人工模擬降雨裝置及其應(yīng)用介紹

代 肖，張海濤，周大邁，張愛軍

(1．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定071000;2．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，河北保定071000;3．河北省山區(qū)研究所，河北保定071000)

水土流失是我國嚴(yán)重的生態(tài)問題?！?010年中國環(huán)境狀況公報》顯示，我國水土流失面積已經(jīng)占到國土總面積的37.2%，達(dá)356.92 萬km2［1］。但是，截至2009年底，全國累計完成的水土流失綜合治理面積僅有104.54 萬km2，占國土總面積的10.9%。隨著國家對水土流失治理的重視，我國在水土流失的主要地區(qū)設(shè)置了典型監(jiān)測點(diǎn)觀測水土流失狀況，在水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)布設(shè)徑流泥沙觀測場進(jìn)行觀測，積累了大量的觀測數(shù)據(jù)，這對開展水土流失綜合防治提供了很大的支持［2］。

在20 世紀(jì)中期之前，對土壤侵蝕的研究多依賴于天然降雨，由于天然降雨觀測所需的時間很長，且各種因素難以人為控制，給數(shù)據(jù)的采集和分析帶來了一定的難度。人工模擬降雨裝置可應(yīng)用于土壤侵蝕等方面的研究，可彌補(bǔ)天然降雨的不足，提高科學(xué)研究效率，從而加快水土流失防治［3］。本研究主要介紹近20年來人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展及目前應(yīng)用情況。

1 人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展與分類

1.1 人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展

美國早在20 世紀(jì)20年代就開始采用人工模擬降雨的方法研究坡面土壤侵蝕過程，我國則從20 世紀(jì)50年代開始應(yīng)用人工模擬降雨裝置進(jìn)行土壤入滲試驗［3］。采用人工模擬降雨裝置進(jìn)行試驗不依賴于天然降雨，使得試驗所需要的時間大大縮短，能加快研究進(jìn)程［4］。同時，由于能通過人工模擬降雨裝置對試驗的各項條件進(jìn)行人為控制，試驗的可行性和數(shù)據(jù)的可靠性都得到提高［5］，故人工模擬降雨裝置得到了廣泛應(yīng)用。

目前的人工模擬降雨裝置研制主要向微型化和大型化兩個方面發(fā)展［3］。微型的人工模擬降雨裝置移動方便，能夠廣泛地應(yīng)用到野外各項試驗中，使試驗更加方便和快捷;大型人工模擬降雨裝置則能夠更加逼真地模擬天然降雨的真實(shí)情況。

1.2 人工模擬降雨裝置的分類

按雨滴的形成方式劃分，人工模擬降雨裝置主要可分為4種類型，即噴嘴式、噴灑式、懸線式和針頭式［3］。噴嘴式由噴嘴將由噴孔噴出的水分散成大小不一的水滴，經(jīng)過一定高度的降落形成降雨，使用者可以通過使用不同規(guī)格的噴頭調(diào)節(jié)孔徑的大小和變化供水壓力來改變雨強(qiáng);噴灑式是在一些平行的細(xì)管上鉆有小孔，通過調(diào)節(jié)孔徑和供水壓力，使從小孔噴出的水滴以不同的雨強(qiáng)落入地面;懸線式是水在懸線中以水滴形式離開并降落到地面，這種形式模擬的雨滴大小是均勻的，且初始降落速度為0;針頭式是水滴通過針頭末端降落到地面［3］。在4種類型中，噴嘴式和噴灑式所產(chǎn)生的雨滴具有一定的初始速度，且雨滴直徑不均勻，比較符合天然降雨的實(shí)際情況;而懸線式和針頭式的雨滴直徑比較均勻，與天然降雨有一定的差別。

2 人工模擬降雨裝置的基本要求

人工模擬降雨要想達(dá)到和天然降雨完全一樣的狀況是不可能的。為了使人工模擬降雨和天然降雨盡量產(chǎn)生相同的效果，人工模擬降雨裝置應(yīng)當(dāng)滿足以下條件:

(1)達(dá)到設(shè)計雨強(qiáng)。不同的試驗所要求的雨強(qiáng)不同，人工模擬降雨裝置應(yīng)該有較大的雨強(qiáng)范圍，以此來滿足試驗要求。

