人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)

王博

摘 要：本文對人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)由多個部件與子系統(tǒng)組成，包括人工降雨裝置、排水裝置、產(chǎn)流量測算裝置等。這些分工明確的裝置各司其職，同時加上計算機(jī)系統(tǒng)輔助，先進(jìn)性較高，能夠根據(jù)外部環(huán)境的需求進(jìn)行相關(guān)指數(shù)調(diào)節(jié)，最大限度的滿足需要，這也促使其應(yīng)用范圍被不斷擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：人工降雨;徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng);優(yōu)勢;結(jié)構(gòu)組成

人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)涉及水文、土壤等專業(yè)領(lǐng)域，因此這些方面的工作也要得到兼顧，系統(tǒng)上的一些器材會有涉及，其次降雨形成過程、產(chǎn)流、土壤水運動等都需得到系統(tǒng)的兼顧，因此試驗過程都會所涉及。

一、現(xiàn)有人工降雨模擬器技術(shù)的不足

人 工降水徑流模擬從20世紀(jì)中期開始一直是研究水循環(huán)中降水.截留、下滲及土壤水運動重要方式之- -， 有效的彌補了觀測天然降水徑流資料的不足?，F(xiàn)在隨著人類活動的影響，植被、土壤都再不斷的發(fā)生變化，水文學(xué)研究仍在做著人工降水徑流實驗。傳統(tǒng)人工降水徑流模擬大部分都是在野外完成，選取的場地都很大，比如中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在河北易縣設(shè)置的人工降水徑流實驗場，在野外最大的好處是能夠更接近于真實的天然情況，模擬精度高，問題是實驗成本高，運行維護(hù)不方便。為了運行維護(hù)的方便，很多高校和研究所將人工降水徑流儀器搬到了室內(nèi)，如中科院地理所與河海大學(xué)均建立了人工降水大廳，大廳面積超過50平米，相對于野外實驗運行與維護(hù)要方便很多，但成本仍然很高。

1.不夠便捷?，F(xiàn)有的人工降水儀器設(shè)備在形成雨滴、控制雨強時，需要對應(yīng)不同的噴頭或是降水設(shè)備，因此這些依據(jù)不同需求而研究出的各種對應(yīng)設(shè)備就會占用很多的時間與金錢，同時各種各樣的設(shè)備在功能方面雖然具備自身的優(yōu)勢，但是也會因為體積過大、不夠靈活、精確度不夠高無法讓整個降水過程更加順利。

2.成本高，無法在課堂上進(jìn)行實驗演示。一些降水徑流設(shè)備不夠便捷，體積過大，導(dǎo)致設(shè)備只能在某地或是謀區(qū)域使用，同時在對相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行實驗展示的時候，會因為設(shè)備體積過大，操作過于復(fù)雜而無法將過程展示的完全。同時有些設(shè)備的零部件過多多重，甚至現(xiàn)場采購后，無法直接安裝，需要將各個組件運輸?shù)叫枰褂玫膮^(qū)域后，組織安裝。

3.不同研究學(xué)科的設(shè)計差別大，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如水保專業(yè)的研究學(xué)者注重水滴設(shè)計，而土壤研究部門在設(shè)計人工降雨設(shè)備時，比較關(guān)注土壤水運動設(shè)計。同時有些正在使用的人工降雨模擬器的使用環(huán)境要求較高，一些在室內(nèi)可以穩(wěn)定發(fā)揮作用的設(shè)備到了室外就會因為坡度、角度等方面的因素不合適，而出現(xiàn)功能無法發(fā)揮或是功能發(fā)揮受到影響的情況。

二、人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

此實驗系統(tǒng)的組成部分主要包括人工降雨裝置;徑流與土壤水形成裝置;排水裝置;產(chǎn)流量測算裝置等，人工降雨裝置主要由供水裝置與雨滴形成裝置構(gòu)成，供水裝置主要依靠水泵進(jìn)行水資源供給，熱水泵的輸出管道與雨滴形成裝置連接;水泵的輸出管上會安裝調(diào)節(jié)閥門與流速儀器;雨滴形成裝置是一個類似直立方形的容器，共分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層是透水鋼絲網(wǎng)構(gòu)成的內(nèi)壁，外層則是一些透明材料構(gòu)成的，內(nèi)部與外部之間是由多層不透水的分層鋼板連接，同時對應(yīng)容器外壁一側(cè)還會設(shè)置一列或是多個縱向排列的測流管，每層分層鋼板會分別對應(yīng)在每根測流管的下方。

