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。     

黄土区野外模拟降雨条件下坡面径流—产沙试验研究

降雨及径流所引起的水力侵蚀产沙问题,是当今世界上最大的环境问题之一。通过野外模拟降雨试验,研究不同雨强下不同下垫面降雨侵蚀产流、产沙、入渗等的相关规律。研究结果表明:雨强90mm/h时,原生地径流量最大,达到28.4L/min,林草地径流量最小,在4.1～7.6L/min之间波动,雨强120mm/h时规律保持一致,原生地达到36.05L/min,林草地为6.85～10.88L/min;产沙量规律为荒地最大,林草地最小,荒地在两种雨强下产沙量分别为45.77～252.94g和52.76～162.48g,林草地分别为2.82～6.99g和7.33～40.24g;入渗规律为林草地最大,原生地最小,其中小雨强时林草地入渗率为1.18mm/min左右,原生地为0.09mm/min左右,大雨强时林草地为1.42mm/min左右,原生地为0.12mm/min左右。这些规律之间均有很好的相关性,产沙量与径流量大时其入渗率就小。说明地表有植被覆盖时可以增大入渗率,减小径流,产沙量。雨强不同时其规律保持一致。该研究对于深入理解流域产流产沙过程具有十分重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持,也可为今后水土保持与生态建设提供重要科学依据。     

模拟降雨下黄土区草地灌木地土壤水分空间变化规律

利用黄土区燕沟流域42场模拟降雨下土壤水分观测数据,研究2种坡度的草地、灌木地在不同经营方式（原状地、刈割地、翻耕地）下的土壤水分对模拟降雨的响应。结果表明：1）在5次降雨补充下,依据土壤水分的标准差和变异系数指标,0-100cm土壤水分受土地经营方式影响表现为,原状草灌地土壤水分可划分为活跃层、次活跃层和相对稳定层,刈割地全剖面为相对稳定层,翻耕地可分为活跃层和相对稳定层。2）单次降雨事件则随降雨量增加,各经营方式下的水分活跃层逐渐变薄或消失,次活跃层变厚,而相对稳定层变薄,整个土壤剖面水分变化趋于一致。3）对于受高强度降雨补充的土壤水分变异性分层,建议采用更加灵敏的土壤水分标准差和变异系数判别标准：活跃层,标准差大于1.4,变异系数大于0.12;次活跃层,标准差1.4-0.9,变异系数0.12-0.08;相对稳定层,标准差小于0.9,变异系数小于0.08。4）坡度越小,土壤水分越高,坡度对草灌木地、刈割地的影响较翻耕地显著,且对50-100cm层水分影响远大于对表层0-50cm的影响。总之,降雨后土壤水分0-100cm层不断增加,且剖面土壤水分逐渐一致,土地经营方式、坡度因素对土壤水分变化强度和在不同深度土层中的表现有显著影响。     

人工模拟降雨条件下伊犁河流域黄土区土壤侵蚀试验分析

新疆伊犁河流域的土壤侵蚀现象较为严重,以该地区具有代表性的黄土土壤为研究对象,采用人工模拟降雨的试验方法,研究了不同坡度、不同降雨强度、不同降雨历时、不同植被覆盖度对土壤侵蚀产流、产沙特征的影响。通过对模拟降雨试验数据的分析,得出以下结论:同一坡度,植被覆盖能相对的延缓初始产流时间,且降雨强度越大,初始产流时间越短;坡面产沙量随降雨强度的增强而增大,降雨强度越大,坡度对产沙量影响越明显,坡度为20°时产沙量突减,因此认为试验的临界坡度为20°~25°;降雨强度和产流量、产沙量之间的相关性极显著,相关系数为0.986和0.970;短降雨历时的产流量变化较长降雨历时的小,降雨历时和产流量、产沙量之间呈正相关;植被覆盖有明显的减沙作用。     