(2)所產(chǎn)生的降雨應(yīng)具有一定的均勻性。由于天然降雨均勻度一般大于80%［3］，為了使人工降雨與天然降雨盡量一致，同時也為了減小試驗誤差，人工降雨的均勻度應(yīng)大于80%。

(3)能模擬天然降雨的雨滴譜。天然降雨由很多大小不同的雨滴組成，不同直徑雨滴所占的比例與很多因素有關(guān)，特別是降雨強(qiáng)度［6］。一般用雨滴中數(shù)直徑來表征雨滴譜。

(4)終點(diǎn)速度。雨滴的落地速度是人工模擬降雨裝置設(shè)計中十分重要的一個參數(shù)，在天然降雨條件下雨滴到達(dá)地表時都達(dá)到了相應(yīng)的終點(diǎn)速度。由于雨滴的終點(diǎn)速度直接影響著降雨動能，而降雨動能則是降雨侵蝕力的動力來源，因此是否能達(dá)到終點(diǎn)速度，是人工模擬降雨與天然降雨是否吻合的重要指標(biāo)。

(5)人工模擬降雨裝置應(yīng)該能夠穩(wěn)定、持續(xù)地滿足操作者所要求達(dá)到的雨強(qiáng)，并具備可重復(fù)性，這樣才能使試驗得到的數(shù)據(jù)可靠和有效。用于野外試驗的人工降雨設(shè)備還應(yīng)該便于拆卸和運(yùn)輸。

在裝置使用中，水質(zhì)尤為重要。如果水質(zhì)不好，則易使噴頭等形成雨滴的部件發(fā)生堵塞，從而影響降雨的均勻性。改善水質(zhì)，保證水過濾器的過濾效率可減少雨滴發(fā)生部件堵塞。

3 我國人工模擬降雨裝置的研制現(xiàn)狀

我國現(xiàn)在已經(jīng)研制出了許多適用于室內(nèi)與野外各種試驗條件和研究目的的人工模擬降雨裝置，主要有以下幾種:①孫超圖等［7］研制的摻氣噴灑式極小雨強(qiáng)降雨裝置，使用摻氣方法減小噴灑式降雨器的降雨強(qiáng)度，用移動的方法提高降雨均勻度，從而使雨強(qiáng)達(dá)到0.013～0.36 mm/min 范圍，均勻度達(dá)到90%以上。②吳長文等［3］研制的擺噴式人工降雨機(jī)可用于陡坡坡面流及坡面侵蝕研究。該人工降雨裝置既克服了微型化降雨器不能研究土壤侵蝕的缺點(diǎn)，又避免了大型設(shè)備搬運(yùn)困難以及動力和用水量要求較大的問題，但該設(shè)備不宜在試驗中進(jìn)行變雨強(qiáng)試驗，且易受風(fēng)力影響。③劉素媛等［8］研制的SB—YZCP 人工模擬降雨裝置為組合式結(jié)構(gòu)，安裝拆卸迅速，運(yùn)輸方便，性能穩(wěn)定，控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，噴射距離可調(diào)，雨強(qiáng)、雨滴動能、雨滴大小分布(中數(shù)直徑)等降雨特征值與天然降雨特征值基本一致。④陳文亮等［9］研制的SR 型人工降雨裝置是一種多噴頭、多單元組合式的間歇降雨裝置，其在噴頭處輔以使噴頭往返擺動的機(jī)械裝置，可增加噴頭的灑水面積和均勻度，同時以間歇方式降雨來滿足其降雨強(qiáng)度，雨滴的大小和分布與自然降雨相似。⑤高小梅等［10］為進(jìn)行現(xiàn)場核素遷移試驗而研制的人工模擬降雨裝置，采用醫(yī)用注射針頭在一圓圈內(nèi)震動灑落水滴模擬降雨，其降雨強(qiáng)度可變化范圍寬(小降雨器2～100 mm/h、大降雨器4～100 mm/h)。該裝置與采用噴嘴噴淋的裝置相比，便于控制降雨面積、降水量和總給水量，設(shè)計人員采用錐形接針座連接針頭，以便在運(yùn)行過程中快速更換堵塞的針頭，從而保證了降雨的質(zhì)量。⑥沈波等［11］使用的西安理工大學(xué)資源研究所室內(nèi)人工降雨裝置為X 型噴灑式降雨噴頭，通過改變噴口的大小和進(jìn)水管壓力來產(chǎn)生不同強(qiáng)度的降雨(Ⅰ=0.2～4.5 mm/min)，降雨開始與結(jié)束的全變化過程由電腦自動控制。⑦張光輝等［6］介紹的槽式人工模擬降雨機(jī)，其各項技術(shù)參數(shù)與天然降雨十分吻合，安裝、拆卸和運(yùn)輸都很方便且為循環(huán)用水，用水量較少，但這種降雨機(jī)比較昂貴。同時，與其他降雨裝置類似，該降雨裝置也未實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度的連續(xù)變化，與實(shí)際降雨過程還存在一定的差異，這是其需要改進(jìn)的地方。

