陕西杨凌天然降雨雨滴特性研究

天然降雨雨滴特性是土壤侵蚀的动力因子之一,是研究降雨侵蚀力规律的基本依据。运用虹吸式雨量计记录杨凌的天然降雨过程,同时采用滤纸色斑法观测天然降雨雨滴的特征,结合图形处理软件Image-J处理雨滴直径。研究结果表明:该区天然降雨雨滴大小分布符合Best函数式;雨滴中数直径、降雨动能与降雨强度呈幂函数关系,但关系式中的系数由于雨型的不同和观测范围的限制而存在一定差异。     

沈阳市天然降雨雨滴特征研究

采用滤纸色斑法对沈阳市天然降雨雨滴进行观测,通过计算并运用回归分析对沈阳地区天然降雨雨滴特性进行研究。结果表明:沈阳地区天然降雨雨滴的大小分布遵守Best函数分布式;雨滴中数直径及降雨动能同降雨强度关系显著,呈幂函数关系。     

黄土高原南部降雨侵蚀力试验研究

基于Wischimeier关于降雨侵蚀力R=EI30的经典算法,以黄土高原南部杨凌天然降雨为研究对象,较详细地分析了一次降雨过程雨滴大小分布;拟合了雨滴中数直径、降雨动能与降雨强度的关系;分别以EI10、EI30、EI60为降雨侵蚀力R指标,计算了该地区6-9月降雨侵蚀力大小,研究分析了降雨侵蚀力与降雨量之间的关系。得出以下结论:雨滴大小分布满足Best提出的分布式;雨滴中数直径反映次降雨过程中雨滴大小的总体趋势,与降雨强度关系密切,其关系式可表示为D50=2.25I0.21;降雨动能由降落雨滴从高空下落而具有的能量,以及与雨滴直径和下落速度有直接关系,得出降雨动能与降雨强度的关系式为E=26.57I0.28;杨凌区降雨量多集中于6-10月,月降雨侵蚀力分布随着月降雨量变化而变化;3种R指标计算的降雨侵蚀力值,EI10>EI30>EI60,且3种指标计算结果与CREAMS月雨量经验模型的相对偏差中,EI10与其相对偏差最小,但波动幅度较大,EI30与其相对偏差居中,但相对较稳定,分析得出EI10更适用于短阵型降雨,EI30适用于普通型降雨。基于上述理论,本研究旨在为今后建立黄土高原南部地区降雨侵蚀力简易计算模型提供理论依据。     

中亚热带地区常绿阔叶林地表径流和产沙影响机制

为探究中亚热带地区常绿阔叶林地的地表径流和侵蚀产沙的影响机制,于2016年和2017年的5—9月在天然降雨条件下,采用野外定位观测结合室内试验分析方法,得到磨盘山常绿阔叶林林外降雨和林内穿透雨及其雨滴特性数据,采用RDA排序及CANOCO的Forward分析筛选出主导环境影响因子。结果表明:(1)产沙量与林外降雨量和林内穿透雨量存在正相关关系。当径流量0.064mm时,研究区内形成的地表径流才开始携带泥沙;林冠层对降雨动能的缓冲作用在降雨强度小的情况下较明显。(2)林冠缓冲动能、叶面积指数和树干茎流量与径流量产沙量存在负相关关系,降雨历时、林外降雨量、林内降雨量、平均雨强、雨滴个数、雨滴直径、雨滴速度、林内降雨动能、降雨总动能对径流量产沙量产生正相关影响。(3)对12个环境因子进行主导因子筛选,降雨总动能、林外降雨量、平均雨强、林冠缓冲动能、降雨历时对径流量产沙量的影响效果较为显著。从典范特征值分析结果显示,仅选择这5个主环境影响变量可解释环境影响因子与径流量产沙关系73.2%的信息量,比12个变量所解释的信息量仅少16.8%。     

基于粒子成像瞬态测量技术的雨滴微物理特性及降雨动能研究

雨滴微物理特性及降雨动能是揭示降雨物理本质的重要特征量,亦是开展侵蚀定量分析与建立侵蚀量预报模型的基础。采用粒子成像瞬态测量可视化技术观测自然降雨雨滴,结合计算机视觉识别技术解算雨滴微物理特性参数,同时采用虹吸式自记雨量计记录自然降雨降雨强度。研究表明:该次降雨雨滴以中等粒子为主,雨滴直径均值为1.52 mm,降落末速度均值为3.47 m/s,其中直径在1.00~3.00 mm范围内的雨滴占样本总数的87.21%。雨滴直径和降落末速度呈显著的对数关系。基于实测的雨滴微物理特性和降雨强度估算降雨动能,该结果与传统的经验模型估算结果相对误差均值为7.28%。该方法得到的降雨动能较以往的经验模型能更真实的反应雨滴降落过程中的做功大小,为准确计算降雨过程中雨滴所造成的溅蚀量奠定基础。     

雨滴侵蚀特征分析

引起水土流失发生的侵蚀营力是多方面的,其中雨滴的侵蚀作用不可忽视.雨滴击溅可分为干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀三个阶段.溅蚀具有明显的分带性,坡面上部的土壤溅蚀量大于坡面下部的土壤溅蚀量,雨滴击溅中约有75%的土粒向坡下迁移.雨滴中数直径D_(50)、降雨强度、雨滴终点速度与雨滴动能成正比关系,雨滴动能是地表径流动能的256倍,EI_(30)乘积是较好的表示雨滴侵蚀力指数的方法.     