模拟降雨条件下碱性坡地土壤侵蚀试验

 采用室内人工降丨射模拟试验,研究降雨强度为50 mm/h时不问坡度（5°、15°、25°)和不同土壤（土壤的可交换钠比例ESP值分别为2.4和25)对土壤人渗率和侵蚀缺的影响。结果表明：1)不问坡度和不同土壤的径流模数随降雨历时急剧增加,后于平稳,人渗率和侵蚀产沙量随降雨历时急剧减小,趋于某一稳定值;2) 土壤ESP值水平一定时,入渗率和累计人渗量都随着坡度的增大而增加,侵蚀产沙坩随笤坡度的增大先增加后减小,在15° -25°之间存在着侵蚀的临界坡度;3)坡度一定时,径流模数随着 ESP值的增加而增加,稳定人渗率和累计人渗量随卷ESP值的增加而减小;4) 土壤的ESP值水平对侵蚀产沙量的影响随坡度不同而不同,坡度为5°和15°时,同一坡度的侵蚀产沙量随ESP值的加大而减小,当坡度为25°时,核蚀产沙量随ESP值的加大而增大,说明坡度较大时,土壤ESP值的增大更容易引起土壤侵蚀。     

模拟降雨条件下玉米植株对降雨再分配的作用

为了辨明成熟期玉米对降雨的再分配作用,有效地防治区域水土流失,采用人工模拟降雨的方法,就川西低山丘陵区成熟期玉米植株对降雨的冠层截留量、茎秆流量和穿透雨量的作用进行了研究。结果表明:冠层截留率平均为7.5%,茎秆流率平均为28.8%,穿透雨率平均为63.7%。随着降雨强度的增加,单位时间内玉米冠层的截留量呈增加趋势,但随着玉米植株的叶面积增大,有效截留量却呈减少趋势,株高和角度对它的影响较小。随着叶面积和降雨强度的增加,茎秆流量呈增加趋势,角度影响较小。随着叶面积的增加,穿透雨量呈减少趋势;而随着降雨强度的增加,单位时间内穿透雨的数量呈增加的变化趋势,株高影响较小。     

模拟降雨条件下作物植株对降雨再分配过程的影响

为系统测定玉米（Zea mays L.）、大豆（Glycine max）、谷子（Setaria italica）和冬小麦（Triticum aestivum Linn.）不同生长阶段的穿透雨、茎秆流和冠层截留,研究采用室内模拟降雨法测定了不同降雨强度、不同叶面积指数作物冠下穿透雨和茎秆流,采用喷雾法测定了作物不同生长阶段的冠层截留。对其进行了量化分析,并探讨了3者与作物叶面积指数和降雨强度的关系。结果表明：在40和80 mm/h降雨强度下降雨30 min,玉米、大豆、谷子和冬小麦冠下穿透雨率分别平均为65.15%、85.52%、80.05%和72.18%;在40和80 mm/h降雨强度下降雨10～20 min,4种茎秆流率分别平均为34.59%、13.58%、19.42%和26.34%;在0.3 mm/min喷雾强度下,作物冠层截留量相对较小,冠层截留率分别为0.26%、0.90%、0.53%和1.48%。随作物生长,穿透雨量逐渐降低,茎秆流量和冠层截留量逐渐增加。降雨强度与穿透雨量和茎秆流量呈正相关关系,但是2者占总降雨量的比例与降雨强度关系不显著（p＞0.05）。随着作物生长,穿透雨冠下空间分布由均匀逐渐趋向于不均匀,具有趋于向行中汇集的趋势。该研究揭示了黄土高原地区主要作物对降雨的再分配作用特征,可为农田水分有效利用和坡耕地土壤侵蚀防治提供理论依据。     

