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。     

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。     

用人工模拟降雨仪研究我国亚热带土壤的可蚀性

用人模拟降雨仪研究了我国亚热带７种有代表性土壤的可蚀性，结果表明土壤可蚀性因子Ｋ值以紫色土最高，第四纪红色粘土发育的土类最低，该文还用诺谟方法估算了土壤可蚀性因子Ｋ值，但其中大部分与人工模拟降雨仪测得的相差较大，因此，认为该地区极大多数土壤类型不能直接用诺谟图方法来估算土壤可蚀性因子Ｋ值。     

基于人工模拟降雨的垂直侵蚀研究

凭借人工模拟降雨装置,对大红山工矿区弃石场的土壤与沙砾间的横向与纵向的垂直侵蚀状况比较,分析了影响垂直侵蚀的主要因素.结果表明:(1)垂直侵蚀物质输移量随深度的增加而减少,随降雨强度的增加而增加;(2)加剧垂直侵蚀的主要土壤物理性质是降雨强度、降雨量和土壤渗透性;(3)抑制垂直侵蚀的主要土壤物理性质是土壤容重、土壤初始含水量;(4)土壤化学性质对垂直侵蚀的影响主要通过土壤物理性质表现出来.     

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。     

工程弃土土壤侵蚀人工模拟降雨试验研究

在测定弃土粒径组成及含水量的基础上,用14．10 Pocket Vane Tester型三头抗剪仪对试验区土壤抗剪强度进行了测定;用人工模拟降雨的方法,对原地貌、新近堆土和堆积1年的弃土做了土壤侵蚀特征研究。结果表明：①有植被保护的原地貌产流时间滞后于弃土近1h,弃土产沙量达到0．927kg,是原地貌的2．06倍。②在场降雨过程中,弃土产流量是原地貌产流量的1．21倍,径流系数分别为：原地貌0．12,弃土0．62;弃土产沙远远多于原地貌,初始合沙量：原地貌〈弃土,分别为24kg／m^3,145kg／m^3,并且随着产流量的增加而增加。③随着弃土堆积时间的加长,抗剪强度不断增大,弃土细粒含量降低,含水量反而增大。     

人工模拟降雨试验降雨特性及问题分析

由于试验的需要和人工模拟降雨的优点,越来越多的研究者采用人工模拟降雨。但在大量的试验中,人工模拟降雨试验的降雨特性与天然降雨特性之间联系不够紧密,对应特性之间存在差异。除了人工模拟降雨特性与天然降雨特性的不统一性外,人工模拟降雨试验中还存在一些自然与非自然因素导致的问题,在关注并逐一克服这些问题的同时,将人工模拟降雨和高科技技术,如GPRS等结合起来,应用于更广阔的领域。     

人工模拟降雨条件下3种多年生牧草水土保持能力分析

采用人工模拟降雨方法,以耕地和裸地为对照,对3种多年生牧草进行水土保持能力分析。结果表明:产流时间依次为裸地耕地三叶草狼尾草狗尾草,在76mm/h雨强下径流量、1h径流和泥沙累积量、土壤侵蚀量依次是耕地裸地三叶草狼尾草狗尾草,在53mm/h雨强下泥沙量、1h径流和泥沙累积量、土壤侵蚀量依次是裸地耕地三叶草狼尾草狗尾草。3种牧草均有很好的水土保持效果,其中狗尾草水土保持效果最好,三叶草相对较差。     

人工降雨条件下施加粉煤灰对耕作土壤结构和水土流失的影响研究

利用人工模拟降雨试验,研究了0°～20°坡度下的耕作土壤施加0～10%的粉煤灰后,对土壤结构和入渗、产流、产沙的影响。研究结果表明：随农田耕作层中粉煤灰含量的增加,土壤入渗速率明显加快,含10%粉煤灰土壤的入渗速率,较对照(土壤不加粉煤灰)提高了55.34%;施加粉煤灰降低了土壤容重,增加了土壤孔隙度,含10%粉煤灰的土壤,在10°坡时的容重较对照减小了17.42%,而孔隙度提高了9.84%;坡面产流量和土壤流失量降低,含10%粉煤灰的土壤,在20°坡时的产流量仅为对照的26.87%。因此,施加10%的粉煤灰,可有效改善土壤结构和蓄水减沙,具有较高的实用价值。     

人工草地覆盖条件下降雨入渗影响因素的实验研究

目前关于降雨入渗的研究很少同时探讨多种因素的影响及相应的定量关系,该文在植草坡地人工模拟降雨实验基础上,分析了人工草地盖度、雨强、土壤质地等因素对黄土坡面降雨入渗规律的影响。研究结果表明：当其他条件不变时,草地盖度越大,初始和稳定入渗率更高,入渗补给系数越大。在其他条件一定时,雨强越大,初始和稳定入渗率都越大,累积入渗量和入渗补给系数也更大。同等条件下黄绵土入渗性能优于土娄土。不同雨强下,黄绵土坡面降雨入渗率可最终表示为降雨历时和草地盖度的两参数函数;土娄土入渗率和累积入渗量均可表示为时间和草地盖度的两因素函数关系;黄绵土入渗补给系数可描述为草地盖度和雨强的两因素函数关系。     

