人工模拟降雨机的工作原理/特性及发展历程

利用人工模拟降雨机，可以进行各种下垫面条件下土壤侵蚀与水土保持实验研究，大大缩短了试验研究周期，人工模拟降雨机已成为室内与野外试验的重要技术手段，是获取土壤侵蚀、水土保持效益、土壤侵蚀模型等相关研究数据的有效途径。在详细论述人工模拟降雨机的基本要求和类型的基础上，重点论述了槽式人工模拟降雨机的结构、工作原理，促进我国人工模拟降雨机研制的步伐，为土壤侵蚀与水土保持相关实验研究提供参考。

关键词：人工模拟降雨机；土壤侵蚀；水土保持

土壤侵蚀规律研究、水土保持措施效益分析与评价、土壤侵蚀预报模型的建立等都依赖于大量科学数据的观测、积累和分析，室内模拟和径流小区为上述数据的获取提供了技术平台。然而，依靠天然降雨收集相关数据具有很大的局限性，特别是在我国北方降水比较稀少的广大地区，由于降水少，年内能产生径流的暴雨不多，而产生径流的小区多为地表植被覆盖比较差的标准小区和坡耕地小区。产流小区类型比较单一，严重影响了数据的实用性，制约着水土保持科研的快速发展。

利用人工模拟降雨，可以进行各种下垫面土壤侵蚀规律研究，亦可解决设站观测几十年一遇的大暴雨问题，从而大大缩短了试验研究周期口，已成为室内与野外试验的重要技术手段，可加速土壤侵蚀、降雨产流及入渗等试验，避免自然因素的影响，在既定时间内迅速获得试验所需数据，顺利完成研究目标。从20世纪30年代开始，美国就广泛采用人工模拟降雨研究不同作物、土壤和农业管理条件下的土壤人渗、坡面产流和土壤侵蚀。1958年Meyer和McCune研制了槽式人工模拟降雨机，随后被广泛应用于美国USDA及其它与土壤侵蚀相关的科学研究工作，特别在美国国家土壤侵蚀实验室相关实验中得到了广泛的使用。1979年Foster等人对Meyer—McCune的槽式人工模拟降雨机做了部分改进，改进以后的模拟降雨机性能更好，运行更为稳定，是美国普渡大学国家土壤侵蚀实验室装备的主要人工降雨设施。20世纪90年代Scott和Norton对槽式人工模拟降雨机做了一定的改进，用PCV管替代了原槽式降雨机的回水水槽，增加了可加长的降雨机支架 ，降低了降雨机的重量，但增加了降雨机安装的难度，水压调节和降雨机调试的难度都相应增加。我国从20世纪60年代就开始研制人工模拟降雨机，其中侧喷式人工降雨机应用较为普遍，侧喷式降雨器的最大优点在于单个喷头的雨滴分布比较好，同时造价比较低廉，但该降雨器费水，防风要求高，多个降雨器组合条件下的降雨调试比较麻烦。从2004年开始，北京师范大学和北京交通大学在美国槽式降雨机的基础上，进行二次研发，分别为北京师范大学房山实验基地和中国科学院成都山地灾害研究所研制了10套和4套槽式人工模拟降雨机，经使用证明该降雨机具有优良的工作性能。本文在简要论述人工模拟降雨机的基本要求和类型的基础上，重点论述了槽式人工模拟降雨机的结构、工作原理及其优缺点，旨在促进我国人工模拟降雨机研制的步伐，促进相关研究工作的发展。

1 人工模拟降雨机的基本要求

人工模拟降雨机研制的目的是模拟天然降雨，并替代天然降雨进行相关科学研究，迅速获取实验数据。然而，天然降雨是一复杂过程，降雨雨滴分布、终点速度及降雨动能都随降雨强度的变化而变化，因而为人工模拟降雨的实现增加了难度。为了尽量模拟天然降雨，人工模拟降雨机应符合下列基本要求。

(1)能满足最大、最小设计雨强及变雨强的要求。不同的实验对降雨强度的要求不同，因此，人工模拟降雨机所提供的降雨强度应具有较大的范围，可以满足一般实验的需要。随着降雨的持续，降雨强度会发生相应的变化，因此，降雨机应尽量可以模拟降雨过程的变化。

(2)降雨的均匀性。为了减小实验误差，人工模拟降雨在观测范围内(如径流小区)应均匀分布。降雨均匀性可用均匀系数来反应，一般人工模拟降雨机的均匀系数应该在0．8以上。

