人工模拟降雨装置及其应用介绍

代 肖，张海涛，周大迈，张爱军

(1．河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定071000;2．河北农业大学研究生学院，河北保定071000;3．河北省山区研究所，河北保定071000)

水土流失是我国严重的生态问题。《2010年中国环境状况公报》显示，我国水土流失面积已经占到国土总面积的37.2%，达356.92 万km2［1］。但是，截至2009年底，全国累计完成的水土流失综合治理面积仅有104.54 万km2，占国土总面积的10.9%。随着国家对水土流失治理的重视，我国在水土流失的主要地区设置了典型监测点观测水土流失状况，在水土流失较严重的地区布设径流泥沙观测场进行观测，积累了大量的观测数据，这对开展水土流失综合防治提供了很大的支持［2］。

在20 世纪中期之前，对土壤侵蚀的研究多依赖于天然降雨，由于天然降雨观测所需的时间很长，且各种因素难以人为控制，给数据的采集和分析带来了一定的难度。人工模拟降雨装置可应用于土壤侵蚀等方面的研究，可弥补天然降雨的不足，提高科学研究效率，从而加快水土流失防治［3］。本研究主要介绍近20年来人工模拟降雨装置研制的发展及目前应用情况。

1 人工模拟降雨装置研制的发展与分类

1.1 人工模拟降雨装置研制的发展

美国早在20 世纪20年代就开始采用人工模拟降雨的方法研究坡面土壤侵蚀过程，我国则从20 世纪50年代开始应用人工模拟降雨装置进行土壤入渗试验［3］。采用人工模拟降雨装置进行试验不依赖于天然降雨，使得试验所需要的时间大大缩短，能加快研究进程［4］。同时，由于能通过人工模拟降雨装置对试验的各项条件进行人为控制，试验的可行性和数据的可靠性都得到提高［5］，故人工模拟降雨装置得到了广泛应用。

目前的人工模拟降雨装置研制主要向微型化和大型化两个方面发展［3］。微型的人工模拟降雨装置移动方便，能够广泛地应用到野外各项试验中，使试验更加方便和快捷;大型人工模拟降雨装置则能够更加逼真地模拟天然降雨的真实情况。

1.2 人工模拟降雨装置的分类

按雨滴的形成方式划分，人工模拟降雨装置主要可分为4种类型，即喷嘴式、喷洒式、悬线式和针头式［3］。喷嘴式由喷嘴将由喷孔喷出的水分散成大小不一的水滴，经过一定高度的降落形成降雨，使用者可以通过使用不同规格的喷头调节孔径的大小和变化供水压力来改变雨强;喷洒式是在一些平行的细管上钻有小孔，通过调节孔径和供水压力，使从小孔喷出的水滴以不同的雨强落入地面;悬线式是水在悬线中以水滴形式离开并降落到地面，这种形式模拟的雨滴大小是均匀的，且初始降落速度为0;针头式是水滴通过针头末端降落到地面［3］。在4种类型中，喷嘴式和喷洒式所产生的雨滴具有一定的初始速度，且雨滴直径不均匀，比较符合天然降雨的实际情况;而悬线式和针头式的雨滴直径比较均匀，与天然降雨有一定的差别。

2 人工模拟降雨装置的基本要求

人工模拟降雨要想达到和天然降雨完全一样的状况是不可能的。为了使人工模拟降雨和天然降雨尽量产生相同的效果，人工模拟降雨装置应当满足以下条件:

(1)达到设计雨强。不同的试验所要求的雨强不同，人工模拟降雨装置应该有较大的雨强范围，以此来满足试验要求。

(2)所产生的降雨应具有一定的均匀性。由于天然降雨均匀度一般大于80%［3］，为了使人工降雨与天然降雨尽量一致，同时也为了减小试验误差，人工降雨的均匀度应大于80%。

(3)能模拟天然降雨的雨滴谱。天然降雨由很多大小不同的雨滴组成，不同直径雨滴所占的比例与很多因素有关，特别是降雨强度［6］。一般用雨滴中数直径来表征雨滴谱。

(4)终点速度。雨滴的落地速度是人工模拟降雨装置设计中十分重要的一个参数，在天然降雨条件下雨滴到达地表时都达到了相应的终点速度。由于雨滴的终点速度直接影响着降雨动能，而降雨动能则是降雨侵蚀力的动力来源，因此是否能达到终点速度，是人工模拟降雨与天然降雨是否吻合的重要指标。

(5)人工模拟降雨装置应该能够稳定、持续地满足操作者所要求达到的雨强，并具备可重复性，这样才能使试验得到的数据可靠和有效。用于野外试验的人工降雨设备还应该便于拆卸和运输。

