摇臂上喷式降雨模拟器降雨特性分析

降雨模拟器是进行室内或野外土壤侵蚀规律研究、降雨产流及入渗过程研究等的有效手段,目前野外降雨模拟器存在喷头安装高度大、有效降雨区域较小、与天然降雨有一定差别等问题,本文针对以上问题研制出一种可广泛使用的摇臂上喷式降雨模拟器.通过率定降雨面积、降雨强度与均匀系数、雨滴中数直径、终点速度与雨滴动能六大降雨特性,探讨该降雨装置的适用性.结果表明:该装置的降雨面积可达到100 m2,降雨均匀系数为41％;当降雨面积为50 m2,供水压力为0.32 kg/cm2时,平均最大降雨强度为116.25 mm/h,最小降雨强度为61.01 mm/h,降雨均匀系数最大值为82％,最小值为46％,平均雨滴中数直径D50为1.67 mm,平均雨滴终点速度为3.656 m/s,平均雨滴动能为299.4 J/(m2·cm).该装置具有能耗小、重量轻、操作简单、便于移动等优点,符合天然降雨规律,可满足一般田间和野外试验的要求.     

基于雨滴谱的人工降雨系统效能评估

采用德国HSC-OTT Persivel32激光雨滴谱探测仪,结合中国科学院水循环与陆表过程重点实验室的人工降雨系统,从均匀性、雨强、雨滴谱、雨滴终点速度和动能5方面评估人工降雨系统模拟降雨的特征及其与自然降雨的相似性。结果表明:(1)该降雨系统模拟降雨均匀系数为0.83,降雨均匀性较好;当模拟雨强I≤1.0mm/min时降雨可靠性较高,模拟雨强I1.0mm/min时,受降雨系统喷头孔径等因素影响,实际雨强小于设计值,可靠性较低;短历时模拟降雨开始的第1min和结束的最后1min实际雨强远小于设计雨强,数据不可靠;建议开展短历时模拟降雨试验时恰当延长降雨时间,选取其中较可靠的数据以减少试验结果误差。(2)该模拟降雨雨滴直径在0.1~1.9mm之间,平均直径0.9mm,比自然降雨的雨滴直径0.1~6.5mm要小;该模拟降雨的雨谱分布符合自然降雨Best函数分布。(3)直径在0.3~0.7mm范围内的雨滴其终点速度与自然降雨拟合较好,当雨滴直径0.3mm和0.7mm时,雨滴终点速度可靠性较低。(4)该系统模拟降雨的雨滴动能可靠性不高,当雨滴直径≥0.6mm时,该雨滴动能小于自然降雨;当雨滴速度2.0m/s时雨滴动能大于自然降雨。建议通过选择合适的喷嘴内径尺寸和数量组合提高雨滴直径可靠性,从而实现雨强和降雨动能与自然降雨的一致。     

人工模拟降雨装置的设计及其参数率定

[目的]针对水环境领域中地表径流的水质研究所需的降雨特点,设计了一种人工模拟降雨装置。[方法]该模拟降雨装置采用3个规格不同的喷嘴式喷头,利用不同喷头的启闭与组合实现不同雨强的模拟。[结果]经率定,此装置降雨强度可达0.3~2.0mm/min,在此范围内降雨均匀系数均在85%以上,雨滴中数直径的范围为1.09~2.25mm,最大雨滴直径不超过6mm,雨滴终点速度可达到2~2.9mm/s。[结论]该装置模拟降雨与天然降雨的相似程度较高,可用于模拟真实的降雨情况。     

便携式人工模拟降雨装置的设计与率定

用人工模拟降雨研究径流,可以大大缩短试验周期,加速雨水入渗规律和土壤侵蚀规律的研究进程。目前的人工模拟降雨装置普遍存在体积庞大、操作复杂、试验成本高等问题,在现实应用中难以推广。该文针对以上问题设计了一种由喷淋系统和供水系统构成的便携式人工模拟降雨装置。该装置采用单喷头、下喷式模拟降雨结构,通过控制输水管道供水压力和改变喷头型号,实现了不同雨强、不同历时的人工模拟降雨过程。通过降雨特性试验表明,该装置可实现降雨强度为0～140mm/h的模拟降雨,降雨均匀性能保持在80%以上,雨滴直径主要分布在0.1～5.5mm之间,能够满足不同直径的雨滴获得2～2.9m/s的终点速度。试验结果与天然降雨有较高的相似性,可有效实现模拟降雨。     

