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(jiàn)的降水形式是降雨。降雨不僅是濺蝕的動(dòng)力，而且是地表徑流和下滲水分的重要來(lái)源，是形成土壤侵蝕過(guò)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(guò)程與機(jī)制的基礎(chǔ)。自1877年德國(guó)土壤學(xué)家沃倫(Wollny)開(kāi)展世界上第1個(gè)土壤侵蝕小區(qū)試驗(yàn)以來(lái)，特別是自1940年勞斯(J.O.Laws)在美國(guó)完成第1個(gè)關(guān)于天然降雨濺蝕土壤的詳盡過(guò)程研究［1］2以來(lái)，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(dòng)量、降雨動(dòng)能的科學(xué)實(shí)驗(yàn)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?；诖?，筆者提出了土壤侵蝕降雨物理學(xué)的基本概念，通過(guò)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(jiǎn)史等，試圖將這些分散的文獻(xiàn)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(guò)程及其動(dòng)量、動(dòng)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?jī)?nèi)容包括降雨量、降雨強(qiáng)度、雨滴直徑、雨滴降落速度等降雨物理特征，降雨動(dòng)量、降雨動(dòng)能，降雨侵蝕力R值的計(jì)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(shí)與降雨時(shí)間，降雨強(qiáng)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(xiǎn)性大小，年降雨量和侵蝕量的相關(guān)性，降雨強(qiáng)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(dòng)能的重要參數(shù)之一，對(duì)于研究降雨侵蝕力具有特殊的意義。

1)雨滴直徑的測(cè)定方法。測(cè)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(dá)觀測(cè)法、閃頻觀測(cè)器法等［1］30-41，［5-7］。研究各測(cè)定方法的測(cè)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(cè)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(guò)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(diǎn)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(diǎn)速度及影響因素等。

2)雨滴降落速度的觀測(cè)方法。測(cè)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(lái)的，如德國(guó)的梅欽(Mache)、施米特(Schmidt)，利茲納(Liznar)和萊納德(Lenard)及英國(guó)的弗勞爾(Flower)，所有這些初期測(cè)定方法都適當(dāng)考慮了簡(jiǎn)單儀器的使 用［1］30-41，［6］。 具 體 包 括 目 測(cè) 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(cè) 器法［9］等的研究。

3)雨滴降落速度的主要測(cè)定成果。1940—1941年，勞斯(J.O.Laws)用現(xiàn)代化高速攝影法觀測(cè)出在停滯大氣中各種不同大小雨滴的終點(diǎn)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(cè)出了雨滴降落速度［4，6］，其測(cè)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(cè)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(cè)了小雨滴的降落速度［3］;1967 年，布蘭查德(D.C.Blanchard)也對(duì)雨滴降落速度進(jìn)行了實(shí)測(cè)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(diǎn)速度，得出風(fēng)速20 km/h下直徑3.0 mm的雨滴終點(diǎn)速度為9.8 m/s，比該雨滴在停滯大氣中的終點(diǎn)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(duì)雨滴終點(diǎn)速度進(jìn)行了研究［11］。

由雨滴降落速度的測(cè)定成果可知:不同大小的雨滴若要達(dá)到其相應(yīng)的雨滴終點(diǎn)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(shí)，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(jì)算的經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)公式。雨滴降落速度的計(jì)算歷來(lái)為人們所重視，從最初的勞斯(J.O.Laws)觀測(cè)停滯大氣中各種不同大小雨滴的終點(diǎn)速度開(kāi)始，以后又有許多學(xué)者和專家利用物體在空氣中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解偏微分方程，從理論上進(jìn)行計(jì)算［9］，得出了許多經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。具體包括埃利森經(jīng)驗(yàn)公式［9］、三原義秋經(jīng)驗(yàn)公式［9］、喬恩和哈博計(jì)算公式［6，8，12］、比爾德(K.V.Beard)計(jì)算公式［5］、牟金澤與周佩華等(1983年)計(jì)算公式［3-4，8-9］、徐銳等計(jì)算公式［8，12］、特維爾斯戈伊(П.Н.Тверской)等經(jīng)驗(yàn)公式［7，13］、吳魁鰲等計(jì)算公式［9，14］、陳文亮等計(jì)算公式［8-9］、福櫻盛一義等計(jì)算公式［9］、呂宏興等計(jì)算公式［4，9］等。

5)雨滴降落速度的數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)雨滴降落時(shí)空氣阻力系數(shù)的擬合及修正，建立雨滴在空氣中降落運(yùn)動(dòng)的微分方程，采用四階龍格—庫(kù)塔(Runge-Kutta)法數(shù)值計(jì)算，求解雨滴從初始時(shí)刻到勻速降落時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻的降落速度［4］。

2.5 人工模擬降雨裝置簡(jiǎn)介

人工模擬降雨主要包括模擬方法［14-15］和常見(jiàn)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(qiáng)度法、中徑法和能量法。

