人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用

利用人工模拟降雨装置进行室内与野外试验已成为水土保持研究的一个重要手段。用人工模拟降雨方法可以加速土壤侵蚀、降雨产流及入渗等试验,避免自然因素的影响,在既定时间内迅速获得试验所需数据,顺利完成计划试验。主要介绍了我国人工模拟降雨装置在水土保持方面应用的研究近况、模拟降雨装置的主要设计技术参数,以及本实验室于2003年研制成功的Kust03-1型人工模拟降雨装置在云南山地的应用。     

槽式人工模拟降雨机的工作原理与特性

利用人工模拟降雨，可以进行各种下垫面条件下土壤侵蚀与水土保持实验研究，大大缩短了试验研究周期，已成为室内与野外试验的重要技术手段，是获取土壤侵蚀、水土保持效益、土壤侵蚀模型等相关研究数据的有效途径。在详细论述人工模拟降雨机的基本要求和类型的基础上，重点论述了槽式人工模拟降雨机的结构、工作原理及其优缺点，旨在促进我国人工模拟降雨机研制的步伐，为土壤侵蚀与水土保持相关实验研究提供参考。     

QYJY-503C人工模拟降雨装置降雨特性试验

为了使基于人工模拟降雨装置的水土保持试验更可靠,采用人工降雨试验方法,通过研究QYJY-503C人工模拟降雨装置的降雨特性,探讨该装置在水土保持科学试验中的适用性。结果表明:1)雨滴达到终速时雨滴-色斑直径的关系为d=0.383 9D0.709;2)QYJY-503C人工模拟降雨装置有效降雨均匀度超过80%;3)在试验范围内,雨滴直径随降雨强度增大而增大,雨滴中数直径与降雨强度呈d50=0.559 5I0.280 5的幂函数关系,相同降雨强度条件下的雨滴直径较天然雨滴偏小20%~70%;4)降雨动能与降雨强度呈E=0.004 2I-0.021的线性关系,可通过控制降雨强度实现降雨动能与天然降雨的相似性;5)QYJY-503C人工模拟降雨装置性能稳定、可控性强,可适用于室内土壤侵蚀的研究。     

模型黄土高原坡面侵蚀规律试验区建设实践

模型黄土高原实体模型中的坡面侵蚀规律研究试验区部分设在西峰南小河沟流域的湫沟,自2004年以来坡面试验小区和测验设施建设、自动控制人工模拟降雨装置建设取得了进展,目前已完成一个标准试验小区的野外固定式计算机控制人工模拟降雨装置的研制、安装及率定。介绍了野外坡面试验小区、自动控制降雨装置等技术问题,指出了影响坡面小区侵蚀机理和侵蚀过程、模拟降雨雨滴动能与天然降雨相似性的原因,提出了搞好研究工作的建议。     

人工模拟降雨机具和方法的发展研究与展望

采用人工模拟降雨机具进行土壤侵蚀研究,是加快研究进程的一种好方法。本文比较系统地介绍了国内外人工模拟降雨机具和方法的产生与应用过程,指出了某些降雨装置的特性与适用性,并对人工模拟降雨机具和方法的发展,提出了有价值的改进意见。     

人工模拟降雨大厅及模拟降雨设备简介

黄土高原土壤侵蚀和旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅位于陕西杨陵农科城，降雨大厅面积为1296m^2，其规模为世界上第二大模拟降雨大厅(图1)。该降雨大厅为我国土壤侵蚀与水土保持科学定量化研究提供了平台。     

不同树种水土保持效益研究

采用定位径流小区和人工模拟降雨装置测试沙棘、油松沙棘混交林、油松、山杏的蓄水保土效益,结果表明：沙棘、油松沙棘混交林减水、减沙效益都达到９２％以上,是优良的水土保持树种。     

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。     

人工模拟降雨自动控制系统的研制

采用先进的闭环自动控制理论和技术研制了一种人工模拟降雨自动控制设备，以降雨过程的最终实际降雨参数控制和驱动降雨过程的各个降雨部件，克服了从水池到喷头之间诸多环节对降雨的随机影响。试验测试结果表明，该设备的主要性能指标优于国内外其他人工模拟降雨系统，是进行土壤侵蚀科学研究的重要实验设备。     

组合侧喷式野外人工模拟降雨装置

人工模拟降雨装置,根据它的用途,可分为室内人工模拟降雨装置和野外人工模拟降雨装置两大类。前者在设计、安装等条件方面较后者有许多有利的地方,例如水、电的供给以及装置的结构等均不受地点和运输条件的限制。还有,对一些影响降雨的自然因素,如风、温湿度等可以加以控制,但对于降雨所研究的对象——不同的土壤、地形、坡度、植被,耕作等因素,前者却较后者受到很大的限制;相反,后者更能接近自然状态,直接对其进行研究。     

不同土壤抗蚀性能研究

该对四川省农业科学院资阳水土保持试验所布设的７种土壤试验小区，用模拟降雨装置进行了土壤抗蚀性能的初步试验研究，结果表明：（１）７种土壤的抗蚀能力大小依次为：冷沙黄泥＞棕紫泥＞红棕紫泥＞灰色潮土＞红紫泥＞黄红紫泥＞暗棕紫泥；（２）７种土壤的么径流过程累积量与降雨历时、产沙过程累积量与降雨历时，径流过程累积量与产沙过程累积量之间均有显的线性相关关系，以及６种土壤的土壤含水量与开始产流时间之间有非常     