模拟降雨条件下玉米马铃薯间作对降雨入渗量的影响

为研究间作对土壤侵蚀的调控机制,采用人工模拟降雨方法分析了生育期内玉米马铃薯间作及起垄在不同降雨强度(40,80 mm/h)和坡度(10°,15°)下的降雨入渗规律。结果表明:(1)生育期内同一坡度同一降雨条件下玉米马铃薯间作的降雨入渗结束时间比单作玉米推迟,入渗开始时间差别不明显;玉米马铃薯间作的入渗量高于单作玉米(P<0.01),而与单作马铃薯差异不显著(P>0.05)。生育期内40,80 mm/h雨强下间作的入渗量比单作玉米分别增加了25.75%~69.07%和21.76%~50.95%。同一雨强下间作的入渗速率高于单作玉米,但与单作马铃薯差别不明显。(2)生育期内间作高垄的入渗量高于间作低垄(P>0.05)、单作玉米高垄(P<0.01)和单作玉米低垄(P<0.01)。生育期内40 mm/h雨强下间作高垄、间作低垄、单作玉米高垄的入渗量分别比单作玉米低垄增加了10.10%~28.14%,25.75%~65.96%,41.59%~75.46%;80 mm/h雨强下间作高垄、间作低垄、单作玉米高垄的入渗量分别比单作玉米低垄增加了9.12%~18.03%,21.76%~44.34%,36.45%~57.05%。间作增加了降雨过程中水分的渗入,减少地表径流的发生,为深入认识作物栽培控制土壤侵蚀的机理提供参考依据。此外,间作条件下起垄能有效增加降雨入渗量,这对于区域水资源管理以及农业的可持续发展具有重要的指导意义。     

降雨-径流条件下混合层深度模拟试验

混合层深度是非点源污染模型中一个重要参变量,在模拟土壤溶质随地表径流迁移流失过程中,它决定了参与径流迁移的土壤溶质的范围及其具体流失量,为现有模型参数校正提供一定的数据支持。通过设计3种水文条件即自由排水状态（-5?cm）、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态（5?cm）,采用人工模拟3种降雨强度（3,6和9?cm/h）,及同时分别外加模拟相对于降雨量的0,2,4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中混合层深度。试验结果表明混合层深度与降雨强度呈线性增加关系;自由排水条件下,与地表径流量呈复杂正比例增加关系;土壤饱和条件和土壤渗流条件下,混合层深度与地表径流量均呈线性增加关系。研究结果发现混合层深度的实质是一个多向、复杂的动态溶质迁移变化量。     

模拟降雨条件下坡地氮流失特征研究

通过人工模拟降雨研究了5种雨强对紫色土坡地氮径流损失的影响.结果发现,(1)随着雨强的增大,地表径流占总径流量的比例上升.(2)径流中氮的流失是随着雨强的增加而逐渐降低的.其中铵氮和硝态氮作为可溶性氮,它们的流失浓度随着时间的变化有一定的规律性,主要表现为径流前期浓度较高,随着降雨时间的延长,浓度趋于稳定或减小,后期则又有所上升.(3)地表径流量对硝态氮的流失量起决定性作用,而浓度对壤中流流失量起主导作用.小雨强下紫色土坡地径流硝态氮流失以壤中流为主,随着雨强的增大,地表径流流失量的贡献率越发明显.     

模拟降雨条件下流域地貌动态变化过程研究

通过室内模拟实验对降雨侵蚀条件下流域地貌变化过程进行了研究，研究表明，单位降雨量所产生的流域表面面积、沟道投影面积和流域体积的变化量在整个流域发育过程中呈现出一定规律性，沟道投影面积和流域体积均表现为先逐渐增加，达到一定程度后又逐渐下降，而表面面积则表现为先逐渐增加，达到一定程度后则处于上下波动的状态。     

模拟降雨条件下坡地径流泥沙特征研究

基于野外原位模拟降雨试验,研究桥子沟流域裸地、撂荒地、草地、林地4种土地利用类型的径流和泥沙流失分别对90,120mm/h两种雨强的响应特征。结果表明:雨强90,120mm/h条件下,4种土地利用类型中林地径流量最少,撂荒地产流量最大,约为林地径流量的7倍;产流量顺序为:撂荒地裸地草地林地;产沙量顺序为:裸地撂荒地草地林地;坡面累积径流量和累积产沙量随产流时间呈线性规律变化趋势,径流(产沙)系数表现为撂荒地裸地草地林地。坡面累积产沙量对累积径流量响应呈现幂函数变化规律,而且随着累积径流量增大,累积产沙量递增速率显著增大。     

