散的文献资料汇集到一起，以期初步形成系统化的土壤侵蚀降雨物理学理论。

1 土壤侵蚀降雨物理学的概念

研究降雨物理特征、降雨的形成和发展过程及其动量、动能与侵蚀力的学科称为土壤侵蚀降雨物理学，是一门尚待建立和完善的学科。

2 土壤侵蚀降雨物理学的主要内容

土壤侵蚀降雨物理学的主要研究内容包括降雨量、降雨强度、雨滴直径、雨滴降落速度等降雨物理特征，降雨动量、降雨动能，降雨侵蚀力R值的计算方法。

2.1 降雨物理特征

1)与降雨有关的一些基本概念。主要包括降雨的基本概念，降雨量与降雨总量，降雨历时与降雨时间，降雨强度，雨型、降雨的年内分配等。

2)降雨特征与水力侵蚀的关系。包括发生水力侵蚀的潜在危险性大小，年降雨量和侵蚀量的相关性，降雨强度和侵蚀力的关系等。

2.2 流体的物理性质与雨滴形状

1)流体的物理性质。主要研究流体的黏性［2］9-11和液体表面张力［2］14-16等。

2)降落雨滴的形状。主要研究在表面张力、内聚力、空气阻力等作用下不同直径雨滴的形状、所受的空气阻力等［1］30-41，［3-4］。

2.3 雨滴直径

雨滴直径的大小和分配是降雨动能的重要参数之一，对于研究降雨侵蚀力具有特殊的意义。

1)雨滴直径的测定方法。测定雨滴大小的方法有方格法、滤纸法(色斑法)、面粉球法、快速摄影法和雷达观测法、闪频观测器法等［1］30-41，［5-7］。研究各测定方法的测定手段、校正方法等。

2)雨滴直径的大小。不同地区、不同雨型的测定结果表明，天然降雨的雨滴直径一般在0.1～6.5 mm 之间［3，5，8］。雨滴直径的大小与降雨的形成和发展过程密切相关。

3)雨滴直径的组成。研究雨滴中径d50的定义、雨滴大小分布的概念及其规律，雨滴中径的影响因素等。

2.4 雨滴降落速度

1)雨滴下降速度和终点速度。主要研究雨滴降落的一般规律、雨滴下降速度的概念、雨滴降落终点速度及影响因素等。

2)雨滴降落速度的观测方法。测定雨滴降落的许多方法是20世纪初一些物理学家提出来的，如德国的梅钦(Mache)、施米特(Schmidt)，利兹纳(Liznar)和莱纳德(Lenard)及英国的弗劳尔(Flower)，所有这些初期测定方法都适当考虑了简单仪器的使用［1］30-41，［6］。具体包括目测法、高速摄影法［5-6，9］、静电感应圈法［1］30-41，［5-6］、闪频观测器法［9］等的研究。

3)雨滴降落速度的主要测定成果。1940—1941年，劳斯(J.O.Laws)用现代化高速摄影法观测出在停滞大气中各种不同大小雨滴的终点速度［4，6，10］;1949年，冈恩(R.Gunn)和金泽尔(G.D.Kinzel)用静电感应圈法测出了雨滴降落速度［4，6］，其测定结果只比劳斯(J.O.Laws)的同类结果小3%［1］30-41;1950年前后，三原义秋用高速摄影法在室内测量了从11～12 m高处落下的雨滴的降落速度［9］;20世纪60年代，前苏联的沙维布斯观测了小雨滴的降落速度［3］;1967 年，布兰查德(D.C.Blanchard)也对雨滴降落速度进行了实测研究［4］;夏乔里(A.Shachori)和塞吉纳尔(I.Seginer)等研究了受风影响的雨滴终点速度，得出风速20 km/h下直径3.0 mm的雨滴终点速度为9.8 m/s，比该雨滴在停滞大气中的终点速度8.1 m/s增加20%［3］;查普曼则研究了红松(Pinus koraiensis)林内的雨滴降落速度［10］;R·埃斯等也对雨滴终点速度进行了研究［11］。

