人工模擬降雨機的工作原理/特性及發展歷程

利用人工模擬降雨機，可以進行各種下墊面條件下土壤侵蝕與水土保持實驗研究，大大縮短了試驗研究周期，人工模擬降雨機已成為室內與野外試驗的重要技術手段，是獲取土壤侵蝕、水土保持效益、土壤侵蝕模型等相關研究數據的有效途徑。在詳細論述人工模擬降雨機的基本要求和類型的基礎上，重點論述了槽式人工模擬降雨機的結構、工作原理，促進我國人工模擬降雨機研制的步伐，為土壤侵蝕與水土保持相關實驗研究提供參考。

關鍵詞：人工模擬降雨機；土壤侵蝕；水土保持

土壤侵蝕規律研究、水土保持措施效益分析與評價、土壤侵蝕預報模型的建立等都依賴于大量科學數據的觀測、積累和分析，室內模擬和徑流小區為上述數據的獲取提供了技術平臺。然而，依靠天然降雨收集相關數據具有很大的局限性，特別是在我國北方降水比較稀少的廣大地區，由于降水少，年內能產生徑流的暴雨不多，而產生徑流的小區多為地表植被覆蓋比較差的標準小區和坡耕地小區。產流小區類型比較單一，嚴重影響了數據的實用性，制約著水土保持科研的快速發展。

利用人工模擬降雨，可以進行各種下墊面土壤侵蝕規律研究，亦可解決設站觀測幾十年一遇的大暴雨問題，從而大大縮短了試驗研究周期口，已成為室內與野外試驗的重要技術手段，可加速土壤侵蝕、降雨產流及入滲等試驗，避免自然因素的影響，在既定時間內迅速獲得試驗所需數據，順利完成研究目標。從20世紀30年代開始，美國就廣泛采用人工模擬降雨研究不同作物、土壤和農業管理條件下的土壤人滲、坡面產流和土壤侵蝕。1958年Meyer和McCune研制了槽式人工模擬降雨機，隨后被廣泛應用于美國USDA及其它與土壤侵蝕相關的科學研究工作，特別在美國國家土壤侵蝕實驗室相關實驗中得到了廣泛的使用。1979年Foster等人對Meyer—McCune的槽式人工模擬降雨機做了部分改進，改進以后的模擬降雨機性能更好，運行更為穩定，是美國普渡大學國家土壤侵蝕實驗室裝備的主要人工降雨設施。20世紀90年代Scott和Norton對槽式人工模擬降雨機做了一定的改進，用PCV管替代了原槽式降雨機的回水水槽，增加了可加長的降雨機支架 ，降低了降雨機的重量，但增加了降雨機安裝的難度，水壓調節和降雨機調試的難度都相應增加。我國從20世紀60年代就開始研制人工模擬降雨機，其中側噴式人工降雨機應用較為普遍，側噴式降雨器的最大優點在于單個噴頭的雨滴分布比較好，同時造價比較低廉，但該降雨器費水，防風要求高，多個降雨器組合條件下的降雨調試比較麻煩。從2004年開始，北京師范大學和北京交通大學在美國槽式降雨機的基礎上，進行二次研發，分別為北京師范大學房山實驗基地和中國科學院成都山地災害研究所研制了10套和4套槽式人工模擬降雨機，經使用證明該降雨機具有優良的工作性能。本文在簡要論述人工模擬降雨機的基本要求和類型的基礎上，重點論述了槽式人工模擬降雨機的結構、工作原理及其優缺點，旨在促進我國人工模擬降雨機研制的步伐，促進相關研究工作的發展。

1 人工模擬降雨機的基本要求

人工模擬降雨機研制的目的是模擬天然降雨，并替代天然降雨進行相關科學研究，迅速獲取實驗數據。然而，天然降雨是一復雜過程，降雨雨滴分布、終點速度及降雨動能都隨降雨強度的變化而變化，因而為人工模擬降雨的實現增加了難度。為了盡量模擬天然降雨，人工模擬降雨機應符合下列基本要求。

(1)能滿足最大、最小設計雨強及變雨強的要求。不同的實驗對降雨強度的要求不同，因此，人工模擬降雨機所提供的降雨強度應具有較大的范圍，可以滿足一般實驗的需要。隨著降雨的持續，降雨強度會發生相應的變化，因此，降雨機應盡量可以模擬降雨過程的變化。

(2)降雨的均勻性。為了減小實驗誤差，人工模擬降雨在觀測范圍內(如徑流小區)應均勻分布。降雨均勻性可用均勻系數來反應，一般人工模擬降雨機的均勻系數應該在0．8以上。

(3)相同雨強下的雨滴級配應與天然降雨的雨譜比較接近。天然降雨由很多直徑大小不同的雨滴組成(1～7 ram)，各類不同直徑雨滴的比例與很多因素有關，特別是降雨強度。隨著降雨強度的增大，大雨滴的比例增加，但當降雨強度足夠大時，大雨滴的比例反而會出現減小的趨勢。在人工模擬降雨機研制過程中，應充分分析降雨強度與雨滴分布的關系，特別是降雨強度與中值直徑D 之間的關系。

