人工模擬降雨大廳的實現

關鍵字：人工模擬降雨大廳  人工模擬降雨系統  人工模擬降雨器

通過對雨滴粒徑、雨滴擊濺速度、降雨均勻度等能量相似要素的分析和探討,提出實現人工模擬降雨大廳能量相似的重要手段,即在降雨高度、雨滴發生器等條件不變的情況下,通過調節雨強來實現降雨能量的相似;通過加大供水壓力等手段可提高降雨動能,所以在降雨模擬實踐中,降雨高度不一定需要達到使所有粒徑的雨滴均達到終速所需的高度。

在土壤侵蝕研究中,通過天然降雨觀測土壤侵蝕情況,試驗周期較長,特別是在干旱和半干旱地區,天然降雨的觀測數據積累很慢,往往不能滿足生產和研究的需要;而通過人工模擬降雨裝置,不僅可以縮短試驗周期,而且能夠嚴格控制試驗條件,便于觀測研究土壤侵蝕的發生演變過程及其與各個因素之間的內在機制。但是,模擬降雨的雨滴特性,如雨滴滴譜,雨滴速度,雨滴均勻度等不可能與天然降雨完全一致,所以, 人工模擬降雨大廳的相似性是土壤侵蝕研究中的一個重要問題。在降雨模擬研究的初期,由于缺乏天然降雨定量特征值知識,對雨滴打擊作用的重要性認識不足,所以設計、制造的人工降雨裝置,只是通過供給定量的水量,從降雨總量方面來模擬天然降雨。1950年前后,在揭示侵蝕和動能關系的基礎上,從能量方面進行模擬以研究土壤侵蝕的方法得到了發展,使模擬降雨方法的研究進入了一個新的階段。1958年,W.H.Wischmeier等提出雨滴的動能是模擬降雨侵蝕的最好參量,這個結論現已被國內外許多模擬降雨試驗的成果所證實;因此在降雨模擬試驗中,一般采用能量相似的辦法來模擬天然降雨的侵蝕作用,而降雨能量并不像降雨強度那樣能夠方便地直接觀測和控制。但研究發現降雨動能與降雨強度之間存在密切關系,因而降雨模擬試驗可通過調節雨強來實現動能相似。

降雨高度的設計

在自然界中,雨滴粒徑越大,雨滴擊濺速度達到終速所需的降雨高度越大。天然降雨的雨滴粒徑一般不會超過7mm,因為水滴從一定的高度下落后,會發生變形破裂。模擬降雨的試驗結果證實,當降雨高度達到20m時,所有雨滴的擊濺速度都可以達到終速。對于雨滴以一定初速下噴的模擬降雨器,如噴射式降雨器中,以一定初速vs下噴的雨滴,相當于雨滴從某一高處,下落一定的高度(H1),達到噴頭處時,雨滴的下落速度達到了vs;因此,對于有初速下噴的降雨器,其有效降雨高度H3,應等于噴頭距模型地面的垂直距離H2與雨滴在空氣中降落達到初速vs所需的高度H1之和。H3等于與模型地面在一個水平面上的供水壓力表讀數減去一定的水頭損失。根據什維布斯等的研究,雨滴粒徑小于3mm時,有效降雨高度為8m時就可使雨滴擊濺速度達到終速。有的學者認為,對于下噴式降雨器,當雨滴達到一定初速時,降雨器高度只需214～310m,雨滴的擊濺速度即可達到雨滴終速,這是可能的。

近年來,隨著土壤侵蝕科學研究的發展,出現了降雨模擬條件與天然降雨相當接近的降雨模擬試驗大廳,如中國科學院水利部水土保持研究所和河海大學的試驗廳,這些降雨模擬大廳的降雨器高度都接近20m,可使所有的雨滴達到終速;但由于野外試驗條件、試驗成本等因素的影響,在國內外文獻關于土壤侵蝕模型試驗的論述中,降雨器距離下墊面的高度不足10m者很普遍,其中有的降雨器雨滴擊濺速度達不到雨滴終速,但這并不影響相應研究成果的可靠性。事實上,在降雨模擬試驗中,模擬降雨所需的雨滴降落高度和雨滴速度,應取決于相應試驗內容的需要。只要將模擬降雨能量與天然降雨能量之間的比例關系,即動能相似關系研究清楚,就可以通過降雨模擬,達到一定的土壤侵蝕試驗目的

人工模擬降雨大廳降雨動能的調控

在降雨模擬試驗中,若降雨高度、雨滴發生器等條件不變,則可通過調節降雨強度來控制模擬降雨的動能。

由于模擬降雨裝置的類型不同,降雨器的降雨強度調節方式也各不相同。對于噴頭式模擬降雨器,通常通過選用不同的噴頭組合或不同的噴嘴直徑來實現模擬不同降雨強度的效果,也有一些噴頭式降雨器采用摻氣的方法來減小模擬降雨裝置的降雨強度。對于管網式或者針頭式模擬降雨器,一般通過調節供水壓強來實現模擬較寬范圍的降雨強度,也可以通過調整管孔(或針孔)的間距或直徑大小來改變降雨強度,但這時雨滴的粒徑大小和分布可能會改變。

總之,天然降雨和人工模擬降雨的觀測研究成果都證實:在一定的邊界條件下,單位面積的降雨動能與降雨強度有很密切的相關關系,所以,只要在模擬試驗進行之前,率定出降雨動能與降雨強度之間的對應關系,便可以通過調節降雨強度來實現降雨模擬的動能相似。