人工模擬降雨研究水土流失的意義及評(píng)價(jià)

1、人工模擬降雨研究水土流失的意義及評(píng)價(jià)摘要：水土流失是全球范圍內(nèi)主要的環(huán)境和農(nóng)業(yè)問(wèn)題之一，而降雨是引起地面水土流失以及滑坡、崩塌、泥石流等山區(qū)自然災(zāi)害的重要因素之一。因此，在地學(xué)、農(nóng)學(xué)、工程水文學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)，許多重要的研究課題，都要以降雨的影響因子來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究，在利用天然降雨時(shí)，常常會(huì)受到時(shí)間和地域等條件的限制，給試驗(yàn)工作帶來(lái)極大的困難。有效地使用人工模擬降雨裝置來(lái)進(jìn)行降雨試驗(yàn)，是一種較理想的降雨方法，它不受時(shí)間和空間的限制，可以重現(xiàn)天然降雨，既能節(jié)約大量的人力和物力，又能在短時(shí)期內(nèi)重復(fù)試驗(yàn)，縮短試驗(yàn)周期。人工模擬降雨方法可以彌補(bǔ)短期內(nèi)在自然降雨條件下無(wú)法獲取的研究結(jié)果，并且可以驗(yàn)證在自然降

2、雨環(huán)境下得到的研究結(jié)論。關(guān)鍵詞：水土流失；降雨特征因子；人工模擬降雨；模擬降雨裝置土壤侵蝕作為水土流失的一種重要形式，是當(dāng)今人類(lèi)面臨的一種最普遍，持續(xù)時(shí)間較強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害，成為了我國(guó)乃至世界的重大環(huán)境問(wèn)題之一1,2。土壤侵蝕是指地球表面土壤及其母質(zhì)在水力，風(fēng)力，凍融，重力以及人類(lèi)不合理的生產(chǎn)活動(dòng)等外力作用下所發(fā)生的各種破壞，分離，分散，沉積，移動(dòng)的現(xiàn)象。而降雨作為土壤侵蝕的直接動(dòng)力因子，通過(guò)雨滴擊濺土壤表層，使土壤顆粒發(fā)生分離，同時(shí)降雨形成的徑流對(duì)分離后的土壤顆粒進(jìn)行搬運(yùn)和沖刷，而最終導(dǎo)致土壤顆粒的遷移和養(yǎng)分的流失3,4。實(shí)踐表明土壤侵蝕規(guī)律的研究，土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立，以及其他水土保持措施的

3、效益評(píng)價(jià)，都離不開(kāi)大量的科學(xué)數(shù)據(jù)的觀測(cè)，積累和分析，但是依靠自然降雨收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)存在很大的局限性5：一方面在自然條件下，降雨的一些特征參數(shù)(雨強(qiáng)，雨量降雨侵蝕力)自身穩(wěn)定性較差，且受外界氣象條件影響較大：另外一方面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集周期較長(zhǎng)，特別是在一些干旱少雨的北方地區(qū)表現(xiàn)更為明顯。這些都嚴(yán)重制約著水土保持科學(xué)研究的發(fā)展6。然而通過(guò)在室內(nèi)采用人工模擬降雨機(jī)對(duì)下墊面土壤侵蝕和養(yǎng)分流失規(guī)律的研究，可以有效的解決數(shù)據(jù)收集的局限性問(wèn)題，也避免了自然因素的影響，有著重要的理論和實(shí)際意義。1、人工模擬降雨裝置的用途早在1920年美國(guó)就已開(kāi)始應(yīng)用人工模擬降雨方式對(duì)坡面產(chǎn)流和土壤侵蝕過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究。從50

