便攜式人工模擬降雨器現狀及未來發展

摘要  在研究土壤侵蝕過程、水土流失規律及其水土保持措施和效益等方面，有效地使用便攜式人工模擬降雨器來進行降雨試驗，是一種較理想的降雨方法，它不受時間和空間的限制模擬天然降雨，既能節約大量的人力和物力，又能在短時期內重復試驗，縮短試驗研究周期。本文介紹了國內外便攜式人工模擬降雨器的發展研究情況，討論了模擬降雨裝置的主要技術參數及其降雨特性。指出采用計算機自適應控制技術的智能移動式模擬降雨方式將成為未來的發展方向。  

關鍵詞: 人工模擬降雨機 降雨均勻度 降雨強度 雨滴降落速度  便攜式人工模擬降雨器

降雨是引起地面水土流失以及滑坡、崩塌、泥石流等山區自然災害的重要因素之一。因此，在地學、農學、工程水文學等學科領域內，許多重要的研究課題，都要以降雨的影響因子來進行試驗研究，在利用天然降雨時，常常會受到時間和地域等條件的限制，給試驗工作帶來極大的困難。有效地使用便攜式人工模擬降雨器來進行降雨試驗，是一種較理想的降雨方法，它不受時間和空間的限制，可以重現天然降雨，既能節約大量的人力和物力，又能在短時期內重復試驗，縮短試驗周期。人工模擬降雨裝置還可以根據試驗的需要，對降雨進行有效的控制，模擬不同雨型的降雨和不同的降雨強度，有利于研究人員從多方面來研究降雨的各種特性(如雨量、雨強、雨滴大小和分配、降雨動能等)對土壤侵蝕的影響，也有利于研究不同的植被、坡度、土壤類型、土地利用及水土保持措施等因素對水土流失的影響。據國內外的文獻表明，在水土流失規律研究試驗中，絕大多數的試驗資料和數據，都是運用人工模擬降雨的方法，在試驗小區上獲得的。這些資料為坡耕地和其它坡面，預測預報土壤流失以及制定和配置水土保持措施提供了科學依據。隨著人工模擬降雨裝置的研制和性能的完善，它將更快、更多地為研究人員的試驗研究工作提 供更精確、更可靠的資料  

便攜式人工模擬降雨器

目前各種不同規模的人工模擬降雨實驗室在許多國家中先后建立起來。除目前廣泛應用的美國普渡大學國家土壤侵蝕實驗室（USDA（U.S. Department of Agriculture）National Soil Erosion Research Laboratory）基于L. D. Meyer1958.年提出的采用擺動式噴頭的便攜式人工模擬降雨器系統外，具有代表性的模擬降雨實驗系統可分作如下幾種：