在装置使用中，水质尤为重要。如果水质不好，则易使喷头等形成雨滴的部件发生堵塞，从而影响降雨的均匀性。改善水质，保证水过滤器的过滤效率可减少雨滴发生部件堵塞。

3 我国人工模拟降雨装置的研制现状

我国现在已经研制出了许多适用于室内与野外各种试验条件和研究目的的人工模拟降雨装置，主要有以下几种:①孙超图等［7］研制的掺气喷洒式极小雨强降雨装置，使用掺气方法减小喷洒式降雨器的降雨强度，用移动的方法提高降雨均匀度，从而使雨强达到0.013～0.36 mm/min 范围，均匀度达到90%以上。②吴长文等［3］研制的摆喷式人工降雨机可用于陡坡坡面流及坡面侵蚀研究。该人工降雨装置既克服了微型化降雨器不能研究土壤侵蚀的缺点，又避免了大型设备搬运困难以及动力和用水量要求较大的问题，但该设备不宜在试验中进行变雨强试验，且易受风力影响。③刘素媛等［8］研制的SB—YZCP 人工模拟降雨装置为组合式结构，安装拆卸迅速，运输方便，性能稳定，控制系统反应灵敏，喷射距离可调，雨强、雨滴动能、雨滴大小分布(中数直径)等降雨特征值与天然降雨特征值基本一致。④陈文亮等［9］研制的SR 型人工降雨装置是一种多喷头、多单元组合式的间歇降雨装置，其在喷头处辅以使喷头往返摆动的机械装置，可增加喷头的洒水面积和均匀度，同时以间歇方式降雨来满足其降雨强度，雨滴的大小和分布与自然降雨相似。⑤高小梅等［10］为进行现场核素迁移试验而研制的人工模拟降雨装置，采用医用注射针头在一圆圈内震动洒落水滴模拟降雨，其降雨强度可变化范围宽(小降雨器2～100 mm/h、大降雨器4～100 mm/h)。该装置与采用喷嘴喷淋的装置相比，便于控制降雨面积、降水量和总给水量，设计人员采用锥形接针座连接针头，以便在运行过程中快速更换堵塞的针头，从而保证了降雨的质量。⑥沈波等［11］使用的西安理工大学资源研究所室内人工降雨装置为X 型喷洒式降雨喷头，通过改变喷口的大小和进水管压力来产生不同强度的降雨(Ⅰ=0.2～4.5 mm/min)，降雨开始与结束的全变化过程由电脑自动控制。⑦张光辉等［6］介绍的槽式人工模拟降雨机，其各项技术参数与天然降雨十分吻合，安装、拆卸和运输都很方便且为循环用水，用水量较少，但这种降雨机比较昂贵。同时，与其他降雨装置类似，该降雨装置也未实现降雨强度的连续变化，与实际降雨过程还存在一定的差异，这是其需要改进的地方。

4 人工模拟降雨装置在水土保持和养分流失研究中的

4.1 人工模拟降雨装置在水土保持研究中的应用

在产沙规律和侵蚀形成的原因等方面，人工模拟降雨装置主要有以下应用:①吴钦孝等［12］利用人工模拟降雨装置，对不同地类的产沙特征进行了试验研究，结果显示不同地类产沙量大小依次为乔木林地＜灌木林地＜草地＜裸地＜农地，其产沙比视雨强和坡度的不同而变化，陡坡农地是侵蚀产沙的主要源地。坡度和雨强对产沙有重要作用，其中雨强效应更甚，暴雨是引起侵蚀产沙的主要动力。②赵西宁等［13］利用人工模拟降雨装置研究了不同耕作管理措施对坡耕地降雨入渗的影响，其结果表明，不同耕作管理措施对提高土壤入渗速率的效果不同，等高耕作最为显著，其次是人工掏挖和人工锄耕，在中小坡度和中小雨强条件下，这种效果表现更为明显。③蔡强国等［14］通过间隔为11 h 的二次人工模拟降雨和冲蚀槽试验研究了10种土壤的侵蚀过程，发现在第二次降雨中大多数土壤出现了细沟侵蚀。分析发现，团聚体分散度、崩解速率与渗透系数之比两个指标能较好地预测细沟侵蚀发生的可能性，同时也能很好地预测侵蚀产沙量。④连振龙等［15］分析了延安燕沟流域近年来的降雨观测资料以及野外人工降雨试验数据，研究结果表明降雨因素的影响在造成输沙量减少的原因中约占30%，而以植被建设为主的水土保持措施的影响约占70%。⑤赵勇钢等［16］通过对不同退耕年限坡地在不同雨强下的土壤入渗性能的研究，分析了土壤结构特征对入渗的影响。研究结果表明，随着退耕年限的延长，土壤团聚体稳定性增强，土壤结构、孔隙状况得到明显改善。⑥肖培青等［17］利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法，研究了黄土坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响，分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。⑦王玉霞等［18］采用人工模拟降雨装置研究了不同雨强、坡度以及PAM(聚丙烯酰胺)使用量条件下初次及二次降雨紫色土壤中流的产流过程及其氮磷流失特征，结果表明:第一次降雨中总氮、总磷流失量均远远小于第二次的降雨，其原因是第二次降雨中紫色土产流时间比第一次明显提前且产流量远远大于第一次。同时试验结果也表明，PAM 对减少紫色土地表径流量起着重要作用。

