人工模拟降雨研究水土流失的意义及评价

1、人工模拟降雨研究水土流失的意义及评价摘要：水土流失是全球范围内主要的环境和农业问题之一，而降雨是引起地面水土流失以及滑坡、崩塌、泥石流等山区自然灾害的重要因素之一。因此，在地学、农学、工程水文学等学科领域内，许多重要的研究课题，都要以降雨的影响因子来进行试验研究，在利用天然降雨时，常常会受到时间和地域等条件的限制，给试验工作带来极大的困难。有效地使用人工模拟降雨装置来进行降雨试验，是一种较理想的降雨方法，它不受时间和空间的限制，可以重现天然降雨，既能节约大量的人力和物力，又能在短时期内重复试验，缩短试验周期。人工模拟降雨方法可以弥补短期内在自然降雨条件下无法获取的研究结果，并且可以验证在自然降

2、雨环境下得到的研究结论。关键词：水土流失；降雨特征因子；人工模拟降雨；模拟降雨装置土壤侵蚀作为水土流失的一种重要形式，是当今人类面临的一种最普遍，持续时间较强的地质灾害，成为了我国乃至世界的重大环境问题之一1,2。土壤侵蚀是指地球表面土壤及其母质在水力，风力，冻融，重力以及人类不合理的生产活动等外力作用下所发生的各种破坏，分离，分散，沉积，移动的现象。而降雨作为土壤侵蚀的直接动力因子，通过雨滴击溅土壤表层，使土壤颗粒发生分离，同时降雨形成的径流对分离后的土壤颗粒进行搬运和冲刷，而最终导致土壤颗粒的迁移和养分的流失3,4。实践表明土壤侵蚀规律的研究，土壤侵蚀预报模型的建立，以及其他水土保持措施的

3、效益评价，都离不开大量的科学数据的观测，积累和分析，但是依靠自然降雨收集到的相关数据存在很大的局限性5：一方面在自然条件下，降雨的一些特征参数(雨强，雨量降雨侵蚀力)自身稳定性较差，且受外界气象条件影响较大：另外一方面试验数据的收集周期较长，特别是在一些干旱少雨的北方地区表现更为明显。这些都严重制约着水土保持科学研究的发展6。然而通过在室内采用人工模拟降雨机对下垫面土壤侵蚀和养分流失规律的研究，可以有效的解决数据收集的局限性问题，也避免了自然因素的影响，有着重要的理论和实际意义。1、人工模拟降雨装置的用途早在1920年美国就已开始应用人工模拟降雨方式对坡面产流和土壤侵蚀过程进行试验研究。从50

4、年代开始，我国首先应用人工模拟降雨进行入渗试验。近年来，引进和研制了各种类型的人工降雨器并应用于室内与野外试验7。人工模拟降雨试验是在径流小区试验的基础上发展起来的。固定小区观测虽是土壤侵蚀定量测定最准确的方法，但有难以克服的弊病，径流小区试验依赖于天然降雨。天然降雨是复杂多变的，尤其在年平均降雨量少且分布不均匀的干旱、半干旱地区，更易受到气候的影响，因而在短期内不可能进行多项多次观测试验，积累更多所需资料8。基于实验室尺度的研究比坡面尺度的研究具有经济、便捷、可控等优点。因此，利用模拟降雨装置进行试验已成为水土保持领域不可或缺的一个重要研究手段。模拟降雨装置的应用主要涉及水土保持业、农业及林

5、业等领域的研究。人工模拟降雨装置的主要特点在于：（1）减少径流小区设备和装置设备投资；（2）节约试验经费，加快试验进程；（3）创造各种试验条件,增加试验的可行性和数据的可靠性。2、人工模拟降雨装置的现状研究人工模拟降雨装置主要有四种形式：喷嘴式、喷洒式、悬线式和针头式2。 喷嘴式：水从喷孔或喷嘴中喷出，在空中分散成大小不一的水滴降落到地面，这种形式的雨滴直径是不均匀的，雨强可通过不同大小的孔径或供水压力来调节。喷洒式（管网式）：是在一些平行的细管上钻有一些小孔，水从孔中喷出，以雨滴形式落到地面，原理与喷嘴式相似，但不及喷嘴式灵活。悬线式：水在悬线终端以水滴形式离开，降落到地面。这种形式模拟的雨

