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        土壤侵蝕降雨物理學(xué)簡論

        2013-01-28 02:56:49夏衛(wèi)兵
        中國水土保持科學(xué) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:土壤侵蝕計算公式雨滴

        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(jī)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?;诖?,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(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(qiáng)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(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(dá)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(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(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(jìn)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(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·埃斯等也對雨滴終點(diǎn)速度進(jìn)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(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,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(diǎn)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(yùn)動規(guī)律,求解偏微分方程,從理論上進(jìn)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(yùn)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(qiáng)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(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?,F(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(jìn)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(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(jìn)行了深入研究。威斯奇邁爾(W.H.Wischmeier)和史密斯(D.D.Smith)等通過對降雨量(P)、降雨動能(E)、最大時段降雨強(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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(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(dú)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(jì)發(fā)展的需求是土壤侵蝕降雨物理學(xué)發(fā)展的根本動力,通過土壤侵蝕力計算進(jìn)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(jì)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(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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