研究者还利用人工模拟降雨装置研究了不同改良措施对土壤结构和保水保肥能力的影响:①段喜明等［19］采用人工模拟降雨试验分析了不同粉煤灰含量对土壤结构和水土流失的影响，认为施加10%的粉煤灰可以有效改善土壤结构和其蓄水保土能力，在农业生产中有着较高的实用价值。②Tejada 等［20］通过4年的时间，研究了轧棉机粉碎堆肥(CCGC)、提取橄榄油后所得到的副产物(BOO)、污水污泥(SS)和城市固体有机废弃物(MSW)4 种副产品在人工模拟降雨条件下对土壤质量和土壤流失量的影响，结果表明:这4 种有机副产品都能够降低土壤容重、团聚体不稳定性和土壤流失量，且前两者的效果比后两者要好，并认为这是由于它们含有更多的腐植酸。③Wu 等［21］通过室内试验和野外人工降雨相结合的方法，研究了聚丙烯酸(PPA)、聚乙烯酒精(PTA)和脲醛缩聚物(UR)3 种不同的改良剂对黄土高原土壤结构和土壤流失量的影响，结果表明:使用改良剂后土壤水稳性团聚体含量、透气性和含水量都得到了提高，密度呈下降趋势，应用于坡地能够降低径流速度，减少雨滴冲击力和流水侵蚀力，降低表面结痂和提高水的渗透能力，从而减少土壤侵蚀量。④Xiao Bo 等［22］对黄土高原不同斜坡上人工培植的生物结皮进行了研究，结果表明:在实验室条件下种植以苔藓为主的生物结皮(苔藓结皮)是可行的，这些苔藓结皮能显著增加渗透，从而减少坡面径流，这对于保护陡峭山坡显得尤为重要，同时它还能延迟径流形成的时间。

4.2 人工模拟降雨装置在养分流失中的应用

暴雨造成的农田土壤侵蚀不仅导致氮磷等养分流失和土地生产力的下降，而且引起水体的富营养化和污染，因而成为水体富营养化的限制因子［23］。黄满湘等［24］通过室内模拟降雨试验，对侵蚀泥沙的粒径分布特征及其对氮磷的富集作用进行了研究，结果表明:侵蚀泥沙的团聚体组成和原来土壤有很大差异，侵蚀泥沙氮磷富集系数随时间推延而减小，并与侵蚀泥沙累积流失量之间呈显著的对数线性相关。单保庆等［25］以人工模拟降雨的方式，对巢湖边旱作表层土壤在降雨后所产生的磷迁移过程进行了研究，结果表明:降雨强度和土壤表层作物覆盖度影响表面流和土壤内部壤中流的动态过程，高的农田作物覆盖度能促进壤中流、减缓表面流，在中到大雨条件下，表面径流中的磷迁移量是壤中流的3～4 倍。马琨等［26］利用人工模拟降雨装置，对室外自然坡地红壤的产流产沙过程及养分流失情况进行了研究，结果表明，雨强较大时土壤养分以泥沙形式随径流迁移，雨强较小时则以可溶态养分为主。

5 结 语

人工模拟降雨装置研制的发展经历了由简单到复杂、由人工控制到电脑控制的转变，但是由于天然降雨的复杂性，要做到很精确地模拟天然降雨仍面临着较大的困难。由于人工模拟降雨装置在试验中有其优越性，因此目前已经能够应用其研究得出的试验数据建立相应的模型来预测预报水土流失的发生，为山区的自然灾害提供预警，这对减少自然灾害带来的损失是很有意义的。可以相信，在今后的土壤侵蚀研究中，应用人工模拟降雨装置进行试验已成为必然的选择。

［1］2010年中国环境状况公报［R］．北京:中华人民共和国环境保护部，2011．

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