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之后，许多学者通过土柱入渗实验 ［２ － ６］ 、田间漫灌实验 ［７ － ８］ 、暴雨入渗产流观测 ［９］ 都证明了气体阻力
广泛存在于水分向土壤下渗过程中，并对下渗造成阻碍。Ｙｏｕｎｇｓ等 ［１０］ 从理论上分析了积水入渗过程
中气体阻力的变化并用理想气体公式计算气体压力。Ｗａｎｇ等 ［１１］ 、Ｈａｍｍｅｃｋｅｒ等 ［８］ 、李援农等 ［１２］ 和甘
永德等 ［１３ － １４］ 进一步研究了气体阻力影响下的土壤入渗过程，气体阻力被认为是影响下渗的唯一阻力。
综合以往研究，对降雨径流过程进行力学分析呼之欲出，这正是本文尝试完成的工作。
２．２ 降雨径流条件设定 天然条件下敞开的包气带孔隙与大气相通，而暴雨期间地面被降水覆盖，此
时包气带与大气联系中断，包气带气体顺理成章地被禁锢。降雨结束后露出地面，可以观察到地面有
大量爆气出现，证明包气带被禁锢的气体释放。显然，降水体覆盖地表从而禁锢包气带气体是降雨产
生径流时的特殊现象。基于上述事实，可以对降雨产流条件作如下设定。
降雨产生径流是力学作用的结果。雨季到来之前包气带处于最干燥状态，降水到达地面形成的连
续水体覆盖地表，将包气带与大气阻隔，导致土壤孔隙中的气体处于封闭状态。此后，覆盖地面的降
雨水体受重力作用向包气带入渗，使得土壤气体受到压缩从而增大气体压强形成阻力对水体起到顶托
作用。下渗水量越多，气体阻力越强。随着降雨水量积累，持续向包气带入渗。降雨水体在力学作用
下最终获得动态平衡，降水被分化为蒸发量、下渗量，以及剩余在地面的部分即为地表径流。
２．３ 降雨径流受力分析 按上述思路对降雨径流形成过程进行力学分析。为方便讨论，设地面近似为
３ ３ ３ ３
水平、包气带为均质土壤，包气带厚度 ｈ（ｍ）、土壤孔隙度 ξ （ｍ ?ｍ ）、初始含水量 ω ０ （ｍ ?ｍ ）；降雨
量在空间上均匀分布。如此，即可在单位面积上针对垂直方向进行一维分析推导。
设历时 Ｄ（ｍｉｎ）的次暴雨，初始降雨量 Ｉ（ｍ）到达并覆盖地面，将包气带与大气阻隔，形成封闭的
０
土壤气体空间；设降雨强度 ｉ（ｔ）（ｍ?ｍｉｎ）、蒸发强度 ｅ（ｔ）（ｍ?ｍｉｎ）、入渗强度 ｒ（ｔ）（ｍ?ｍｉｎ），因此，降
ｔ ｔ
０ ∫
∫
雨量（ｍ）累积过程：Ｉ（ｔ） ＝Ｉ ＋ ｉ（ｔ）ｄｔ， 蒸发量（ｍ）累积过程：Ｅ（ｔ） ＝ ｅ（ｔ）ｄｔ， 入渗量（ｍ）累积过程：
０ ０
ｔ
∫
Ｒ（ｔ） ＝ ｒ（ｔ）ｄｔ。 分析作用于降雨水体的受力，如图 １所示。
ｇ
０

图 １ 降雨径流受力分析

（１）首先是重力。这是降雨水体向包气带下渗的原动力：
Ｇ（ｔ） ＝ ρ ｇ（Ｉ（ｔ） － Ｅ（ｔ）） （１）
３
２
式中：ρ 为水的密度，ｋｇ?ｍ ；ｇ为重力加速度，ｍ ?ｓ。
）（ｍ），土壤气体初始压强
（ ２）包气带气体阻力。降雨初始，包气带被封闭，气体空间为 ｈ（ ξ － ω ０
Ｐ（Ｐａ）；此后降雨水体自上而下入渗，入渗水量即为禁锢气体被压缩空间量，压强 Ｐ（ｔ）（Ｐａ）随之增
０
强，根据波义耳定理，有：
） － Ｒ（ｔ）］ ＝ ｎＲＴ （２）
Ｐｈ（ ξ － ω ０ ） ＝Ｐ（ｔ）［ｈ（ ξ － ω ０
０ ｇ
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