模拟降雨下土壤剥蚀率和水流含沙量的关系

为了确定坡面土壤剥蚀率与水流含沙量的关系,利用变坡土槽模拟降雨试验,对剥蚀率和含沙量关系及其影响因子进行系统分析。结果表明,土壤剥蚀率和水流含沙量与雨强的关系较为密切,土壤剥蚀率和水流含沙量随雨强的增加而增加;坡度对土壤剥蚀率有一定影响,在试验的坡度和流量范围内剥蚀率、含沙量随坡度增加呈先增加后减小趋势,24°为临界坡度;土壤剥蚀率与水流含沙量之间呈幂函数关系,两者相关性显著(Dr=aSbc,其中0.01a0.05,0.9b1.4)。     

模拟降雨条件下保水剂对沙质土壤水分的影响

为了探究保水剂对沙质土壤水分的影响,采用室内重建土柱,在人工模拟降雨条件下研究不同用量保水剂对沙质土壤(0~30 cm)含水率的影响。结果表明:土壤含水率随着保水剂用量的增加而增加,保水剂用量为0.2%时不但省时省力,而且0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 3个土层土壤含水率分别为45.42%、48.48%、46.16%,既能满足植物的生长需要,又能节省经济成本,可为干旱、半干旱区节水造林及保水剂的合理使用提供理论依据。     

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。     

野外模拟降雨条件下坡面降雨入渗、产流试验研究

利用野外模拟降雨试验,研究了植被类型、降雨强度、地表结皮、覆盖杂草等对荒草地和裸地降雨入渗、产流的影响。结果表明:裸地因降雨易产生地表结皮,产流时间主要取决于降雨强度,两者的关系可用幂函数描述,达显著水平;荒草地由于植被覆盖度较高,产流时间主要取决于土壤初始含水量,两者的关系可用线性公式描述,达极显著水平;与裸地相比,荒草地能延缓产流,并有效拦蓄径流;裸地形成地表结皮后,产流提前,平均入渗率降低,但坡面覆盖杂草(尤其是坡中下部覆盖杂草)能有效拦蓄径流、延缓产流、增加入渗,并促进土壤水分向深层的运移,而雨后采用抑制蒸发的措施能起到类似的效果     

模拟降雨条件下黑麦草对土壤水分入渗的影响

利用室内模拟降雨实验的方法,设计了不同降雨强度(30 mm/h和60 mm/h)、不同坡度(10°和20°)和不同草地盖度(0、20%、40%、60%、80%和100%)研究黑麦草影响下土壤水分入渗的变化过程。试验结果表明:坡度、降雨强度和黑麦草盖度对土壤水分的入渗均有影响,土壤水分累积入渗量随黑麦草盖度的增加呈增加趋势,二者显著正相关;黑麦草覆盖下的土壤水分累积入渗量变化过程能够用考斯加科夫模型模拟,黑麦草盖度对模型参数有显著影响。各试验条件下,入渗模型参数K值随黑麦草盖度的增加而增加,α值随黑麦草盖度的增加而减小,二者的变化趋势在降雨强度30 mm/h时表现明显,但在降雨60 mm/h时不明显。     