小流域径流调控模型降雨特性模拟研究

基于小流域模型降雨试验研究中存在的不足,在模型模拟试验的基础上,将计算机矢量化软件和色斑法相结合,分析了模型人工降雨雨强率定、雨滴取样、雨滴大小组成分布、降雨能量等降雨特性参数,得出不同喷头组合、不同水头压力条件下模型雨强在0.114~1.33 mm/min之间各场降雨雨滴中数直径为1.122 7~2.139 4 mm,模型降雨总动能为188.74~3 980.03 J/mm。     

用于土壤侵蚀试验的降雨模拟器研究进展

述评悬线式、针头式、管网式、喷头式4种降雨模拟器的特性及其应用现状与前景。悬线式和针头式降雨模拟器具有降雨强度下限低、均匀性好等优点,但在模拟降雨时,控制面积小,雨滴粒径偏大而且单一,所以应用渐少。管网式与喷头式降雨模拟器所产生的雨滴粒径与能量分布与天然降雨更为接近,广泛应用于土壤侵蚀试验研究中。目前,智能化、自动化、大型化的降雨模拟大厅不断涌现,同时根据雨滴发生基本原理搭建的手控、简易的降雨模拟器仍有其强大的生命力。     

TDB模拟侵蚀降雨器的研制与应用

最近研制的单喷头变雨强模拟侵蚀降雨器经过２５０余次性能检测,达到了如下技术指标：有效降雨面积２０～４０ｍ２;降雨强度与供水压力的关系为Ｉ＝１３．０１７ｐ１．４５６;降雨均为系数Ｋ≥０．８０;雨滴动能Ｅ、尺度参数α和中数直径ｄ５０％与供水压力之间的关系为Ｅ＝６．３７４ｐ０．４５９;α＝０．９１９ｐ０．２５９,ｄ５０％＝０．８５６ｐ０．２５８。辽宁省柞蚕场模拟土壤侵蚀试验证明：该设备体积小、重量轻、能耗低、安装操作方便、计算简单、性能可靠,是研究山区土壤侵蚀的理想设备     

基于激光雨滴谱仪的降雨特征研究

激光雨滴谱仪的应用对于更清楚地认识自然降水的发展演变过程具有重要意义.利用激光雨滴谱仪记录不同模拟降雨条件下的降雨特征,分析雨滴谱,计算雨滴动能,并与自动气象站的测量降雨装置进行对比分析发现,激光雨滴谱仪测量值相对于自动雨量计测量值整体偏低,但两者观测到的每分钟降水量变化趋势基本一致.雨滴谱分析结果显示,雨滴平均直径与总动能、雨强相关性甚微,与雨滴数量呈负相关;雨强与降雨总动能、直径0.25～ 6.00 mm雨滴动能在0.01水平(双侧)上显著相关;直径0.25～6.00 mm雨滴动能对总动能贡献最大,占总动能的99％以上;5 min总动能与5 min雨强之间关系密切.     

人工模拟降雨的能量相似及其实现

 能量相似是降雨模拟的基本原则。通过对雨滴粒径、雨滴击溅速度、降雨均匀度等能量相似要素的分析和探讨,提出实现降雨模拟能量相似的重要手段,即在降雨高度、雨滴发生器等条件不变的情况下,通过调节雨强来实现降雨能量的相似;通过加大供水压力等手段可提高降雨动能,所以在降雨模拟实践中,降雨高度不一定需要达到使所有粒径的雨滴均达到终速所需的高度。     