4 人工模擬降雨裝置在水土保持和養(yǎng)分流失研究中的

4.1 人工模擬降雨裝置在水土保持研究中的應(yīng)用

在產(chǎn)沙規(guī)律和侵蝕形成的原因等方面，人工模擬降雨裝置主要有以下應(yīng)用:①吳欽孝等［12］利用人工模擬降雨裝置，對不同地類的產(chǎn)沙特征進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果顯示不同地類產(chǎn)沙量大小依次為喬木林地＜灌木林地＜草地＜裸地＜農(nóng)地，其產(chǎn)沙比視雨強(qiáng)和坡度的不同而變化，陡坡農(nóng)地是侵蝕產(chǎn)沙的主要源地。坡度和雨強(qiáng)對產(chǎn)沙有重要作用，其中雨強(qiáng)效應(yīng)更甚，暴雨是引起侵蝕產(chǎn)沙的主要動力。②趙西寧等［13］利用人工模擬降雨裝置研究了不同耕作管理措施對坡耕地降雨入滲的影響，其結(jié)果表明，不同耕作管理措施對提高土壤入滲速率的效果不同，等高耕作最為顯著，其次是人工掏挖和人工鋤耕，在中小坡度和中小雨強(qiáng)條件下，這種效果表現(xiàn)更為明顯。③蔡強(qiáng)國等［14］通過間隔為11 h 的二次人工模擬降雨和沖蝕槽試驗研究了10種土壤的侵蝕過程，發(fā)現(xiàn)在第二次降雨中大多數(shù)土壤出現(xiàn)了細(xì)溝侵蝕。分析發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚體分散度、崩解速率與滲透系數(shù)之比兩個指標(biāo)能較好地預(yù)測細(xì)溝侵蝕發(fā)生的可能性，同時也能很好地預(yù)測侵蝕產(chǎn)沙量。④連振龍等［15］分析了延安燕溝流域近年來的降雨觀測資料以及野外人工降雨試驗數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明降雨因素的影響在造成輸沙量減少的原因中約占30%，而以植被建設(shè)為主的水土保持措施的影響約占70%。⑤趙勇鋼等［16］通過對不同退耕年限坡地在不同雨強(qiáng)下的土壤入滲性能的研究，分析了土壤結(jié)構(gòu)特征對入滲的影響。研究結(jié)果表明，隨著退耕年限的延長，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)、孔隙狀況得到明顯改善。⑥肖培青等［17］利用自行設(shè)計的雙土槽徑流小區(qū)系統(tǒng)和人工模擬降雨試驗研究方法，研究了黃土坡面侵蝕方式演變對坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響，分析了溝蝕發(fā)育不同階段對坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)。⑦王玉霞等［18］采用人工模擬降雨裝置研究了不同雨強(qiáng)、坡度以及PAM(聚丙烯酰胺)使用量條件下初次及二次降雨紫色土壤中流的產(chǎn)流過程及其氮磷流失特征，結(jié)果表明:第一次降雨中總氮、總磷流失量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第二次的降雨，其原因是第二次降雨中紫色土產(chǎn)流時間比第一次明顯提前且產(chǎn)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一次。同時試驗結(jié)果也表明，PAM 對減少紫色土地表徑流量起著重要作用。