6、滴是均匀的，且初始降落速度为0。雨滴大小与水压力无关，仅与悬线的粗细有关。 针头式：水滴通过针头末端落到地面，情形及水滴特性类似于悬线式。 目前我国主要应用的人工模拟降雨装置为喷嘴式和针头式模拟降雨机。人工模拟降雨机在研究土壤入渗，土壤侵蚀以及其他相关领域中是一种比较理想的装置它可以有效地模拟出降雨过程和自然降雨的雨滴特征，早在1920年美国就采用人工模拟降雨的方式对坡面产流和土壤侵蚀过程进行了研究，而在20世纪30年代，美国在研究不同下垫面和农业管理程措施对土壤入渗和坡面产流的影响中，广泛采用了人工模拟降雨机9，10，随后由Meyer和McCune在1958年共同研制的槽式人工模拟降雨机11

7、，在美国农业部国家土壤侵蚀实验室的相关科学研究中得到了广泛的应用，在随后的40年中，Foster，Scott，Norton12,13等学者先后对Meyer-McCune槽式人工模拟降雨机进行了性能和结构上的改进，使得人工模拟降雨机的工作更加稳定，同时也减轻了机器的重量。从20世纪50年代开始，我国开始应用人工模拟降雨进行入渗试验，60年代开始研制人工模拟降雨机，将引进和研制的各类人工模拟降雨机应用在室内及野外试验中。随着人工模拟降雨技术的不断发展，相应的人工模拟降雨机也派生出几种不同的种类，根据降雨形成的方式可以将人工模拟降雨机分为喷嘴式和针管式，喷嘴式人工模拟降雨机的基本原理是，将水喷射出来

8、，然后采用一定的碎流措施将喷出的水流破碎从而形成了大小不同的雨滴，降落到地面，其产生的雨滴大小与天然雨滴的大小具有一定的相似性，而不同种类的喷嘴式人工模拟降雨机的区别主要体现在碎流措施的不同上：第二种是针管式人工模拟降雨机，其工作原理是水流通过众多的针头或是细管形成雨滴，由于降雨机产生的雨滴大小是均匀的，与自然条件下的降雨雨谱差别过大，因此运用较少。Meyer-McCune槽式人工模拟降雨机就属于喷嘴式。在我国采用的也是这两种人工模拟降雨机。刘素嫒等14经过5年时间，成功研制出SB-YZCP型人工模拟降雨机，这类降雨机就是典型的喷嘴式降雨机；陈文亮等15研制的SR型野外人工模拟降雨装置是一种多

9、喷头、多单元组合式的间歇降雨装置，它也属于喷嘴式人工模拟降雨机，包括国内常采用的侧喷式降雨机都属于喷嘴式；高小梅等16研制的人工模拟降雨装置，则采用医用注射针头在一圆圈内振动洒落水滴模拟降雨，这种是典型的针管式人工模拟降雨机。从2004年开始，北京师范大学和北京交通大学对美国的槽式降雨机进行了二次研发5。同时谢云等17为了解决人工模拟降雨机模拟降雨特征与天然降雨特征相差较大的问题，设计出了槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机，并对槽式人工模拟降雨机的雨强及其空间分布进行了率定，最终发现与其他类型的人工模拟降雨机相似，槽式人工模拟降雨机也没有实现降雨强度的连续变化，与实际降雨过程还存在一定的差距，因此

10、为更好的模拟自然条件下的降雨特征，对人工模拟降雨机还需进行更加深入的研究和不断的完善。我国相关领域的科研人员已经研制出了适于室内与野外各种试验要求和研究目的的人工模拟降雨装置,其中主要有以下几种:(1)孙超图18等研制的掺气喷洒式极小雨强降雨装置，主要用掺气方法减小喷洒式降雨器的降雨强度，用移动方法提高降雨均匀度，从而使雨强达0.013-0.36mm/min范围,均匀度达到0.9以上。(2)刘素媛19等经5年研制、3年运用和3万个数据率定研制成功的SB-YZCP(野外移动、组合、侧向、喷洒式）人工降雨模拟装置。该装置由模拟降雨水车、塔架式降雨机、电控阀门、电子监测仪表以及相应的管路组成。(3)