Veejet80150喷头特性及其在降雨机中的应用

由于人工模拟降雨可以解决天然降雨耗时长、成本高以及难以取得精准控制数据等问题,越来越多的学者使用该方法进行科学研究。通过降雨量测量和计算分析方法,测定了Veejet80150喷头降雨特征参数,评价了改进后槽式下喷模拟降雨机的降雨均匀性。结果表明:Veejet80150喷头降雨面积为矩形,且随喷头高度增加而增加,中心点降雨强度随高度增加而减小,并从中心点向外呈规律性减小,便于多喷头组合,获得空间均匀降雨。多喷头组合降雨时,2.5 m高度下的降雨均匀系数在0.88~0.90范围内;4 m高度下的降雨均匀系数在0.94~0.95范围内,该降雨机均匀性好,喷头高度大于2.5 m时可满足试验要求。     

不同降雨条件下沂蒙山区耕层土壤团聚体特征

降雨强度和时长对土壤团聚体的影响至关重要,不同降雨特征下沂蒙山区耕层土壤团聚体时空变异特征仍不清晰。基于模拟降雨试验,研究了不同降雨强度(16 mm/h,43 mm/h,71 mm/h)和降雨时长(10 min,30 min,60 min)下沂蒙山区褐土耕层土壤团聚体特征。结果表明:降雨强度16 mm/h,10 min降雨时长下仅对0—5 cm土层土壤团聚体产生影响,>5 mm粒级团聚体含量迅速降低。其他雨强和时长下,0—5,5—10,10—20 cm土层团聚体含量均发生变化。在43,71 mm/h的降雨强度下,随着降雨时长的增加,0—5 cm土层微团聚体含量均表现出先增加后降低的趋势。与供试土壤相比,雨强为71 mm/h,降雨时长60 min时,0—5 cm土层>5 mm粒级团聚体含量减少了93%,而<0.25 mm粒级团聚体含量增加了42%。土壤团聚体的平均重量直径(MWD)随降雨强度及时长的增加而减小,在降雨强度71 mm/h,降雨时长60 min时各土层MWD趋于一致。说明,随降雨强度及时长的增加,雨滴打击和雨水湿润作用对土壤大团聚体的拆分作用增强,大团聚体含量逐渐减少,微团聚体含量逐渐增加,土壤稳定性先降低后趋于稳定。     

紫色土水分和壤中流对降雨强度的响应

为研究降雨强度对紫色土坡耕地不同深度土壤水分含量和壤中流的影响,初步揭示紫色土水分和壤中流之间的相互耦合关系,通过原位人工模拟降雨试验,在60,90,120 mm/h 3种降雨强度条件下,采用Minitrase TDR可埋式探头对紫色土坡耕地土壤剖面浅层(0—20cm)、中层(20—40cm)、深层(40—60cm)的土壤水分含量进行了实时连续测定,并在降雨过程中分层收集测量壤中流,开展了降雨—产流过程的观测试验。结果表明:(1)当雨强较小时,浅层土壤含水率变化曲线呈现上升期和稳定期,随着雨强和深度的增加则呈上升期、稳定期或始终处于稳定期;(2)随深度和降雨强度的增加,土壤含水率稳定时间增加,含水率变化越小,响应越不明显;(3)在不同降雨强度条件下,各土层均有壤中流产生,低雨强条件下壤中流都是单峰产流过程,中雨强和高雨强下为双峰产流过程;(4)壤中流产流时间随雨强增大而显著减小,随深度增加而显著增加;(5)降雨强度与土壤水分含量和壤中流参数三者间相互有显著相关性。     

淮北平原黄潮土多雨强变坡度产流产沙规律试验模拟

针对淮北平原黄潮土水土流失严重的问题,为揭示其产流产沙规律,利用五道沟水文实验站大型人工模拟降雨径流试验场,开展了40,60,80mm/h 3个雨强及5°,10°,15°3个坡度产流产沙规律试验模拟。结果表明:坡面初始产流时间随坡度、雨强的增大而缩短,雨强、坡度越大缩短越不明显;单位时间产流、产沙量随降雨时间变化的转折点在产流后6～15min,单位时间产流量随降雨时间变化表现为前期快速增加,中期缓慢增加,后期平稳,其中40,60mm/h雨强单位时间产流量随坡度增加而减小,80mm/h雨强随坡度的增加而增加;单位时间产沙量随雨强、坡度的增大而增大;不同坡度累计产沙量及产流量随降雨时间变化呈幂函数或线性函数关系(R20.99);坡度及雨强与坡面产流、产沙总量分别呈多元线性和多元幂函数关系。     