研究者還利用人工模擬降雨裝置研究了不同改良措施對土壤結(jié)構(gòu)和保水保肥能力的影響:①段喜明等［19］采用人工模擬降雨試驗分析了不同粉煤灰含量對土壤結(jié)構(gòu)和水土流失的影響，認(rèn)為施加10%的粉煤灰可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)和其蓄水保土能力，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著較高的實(shí)用價值。②Tejada 等［20］通過4年的時間，研究了軋棉機(jī)粉碎堆肥(CCGC)、提取橄欖油后所得到的副產(chǎn)物(BOO)、污水污泥(SS)和城市固體有機(jī)廢棄物(MSW)4 種副產(chǎn)品在人工模擬降雨條件下對土壤質(zhì)量和土壤流失量的影響，結(jié)果表明:這4 種有機(jī)副產(chǎn)品都能夠降低土壤容重、團(tuán)聚體不穩(wěn)定性和土壤流失量，且前兩者的效果比后兩者要好，并認(rèn)為這是由于它們含有更多的腐植酸。③Wu 等［21］通過室內(nèi)試驗和野外人工降雨相結(jié)合的方法，研究了聚丙烯酸(PPA)、聚乙烯酒精(PTA)和脲醛縮聚物(UR)3 種不同的改良劑對黃土高原土壤結(jié)構(gòu)和土壤流失量的影響，結(jié)果表明:使用改良劑后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、透氣性和含水量都得到了提高，密度呈下降趨勢，應(yīng)用于坡地能夠降低徑流速度，減少雨滴沖擊力和流水侵蝕力，降低表面結(jié)痂和提高水的滲透能力，從而減少土壤侵蝕量。④Xiao Bo 等［22］對黃土高原不同斜坡上人工培植的生物結(jié)皮進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在實(shí)驗室條件下種植以苔蘚為主的生物結(jié)皮(苔蘚結(jié)皮)是可行的，這些苔蘚結(jié)皮能顯著增加滲透，從而減少坡面徑流，這對于保護(hù)陡峭山坡顯得尤為重要，同時它還能延遲徑流形成的時間。

4.2 人工模擬降雨裝置在養(yǎng)分流失中的應(yīng)用

暴雨造成的農(nóng)田土壤侵蝕不僅導(dǎo)致氮磷等養(yǎng)分流失和土地生產(chǎn)力的下降，而且引起水體的富營養(yǎng)化和污染，因而成為水體富營養(yǎng)化的限制因子［23］。黃滿湘等［24］通過室內(nèi)模擬降雨試驗，對侵蝕泥沙的粒徑分布特征及其對氮磷的富集作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:侵蝕泥沙的團(tuán)聚體組成和原來土壤有很大差異，侵蝕泥沙氮磷富集系數(shù)隨時間推延而減小，并與侵蝕泥沙累積流失量之間呈顯著的對數(shù)線性相關(guān)。單保慶等［25］以人工模擬降雨的方式，對巢湖邊旱作表層土壤在降雨后所產(chǎn)生的磷遷移過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:降雨強(qiáng)度和土壤表層作物覆蓋度影響表面流和土壤內(nèi)部壤中流的動態(tài)過程，高的農(nóng)田作物覆蓋度能促進(jìn)壤中流、減緩表面流，在中到大雨條件下，表面徑流中的磷遷移量是壤中流的3～4 倍。馬琨等［26］利用人工模擬降雨裝置，對室外自然坡地紅壤的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及養(yǎng)分流失情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，雨強(qiáng)較大時土壤養(yǎng)分以泥沙形式隨徑流遷移，雨強(qiáng)較小時則以可溶態(tài)養(yǎng)分為主。

5 結(jié) 語

人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由人工控制到電腦控制的轉(zhuǎn)變，但是由于天然降雨的復(fù)雜性，要做到很精確地模擬天然降雨仍面臨著較大的困難。由于人工模擬降雨裝置在試驗中有其優(yōu)越性，因此目前已經(jīng)能夠應(yīng)用其研究得出的試驗數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的模型來預(yù)測預(yù)報水土流失的發(fā)生，為山區(qū)的自然災(zāi)害提供預(yù)警，這對減少自然災(zāi)害帶來的損失是很有意義的?？梢韵嘈?，在今后的土壤侵蝕研究中，應(yīng)用人工模擬降雨裝置進(jìn)行試驗已成為必然的選擇。

［1］2010年中國環(huán)境狀況公報［R］．北京:中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部，2011．