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。     

卧龙地区针叶林及亚高山灌丛对降雨的雨滴谱及能量的影响

在运用色斑法研究岷江冷杉及川滇高山栎灌丛林下的雨滴滴谱及降雨动能的基础上,探讨了上述两个生态系统林冠雨谱特征及降雨动能削减特征,比较了3种雨滴终速计算方法的适用性。结果表明:两种生态系统树冠层对降雨动能的改变作用有一定差异,灌丛林下的降雨动能一般小于林外降雨动能,而且雨强增大时灌从对动能的削减作用更加明显一些;但针叶林下的降雨动能却显著高于林外降雨动能,雨强增大时林下的降雨动能比有下降的趋势。在计算雨滴终速时,比较好的计算方法为Beard经验公式法,沙玉清公式(及修正的牛顿公式)法。     

泾河南小河沟流域自然降雨特性

采用德国HSC-OTT Persivel32激光雨滴谱探测仪监测南小河沟流域自然降雨的雨滴谱,分析不同雨型自然降雨雨滴特征及其分布规律,并分析了降雨特性各要素间的相互关系。结果表明:(1)该区自然降雨雨滴直径集中在0.3~1.5mm,与黄土高原利用传统的滤纸色斑法测定结果基本一致,但略小于东北和闽南地区。当雨强I10mm/h时,雨滴中数直径随雨强的增大而增大;当I≥10mm/h时,雨滴中数直径骤然下降,这在一定程度上和雨强增大后大雨滴破裂有关。该地区雨谱随雨强的变化可用Best分布拟合。(2)普通型降雨雨滴数量随直径的分布曲线较平缓,其动能与雨强呈线性相关;而短阵型降雨的雨滴数量随直径的分布曲线较陡峭,其动能与雨强呈幂函数关系。两种雨型的降雨动能均随雨强的增大而增大,但短阵型降雨动能增大的更快,因此短阵型降雨的侵蚀力更大。     

黄土高原降雨雨滴动能的分布律

降雨强度、雨滴速度、雨滴动能等参量与土壤侵蚀关系密切。根据BestA．C．提出的雨滴直径分布函数，从理论上导出了符合黄土高原实际情况的雨滴动能分布密度和分布函数，它们都符合不同参数的韦伯分布。不同雨型、雨强条件下的雨滴速度和降雨总动能的理论计算值与前人的实测值吻合较好，表明韦伯分布的确可用于描述雨滴动能分布，其参数确定也是恰当的。因此可直接由降雨强度和雨型决定的雨滴动能分布经积分得出降雨总动能，而无须通过经验回归模型(通常存在地域差异)求取降雨总动能。     

基于计算机绘图软件的雨滴谱测定新方法

 为寻找天然降雨和人工模拟降雨特征及设计人工降雨装置的新方法,运用计算机绘图软件与传统色斑法相结合,探索出一种新的测量雨滴直径与数据处理方法。该方法弥补了传统色斑法在观测与数据转换方面工作冗繁、精度低的缺陷,使测量下限由1mm下降到0.2mm,测量范围扩大了一个数量级,大大减少了测量工作量,并得出雨滴直径与色斑直径率定关系式。对其普适性与优越性进行了检验,结果表明:在应用新方法对降雨雨谱进行分析时,所得公式最佳。     

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.     

沈阳地区天然降雨雨滴特征对坡面产沙量的影响

为了探究沈阳地区天然降雨雨滴特征与产沙量的关系,在天然降雨条件下,使用滤纸色斑法计算雨滴特征,利用野外径流小区（长8 m,宽1 m）采集沙样。运用相关分析法、灰色关联分析法和模糊贴近度分析法分析了降雨强度、雨滴动能、雨滴中值粒径、雨滴终点最大速度和雨滴质量与产沙量的关系。结果表明:经过相关分析和灰色关联分析,影响坡面产沙量的顺序为降雨强度 > 雨滴动能 > 雨滴中值粒径 > 最大雨滴终点速度 > 雨滴质量,模糊贴近度分析表明降雨强度对坡面产沙量的影响最大,降雨动能其次,雨滴质量影响最小。坡面产沙量分别与降雨强度、雨滴中值粒径、雨滴动能呈幂函数关系;天然降雨雨滴中值粒径与降雨强度呈幂函数关系;雨滴中值粒径和雨滴质量是雨滴动能的主要影响因子。     