4、年代開(kāi)始，我國(guó)首先應(yīng)用人工模擬降雨進(jìn)行入滲試驗(yàn)。近年來(lái)，引進(jìn)和研制了各種類(lèi)型的人工降雨器并應(yīng)用于室內(nèi)與野外試驗(yàn)7。人工模擬降雨試驗(yàn)是在徑流小區(qū)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。固定小區(qū)觀測(cè)雖是土壤侵蝕定量測(cè)定最準(zhǔn)確的方法，但有難以克服的弊病，徑流小區(qū)試驗(yàn)依賴于天然降雨。天然降雨是復(fù)雜多變的，尤其在年平均降雨量少且分布不均勻的干旱、半干旱地區(qū)，更易受到氣候的影響，因而在短期內(nèi)不可能進(jìn)行多項(xiàng)多次觀測(cè)試驗(yàn)，積累更多所需資料8?；趯?shí)驗(yàn)室尺度的研究比坡面尺度的研究具有經(jīng)濟(jì)、便捷、可控等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用模擬降雨裝置進(jìn)行試驗(yàn)已成為水土保持領(lǐng)域不可或缺的一個(gè)重要研究手段。模擬降雨裝置的應(yīng)用主要涉及水土保持業(yè)、農(nóng)業(yè)及林

5、業(yè)等領(lǐng)域的研究。人工模擬降雨裝置的主要特點(diǎn)在于：（1）減少?gòu)搅餍^(qū)設(shè)備和裝置設(shè)備投資；（2）節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，加快試驗(yàn)進(jìn)程；（3）創(chuàng)造各種試驗(yàn)條件,增加試驗(yàn)的可行性和數(shù)據(jù)的可靠性。2、人工模擬降雨裝置的現(xiàn)狀研究人工模擬降雨裝置主要有四種形式：噴嘴式、噴灑式、懸線式和針頭式2。 噴嘴式：水從噴孔或噴嘴中噴出，在空中分散成大小不一的水滴降落到地面，這種形式的雨滴直徑是不均勻的，雨強(qiáng)可通過(guò)不同大小的孔徑或供水壓力來(lái)調(diào)節(jié)。噴灑式（管網(wǎng)式）：是在一些平行的細(xì)管上鉆有一些小孔，水從孔中噴出，以雨滴形式落到地面，原理與噴嘴式相似，但不及噴嘴式靈活。懸線式：水在懸線終端以水滴形式離開(kāi)，降落到地面。這種形式模擬的雨

6、滴是均勻的，且初始降落速度為0。雨滴大小與水壓力無(wú)關(guān)，僅與懸線的粗細(xì)有關(guān)。 針頭式：水滴通過(guò)針頭末端落到地面，情形及水滴特性類(lèi)似于懸線式。 目前我國(guó)主要應(yīng)用的人工模擬降雨裝置為噴嘴式和針頭式模擬降雨機(jī)。人工模擬降雨機(jī)在研究土壤入滲，土壤侵蝕以及其他相關(guān)領(lǐng)域中是一種比較理想的裝置它可以有效地模擬出降雨過(guò)程和自然降雨的雨滴特征，早在1920年美國(guó)就采用人工模擬降雨的方式對(duì)坡面產(chǎn)流和土壤侵蝕過(guò)程進(jìn)行了研究，而在20世紀(jì)30年代，美國(guó)在研究不同下墊面和農(nóng)業(yè)管理程措施對(duì)土壤入滲和坡面產(chǎn)流的影響中，廣泛采用了人工模擬降雨機(jī)9，10，隨后由Meyer和McCune在1958年共同研制的槽式人工模擬降雨機(jī)11

7、，在美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用，在隨后的40年中，F(xiàn)oster，Scott，Norton12,13等學(xué)者先后對(duì)Meyer-McCune槽式人工模擬降雨機(jī)進(jìn)行了性能和結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，使得人工模擬降雨機(jī)的工作更加穩(wěn)定，同時(shí)也減輕了機(jī)器的重量。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用人工模擬降雨進(jìn)行入滲試驗(yàn)，60年代開(kāi)始研制人工模擬降雨機(jī)，將引進(jìn)和研制的各類(lèi)人工模擬降雨機(jī)應(yīng)用在室內(nèi)及野外試驗(yàn)中。隨著人工模擬降雨技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的人工模擬降雨機(jī)也派生出幾種不同的種類(lèi)，根據(jù)降雨形成的方式可以將人工模擬降雨機(jī)分為噴嘴式和針管式，噴嘴式人工模擬降雨機(jī)的基本原理是，將水噴射出來(lái)