［2］2009年中國水土保持公報［R］．北京:中華人民共和國水利部，2010．

［3］吳長文，徐靈娟．?dāng)[噴式人工降雨機(jī)的特性試驗［J］．南昌大學(xué)學(xué)報:工科版，1995，17(1):58－66．

［4］岳紅光，曲艷杰．用人工降雨法進(jìn)行土壤侵蝕的研究［J］．吉林林學(xué)院學(xué)報，1998，14(4):208－211．

［5］王潔，胡少偉，周躍．人工模擬降雨裝置在水土保持方面的應(yīng)用［J］．水土保持研究，2005，12(4):188－194．

［6］張光輝，劉寶元，李平康．槽式人工模擬降雨機(jī)的工作原理與特性［J］．水土保持通報，2007，27(6):56－60．

［7］孫超圖，解建寶，李占斌．摻氣噴灑式極小雨強(qiáng)降雨裝置試驗研究［J］．水土保持學(xué)報，1994，8(4):91－95．

［8］劉素媛，韓奇志，聶振剛，等．SB—YZCP 人工降雨模擬裝置特性及應(yīng)用研究［J］．土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1998，4(2):47－53．

［9］陳文亮，唐克麗．SR 型野外人工降雨模擬裝置［J］．水土保持研究，2000，7(4):106－110．

［10］高小梅，李兆麟，賈雪，等．人工模擬降雨裝置的研制與應(yīng)用［J］．輻射防護(hù)，2000，20(1－2):86－90．

［11］沈波，鄭南翔，田偉平．路基壓實(shí)黃土坡面降雨沖蝕試驗研究［J］．重慶交通學(xué)院學(xué)報，2003，22(4):64－67．

［12］吳欽孝，趙鴻雁，韓冰．黃土丘陵區(qū)草灌植被的減沙效益及其特征［J］．草地學(xué)報，2003，11(1):23－26．

［13］趙西寧，王萬忠，吳發(fā)啟．不同耕作管理措施對坡耕地降雨入滲的影響［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，32(2):69－72．

［14］蔡強(qiáng)國，朱遠(yuǎn)達(dá)，王石英．幾種土壤的細(xì)溝侵蝕過程及其影響因素［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(1):12－18．

［15］連振龍，劉普靈，陳翠紅，等．黃土丘陵溝壑區(qū)林草植被恢復(fù)的減沙效益研究［J］．水土保持通報，2008，28(1):10－13．

［16］趙勇鋼，趙世偉，曹麗花，等．半干旱典型草原區(qū)退耕地土壤結(jié)構(gòu)特征及其對入滲的影響［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(6):14－20．

［17］肖培青，鄭粉莉，汪曉勇，等．黃土坡面侵蝕方式演變與侵蝕產(chǎn)沙過程試驗研究［J］．水土保持學(xué)報，2008，22(1):24－27．

［18］王玉霞，龍?zhí)煊?，盧齊齊．二次降雨條件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究［J］．中國水土保持，2011(5):33－35．

［19］段喜明，吳普特，王春紅，等．人工降雨條件下施加粉煤灰對耕作土壤結(jié)構(gòu)和水土流失的影響研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(8):50－53．

［20］Tejada M，Gonzalez J L．Influence of organic amendments on soil structure and soil loss under simulated rain［J］．Soil ＆Tillage Research，2007，93:197－205．

［21］Wu S F，Wu P T ，F(xiàn)eng H，et al．Influence of amendments on soil structure and soil loss under simulated rainfall China’s loess plateau［J］．African Journal of Biotechnology，2010，9(37):6116－6121．

［22］Xiao Bo，Wang Qing-hai ，Zhao Yun-ge，et al．Artificial culture of biological soil crusts and its effects on overland flow and infiltration under simulated rainfall［J］．Applied Soil Ecology，2011，48:11－17．

［23］王全九，王文焰，沈冰，等．降雨—地表徑流—土壤溶質(zhì)相互作用深度［J］．土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1998(2):41－46．

［24］黃滿湘，周成虎，章申，等．農(nóng)田暴雨徑流侵蝕泥沙流失及其對氮磷的富集［J］．水土保持學(xué)報，2002，16(4):13－16，33．

［25］單保慶，尹澄清，于靜，等．降雨—徑流過程中土壤表層磷遷移過程的模擬研究［J］．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2001，21(1):7－12．

［26］馬琨，王兆騫，陳欣，等．不同雨強(qiáng)條件下紅壤坡地養(yǎng)分流失特征研究［J］．水土保持學(xué)報，2002，16(3):16－19．