由雨滴降落速度的测定成果可知:不同大小的雨滴若要达到其相应的雨滴终点速度，所需最小降落高度是不相同的;当雨滴降落高度小于最小降落高度时，相同大小的雨滴，因降落高度不同，其相应的雨滴着地速度也可能不同。

4)雨滴降落速度计算的经验与半经验公式。雨滴降落速度的计算历来为人们所重视，从最初的劳斯(J.O.Laws)观测停滞大气中各种不同大小雨滴的终点速度开始，以后又有许多学者和专家利用物体在空气中的运动规律，求解偏微分方程，从理论上进行计算［9］，得出了许多经验与半经验计算公式。具体包括埃利森经验公式［9］、三原义秋经验公式［9］、乔恩和哈博计算公式［6，8，12］、比尔德(K.V.Beard)计算公式［5］、牟金泽与周佩华等(1983年)计算公式［3-4，8-9］、徐锐等计算公式［8，12］、特维尔斯戈伊(П.Н.Тверской)等经验公式［7，13］、吴魁鳌等计算公式［9，14］、陈文亮等计算公式［8-9］、福樱盛一义等计算公式［9］、吕宏兴等计算公式［4，9］等。

5)雨滴降落速度的数值模拟。通过对雨滴降落时空气阻力系数的拟合及修正，建立雨滴在空气中降落运动的微分方程，采用四阶龙格—库塔(Runge-Kutta)法数值计算，求解雨滴从初始时刻到匀速降落时段内各时刻的降落速度［4］。

2.5 人工模拟降雨装置简介

人工模拟降雨主要包括模拟方法［14-15］和常见的人工模拟降雨装置［16］100-101，［17］2 部分。

1)模拟方法。人工模拟降雨的模拟方法包括强度法、中径法和能量法。

2)常见人工模拟降雨装置。自20世纪40年代以来，研究人员设计出了各种类型的人工模拟降雨装置，根据雨滴形成机制，主要分成2大类，即网栅式和喷嘴式，2大类下又可细分出多种类型。常见的有网栅式、喷嘴式、喷洒式以及人工降雨机等人工模拟降雨装置。

2.6 降雨动能的测定与计算

雨滴动量等于速度乘以质量，每滴雨具有一定的动能，而每次降雨的雨滴数目相当大，其总的动能则相当可观［11］，［16］125-127。

1)降雨动量、动能的测定。现在国际上有人试图通过降雨在灵敏度很高的天平托盘上所产生的作用力来测出雨滴的平均动量;也有人试图通过感音记录仪测定雨滴动能，这种仪器是把雨滴在发声薄膜上的音响效应转换为电脉冲，并作出图示记录，通过解析计算来进行［1］30-41，［6，13］。

2)降雨动能计算的理论方法。包括单颗雨滴的动能的计算公式、降雨雨滴群体的动能，即z个组群多雨滴动能的计算公式。雨滴的质量及其降落速度均与雨滴粒径有关，要计算出降雨雨滴群体的动能或单位功率，必须确定雨滴粒径的大小组成分布，这是相当复杂的，最可靠的方法是通过实际量测确定［12-13］。

3)降雨动能计算的经验方法。根据大量资料分析，降雨动能与降雨强度密切相关，威斯奇迈尔(W.H.Wischmeier)和史密斯(D.D.Smith)提出了降雨动能计算的经验公式［13］。

