便携式人工模拟降雨器现状及未来发展

摘要  在研究土壤侵蚀过程、水土流失规律及其水土保持措施和效益等方面，有效地使用便携式人工模拟降雨器来进行降雨试验，是一种较理想的降雨方法，它不受时间和空间的限制模拟天然降雨，既能节约大量的人力和物力，又能在短时期内重复试验，缩短试验研究周期。本文介绍了国内外便携式人工模拟降雨器的发展研究情况，讨论了模拟降雨装置的主要技术参数及其降雨特性。指出采用计算机自适应控制技术的智能移动式模拟降雨方式将成为未来的发展方向。  

关键词: 人工模拟降雨机 降雨均匀度 降雨强度 雨滴降落速度  便携式人工模拟降雨器

降雨是引起地面水土流失以及滑坡、崩塌、泥石流等山区自然灾害的重要因素之一。因此，在地学、农学、工程水文学等学科领域内，许多重要的研究课题，都要以降雨的影响因子来进行试验研究，在利用天然降雨时，常常会受到时间和地域等条件的限制，给试验工作带来极大的困难。有效地使用便携式人工模拟降雨器来进行降雨试验，是一种较理想的降雨方法，它不受时间和空间的限制，可以重现天然降雨，既能节约大量的人力和物力，又能在短时期内重复试验，缩短试验周期。人工模拟降雨装置还可以根据试验的需要，对降雨进行有效的控制，模拟不同雨型的降雨和不同的降雨强度，有利于研究人员从多方面来研究降雨的各种特性(如雨量、雨强、雨滴大小和分配、降雨动能等)对土壤侵蚀的影响，也有利于研究不同的植被、坡度、土壤类型、土地利用及水土保持措施等因素对水土流失的影响。据国内外的文献表明，在水土流失规律研究试验中，绝大多数的试验资料和数据，都是运用人工模拟降雨的方法，在试验小区上获得的。这些资料为坡耕地和其它坡面，预测预报土壤流失以及制定和配置水土保持措施提供了科学依据。随着人工模拟降雨装置的研制和性能的完善，它将更快、更多地为研究人员的试验研究工作提 供更精确、更可靠的资料  

便携式人工模拟降雨器

目前各种不同规模的人工模拟降雨实验室在许多国家中先后建立起来。除目前广泛应用的美国普渡大学国家土壤侵蚀实验室（USDA（U.S. Department of Agriculture）National Soil Erosion Research Laboratory）基于L. D. Meyer1958.年提出的采用摆动式喷头的便携式人工模拟降雨器系统外，具有代表性的模拟降雨实验系统可分作如下几种：