8、，然后采用一定的碎流措施將噴出的水流破碎從而形成了大小不同的雨滴，降落到地面，其產(chǎn)生的雨滴大小與天然雨滴的大小具有一定的相似性，而不同種類(lèi)的噴嘴式人工模擬降雨機(jī)的區(qū)別主要體現(xiàn)在碎流措施的不同上：第二種是針管式人工模擬降雨機(jī)，其工作原理是水流通過(guò)眾多的針頭或是細(xì)管形成雨滴，由于降雨機(jī)產(chǎn)生的雨滴大小是均勻的，與自然條件下的降雨雨譜差別過(guò)大，因此運(yùn)用較少。Meyer-McCune槽式人工模擬降雨機(jī)就屬于噴嘴式。在我國(guó)采用的也是這兩種人工模擬降雨機(jī)。劉素嬡等14經(jīng)過(guò)5年時(shí)間，成功研制出SB-YZCP型人工模擬降雨機(jī)，這類(lèi)降雨機(jī)就是典型的噴嘴式降雨機(jī)；陳文亮等15研制的SR型野外人工模擬降雨裝置是一種多

9、噴頭、多單元組合式的間歇降雨裝置，它也屬于噴嘴式人工模擬降雨機(jī)，包括國(guó)內(nèi)常采用的側(cè)噴式降雨機(jī)都屬于噴嘴式；高小梅等16研制的人工模擬降雨裝置，則采用醫(yī)用注射針頭在一圓圈內(nèi)振動(dòng)灑落水滴模擬降雨，這種是典型的針管式人工模擬降雨機(jī)。從2004年開(kāi)始，北京師范大學(xué)和北京交通大學(xué)對(duì)美國(guó)的槽式降雨機(jī)進(jìn)行了二次研發(fā)5。同時(shí)謝云等17為了解決人工模擬降雨機(jī)模擬降雨特征與天然降雨特征相差較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了槽式擺噴頭下噴式人工模擬降雨機(jī)，并對(duì)槽式人工模擬降雨機(jī)的雨強(qiáng)及其空間分布進(jìn)行了率定，最終發(fā)現(xiàn)與其他類(lèi)型的人工模擬降雨機(jī)相似，槽式人工模擬降雨機(jī)也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度的連續(xù)變化，與實(shí)際降雨過(guò)程還存在一定的差距，因此

10、為更好的模擬自然條件下的降雨特征，對(duì)人工模擬降雨機(jī)還需進(jìn)行更加深入的研究和不斷的完善。我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的科研人員已經(jīng)研制出了適于室內(nèi)與野外各種試驗(yàn)要求和研究目的的人工模擬降雨裝置,其中主要有以下幾種:(1)孫超圖18等研制的摻氣噴灑式極小雨強(qiáng)降雨裝置，主要用摻氣方法減小噴灑式降雨器的降雨強(qiáng)度，用移動(dòng)方法提高降雨均勻度，從而使雨強(qiáng)達(dá)0.013-0.36mm/min范圍,均勻度達(dá)到0.9以上。(2)劉素媛19等經(jīng)5年研制、3年運(yùn)用和3萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)率定研制成功的SB-YZCP(野外移動(dòng)、組合、側(cè)向、噴灑式）人工降雨模擬裝置。該裝置由模擬降雨水車(chē)、塔架式降雨機(jī)、電控閥門(mén)、電子監(jiān)測(cè)儀表以及相應(yīng)的管路組成。(3)

11、陳文亮20等研制的SR型野外人工模擬降雨裝置是一種多噴頭、多單元組合式的間歇降雨裝置。(4)石生新21等采用野外人工降雨的方法，研究了高強(qiáng)度降雨條件下地面坡度、植被對(duì)坡面產(chǎn)沙過(guò)程的影響。(5)高小梅22等研制的人工模擬降雨裝置，采用醫(yī)用注射針頭在一圓圈內(nèi)振動(dòng)灑落水滴模擬降雨。(6)賈天會(huì)23等在對(duì)坡耕地水土流失試驗(yàn)研究中，采用單噴頭變雨強(qiáng)模擬降雨器，面積為6m2.5m的移動(dòng)式徑流小區(qū)，四周用1.5mm厚的鐵板作邊界，小區(qū)下方設(shè)集流槽并與集流桶相連。(7)葉翠玲24等針對(duì)鐵路建設(shè)過(guò)程中的典型坡面進(jìn)行了野外人工模擬降雨試驗(yàn)，以定量研究鐵路施工引起的水土流失量。試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院地理所的下噴式模擬降