2.1 英國伊利諾斯大學土木工程系的WES便攜式人工模擬降雨器系統 

該系統的自動化程度高，是一個多性能、多用途的人工模擬降雨實驗室。該系統的降雨噴頭是采用滴水式，由安裝有注射針管的有機玻璃壓力盒排列組合而成。每個壓力盒的體積為60cm×60cm×3cm，在壓力盒的底面上裝有內徑為0.5mm，問距為25mm，計576根注射針管，對壓力盒中的水面施加一定的壓力，每一根針管產生水滴，下落形成降雨。每4個壓力盒組成一個降雨單元，每個降雨單元裝有一套電子數字閥裝置，獨立地進行控制，可以獲得某一種降雨強度的降雨。再由100個這樣獨立的降雨單元組合而成，每個降雨單元的電子數字閥裝置統一由一臺數字電子計算機控制�？偟慕涤旮采w面積為12m×12m，使用的模擬試驗槽也相應地設計成組合形式， 模擬不同的地形。這種設計的便攜式人工模擬降雨器，能夠模擬不同的降雨程度，不同降雨分布及不同歷時的移動型降雨。 2.2 日本科學技術廳國立預災科學技術中心的降雨實驗室   這是目前世界上最大的人工模擬降雨實驗室，降雨噴頭是噴水式，采用美國生產的HH 系列帶有活動旋流結構的噴頭。供給的壓力水流進入噴頭后，經過旋流結構，使水流造成錐角 為120o 的圓面向下噴灑出來形成降雨。降雨面的布設用四個噴頭排列成等邊棱形為一降水單元，每個降雨單元由Φ1.0,Φ1.4,Φ2.0,Φ4.2mm的四種不同孔徑噴頭組成。整個降雨面由這樣的降水單元組合排列而成。這種布設使降雨分布具有均勻性，而且能獲得由不同粒徑組成的降雨。降雨覆蓋面積為3700㎡，陣雨高度是16m，而且全套降雨裝置安裝在一個可以移動的大廳上，設有5個試驗區，總面積達5×3700㎡。  2.3 中國科學院一水利部西北水土持保研究所建立土壤侵蝕模擬降雨實驗室   實驗室使的降雨裝置為側噴式，噴頭是噴水式噴頭，這個噴頭由噴頭體，出流孔板和碎流檔板等構件組成。出流孔板的孔徑有擊Φ5,Φ9,Φ11,Φ13和Φ15mm等6種規格。它用來控制出流量的大小，更換不同孔徑的孔板，可以獲得不同強度，不同粒徑大小的降雨�？装暹�起集流作用，通過孔口的水流形成集中的水柱，射到方側式的碎流檔板上。碎流檔板的作用，將通過出流孔口的水柱散碎，并向側方成扇形面散落下來形成降雨。降雨時，選用孔徑相同的兩個唼頭，相對放置，組成一對，形成對噴形式的疊加降雨，同時，還采用了三對不同孔板孔徑的噴頭，組成組合式的降雨。這樣，6種規格孔板孔徑的噴頭，經過不同的組臺，可獲得41種不同強度，不同雨滴直徑的降雨。最大的降雨覆蓋面積達5m×10m，最大的降雨強度可達5 mm／min。  2.4 北京師范大學人工模擬降雨實驗室   此實驗室為國家重點實驗室，內置10臺便攜式人工模擬降雨器，均由北京交通大學生產提供。該便攜式人工模擬降雨器是槽式下噴式人工降雨機，通過調節水壓和噴頭擺動頻率來調節降雨強度。單臺降雨機包括5個噴頭，當降雨機噴頭工作高度為2.4m，水壓為0.6kg/cm2時，降雨強度可調范圍為20～120mm/h，單臺降雨機單噴頭的雨滴在地面的降落范圍為3×2.2㎡。人工模擬降雨試驗進行時，降雨機應至少兩臺以上并排使用。這樣是為了使降雨面積可以交叉，以便得到較為良好的降雨過程，形成均勻的降雨，并且這樣也可大大提高測量數據的準確性。經測試計算，在兩臺降雨機間隔1.5m時，四個噴頭有效降雨區域的1.5×1.1㎡范圍內，降雨均勻性可達84%以上，在0.9*1.54㎡范圍內，降雨均勻性可達89%以上。這套降雨裝置不僅適用于室內使用，而且適用于野外模擬降雨試驗。

3. 便攜式人工模擬降雨器的評價參數

在進行模擬降雨的性能檢測工作之前，深入了解天然降雨的特性是必要的．天然降雨的主要特性包括：（1）降雨強度；（2）降雨分布的均勻性；（3）雨滴直徑大小和分布；（4）雨滴降落速度等。目前大多數學者都是以上述降雨特征值作為人工模擬降雨的比較和評價標準。

3.1 降雨強度

目前我國的便攜式人工模擬降雨器的降雨強度控制主要是通過調節流量和控制壓力來實現的。從雨滴發生器的兩個不同方式看，首先以噴頭為雨滴發生器的模擬裝置，主要是通過選用不同的噴頭組合和不同的噴嘴直徑來實現不同雨強的效果．一般以噴頭為雨滴發生器的雨強范圍在30～150 mm／h，由于噴頭的工作壓力，雨滴具有一定的初動能，雨強相應要大，這種裝置以中科院水保所模擬降雨大廳的模擬降雨裝置以及北京交通大學研制的槽式下噴型模擬降雨裝置為代表。另外一種以小孔為雨滴發生器的模擬裝置，小雨強的裝置主要是通過改變針號和針數來實現模擬較寬范圍的降雨強度，大雨強的裝置主要是通過調節供水量和調節振動臺的頻率來實現不同雨強的效果。這種模擬降雨裝置的雨強范圍在2～100 mm／h。以中科院地理所的便攜式人工模擬降雨器以及中國輻射防護研究院

與日本合作研制的模擬降雨裝置為代表