半干旱黄土丘陵区土壤水分入渗速率的空间变异性

选择宁夏南部半干旱黄土丘陵区的彭阳县中庄小流域,针对其多年来水保措施的治理成效,利用小型人工模拟降雨和双环注水法入渗试验装置技术,对全流域不同生态恢复与重建地（水平沟、鱼鳞坑、水平梯田、人工牧草、天然草地）,不同地形地貌（坡向、坡位、坡度）进行了多点土壤入渗速率实测。试验结果表明,该流域土壤入渗速率具有明显的坡面垂直变异规律,随着坡度的增加,土壤稳渗率增加,阴坡土壤稳渗率高于阳坡,但其初渗率小于阳坡;坡位对稳渗率的影响表现为南坡上到坡下稳渗率逐渐提高。土地利用方式不同,入渗速率也存在较大差异。     

Performance of soil and water conservation practices in the erosion evolution process,runoff dynamics and surface roughness

Soil and water conservation practices are used widely to prevent soil erosion and protect soil and water resources, which is significant for ecological restoration and food security. However, rill evolution processes, erosion and deposition characteristics and critical hydrodynamic parameters need more research. In order to investigate the effect of soil and water conservation practices on soil erosion dynamics, simulated rainfall experiments were undertaken in a laboratory on 15° loess slopes with engineering measures (fish-scale pits, FSPs), tillage measures (artificial digging, AD; contour ploughing, CP) and bare slope (CK). The results showed that: (1) during rill erosion, hillslopes with FSPs, CP and AD were more likely to develop wide and shallow rills, while a bare slope (CK) was more likely to develop narrow and deep rills. At the end of the experiment (cumulative rainfall was about 150 mm), headward retreat erosion dominated the AD slope (maximum rill length: 3.27 m), side-wall expansion erosion dominated the CP slope (maximum rill width: 0.522 m) and bed incision erosion dominated the CK (maximum rill depth: 0.09 m); (2) soil and water conservation practices reduced surface erosion and sediment transport and runoff velocity. However, the positive effects disappeared when rainfall amounts exceeded 82.5, 105 and 127.5 mm for FSPs, CP and AD, respectively; (3) for runoff kinetic energy and runoff shear strength of 3 J and 1.5 N/m², respectively, soil and water conservation measures had greater anti-erosion abilities than CK; (4) as rainfall duration increased, surface roughness, runoff rate and sediment concentration increased on the CK and FSP treatments, but decreased on the CP and AD treatments. This study has important implications for managing different soil and water conservation measures based on rainfall conditions and offers a deeper understanding of soil erosion processes.     

赣江流域水土保持生态建设减水减沙效益评价

利用赣江流域1956-2008年年降雨量和赣江控制站外洲水文站年径流量和年输沙量资料,采用水文分析法计算赣江流域近30a水土保持生态建设的减水减沙效益。结果表明,赣江流域治理后期1984-2008年水土保持生态建设年均减沙量为5.70×10⁶t,年均减沙效率为48.57%。随着水土保持措施的生效,减沙率有逐年上升而后稳定的趋势,2008年减沙率达80.54%;赣江流域水土保持生态建设对流域年径流总量减少不明显,后期径流量反而会有所增加。水土保持生态建设能增加流域土壤入渗,减少地表径流,削减洪峰流量,延长汇流时间,起到防洪减灾效果。     

黄土丘陵区不同降雨强度对农地土壤侵蚀的影响

采用人工模拟降雨的方法，对仪器自身性能进行了测试，并分设5种不同的降雨强度分别研究半干旱区林地、草地、人工草地和耕地的产流产沙特征。模拟天然降雨最大雨强5．05mm／min，雨量118．2～300．3mm／h；雨滴落地速度、雨滴动能等降雨特征值与天然降雨特征值是一致的；不同立地条件下径流量、侵蚀模数随雨强的增加而增加，并与降雨强度呈指数函数或幂函数关系。     

水土保持科学研究的基本思路

该文依据作者２０多年对水土保持科研工作的实践，提出了进行水土保持科研的基本思路是：一定强度的降雨降至无覆盖的坡地地表土壤上，引起水土流失，通过建造植被、水土保持耕作、水土保持工程措施，或通过上述措施的复合组装，或通过复合措施的优化配置，使降雨不能直接达到坡地地表土壤上，或使降雨降至平地，不足引起水土流失，达到保持水土的目的。同时依据这一基本思路，提出了进行水土保持科学研究应采取的主要措施，主要内容     

黄土丘陵区人工草地盖度季动态及其水保效益

该依据野外人工降雨试验结果，对２年生人工沙打旺，草木樨草地盖度季动态及其水土保持效益作了分析和探讨，结果表明，草地盖度季动态呈幂函数分布，盖度与产流开始时间，径流量、泥沙量之间均存在指数相关关系；人工沙打旺草地盖度峰值与黄土丘陵区多年降雨年内分布峰值出现的时间同步，加之盖度较大，具有良好的水土保持效益。     

紫色土区小流域侵蚀产沙对水土保持措施的响应

探讨降雨量与水土保持措施对流域水沙关系的影响,对流域水土流失预报和水土保持效益评价具有十分重要的科学意义,但在紫色土区这方面的研究还相当薄弱。以鹤鸣观小流域Ⅱ号支沟实测降雨径流泥沙数据为基础,分析了水土保持措施对流域径流、泥沙及水沙关系的影响。结果表明:流域治理后期,降雨产流量变化率、降雨产沙量变化率均减小,随着降雨的增多,水土保持措施对径流、产沙的影响效应增强;暴雨强度愈小,降雨量愈少,水土保持径流拦蓄作用愈显著;但降雨量愈大,泥沙拦蓄作用愈显著;流域减水量一般在30%~70%,而减沙量都高于90%,减沙量明显高于减水量;由于水土保持综合治理的作用,1989年后的多年平均径流量较1989年前减少33.11%,多年平均产沙量减少90.50%。