12、雨機(jī)。有效降雨面積為5m2m，采用率定的雨強(qiáng)0.72-1.2mm/min。試驗(yàn)過(guò)程中，由于受外界因素的影響，實(shí)際雨量用量雨桶測(cè)得。(8)劉紀(jì)根25等提出了采用人工模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接計(jì)算臨界抗剪切應(yīng)力的方法。試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的雙向?qū)娛饺斯つM降雨裝置，降雨過(guò)程由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制，降雨高度14m。試驗(yàn)降雨強(qiáng)度控制在100mm/h。試驗(yàn)土槽長(zhǎng)8m，寬3m，深0.3m，坡度可在0-30之間調(diào)整，此試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。(9)吳欽孝26在黃土丘陵區(qū)草灌植被的減沙效應(yīng)及其特征的試驗(yàn)中采用中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所的組合側(cè)噴式野外人工降雨裝置，降雨時(shí)兩側(cè)噴

13、頭座架之間距離為7m，噴頭高8m，噴頭出水高度1.5m，使降雨雨滴終點(diǎn)速度近似天然降雨的速度。供水壓力由壓力表控制，雨強(qiáng)主要通過(guò)孔板的孔徑來(lái)調(diào)節(jié)。(10)沈波27等在對(duì)路基壓實(shí)黃土坡面降雨沖蝕試驗(yàn)研究中，采用西安理工大學(xué)水資源研究所室內(nèi)人工降雨系統(tǒng)，該裝置離地面高12m，X型噴灑式降雨噴頭，改變噴口的大小和進(jìn)水管壓力，噴灑出不同降雨強(qiáng)度（I=0.2-4.5mm/min）降雨強(qiáng)度均勻度可達(dá)0.7以上，局部小面積經(jīng)仔細(xì)微調(diào)后降雨強(qiáng)度均勻度可達(dá),0.95上，雨滴動(dòng)能基本同天然降雨相似。降雨開(kāi)始與結(jié)束全變化過(guò)程由電腦自動(dòng)控制。(11)趙西寧28等利用有壓給水式人工模擬降雨裝置進(jìn)行降雨入滲試驗(yàn)。研究了不

14、同耕作管理措施對(duì)坡耕地降雨入滲的影響，并采用有限差分法對(duì)入滲過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。結(jié)果表明，土壤入滲率的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，且耕作管理措施可明顯增加坡面土壤的水分入滲。(12)蔡強(qiáng)國(guó)29等采用上噴往復(fù)式模擬降雨器（雨滴降落高度為7m)通過(guò)間隔為11h的二次人工模擬降雨和沖蝕槽試驗(yàn)研究10種土壤的侵蝕過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在第二次降雨中大多數(shù)土壤出現(xiàn)了細(xì)溝侵蝕形式。目前各種不同規(guī)模的人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)室在許多國(guó)家中先后建立起來(lái)。具有代表性的模擬降雨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分作如下幾種：英國(guó)伊利諾斯大學(xué)土木工程系的WES模擬降雨系統(tǒng)日本科學(xué)技術(shù)廳國(guó)立預(yù)災(zāi)科學(xué)技術(shù)中心的降雨實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院一水利部西北水土持保持研究所建立土壤侵

15、蝕模擬降雨實(shí)驗(yàn)室 北京師范大學(xué)人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)室3、人工模擬降雨裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)在進(jìn)行模擬降雨的性能檢測(cè)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）降雨強(qiáng)度；（2）降雨分布的均勻性；（3）雨滴直徑大小和分布；（4）雨滴降落速度等。目前大多數(shù)學(xué)者都是以上述降雨特征值作為人工模擬降雨的比較和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。(1)降雨強(qiáng)度目前我國(guó)的模擬降雨裝置的降雨強(qiáng)度主要是通過(guò)控制供水壓力和調(diào)節(jié)供水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。噴嘴式和噴灑式模擬降雨裝置主要是通過(guò)控制供水壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的,懸線式和針頭式模擬降雨裝置主要是通過(guò)調(diào)節(jié)供水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(2)降雨分布的均勻性測(cè)定降雨均勻系數(shù)的方法是在降雨面上布設(shè)一組雨量筒作為