雨型对华北土石山区坡面土壤侵蚀的影响

为研究雨型对华北土石山区坡面土壤侵蚀的影响,通过室内人工模拟降雨试验,以华北土石山区主要土壤类型黄土性褐土和石灰性褐土为研究对象,设计次降雨中平均降雨强度和降雨量相同的3种不同降雨类型(均匀型、增加型、减弱型对应的降雨强度组合分别为60,30～60～90,90～60～30 mm/h),分析不同雨型下华北土石山区坡面产流产沙的变化规律。结果表明:(1)不同雨型的产流时间与起始阶段降雨强度呈负相关,增加型降雨的坡面产流时间最长,且分别为均匀型和减弱型的1.98,4.15倍;减弱型降雨的总径流量和总侵蚀量最大,而均匀型降雨的最小,减弱型降雨的总径流量是均匀型和增加型降雨的1.05～1.12倍,总侵蚀量分别是增加型和均匀型的1.22,1.78倍。(2)在不同雨型下,同一降雨强度出现在不同降雨阶段,使得坡面产流产沙的过程不同。(3)同一降雨强度出现在雨型起始阶段的径流量和贡献率与结束阶段相比偏小。次降雨起始阶段的强度为30 mm/h时,黄土性褐土的侵蚀量和贡献率大于其在结束阶段的侵蚀量和贡献率,而石灰性褐土与之相反。     

基于HYDRUS-1D的城市草地土壤水分模拟——以扬州市人工草地为例

[目的] 研究城市化背景下草地土壤水分运动规律,为提升海绵城市建设水平提供科学依据和技术支撑。[方法] 以江苏省扬州大学扬子津校区农水与水文生态试验场的人工草地为研究区,利用实测降雨和同期土壤含水量数据对不同降雨事件下的雨水入渗深度进行分析。通过HYDRUS-1D模型对研究区土壤含水量变化过程进行模拟。[结果] 在小雨（<10 mm）和中雨（10~25 mm）事件中,研究区草地的雨水入渗深度分别小于15 cm和30 cm;在大雨（25~50 mm）到暴雨（>50 mm）事件中,雨水入渗深度通常超过30 cm,或可达60 cm以上;土壤含水量模拟值与实测值的均方根误差范围为0.012～0.034 cm³/cm³。[结论] 不同等级降雨事件下的草地雨水入渗深度存在明显差异,入渗深度总体上随着降雨量的增加而增加;HYDRUS-1D模型能够准确模拟不同等级降雨事件下的城市人工草地区雨水入渗深度。     

雨强和植被覆盖度对红壤坡面产流产沙的影响

为探究雨强和植被覆盖度对花岗岩红壤坡面产流产沙的影响,通过室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(0.5,1.0,1.5 mm/min)和植被覆盖度(0,20%,40%,60%)下坡面侵蚀的产流、产沙规律及相关关系。结果表明:(1)同一雨强下,初始产流时间随植被覆盖度增加而延迟,并随雨强增大而提前,雨强越大,产流时间提前越明显;(2)各坡面径流率、侵蚀率随植被覆盖度增加而减小,且植被覆盖度越高,径流率和侵蚀率波动范围越小,侵蚀过程越稳定;(3)有植被覆盖的坡面,产沙主要以0.25 mm的水稳性团聚体为主,侵蚀泥沙中0.25 mm水稳性团聚体比重随雨强增大而增加,且增加的幅度随覆盖度的提高而减小;(4)雨强、植被覆盖度均与产流时间、径流率、侵蚀率呈现极显著相关关系(P0.01),且坡面产流过程与雨强变化的相关性大于其与植被覆盖度变化的相关性,坡面产沙过程与植被覆盖度变化的相关性大于其与雨强变化的相关性,不同雨强下植被覆盖坡面累积径流量和累积产沙量关系符合幂函数模型(R~20.98)。研究结果可为南方红壤丘陵区水土流失治理与生态恢复提供科学参考。     