喀斯特典型坡耕地模拟降雨条件下的土壤侵蚀响应

为了定量研究不同降雨强度、坡度和孔(裂)隙度条件下坡耕地土壤侵蚀响应和空间分布特征,采用人工模拟降雨试验,通过模拟喀斯特典型坡耕地耕作层和微地貌特征以及孔裂隙构造特征,研究土壤侵蚀响应和空间分布特征。结果表明:(1)15,30mm/h降雨强度时地表不产流,水土流失形式为地下漏失;50mm/h降雨强度时地表产流产沙,水土流失也以地下漏失为主,地下径流出现最大值。50mm/h以上降雨强度时,土壤侵蚀逐渐向地表侵蚀转变,地表、地下径流泥沙分配呈负相关;(2)在一定条件下,坡度增大,地表径流泥沙量增加,地下径流量减小,当坡度在10°~15°时地表径流泥沙量急剧增加,25°时坡面产流产沙量达到最大值,其中20°坡面径流泥沙与25°接近;地下泥沙与坡度、孔(裂)隙度间变化规律不明显。(3)径流空间分配特征以地下径流为主,其中90 mm/h降雨强度以地表侵蚀为主。(4)降雨强度、坡度和孔(裂)隙度等因子对地表径流及地下径流的影响程度依次为降雨强度坡度孔(裂)隙度。总之,喀斯特坡耕地以地下漏失为主,地表产流之前随雨强增大而增大,地表径流产生后则反之,极端暴雨(90mm/h)下以地表侵蚀为主;降雨强度对水土流失影响程度最大,其次坡度,再次孔(裂)隙度。     

SCS模型在红壤土坡地降雨径流量估算中的应用

由于地区间的CN参数差异很大,导致运用SCS模型计算降雨径流时不同使用主体的主观性太强。为了获得适合红壤地区的CN参数,利用江西省德安县燕家沟流域观测小区2001-2003年的降雨径流资料反算CN。然后通过SPSS软件对降雨量与CN参数进行回归模拟,得到不同小区的CN模拟函数。最后利用2004年的降雨径流数据对模拟结果进行检验,得到了可信度较高的结果,同时说明了SCS模型估算红壤土流域径流量的可行性。     

寒旱环境黄土区植物护坡原位模拟降雨试验研究

在自建试验区内为研究植物护坡水文效应,本项研究采用野外模拟降雨试验的方法,分别对种植柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii Kom.）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon Bunge Maxim.）2种灌木植物边坡和种植垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb.）、细茎冰草（Agropyron trachycaulum Linn. Gaertn.）2种草本植物边坡,以及作为对照组未种植植物的裸坡开展相同试验条件的模拟降雨试验。试验结果表明,在相同试验条件下裸坡的稳定径流量和泥沙量均相对较大其值为450.0～475.0 ml/min,8.28～8.36 g/min;种植霸王、柠条锦鸡儿边坡稳定径流量和泥沙量为307.0～355.5 ml/min,3.12～4.07 g/min;种植细茎冰草边坡、垂穗披碱草边坡稳定径流量和泥沙量为24.0～41.3 ml/min,1.52～2.40 g/min,该试验结果说明了坡面产生的稳定径流量和稳定泥沙量与边坡的覆盖度之间呈负相关关系以外,还进一步反映出种植草本植物的边坡其坡面产生的稳定径流量、泥沙量则显著小于种植灌木植物边坡,即种植灌木边坡其坡面产生稳定径流量、泥沙量分别是种植草本边坡的1.338～1.466倍、2.054～2.654倍;裸坡坡面以下0—20 cm处及坡面以下20—40 cm处含水率增幅分别为38.94%,11.08%;种植柠条锦鸡儿、霸王边坡坡面以下相同深度处的a层、b层含水率增幅为42.24%～44.19%,10.63%～11.76%,种植垂穗披碱草、细茎冰草边坡坡面以下相同深度处的a层、b层含水率增幅为47.27%～48.11%,13.98%～14.74%,坡面以下40—60 cm处的（c层）含水率变化相对不显著,表明在边坡种植的草本和灌木植物,在降雨坡面雨水入渗的过程中,阻止和减少了坡面径流的形成,同时亦反映出生长草本植物的边坡其阻止和减少坡面径流形成的作用相对显著于灌木植物;裸坡的径流系数为63.40%,种植柠条锦鸡儿和霸王边坡径流系数则分别为18.00%和20.33%,细茎冰草和垂穗披碱草径流系数分别为6.57%和1.71%,草本植物边坡径流系数相对最小,反映出草本植物其抵挡坡面雨水冲刷和侵蚀以及抑制地表径流作用等方面较灌木植物显著。