人工模拟降雨技术在水土保持中的应用研究

张 宁

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)



推广应用

人工模拟降雨技术在水土保持中的应用研究

张 宁

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)

在大多数区域生态环境问题中，干旱缺水已经成为一大主要的社会性生态问题。尤其是对于中国北方地区而言，受气候以及地质、地貌特征影响，普遍干旱少雨。因此，在农作物生长过程中，受到了严重的影响，经常需要采取人工降雨措施。在此过程中，人工模拟降雨技术，不仅具有保湿、保墒的功效，而且能够在区域水土保持工作中发挥巨大的作用。基于此，文章将重点针对人工模拟降雨技术在区域水土保持中的重要作用进行分析，以期为中国区域水土保持工作提供实践参考。

人工模拟降雨；水土保持；技术；应用

在中国现有的水土保护研究工作实践中，大多研究者采用人工降雨方式进行野外试验观测，以此对径流小区的实际土壤流失量进行分析、对比。但是，在研究试验中，需要通过对多个不同时段的数据进行连续监测，从而提高资料研究的可靠性与真实性。在此基础上，针对某水土流失研究区的人工模拟降雨技术进行分析，在研究、分析过程中，文章采用模拟试验的方法，对区域地表土壤侵蚀以及降雨产流和地表水入渗等过程进行分析。在研究、试验过程中，有效避免了外界人为干扰因素的影响，从而在既定的研究范围内，收集监测数据，对试验模拟结果进行分析。

1 人工模拟降雨技术在水土保持中的应用背景

人工模拟降雨技术是一种有效的水土保持研究试验方法。在几天之内，即可通过试验、分析，得到准确的参数资料，从而结合相关数据资料，就可对区域不同条件下的水土保持效果和水文特征进行分析。因此，人工模拟试验方法在一定程度上可以作为自然降雨条件下，水土保持效果研究的重要补充。因此，文章将着重通过对人工降雨技术在水土保持方面的应用研究情况进行介绍，以此通过对文章研究过程中，人工模拟降雨技术装置的相关参数进行科学设置，从而采用 Kust03-1型人工模拟降雨装置，在我国辽宁省某研究区展开试验分析[1]。

2 人工模拟降雨技术在水土保持中的作用

人工模拟降雨技术最早起源于美国。在20世纪中期，美国首次针对坡面产流以及土壤侵蚀过程，采用人工模拟降雨技术进行入渗研究试验。此时的试验，大多在野外试验基地进行。但是，中国的人工模拟降雨试验，是在室内实验室研究基础上发展起来的。由于实验室试验条件有限，而且由于技术水平限制。因此，无法通过人工模拟降水试验过程，准确反映区域水土流失的实际情况。基于人工模拟降雨技术，在野外进行试验分析，已经成为中国各地区改善水生态系统以及研究水土保持效果的重要方式。

试验研究结果表明，人工模拟降雨试验技术，不仅能够对区域水土保持的综合效益进行分析，而且可以对我国林业以及农业和其它相关产业的发展提供重要的研究方法。因此，总体而言，人工模拟降雨技术在区域水土保持中的应用，不仅能够在一定程度上减少径流小区装置设备的投资成本，而且可以大量节约人工降水试验经费，从而不断加快试验研究进程。除此之外，采用人工降雨技术，对研究区水土保持效益进行综合研究，可以结合现有技术条件，创造更多的试验条件，从而提高试验分析的可行性以及数据分析的准确性。