黄土地区主要树种的林冠降雨特征分析

在人工降雨条件下,采用色斑法对黄土地区4个主要树种幼树进行林冠降雨观测。结合AutoCAD、Excel数据处理软件,在0．1mm径级下分析不同树种的林冠降雨特性,并对比研究林外降雨和不同树种的林下降雨动能。结果表明：1）不同树种林冠降雨雨谱基本不受空旷地降雨强度影响;2）用正态分布函数和类卡方分布函数对林冠降雨雨谱描述和分析容易失真,应寻求更好的数学形式对林冠降雨雨谱进行表达;3）林冠降雨雨滴直径—体积分布密度图是双峰曲线,表明Best函数同样未能对林冠降雨大雨滴作出准确描述,而利用多项式函数直接表达累积体积效果更好;4）不同树种单位水体（1L）的林冠降雨动能大小为侧柏（28．18J）〉油松（26．74J）〉元宝枫（25．75J）〉刺槐（20．07J）,此结论也为在充分降雨条件下判断植被冠层是否增加了降雨动能提供了可比条件。     

密云山区油松人工林内外降雨特性初步研究

采用先进的LNM激光雨滴谱探测仪,连续不问断观测北京密云水库周边山区2006年8月-2007年1月的降水过程;结合以往研究雨滴所采用的方法和成果,从降雨产生能量的机理入手,观测分析了北京密云水库周边人工林林内外降雨雨滴特性和降雨动能的变化.林外天然雨滴平均直径和雨滴中数直径都有随降雨强度的增加而增加的趋势;林外的雨滴直径较林内分布范围小,林外雨滴直径与累积雨量之间的关系曲线较林内平滑;小雨强(≤0.35 mm/h)气象条件下,林内降雨动能显著高于林外降雨动能,可初步认为在小雨强时林冠层对降雨能量有增大作用.     

黄土区坡耕地细沟间侵蚀和细沟侵蚀的研究

利用人工模拟降雨试验,通过在径流小区上覆盖纱网消除雨滴动能和增加雨滴除落高度来增加雨滴功能,并采用翻耕裸露作对照的试验处理,对黄土区坡耕地细沟间侵蚀和细沟侵蚀过程及其机理进行了研究。结果表明,坡面侵蚀产沙过程可明显的分为四个阶段,即溅蚀,细沟间侵蚀、细沟侵蚀和雨后径流侵蚀阶段。     

降雨特性和土壤结构对溅蚀的影响

选用黄土高原地区的安塞黄绵土、绥德黄绵土、杨陵粘黄土、杨陵农地耕层土进行人工降雨溅蚀试验 ,研究了降雨特性和土壤结构对雨滴溅蚀的影响。结果表明 :土壤溅蚀量与降雨强度相关关系的最佳函数为指数函数 ;将降雨动能与雨滴中数直径的乘积 ( Ed50 )定义为降雨溅蚀力 ,降雨溅蚀力与溅蚀量呈线性相关关系。降雨溅蚀力是降雨潜在溅蚀能力的反映 ,对溅蚀降雨侵蚀力因子的研究有一定参考价值 ;溅蚀总量随降雨历时的增加而增加 ,而溅蚀率则随降雨历时的增加而减小 ,其变化过程可用幂函数描述 ;原状土的溅蚀量仅为其扰动土溅蚀量的2 2 %～ 3 0 % ,随降雨强度增大 ,雨滴打击力对土壤结构的破坏作用增强 ,使原状土与扰动土溅蚀量间的差异缩小。     

紫色丘陵区降雨侵蚀力简易算法的模拟

降雨侵蚀力是评价一个地区潜在水力侵蚀危险性和严重程度的重要参数。该文基于野外人工模拟降雨的侵蚀试验,对紫色丘陵区降雨侵蚀力的简易算法进行了模拟研究。结果表明：紫色丘陵区降雨量与土壤侵蚀产流、产沙之间存在极显著正相关,各时段降雨强度I（5、10 、15、30、45 min）能很好地反映紫色丘陵区土壤流失量的变化特征。基于降雨动能E和时段降雨强度的复合因子∑EI5和∑EI10能够很好地反映紫色土丘陵区径流量变化特征,∑EI5可很好地反映该地区土壤流失量变化特征。降雨量P与各时段降雨强度I的复合因子PI5、PI10、PI15对紫色丘陵区坡地产流、产沙起关键作用,尤其是PI5的作用。紫色丘陵区降雨侵蚀力简易计算公式为PI5和∑EI5且二者之间存在定量转换关系,该公式提高了降雨侵蚀力在土壤侵蚀预报模型中的应用价值。对于紫色丘陵区一次降雨而言,5、10、15 min降雨强度及降雨量是水土保持的关键性时段,也是水土资源利用的最佳调控时段;尤其是前5 min的雨强、雨滴大小分布、降雨量对坡地水土流失起重要作用。     

密云山区林冠层对天然降雨能量影响的初步研究

通过定点长期激光雨滴谱(LNM)观测,对北京密云山区油松林内外降雨动力学特征进行了对比研究。结果表明,林外天然雨滴平均直径和雨滴中数直径都有随降雨强度的增加而增加的趋势;林外的雨滴直径较林内分布范围小,林外雨滴直径与累积雨量之间的关系曲线较林内平滑;小雨强(≤0.55 mm/h)气候条件下,林内降雨动能显著高于林外降雨动能,可初步认为在小雨强时林冠层对降雨能量有增大作用。     

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。