2)常見(jiàn)人工模擬降雨裝置。自20世紀(jì)40年代以來(lái)，研究人員設(shè)計(jì)出了各種類型的人工模擬降雨裝置，根據(jù)雨滴形成機(jī)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(jiàn)的有網(wǎng)柵式、噴嘴式、噴灑式以及人工降雨機(jī)等人工模擬降雨裝置。

2.6 降雨動(dòng)能的測(cè)定與計(jì)算

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

1)降雨動(dòng)量、動(dòng)能的測(cè)定?，F(xiàn)在國(guó)際上有人試圖通過(guò)降雨在靈敏度很高的天平托盤上所產(chǎn)生的作用力來(lái)測(cè)出雨滴的平均動(dòng)量;也有人試圖通過(guò)感音記錄儀測(cè)定雨滴動(dòng)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(guò)解析計(jì)算來(lái)進(jìn)行［1］30-41，［6，13］。

2)降雨動(dòng)能計(jì)算的理論方法。包括單顆雨滴的動(dòng)能的計(jì)算公式、降雨雨滴群體的動(dòng)能，即z個(gè)組群多雨滴動(dòng)能的計(jì)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(jì)算出降雨雨滴群體的動(dòng)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(guò)實(shí)際量測(cè)確定［12-13］。

3)降雨動(dòng)能計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法。根據(jù)大量資料分析，降雨動(dòng)能與降雨強(qiáng)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(dòng)能計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式［13］。

2.7 降雨侵蝕力R值的計(jì)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(duì)此很多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。威斯奇邁爾(W.H.Wischmeier)和史密斯(D.D.Smith)等通過(guò)對(duì)降雨量(P)、降雨動(dòng)能(E)、最大時(shí)段降雨強(qiáng)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(jìn)行了回歸分析，發(fā)現(xiàn)降雨動(dòng)能E和最大30 min降雨強(qiáng)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(bào)多年平均土壤流失量，該指標(biāo)也在世界其他國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。此外，各國(guó)學(xué)者陸續(xù)推出了不同降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易計(jì)算方法，亦即采用常規(guī)降雨資料，通過(guò)建立與實(shí)測(cè)降雨侵蝕力或EI30的關(guān)系，計(jì)算多年平均年降雨侵蝕力。這些均是降雨侵蝕力R值的計(jì)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(duì)象，研究?jī)?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(diǎn)是研究云霧降雨宏微觀特征、降雨的形成和發(fā)展過(guò)程，而土壤侵蝕降雨物理學(xué)的側(cè)重點(diǎn)是研究降雨形成后雨滴降落速度與降雨動(dòng)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(jī)制的基礎(chǔ)，也是土壤侵蝕量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要理論基礎(chǔ)。反過(guò)來(lái)，土壤侵蝕量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、雨滴擊濺侵蝕、坡面水流侵蝕等試驗(yàn)研究的廣泛開(kāi)展，又大大地促進(jìn)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(jiǎn)史與展望

我國(guó)先民對(duì)云霧降雨的體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)很早，《竹書(shū)紀(jì)年》《詩(shī)經(jīng)》《莊子》《呂氏春秋》《漢書(shū)·天文志》等書(shū)就提出了體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。20世紀(jì)40年代，人類對(duì)主動(dòng)干預(yù)天氣過(guò)程的愿望獲得了一定的科學(xué)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了降雨物理學(xué)從理論到實(shí)踐的飛躍，從此，云降雨物理學(xué)成為了氣象學(xué)中一門獨(dú)立的分支學(xué)科［18］。

1940年，勞斯(J.O.Laws)在美國(guó)完成的第1個(gè)關(guān)于天然降雨濺蝕土壤的詳盡過(guò)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(shū)，該書(shū)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(shū)翻譯成《土壤保持》［1］;1983年，牟金澤發(fā)表了《雨滴速度計(jì)算公式》［3］、徐銳發(fā)表了《關(guān)于天然降雨和人工降雨的動(dòng)能計(jì)算方法》［12］，此后，我國(guó)對(duì)土壤侵蝕降雨物理學(xué)的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)也逐步重視起來(lái)。

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(lái)，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(guò)長(zhǎng)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求是土壤侵蝕降雨物理學(xué)發(fā)展的根本動(dòng)力，通過(guò)土壤侵蝕力計(jì)算進(jìn)行土壤侵蝕量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是土壤侵蝕降雨物理學(xué)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的具體體現(xiàn)。目前，對(duì)于土壤侵蝕降雨物理過(guò)程的很多方面還有待深入研究，也正因?yàn)槿绱?，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(yǔ)

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(guò)長(zhǎng)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(qiáng)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(cè)定方法與測(cè)定成果，雨滴降落速度的測(cè)定成果、計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬方法與成果，降雨動(dòng)量與動(dòng)能的概念與計(jì)算方法，降雨侵蝕力R值的計(jì)算方法等。

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