3 人工模拟降雨技术在水土保持中的试验概况

目前，常见的人工模拟降雨技术装置主要分为喷嘴式以及喷洒式和悬线式以及针头式几种类型：

1)第1种人工模拟降雨技术装置的主要优点，是雨滴较为分散。因此，在降雨过程中，可以通过人工调节，对供水压力以及孔径进行控制[2]。

2)第2种技术装置的主要优点，是降雨过程中降雨以雨滴形式降落到地面。因此，雨水较为集中。但是，降雨喷头不太灵活。

3)第3种形式的降雨技术装置，主要是指悬线式的降雨技术装置，这种人工模拟降雨技术装置，在降雨过程中雨水较为均匀，而且雨水的大小与降雨装置的压力参数大小无关。

4)最后1种降雨技术装置主要为针头式的降雨设备，其降雨较为集中，而且射程较远。

因此，综上优、缺点分析，本文在研究过程中，主要采用喷嘴式以及针头式2种不同的人工模拟降雨技术装置。在技术实施过程中，通过移动方式提高降雨的均匀度，从而使人工模拟降雨的雨强系数达到0.9以上，而且保证人工模拟降雨速度稳定在0.025-0.39mm/min之间。

文章所采用的试验技术装置系统，主要由喷车以及喷头和供水系统、供气系统以及移动控制系统组成。主要用于辽宁省旱地地区的人工降雨模拟[3]。在此过程中，文章还采用均匀降雨方式，使雨滴直径以及雨水强度与自然降雨过程相一致。文章采用的降雨喷洒器为单向式的喷射器，采用功率为2300W的大功率柴油机搭配喷灌机进行加压取水，使降雨强度可以增加到89mm/h。为了提高降雨模拟的真实性，本文在试验过程中，采用大小不同的降雨技术装置进行试验。通过参数设置，分别使大、小降雨器的相对降雨强度保持在 2-100 mm/h以及4-100mm /h。因此，大大提高了人工模拟降雨技术装置的稳定性与可行性。在试验区，文章主要针对当地坡耕地水土流失现象进行研究分析。研究区实际面积为7m×4.5m，试验区四周采用铁板作为围墙。在试验区不同边界处，设置截留槽与集流筒相连通。在测试径流过程中，采用水桶测量，对人工模拟降雨过程中收集的相关数据进行计算，文章采用临界抗剪切方法进行研究对比。在整个人工模拟降雨过程中，通过人工控制与计算机自动化控制相结合的方式，对降雨机降雨强度以及降雨时间进行调节和控制，

4 人工模拟降雨技术参数设置

按照上述试验要求进行操作之后，本文需要通过测试，保证人工模拟降雨满足一定的试验要求：①降雨强度以及降雨的均匀性，要与自然降雨过程保持一致，通过对降雨设备进行参数调节，使降雨均匀度保持在80%左右；②降雨过程中，雨滴中径以及降雨终点速度，应该与自然降雨过程中的中径以及降雨终速 保持一致[4]。

因此，在对相关数据进行计算时，分别需要计算人工降雨的均匀系数以及降雨强度和雨滴动能、雨滴中数直径等。

1)在试验过程中的人工模拟降雨均匀系数计算，需要按照以下公式进行计算分析：

(1)

2)在试验过程中的降雨强度计算中，由于降水器压力较小。因此，喷头无法全面展开，导致降雨区域分布不均。当压力经过科学调节上升后，人工模拟降雨装置的喷头喷射效果最好。因此，文章通过试验调节，最终的降雨压力参数为0.5kg/cm2；在调节过程中，人工模拟降雨装置的雨强，随着降雨压力不断增大而上升。但是，通过调试发现，当人工模拟降雨技术装置的压力由0.5kg/cm2上升到1.9kg/cm2时，降雨设备的雨强又有所减小[5]。因此，经过科学调试，本文在试验过程中，所采用的针头式和喷嘴式人工模拟降雨技术装置的参数达到了我国中科院地理所模拟降雨装置的相关模拟要求，降雨强度能够保持在2.5-102ml/h左右。

在对研究试验过程中的雨滴动能进行分析时，文章将降雨雨滴大小波动控制在0-7mm之内。人工模拟降雨的终点降雨速度保持在3-3.9mm/s左右，同时使人工模拟降雨技术装置的平均降雨高度控制在8-10mm。

除此之外，文章在对整个模拟试验过程中的雨滴直径进行分析时，主要通过色斑测定法进行分析。首先，对雨滴进行采样，采样之后对雨滴直径进行计算分析，然后按照如下计算公式，对人工模拟降雨过程中的雨滴中数直径进行计算分析：

d=aDb

(2)