(4)落地的雨滴速度應與天然雨滴的終點速度接近。落地速度是人工模擬降雨機設計中十分重要的一個參數，在天然條件下雨滴到達地表時都達到了相應的終點速度，終點速度與雨滴直徑間呈冪函數關系，隨著雨滴直徑的增大而增大，因此在研制模擬降雨的過程中應為雨滴預留足夠的降落高度，確保小雨滴可以達到終點速度。

(5)相同雨強下的降雨動能應與同雨強的天然降雨比較吻合。降雨動能是細溝間侵蝕的動力源泉，對降雨動能模擬的好壞直接影響到模擬降雨機的質量，也直接影響到實驗數據的準確性和可靠性。降雨動能是雨滴質量和落地速度的函數，如雨滴級配和終點速度模擬較好，則雨滴動能自然與天然降雨比較吻合，因此，降雨動能的要求基本上仍然是雨滴級配和終點速度要求的延伸。

(6)降雨的穩定性和可重復性。人工模擬降雨機應具備良好的穩定性，同時也應具備長時間運行的優良性能。無論是室內實驗還是野外實驗，為了減小實驗的隨機性，多設重復實驗，因此，人工模擬降雨機也應具有非常好的可重復性。

(7)構造簡單，便于運輸，操作方便，造價低廉。人工模擬降雨機可能被用于室內、室外等不同的條件下，因而降雨機的結構應該簡單，便于拆卸。所用材料應具有足夠的強度，但重量不易很大，應便于運輸和安裝。

2 人工模擬降雨機的類型經過幾十年的發展，人工模擬降雨技術有了很大的發展，降雨機的類型多種多樣，根據不同的分類標準可以劃分為不同的類型。根據降雨形成的方式可以將人工模擬降雨機分為噴咀式和針管式2種類型。噴咀式人工模擬降雨機是從噴咀或噴孔中把水噴射至空中，受空氣阻力作用的影響，水流破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，其產生的雨滴有大有小，與天然降雨的雨滴比較相似。劉素媛等人研制的SB—YZCP人工模擬降雨裝置即為典型的噴咀式降雨機。陳文亮等研制的SR型多噴頭、多單元組合式的間歇降雨裝置也屬于噴咀式模擬降雨機。國內常采用的側噴式降雨機也屬于噴咀式降雨機。側噴式模擬降雨機可通過更換孔板直徑和調整水流壓力來改變降雨強度，因而無法實現不同雨強的連續變換，同時該裝置噴出的水流到一定高度后以自由落體的形式降落，因而需要較大的降雨高度(如中國科學院水土保持研究所人工模擬降雨大廳的側噴式降雨噴頭高度為16 m)，才能保證較小雨滴達到終點速。

人工模擬降雨機的工作原理

人工模擬降雨機主要通過控制噴頭擺動的頻率來控制降雨強度。電機和水泵的控制由電源控制板輸出220V AC電流直接進行開關控制，電源控制板還直接輸出24V AC電流控制離合剎車器。對降雨強度的控制主要是對進入離合剎車器脈沖信號頻率和單個脈沖占空比的合理控制。脈沖信號由555繼電器產生，通過控制與其相連電阻和電容的大小，即可控制單位時問內輸出脈沖的個數，達到控制脈沖信號頻率的目的。單個脈沖的通電時間(即占空比)的控制，是通過555繼電器輸出的74LS123單穩態觸發器的輸入信號，控制可變電阻和電容的相對大小，就可以控制單個脈沖的通電時間。長期研究發現，當地面接受266次／min降雨時，基本可以模擬強度較大的天然降雨，滿足土壤侵蝕與水土保持相關實驗的需求，因此，槽式人工模擬降雨機每分鐘最大的擺動頻率是266次，相應的地面每分鐘也接收了266次雨滴的掃描，此時對應著最大的降雨強度。那么此時噴頭擺動一次所需要時問為：60／266—0．226 S。當脈沖通電時問小于0．266 S，噴頭擺動1次停頓一定時問后開始下次擺動，這時是單擺。當脈沖時間大于0．66 S，而小于0．266× 2 s時，噴頭連續擺動兩次，此時為雙擺。表1給出了槽式人工模擬降雨機不同擺動情況下噴頭擺動的次數、間歇時間以及地面接收降雨的次數。降雨時，通過電源控制板啟動上水水泵，向供水箱內輸水，當供水箱內水位足夠高時，開啟供水箱內的潛水泵向供水管內供水，供水管內的水通過噴頭回到水槽底部，流回供水箱，當供水持續一陣以后即可啟動噴頭擺動，開始降雨。降雨強度的大小可以根據實驗需求，通過控制器上的擋位和單雙擺選擇就可以控制降雨。為了獲得不同降雨過程，可以根據實驗需要，隨時調整噴頭擺動頻率，獲得不同降雨過程。