胶东铁路弃土弃渣体产流产沙特征

通过人工模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对胶东铁路弃土弃渣体产流产沙的影响。根据青荣铁路沿线降雨和弃土弃渣体堆积特点,设计3种雨强(20,40,60mm/h)和3个坡度(20°,30°,40°)。结果表明:(1)当降雨强度由20mm/h增加到60mm/h,产流开始时间可缩短11~20s;当坡度由20°变化到40°,产流开始时间可提前17~22s。(2)径流量、产沙率在降雨初期剧增到峰值,之后径流量逐渐趋于稳定,而产沙率波动减小后逐渐趋于稳定。(3)相同坡度条件下,雨强40 mm/h下的径流量较20 mm/h时增加37.3%~122.6%,产沙率约为20mm/h时的1.5~19.5倍;而雨强60mm/h下的径流量较40mm/h时仅增加19.1%~26.7%,产沙率仅为40mm/h时的62.5%~151.8%。(4)相同雨强条件下,坡度对径流量、产沙率的影响存在临界坡度(30°~40°),径流量、产沙率随坡度的增大先增加后减小。(5)弃土弃渣体坡度为30°时坡度对坡面侵蚀量的贡献率大于雨强贡献率;而40°时雨强贡献率明显超过坡度。研究结果可为胶东半岛区域铁路项目建设期间弃土弃渣体的水土流失监测及防治提供技术支撑。     

秸秆覆盖对西南喀斯特坡地幼龄橘园产流产沙的影响

喀斯特坡地幼龄橘园人为扰动剧烈,容易发生土壤侵蚀。秸秆覆盖是坡地常用的水土保持措施,但其在喀斯特坡地橘园的水土保持效益还不清楚。通过人工土槽模拟降雨试验,研究了水稻秸秆覆盖对喀斯特坡地幼龄橘园产流产沙的影响,试验设置了2个雨强(60 mm/h和120 mm/h)和4种水稻秸秆覆盖度(0,20%,50%和80%)。结果表明:(1)秸秆覆盖减小地表径流的效果受降雨强度控制。在中雨强(60 mm/h)条件下,秸秆覆盖可以有效降低地表径流系数。在大雨强(120 mm/h)下,只有20%覆盖度可以减少地表径流系数;(2)在中雨强(60 mm/h)条件下,20%和50%的秸秆覆盖显著增加壤中流和地下径流量; 在大雨强(120 mm/h)条件下,20%的秸秆覆盖显著增加了壤中流量,50%和80%秸秆覆盖度对壤中流量影响不显著;(3)秸秆覆盖可以有效减少地表土壤侵蚀总量,地表土壤侵蚀总量与秸秆覆盖度呈负相关。(4)秸秆覆盖减弱了地表径流的携沙能力,在50%和80%秸秆覆盖度时地表径流的携沙能力得到显著减弱。结果可为喀斯特坡地幼龄橘园合理布设秸秆覆盖措施提供科学依据。     

种植大豆地表土壤溅蚀效应及其空间分布特征

为系统研究种植大豆条件下农地溅蚀速率变化特征并建立简单易用的模型,评价大豆种植对土壤溅蚀的影响,采用室内模拟降雨的方法,测定了不同降雨强度(40 mm h-1和80 mm h-1)、不同大豆生长阶段(始花期、盛花期、结荚期和始粒期)下的穿透雨强度和溅蚀速率,分析了大豆冠下溅蚀速率与叶面积指数和穿透雨强度的关系,探讨了冠下溅蚀速率的空间分布特征.结果表明:与裸地相比,在大豆全生育期,大豆冠下平均溅蚀速率在设计雨强40 mm h-1和80 mm h-1下,分别减少了62.85％和60.74％.冠下平均溅蚀速率随叶面积指数增加呈显著的增加趋势,且随降雨强度的增大而显著增加.冠下各点溅蚀速率受相应各点的穿透雨强度影响在80 mm h-1设计雨强下较为显著,随穿透雨强度的增加而增加.大豆冠下溅蚀速率的空间分布与穿透雨的分布具有一定的对应性,即冠下穿透雨较为集中的区域会在一定程度上增加溅蚀的发生,并导致冠下溅蚀速率分布不均,大豆冠下穿透雨是冠下溅蚀产生和分布的主要能量来源.该研究提出的大豆冠下溅蚀速率模型可为坡耕地土壤侵蚀防治和农田灌溉有效利用提供理论支持.