方形容器的框架材料是鋼鐵，四個角會被安裝上一個可以升降的豎直撐桿，撐桿上的上端會有孔管道組;同時容器的內(nèi)部會有起填充作用的土壤層，這些帶孔的管道會被放置在容器的正上方，而容器的側(cè)壁的位置會設(shè)置標(biāo)尺;排水裝置會被設(shè)置在土壤的底部，會被直接組成為是一個安裝在容器框架上的帶孔鋼架，鋼絲網(wǎng)上還可以找到一些帶孔的鋼架。產(chǎn)流量測算裝置與測流管的引水管相連，可以將水直接收集到量杯中進(jìn)行測量，所述產(chǎn)流量測算裝置使用的是電子測算方式，同時量杯的底部還會安裝壓力傳感器，與單片機(jī)連接，同時再與計算機(jī)相連，可以對收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)。與測流管相連的引水管上會安裝過濾器，同時各個測流管之間的間距為10cm，連接容器的內(nèi)部與外部兩層鋼板之間的間距也是10cm;土壤層上的會植一些假草，同時這些土壤是由沙土和石子構(gòu)成。

三、具體實施方式

實驗系統(tǒng)主要由人工降雨裝置、徑流、土壤水形成裝置、產(chǎn)流量測算裝置等。人工降雨裝置包括供水裝置與雨滴形成裝置。徑流及土壤水形成裝置這個直立容器，截面也是正方形，同時邊長為50cm，底端到容器頂端的高度為70cm，容器內(nèi)部填充的土壤層的下端會安裝一個固定的容器框架，同時框架上還會安裝一個帶孔的鋼架，鋼架頂部會有一個鋼絲網(wǎng)與帶孔鋼架構(gòu)成的結(jié)構(gòu)是排水裝置，可以保證排水過程通暢順利，同時可以方便土壤水的運動情況，配合實時監(jiān)控，容器的側(cè)壁會有一個縱向排列的測流管。

雨滴形成裝置是一組被安裝在徑流與土壤水形成裝置的容器上，這個容器的上部會安裝一個帶有孔洞管道組，同時通過水泵對帶孔管道組進(jìn)行供水，也可以利用帶孔管道組上的小孔，進(jìn)行雨滴模擬，這些帶孔管道組具備不同規(guī)格、不同孔徑的設(shè)備組合，借助供水裝置上的調(diào)節(jié)閥門與流速器，可以對不同種類、大小的額降水雨滴進(jìn)行模擬。

容器的框架一般會使用鋼鐵材料，在四個角上進(jìn)行可升降調(diào)節(jié)的豎直撐桿安裝，帶孔管道組會被安置在這些豎直撐桿的上端，然后工作人員可以通過這些撐桿對帶孔管道距離土壤層的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足不同的模擬降雨實驗需要;排水裝置需要設(shè)置在土壤層的底部，與安裝在容器框架與帶孔鋼架的鋼絲網(wǎng)組件共同發(fā)揮作用。產(chǎn)流量測算裝置通過與測流管連接的引水管將出水收集到的量杯中，方便開展測算工作。飲水管上會安裝過濾器，此時產(chǎn)流量測算裝置會跟測流管相連接的飲水管對收集量杯中的水進(jìn)行測量，測量裝置一般為電子形式的，同時量杯的底部也會被安裝壓力傳感器，壓力傳感會與單片機(jī)連接，然后將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳輸給轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)，由計算機(jī)的相關(guān)軟件與系統(tǒng)進(jìn)行處理。

四、結(jié)語

綜上所述，人工降雨徑流土壤水運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，同時造價上與其他人工降水系統(tǒng)相比占用更少。設(shè)備的體積也相對較小，可以根據(jù)實際區(qū)域需求進(jìn)行移動或是攜帶。雨滴形成裝置的調(diào)節(jié)靈活性較強，高度也可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。最為重要的一點是此系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運算，保證得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、快捷。

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