2.7 降雨侵蚀力R值的计算

降雨侵蚀力(rainfall erosivity)反映了降雨引起土壤侵蚀的这种潜在能力。如何度量降雨侵蚀力，对此很多学者进行了深入研究。威斯奇迈尔(W.H.Wischmeier)和史密斯(D.D.Smith)等通过对降雨量(P)、降雨动能(E)、最大时段降雨强度(I)等各种单因子及它们组合的复合因子与土壤侵蚀量进行了回归分析，发现降雨动能E和最大30 min降雨强度I30的乘积EI30与土壤侵蚀量的相关性最好;因此，将其作为降雨侵蚀力的度量指标，并应用于通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)中，预报多年平均土壤流失量，该指标也在世界其他国家得到了广泛应用。此外，各国学者陆续推出了不同降雨侵蚀力的简易计算方法，亦即采用常规降雨资料，通过建立与实测降雨侵蚀力或EI30的关系，计算多年平均年降雨侵蚀力。这些均是降雨侵蚀力R值的计算所包括的内容。

3 土壤侵蚀降雨物理学与相关学科的关系

土壤侵蚀降雨物理学是气象学与水土保持学的交叉学科，与气象学、水土保持学中的相关分支关系密切，又是大气物理学的边缘学科。

3.1 土壤侵蚀降雨物理学与气象学的关系

土壤侵蚀降雨物理学与气象学的分支学科云降雨物理学［18］关系最为密切，两者均把降雨作为研究对象，研究内容有重叠，均研究降雨的物理特征，也可以互相借鉴。云降雨物理学的侧重点是研究云雾降雨宏微观特征、降雨的形成和发展过程，而土壤侵蚀降雨物理学的侧重点是研究降雨形成后雨滴降落速度与降雨动能、降雨侵蚀力等。

3.2 土壤侵蚀降雨物理学与水土保持学的关系

土壤侵蚀降雨物理学是水土保持学的分支学科土壤侵蚀力学的重要组成部分，是研究雨滴击溅侵蚀、坡面水流侵蚀的形成和发展的力学机制的基础，也是土壤侵蚀量预测预报的重要理论基础。反过来，土壤侵蚀量预测预报、雨滴击溅侵蚀、坡面水流侵蚀等试验研究的广泛开展，又大大地促进了土壤侵蚀降雨物理学的发展，并丰富了它的内容。

4 土壤侵蚀降雨物理学相关理论发展简史与展望

我国先民对云雾降雨的体验和认识很早，《竹书纪年》《诗经》《庄子》《吕氏春秋》《汉书·天文志》等书就提出了体验和认识。20世纪40年代，人类对主动干预天气过程的愿望获得了一定的科学依据，从而实现了降雨物理学从理论到实践的飞跃，从此，云降雨物理学成为了气象学中一门独立的分支学科［18］。

1940年，劳斯(J.O.Laws)在美国完成的第1个关于天然降雨溅蚀土壤的详尽过程研究则为土壤侵蚀降雨物理学奠定了基础。1971年，N.W.Hudson编写了《SOIL CONSERVATION》一书，该书第3章为“降雨物理学”，第4章为“降雨的侵蚀力”，初步提出了与土壤侵蚀相关的降雨物理学的主要内容，也即提出了土壤侵蚀降雨物理学的基本构架;1976年，窦葆璋等将该书翻译成《土壤保持》［1］;1983年，牟金泽发表了《雨滴速度计算公式》［3］、徐锐发表了《关于天然降雨和人工降雨的动能计算方法》［12］，此后，我国对土壤侵蚀降雨物理学的相关理论和实验也逐步重视起来。

截至目前，作为全面的系统化的土壤侵蚀降雨物理学似乎尚未真正建立起来，作为土壤侵蚀力学的重要组成部分，雨滴击溅侵蚀、坡面水流侵蚀的基础理论之一，土壤侵蚀降雨物理学很有建立的必要。土壤侵蚀降雨物理学是一门经过长期发展并不断继续向前发展的学科，和所有学科一样，社会经济发展的需求是土壤侵蚀降雨物理学发展的根本动力，通过土壤侵蚀力计算进行土壤侵蚀量预测预报是土壤侵蚀降雨物理学满足社会经济发展需求的具体体现。目前，对于土壤侵蚀降雨物理过程的很多方面还有待深入研究，也正因为如此，土壤侵蚀降雨物理学有着广阔的空间等待发展。