人工模拟降雨装置的能量相似及其实现

通过对雨滴粒径、雨滴击溅速度、降雨均匀度等能量相似要素的分析和探讨,提出实现降雨模拟能量相似的重要手段,即在降雨高度、雨滴发生器等条件不变的情况下,通过调节雨强来实现降雨能量的相似;通过加大供水压力等手段可提高降雨动能,所以在降雨模拟实践中,降雨高度不一定需要达到使所有粒径的雨滴均达到终速所需的高度。

关键词 降雨模拟;能量相似;降雨高度;降雨强度 人工模拟降雨装置

在土壤侵蚀研究中,通过天然降雨观测土壤侵蚀情况,试验周期较长,特别是在干旱和半干旱地区,天然降雨的观测数据积累很慢,往往不能满足生产和研究的需要;而通过人工模拟降雨装置,不仅可以缩短试验周期,而且能够严格控制试验条件,便于观测研究土壤侵蚀的发生演变过程及其与各个因素之间的内在机制。但是,模拟降雨的雨滴特性,如雨滴滴谱,雨滴速度,雨滴均匀度等不可能与天然降雨完全一致,所以, 人工模拟降雨装置的相似性是土壤侵蚀研究中的一个重要问题。在降雨模拟研究的初期,由于缺乏天然降雨定量特征值知识,对雨滴打击作用的重要性认识不足,所以设计、制造的人工降雨装置,只是通过供给定量的水量,从降雨总量方面来模拟天然降雨。1950年前后,在揭示侵蚀和动能关系的基础上,从能量方面进行模拟以研究土壤侵蚀的方法得到了发展,使模拟降雨方法的研究进入了一个新的阶段。1958年,W.H.Wischmeier等提出雨滴的动能是模拟降雨侵蚀的最好参量,这个结论现已被国内外许多模拟降雨试验的成果所证实;因此在降雨模拟试验中,一般采用能量相似的办法来模拟天然降雨的侵蚀作用,而降雨能量并不像降雨强度那样能够方便地直接观测和控制。但研究发现降雨动能与降雨强度之间存在密切关系,因而降雨模拟试验可通过调节雨强来实现动能相似。

降雨高度的设计

在自然界中,雨滴粒径越大,雨滴击溅速度达到终速所需的降雨高度越大。天然降雨的雨滴粒径一般不会超过7mm,因为水滴从一定的高度下落后,会发生变形破裂。模拟降雨的试验结果证实,当降雨高度达到20m时,所有雨滴的击溅速度都可以达到终速。对于雨滴以一定初速下喷的模拟降雨器,如喷射式降雨器中,以一定初速vs下喷的雨滴,相当于雨滴从某一高处,下落一定的高度(H1),达到喷头处时,雨滴的下落速度达到了vs;因此,对于有初速下喷的降雨器,其有效降雨高度H3,应等于喷头距模型地面的垂直距离H2与雨滴在空气中降落达到初速vs所需的高度H1之和。H3等于与模型地面在一个水平面上的供水压力表读数减去一定的水头损失。根据什维布斯等的研究,雨滴粒径小于3mm时,有效降雨高度为8m时就可使雨滴击溅速度达到终速。有的学者认为,对于下喷式降雨器,当雨滴达到一定初速时,降雨器高度只需214～310m,雨滴的击溅速度即可达到雨滴终速,这是可能的。

近年来,随着土壤侵蚀科学研究的发展,出现了降雨模拟条件与天然降雨相当接近的降雨模拟试验大厅,如中国科学院水利部水土保持研究所和河海大学的试验厅,这些降雨模拟大厅的降雨器高度都接近20m,可使所有的雨滴达到终速;但由于野外试验条件、试验成本等因素的影响,在国内外文献关于土壤侵蚀模型试验的论述中,降雨器距离下垫面的高度不足10m者很普遍,其中有的降雨器雨滴击溅速度达不到雨滴终速,但这并不影响相应研究成果的可靠性。事实上,在降雨模拟试验中,模拟降雨所需的雨滴降落高度和雨滴速度,应取决于相应试验内容的需要。只要将模拟降雨能量与天然降雨能量之间的比例关系,即动能相似关系研究清楚,就可以通过降雨模拟,达到一定的土壤侵蚀试验目的

降雨动能的调控

在降雨模拟试验中,若降雨高度、雨滴发生器等条件不变,则可通过调节降雨强度来控制模拟降雨的动能。

由于模拟降雨装置的类型不同,降雨器的降雨强度调节方式也各不相同。对于喷头式模拟降雨器,通常通过选用不同的喷头组合或不同的喷嘴直径来实现模拟不同降雨强度的效果,也有一些喷头式降雨器采用掺气的方法来减小模拟降雨装置的降雨强度。对于管网式或者针头式模拟降雨器,一般通过调节供水压强来实现模拟较宽范围的降雨强度,也可以通过调整管孔(或针孔)的间距或直径大小来改变降雨强度,但这时雨滴的粒径大小和分布可能会改变。

总之,天然降雨和人工模拟降雨的观测研究成果都证实:在一定的边界条件下,单位面积的降雨动能与降雨强度有很密切的相关关系,所以,只要在模拟试验进行之前,率定出降雨动能与降雨强度之间的对应关系,便可以通过调节降雨强度来实现降雨模拟的动能相似。