2.1 英国伊利诺斯大学土木工程系的WES便携式人工模拟降雨器系统 

该系统的自动化程度高，是一个多性能、多用途的人工模拟降雨实验室。该系统的降雨喷头是采用滴水式，由安装有注射针管的有机玻璃压力盒排列组合而成。每个压力盒的体积为60cm×60cm×3cm，在压力盒的底面上装有内径为0.5mm，问距为25mm，计576根注射针管，对压力盒中的水面施加一定的压力，每一根针管产生水滴，下落形成降雨。每4个压力盒组成一个降雨单元，每个降雨单元装有一套电子数字阀装置，独立地进行控制，可以获得某一种降雨强度的降雨。再由100个这样独立的降雨单元组合而成，每个降雨单元的电子数字阀装置统一由一台数字电子计算机控制。总的降雨覆盖面积为12m×12m，使用的模拟试验槽也相应地设计成组合形式， 模拟不同的地形。这种设计的便携式人工模拟降雨器，能够模拟不同的降雨程度，不同降雨分布及不同历时的移动型降雨。 2.2 日本科学技术厅国立预灾科学技术中心的降雨实验室   这是目前世界上最大的人工模拟降雨实验室，降雨喷头是喷水式，采用美国生产的HH 系列带有活动旋流结构的喷头。供给的压力水流进入喷头后，经过旋流结构，使水流造成锥角 为120o 的圆面向下喷洒出来形成降雨。降雨面的布设用四个喷头排列成等边棱形为一降水单元，每个降雨单元由Φ1.0,Φ1.4,Φ2.0,Φ4.2mm的四种不同孔径喷头组成。整个降雨面由这样的降水单元组合排列而成。这种布设使降雨分布具有均匀性，而且能获得由不同粒径组成的降雨。降雨覆盖面积为3700㎡，阵雨高度是16m，而且全套降雨装置安装在一个可以移动的大厅上，设有5个试验区，总面积达5×3700㎡。  2.3 中国科学院一水利部西北水土持保研究所建立土壤侵蚀模拟降雨实验室   实验室使的降雨装置为侧喷式，喷头是喷水式喷头，这个喷头由喷头体，出流孔板和碎流档板等构件组成。出流孔板的孔径有击Φ5,Φ9,Φ11,Φ13和Φ15mm等6种规格。它用来控制出流量的大小，更换不同孔径的孔板，可以获得不同强度，不同粒径大小的降雨。孔板还起集流作用，通过孔口的水流形成集中的水柱，射到方侧式的碎流档板上。碎流档板的作用，将通过出流孔口的水柱散碎，并向侧方成扇形面散落下来形成降雨。降雨时，选用孔径相同的两个唼头，相对放置，组成一对，形成对喷形式的叠加降雨，同时，还采用了三对不同孔板孔径的喷头，组成组合式的降雨。这样，6种规格孔板孔径的喷头，经过不同的组台，可获得41种不同强度，不同雨滴直径的降雨。最大的降雨覆盖面积达5m×10m，最大的降雨强度可达5 mm／min。  2.4 北京师范大学人工模拟降雨实验室   此实验室为国家重点实验室，内置10台便携式人工模拟降雨器，均由北京交通大学生产提供。该便携式人工模拟降雨器是槽式下喷式人工降雨机，通过调节水压和喷头摆动频率来调节降雨强度。单台降雨机包括5个喷头，当降雨机喷头工作高度为2.4m，水压为0.6kg/cm2时，降雨强度可调范围为20～120mm/h，单台降雨机单喷头的雨滴在地面的降落范围为3×2.2㎡。人工模拟降雨试验进行时，降雨机应至少两台以上并排使用。这样是为了使降雨面积可以交叉，以便得到较为良好的降雨过程，形成均匀的降雨，并且这样也可大大提高测量数据的准确性。经测试计算，在两台降雨机间隔1.5m时，四个喷头有效降雨区域的1.5×1.1㎡范围内，降雨均匀性可达84%以上，在0.9*1.54㎡范围内，降雨均匀性可达89%以上。这套降雨装置不仅适用于室内使用，而且适用于野外模拟降雨试验。

3. 便携式人工模拟降雨器的评价参数

在进行模拟降雨的性能检测工作之前，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）降雨强度；（2）降雨分布的均匀性；（3）雨滴直径大小和分布；（4）雨滴降落速度等。目前大多数学者都是以上述降雨特征值作为人工模拟降雨的比较和评价标准。

3.1 降雨强度

目前我国的便携式人工模拟降雨器的降雨强度控制主要是通过调节流量和控制压力来实现的。从雨滴发生器的两个不同方式看，首先以喷头为雨滴发生器的模拟装置，主要是通过选用不同的喷头组合和不同的喷嘴直径来实现不同雨强的效果．一般以喷头为雨滴发生器的雨强范围在30～150 mm／h，由于喷头的工作压力，雨滴具有一定的初动能，雨强相应要大，这种装置以中科院水保所模拟降雨大厅的模拟降雨装置以及北京交通大学研制的槽式下喷型模拟降雨装置为代表。另外一种以小孔为雨滴发生器的模拟装置，小雨强的装置主要是通过改变针号和针数来实现模拟较宽范围的降雨强度，大雨强的装置主要是通过调节供水量和调节振动台的频率来实现不同雨强的效果。这种模拟降雨装置的雨强范围在2～100 mm／h。以中科院地理所的便携式人工模拟降雨器以及中国辐射防护研究院

与日本合作研制的模拟降雨装置为代表