11、陈文亮20等研制的SR型野外人工模拟降雨装置是一种多喷头、多单元组合式的间歇降雨装置。(4)石生新21等采用野外人工降雨的方法，研究了高强度降雨条件下地面坡度、植被对坡面产沙过程的影响。(5)高小梅22等研制的人工模拟降雨装置，采用医用注射针头在一圆圈内振动洒落水滴模拟降雨。(6)贾天会23等在对坡耕地水土流失试验研究中，采用单喷头变雨强模拟降雨器，面积为6m2.5m的移动式径流小区，四周用1.5mm厚的铁板作边界，小区下方设集流槽并与集流桶相连。(7)叶翠玲24等针对铁路建设过程中的典型坡面进行了野外人工模拟降雨试验，以定量研究铁路施工引起的水土流失量。试验采用中国科学院地理所的下喷式模拟降

12、雨机。有效降雨面积为5m2m，采用率定的雨强0.72-1.2mm/min。试验过程中，由于受外界因素的影响，实际雨量用量雨桶测得。(8)刘纪根25等提出了采用人工模拟降雨试验数据直接计算临界抗剪切应力的方法。试验采用中国科学院水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的双向对喷式人工模拟降雨装置，降雨过程由计算机系统自动控制，降雨高度14m。试验降雨强度控制在100mm/h。试验土槽长8m，宽3m，深0.3m，坡度可在0-30之间调整，此试验在室内进行。(9)吴钦孝26在黄土丘陵区草灌植被的减沙效应及其特征的试验中采用中国科学院水利部水土保持研究所的组合侧喷式野外人工降雨装置，降雨时两侧喷

13、头座架之间距离为7m，喷头高8m，喷头出水高度1.5m，使降雨雨滴终点速度近似天然降雨的速度。供水压力由压力表控制，雨强主要通过孔板的孔径来调节。(10)沈波27等在对路基压实黄土坡面降雨冲蚀试验研究中，采用西安理工大学水资源研究所室内人工降雨系统，该装置离地面高12m，X型喷洒式降雨喷头，改变喷口的大小和进水管压力，喷洒出不同降雨强度（I=0.2-4.5mm/min）降雨强度均匀度可达0.7以上，局部小面积经仔细微调后降雨强度均匀度可达,0.95上，雨滴动能基本同天然降雨相似。降雨开始与结束全变化过程由电脑自动控制。(11)赵西宁28等利用有压给水式人工模拟降雨装置进行降雨入渗试验。研究了不

14、同耕作管理措施对坡耕地降雨入渗的影响，并采用有限差分法对入渗过程进行数据模拟。结果表明，土壤入渗率的计算值与实测值吻合较好，且耕作管理措施可明显增加坡面土壤的水分入渗。(12)蔡强国29等采用上喷往复式模拟降雨器（雨滴降落高度为7m)通过间隔为11h的二次人工模拟降雨和冲蚀槽试验研究10种土壤的侵蚀过程，发现在第二次降雨中大多数土壤出现了细沟侵蚀形式。目前各种不同规模的人工模拟降雨实验室在许多国家中先后建立起来。具有代表性的模拟降雨实验系统可分作如下几种：英国伊利诺斯大学土木工程系的WES模拟降雨系统日本科学技术厅国立预灾科学技术中心的降雨实验室中国科学院一水利部西北水土持保持研究所建立土壤侵

15、蚀模拟降雨实验室 北京师范大学人工模拟降雨实验室3、人工模拟降雨装置的参数设计在进行模拟降雨的性能检测工作之前，深入了解天然降雨的特性是必要的天然降雨的主要特性包括：（1）降雨强度；（2）降雨分布的均匀性；（3）雨滴直径大小和分布；（4）雨滴降落速度等。目前大多数学者都是以上述降雨特征值作为人工模拟降雨的比较和评价标准。(1)降雨强度目前我国的模拟降雨装置的降雨强度主要是通过控制供水压力和调节供水量来实现的。喷嘴式和喷洒式模拟降雨装置主要是通过控制供水压力来实现的,悬线式和针头式模拟降雨装置主要是通过调节供水量来实现的。(2)降雨分布的均匀性测定降雨均匀系数的方法是在降雨面上布设一组雨量筒作为

16、测点,根据各测点的降雨量,采用均匀性公式计算。k-均匀系数；xi-测点雨量,mm；-各测点平均雨量,mm；n-测点数。(3)雨滴直径大小和分布国内外文献报道的雨滴谱测量方法已很多,如常见的雨滴谱测试方法有色斑法、面粉团法、摄影法、沉浸法、雷达观测法、光学雨量计法等。最常用的方法是色斑法：先在定性滤纸上涂刷一层曙红与滑石粉混合色料用于雨滴取样。取样后,量出雨滴的色斑直径D，将不同大小的色斑直径分类统计出来,由换算公式d=aDb（式中a=0.322，b=0.742）算出。将色斑直径D代入,得到各类雨滴直径d。然后分类统计,计算出不同直径的质量或体积的和,并求出它们在降雨总量中所占的百分数,最后根据