式中：a=0.322,b=0.742。

5 人工模拟降雨技术在辽宁省山地中的应用

与邻近的内蒙古平原相比，辽宁省是一个多山地区，各种类型的地质地貌交错分布。因此，不同类型的山体中，水土侵蚀程度存在很大的差异。通过对该地区山体水土流失现象进行总体研究发现，当地土壤侵蚀较为严重。因此，采用现场径流场等测试方法，对水土流失现象进行研究分析较为困难，而且在实际研究操作过程中，成本投资较高[6]。

与此同时，在研究试验过程中，会受到当地气候以及地域等因素影响。而采用人工模拟降雨技术对区域水土流失情况进行分析研究，不仅成本较低，而且操作过程简单。目前，相关应用研究已经非常成熟。因此，本文将结合研究区项目土地扰动性特点，采用常规观测方式进行数据资料观测。在人工模拟降雨过程中，主要采用Kust03-1人工模拟降雨装置，在野外试验区域展开人工模拟试验分析。该人工模拟降雨技术装置系统，主要由降雨座驾以及降雨喷头和动力装置及供水系统等组成。而碎流挡板以及出流孔板、喷头体共同组成该人工模拟降雨装置的喷头构件。本技术装置在实际降雨模拟过程中，出流孔板的孔径范围在4-15mm之间，该降雨技术装置的降雨座架可在4m以及6m和8m的不同高度下进行降雨作业。本技术装置充分结合了三相潜水泵以及两相潜水泵的技术优势，使本次人工模拟降雨过程更加灵活科学[7]。

另外，本技术装置的供水箱采用塑料薄膜和角钢、木板、扁铁等不同构件组合而成。在结构设计时，为了方便设备搬运以及拆卸和安装，该人工模拟降雨技术装置各个不同构件之间采用耐压橡胶管相互连接[8]。在人工模拟降雨过程中，本次试验模拟，主要采用对喷以及单、双喷三种不同方式进行喷射。最终按照上述技术要求参数经过科学调试，该人工模拟降雨技术装置降雨面积为4m×5m到5×8m，降雨压力和平均降雨雨强分别为0.28MPa和20-100mm/h，人工模拟降雨均匀度为86.45%，因此达到了本次模拟降雨的目的[9]。

6 结 语

综上所述，文章通过利用人工模拟降雨技术，对该研究区工矿区的侵蚀状况进行分析，发现该研究区水土流失导致工矿区存在严重的垂直侵蚀现象。由于该研究区工矿厂松散堆积体大量存在。因此，侵蚀现象对工况区生产安全造成了巨大影响。另外，该研究区在基础设施建设过程中，对土地的扰动影响较大，不仅使地表裸露，而且产生了大量的松散土壤。通过此次人工模拟降雨，找到了该研究区垂直侵蚀现象产生的具体机理。因此，对于该研究区展开定量研究及对地形、地貌综合侵蚀状况研究具有借鉴意义。

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[9]于永波.建平县保护水资源建设节水型社会分析[J].水利规划与设计，2014(11)：27-29.

Application of Simulated Rainfall Technology in Soil and Water Conservation

ZHANG Ning

(Liaoning Provincial Dandong Hydrological Bureau, Dandong 118001, China)

Draught and water-shortage has become a major social ecological problem in most ecological environmental problems of a region, especially over the northern region of China, impacted by the climate, geology and topography, drought and little rain spread widely. Therefore, crops were damaged seriously during the period of growth and the measure of artificial rainfall was adopted often. The artificial simulated rainfall technology not only has the effects of moisturizing and moisture but also can take important roles in regional soil and water conservation during the course of the work. Based on this, the article will analyze the action of artificial simulated rainfall technology for the regional soil and water conservation, so as to supply references for Chinese regional soil and water conservation work.

simulated rainfall; soil and water conservation; technology; application

1007-7596(2017)02-0120-04

2017-02-08

张宁(1983-)，女，辽宁丹东人，工程师，负责水文水资源评价工作。

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