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。     

紫色丘陵区侵蚀性降雨与降雨侵蚀力特征

降雨侵蚀力（R值）的空间分布反映了区域气候对土壤侵蚀的作用。利用四川盆地紫色丘陵区多年实测降雨资料,应用频率分析法,推求该地区侵蚀性降雨的一般雨量标准,揭示该地区侵蚀性降雨及其侵蚀特征,进而运用降雨侵蚀力日降雨量计算方法,分析紫色丘陵区降雨侵蚀力时空分布特征。结果表明：1）紫色丘陵区顺坡休闲农耕地的侵蚀性降雨的一般雨量标准为11．3mm;2）紫色丘陵区多年平均总降雨量中有60％以上属于侵蚀性降雨,侵蚀性降雨主要集中于5—9月,其中7、8月年均侵蚀性降雨量和土壤侵蚀量最大,空间分布上表现为丘陵区边缘地区大于中部地区;3）紫色丘陵区年均R值介于5000～6500MJ／（mm·hm^2·h）之间,由丘陵区周边向中心逐渐减小,研究区北部的巴中、达县、阆中3站的年均降雨侵蚀力形成高值区,中部的遂宁站形成低值中心,北部大于南部,西部大于东部;4）紫色丘陵区R值主要由≥15mm的降雨构成,占76．9％-82．1％,年内集中度较高,主要分布在汛期5—10月份,占年R值的89％以上;5）R值的年际变化较大,达到中等程度变异,不同地区的R值年际变化差异较大,但并未表现出明显的随时间变化的增减趋势。     

不同降雨模式下石灰土坡地地表侵蚀特征

采用人工模拟降雨的方法,研究不同降雨模式下石灰土坡地的地表侵蚀特征.结果表明：1）降雨总量为102mm,降雨强度为2.03 mm/min时,地表累积产沙量多达1 201.86 g,降雨强度为0.37 mm/min时,产生的地下土流失量最多为6.563 g;2）降雨时间均为90 min,降雨强度由强变弱时地表产沙量最多为796.7 g,降雨强度由弱变强时产生的延续产沙量最多为41.38 g,此时产生的地下土流失量仅为4.923 g;3）影响地表产沙量的主要因素是降雨强度,影响延续产沙量最显著的因子是降雨后期降雨强度,而降雨时间的长短决定了地下土流失量.     

稀土元素(REE)示踪土壤侵蚀动态过程的降雨模拟试验研究

该文应用稀土元素(REE)示踪法研究土壤侵蚀发生和发展动态过程的方法,分析了土壤侵蚀沿坡面变化的规律。采用Dy、La、Sm、Yb、Ce、Eu、Nd、Tb等8个REE进行了一系列的人工降雨模拟试验,并采用3个雨强(50,100和150 mm/h)和5个坡度(8.74%,17.63%,36.4%和46.63%),分Ⅰ、Ⅱ2个降雨阶段进行,定量分析了土壤表面雨水动力特征与土壤侵蚀之间的动态平衡过程,揭示了土壤侵蚀发生和发展的过程及土壤侵蚀沿坡面分布的规律,结果表明雨强和坡度越大的条件下,侵蚀率越大的区段越靠近坡的顶端,这与细沟发生的部位完全吻合。     

降雨类型对褐土横垄坡面土壤侵蚀过程的影响

雨型是影响土壤侵蚀过程的重要因子之一,而影响效应与耕作措施密切相关。目前,雨型对横垄坡面土壤侵蚀过程的影响机制尚不清楚。该文以褐土横垄坡面为研究对象,设计了平均雨强和降雨量相同的4种雨型(增加、减弱、增加-减弱和减弱-增加型),采用可同时调节垄向和坡面坡度的土槽进行模拟降雨,研究各个雨型下不同侵蚀阶段的产流产沙特征。结果表明:雨型间的径流量和侵蚀量在细沟间和细沟侵蚀阶段均差异显著,且差异在细沟阶段体现的更为明显。雨型间径流量的大小顺序为增加-减弱型减弱型减弱-增加型增加型,侵蚀量则为增加-减弱型减弱-增加型减弱型增加型。给定雨强下(30、60或90 mm/h),径流量、径流贡献率和侵蚀量贡献率均随降雨过程中雨强发生时序的延迟而增加,而单位径流侵蚀量呈相反趋势;雨型间给定雨强同一发生时序下的径流量和侵蚀量及其它们对总径流量和总侵蚀量的贡献率均差异显著。4种雨型下,幂函数均能很好的描述细沟间和细沟侵蚀阶段内产沙率与径流率间的关系,且方程中的指数均低于2,但雨型间幂函数方程中的指数存在明显差异。以上研究结果有助于深入理解褐土垄作系统下的土壤侵蚀机理,并为横坡垄作的合理利用提供科学指导。     

人工模拟降雨下汶川震区滑坡堆积体产沙规律

为明确震区滑坡堆积体坡面产沙的特点,该文采用室内人工模拟降雨试验,对不同土石比(质量比为1:1、1:2、1:4)的滑坡堆积体侵蚀产沙规律进行研究。结果表明,同一土石比不同降雨强度与同一雨强不同土石比条件下,震区滑坡堆积体产沙随时间的变化形式,为波动型和平缓型。土石比和雨强对滑坡堆积体径流含沙量有显著影响,即当滑坡堆积体土石比为1:1时,稳定产沙率随着雨强增大而增大,即2.80 g/min(1.0 mm/min)7.76 g/min(1.5 mm/min)10.84 g/min(2.0 mm/min);在土石比为1:2雨强1.0 mm/min时没有产流产沙,1.5 mm/min雨强条件下的产沙率小于雨强2.0 mm/min的产沙率;土石比为1:4的滑坡堆积体在整个试验过程中没有产流产沙。土石比与平均产沙率、累积产沙量的偏相关系数相比于雨强更大,累积径流量和累积产沙量为极显著线性关系。研究为汶川震区滑坡堆积体的水土流失预测和治理提供理论依据。     

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。