17、累积百分数,得到雨滴的中数直径。(4)雨滴降落速度美国学者罗斯等人关于天然降雨雨滴的研究表明,天然降雨雨滴大小的分布,波动在0-6mm,其相应的终点速度为2-2.9mm/s,90%以上雨滴所需要的相应降落高度为7-9m。根据美国、澳大利亚等国家的一些学者对雨滴下落速度的研究,具有初速度的下喷式喷头降雨高度达2m时,就可满足不同直径的雨滴获得2-2.9mm/s的终点速度。4、试验设计与方法降雨前，在两个“V”字型沟坡的坡底(顺坡)。安装上口宽为7 cm的“V”字型集水槽(铝制品)，并使其紧贴“V”字型沟坡的两边坡。并集水槽延伸至试验区外的集水桶，以便测量与采集径流和泥沙；准确测量“V”字型沟坡的

18、形状参数;用土钻在两个间距为10 cm的“V”字型沟坡间采集010，1020，20404060，6080，80100cm各土层的土壤来测定土壤的含水量降雨时，待“V”字型沟坡两边坡的径流产生后，每10 min采集和测量一次径流。降雨持续1 h后，沟间侵蚀完成停止降雨3 h在这过程中，准确测量“V”字型沟坡的形状参数；在原地采集测定含水量的土壤样品，测定降水量。5、评价目前人工模拟降雨装置的均匀系数可达0.8以上，达到了一般农林田间和野外试验的要求。但目前国内外尚未建立起统一的人工模拟降雨机降雨特性检测标准，应用中有待根据各自的试验要求来选用。在研制人工模拟降雨装置时，需根据实际应用的需要来设计

19、。目前国外已开发出利用工控机的模拟天然降雨测控系统，实现了数据采集、处理、显示与自动报表、数据保存等功能。采用计算机自适应控制技术的智能移动式模拟降雨方式将成为未来的发展方向。参考文献1 傅涛,倪九派,魏朝富等.坡耕地土壤侵蚀研究进展.水土保持学报,2001,15(3):123-1282 Luis PHelping states slow sediment movementAgricultural Research，2003，51(12):12-143 N.M哈德逊著.土壤保持.窦葆璋译.北京:科学出版社,19754 M.J.柯克比，R.P.C摩根编著土壤侵蚀王礼先，吴斌，洪惜英等译北京：水利

20、电力出版社，19875 张光辉，刘宝元，李平康槽式人工模拟降雨机的工作原理与特征水土保持通报，2007，27(6)：56-606 袁爱萍.美国人工降雨模拟设备的引进与应用J.北京水利,2004(6):36-377 吴长文,徐宁娟.摆喷式人工降雨机的特性试验J.南昌大学学报,1995,17(1):58-668 岳红光,曲艳杰.用人工降雨法进行土壤侵蚀的研究J.吉林林学院学报,1998,14(4):208-2119 Mutchler C K，Hcrmsmerier L LA review of rainfall simulatorsJThe Transaction of America Socie

21、ty of Agd cultural Engineers,1965,8(1):67-6810 Moldenlmuer W CRainfall simulator as a research toolC/Procedi- ngs of the Rainfall Simulator Workshop(Tucson，Arizona)USDASEA-AR，ARMWLO1979：90-9511 Meyer L D，McCune D LRainfall simulator for run off plotsJAgr- ic.Engr,1958,39:644-64812 Foster G R，Eppert

22、F P，Meyer L DA programmable rainfall simulator for fieldplotsC/Procedings ofthe Rainfall Simulator Workshop(Tucson，Arizona)USDA-SEA-AR，ARMWLO1979：45-5913 Blanquies J，Scharff M，Hallock BThe design and construction of a rainfall simulatorC/International Erosion Control Association，34thAnnual Conference and Expo，Las Vegas，Nevada，February 2003：24-2814 刘素嫒.SB-YZCP人工降雨模拟装置特征分析J.中国水土保持,1995(5):18-2015 陈文亮,唐克丽.SR型野外人工模拟降雨装置J.水土保持研究,2000，7(4):106-11016 高小梅,李兆麟,贾雪等.人工模拟降雨装置的研制与应用J.辐射防治,2000,20(1-2):86-