16、測(cè)點(diǎn),根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的降雨量,采用均勻性公式計(jì)算。k-均勻系數(shù)；xi-測(cè)點(diǎn)雨量,mm；-各測(cè)點(diǎn)平均雨量,mm；n-測(cè)點(diǎn)數(shù)。(3)雨滴直徑大小和分布國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的雨滴譜測(cè)量方法已很多,如常見(jiàn)的雨滴譜測(cè)試方法有色斑法、面粉團(tuán)法、攝影法、沉浸法、雷達(dá)觀測(cè)法、光學(xué)雨量計(jì)法等。最常用的方法是色斑法：先在定性濾紙上涂刷一層曙紅與滑石粉混合色料用于雨滴取樣。取樣后,量出雨滴的色斑直徑D，將不同大小的色斑直徑分類(lèi)統(tǒng)計(jì)出來(lái),由換算公式d=aDb（式中a=0.322，b=0.742）算出。將色斑直徑D代入,得到各類(lèi)雨滴直徑d。然后分類(lèi)統(tǒng)計(jì),計(jì)算出不同直徑的質(zhì)量或體積的和,并求出它們?cè)诮涤昕偭恐兴嫉陌俜謹(jǐn)?shù),最后根據(jù)

17、累積百分?jǐn)?shù),得到雨滴的中數(shù)直徑。(4)雨滴降落速度美國(guó)學(xué)者羅斯等人關(guān)于天然降雨雨滴的研究表明,天然降雨雨滴大小的分布,波動(dòng)在0-6mm,其相應(yīng)的終點(diǎn)速度為2-2.9mm/s,90%以上雨滴所需要的相應(yīng)降落高度為7-9m。根據(jù)美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的一些學(xué)者對(duì)雨滴下落速度的研究,具有初速度的下噴式噴頭降雨高度達(dá)2m時(shí),就可滿足不同直徑的雨滴獲得2-2.9mm/s的終點(diǎn)速度。4、試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法降雨前，在兩個(gè)“V”字型溝坡的坡底(順坡)。安裝上口寬為7 cm的“V”字型集水槽(鋁制品)，并使其緊貼“V”字型溝坡的兩邊坡。并集水槽延伸至試驗(yàn)區(qū)外的集水桶，以便測(cè)量與采集徑流和泥沙；準(zhǔn)確測(cè)量“V”字型溝坡的

18、形狀參數(shù);用土鉆在兩個(gè)間距為10 cm的“V”字型溝坡間采集010，1020，20404060，6080，80100cm各土層的土壤來(lái)測(cè)定土壤的含水量降雨時(shí)，待“V”字型溝坡兩邊坡的徑流產(chǎn)生后，每10 min采集和測(cè)量一次徑流。降雨持續(xù)1 h后，溝間侵蝕完成停止降雨3 h在這過(guò)程中，準(zhǔn)確測(cè)量“V”字型溝坡的形狀參數(shù)；在原地采集測(cè)定含水量的土壤樣品，測(cè)定降水量。5、評(píng)價(jià)目前人工模擬降雨裝置的均勻系數(shù)可達(dá)0.8以上，達(dá)到了一般農(nóng)林田間和野外試驗(yàn)的要求。但目前國(guó)內(nèi)外尚未建立起統(tǒng)一的人工模擬降雨機(jī)降雨特性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用中有待根據(jù)各自的試驗(yàn)要求來(lái)選用。在研制人工模擬降雨裝置時(shí)，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要來(lái)設(shè)計(jì)

19、。目前國(guó)外已開(kāi)發(fā)出利用工控機(jī)的模擬天然降雨測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、顯示與自動(dòng)報(bào)表、數(shù)據(jù)保存等功能。采用計(jì)算機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)的智能移動(dòng)式模擬降雨方式將成為未來(lái)的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1 傅濤,倪九派,魏朝富等.坡耕地土壤侵蝕研究進(jìn)展.水土保持學(xué)報(bào),2001,15(3):123-1282 Luis PHelping states slow sediment movementAgricultural Research，2003，51(12):12-143 N.M哈德遜著.土壤保持.竇葆璋譯.北京:科學(xué)出版社,19754 M.J.柯克比，R.P.C摩根編著土壤侵蝕王禮先，吳斌，洪惜英等譯北京：水利

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