(3)相同雨强下的雨滴级配应与天然降雨的雨谱比较接近。天然降雨由很多直径大小不同的雨滴组成(1～7 ram)，各类不同直径雨滴的比例与很多因素有关，特别是降雨强度。随着降雨强度的增大，大雨滴的比例增加，但当降雨强度足够大时，大雨滴的比例反而会出现减小的趋势。在人工模拟降雨机研制过程中，应充分分析降雨强度与雨滴分布的关系，特别是降雨强度与中值直径D 之间的关系。

(4)落地的雨滴速度应与天然雨滴的终点速度接近。落地速度是人工模拟降雨机设计中十分重要的一个参数，在天然条件下雨滴到达地表时都达到了相应的终点速度，终点速度与雨滴直径间呈幂函数关系，随着雨滴直径的增大而增大，因此在研制模拟降雨的过程中应为雨滴预留足够的降落高度，确保小雨滴可以达到终点速度。

(5)相同雨强下的降雨动能应与同雨强的天然降雨比较吻合。降雨动能是细沟间侵蚀的动力源泉，对降雨动能模拟的好坏直接影响到模拟降雨机的质量，也直接影响到实验数据的准确性和可靠性。降雨动能是雨滴质量和落地速度的函数，如雨滴级配和终点速度模拟较好，则雨滴动能自然与天然降雨比较吻合，因此，降雨动能的要求基本上仍然是雨滴级配和终点速度要求的延伸。

(6)降雨的稳定性和可重复性。人工模拟降雨机应具备良好的稳定性，同时也应具备长时间运行的优良性能。无论是室内实验还是野外实验，为了减小实验的随机性，多设重复实验，因此，人工模拟降雨机也应具有非常好的可重复性。

(7)构造简单，便于运输，操作方便，造价低廉。人工模拟降雨机可能被用于室内、室外等不同的条件下，因而降雨机的结构应该简单，便于拆卸。所用材料应具有足够的强度，但重量不易很大，应便于运输和安装。

2 人工模拟降雨机的类型经过几十年的发展，人工模拟降雨技术有了很大的发展，降雨机的类型多种多样，根据不同的分类标准可以划分为不同的类型。根据降雨形成的方式可以将人工模拟降雨机分为喷咀式和针管式2种类型。喷咀式人工模拟降雨机是从喷咀或喷孔中把水喷射至空中，受空气阻力作用的影响，水流破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，其产生的雨滴有大有小，与天然降雨的雨滴比较相似。刘素媛等人研制的SB—YZCP人工模拟降雨装置即为典型的喷咀式降雨机。陈文亮等研制的SR型多喷头、多单元组合式的间歇降雨装置也属于喷咀式模拟降雨机。国内常采用的侧喷式降雨机也属于喷咀式降雨机。侧喷式模拟降雨机可通过更换孔板直径和调整水流压力来改变降雨强度，因而无法实现不同雨强的连续变换，同时该装置喷出的水流到一定高度后以自由落体的形式降落，因而需要较大的降雨高度(如中国科学院水土保持研究所人工模拟降雨大厅的侧喷式降雨喷头高度为16 m)，才能保证较小雨滴达到终点速。

人工模拟降雨机的工作原理

人工模拟降雨机主要通过控制喷头摆动的频率来控制降雨强度。电机和水泵的控制由电源控制板输出220V AC电流直接进行开关控制，电源控制板还直接输出24V AC电流控制离合刹车器。对降雨强度的控制主要是对进入离合刹车器脉冲信号频率和单个脉冲占空比的合理控制。脉冲信号由555继电器产生，通过控制与其相连电阻和电容的大小，即可控制单位时问内输出脉冲的个数，达到控制脉冲信号频率的目的。单个脉冲的通电时间(即占空比)的控制，是通过555继电器输出的74LS123单稳态触发器的输入信号，控制可变电阻和电容的相对大小，就可以控制单个脉冲的通电时间。长期研究发现，当地面接受266次／min降雨时，基本可以模拟强度较大的天然降雨，满足土壤侵蚀与水土保持相关实验的需求，因此，槽式人工模拟降雨机每分钟最大的摆动频率是266次，相应的地面每分钟也接收了266次雨滴的扫描，此时对应着最大的降雨强度。那么此时喷头摆动一次所需要时问为：60／266—0．226 S。当脉冲通电时问小于0．266 S，喷头摆动1次停顿一定时问后开始下次摆动，这时是单摆。当脉冲时间大于0．66 S，而小于0．266× 2 s时，喷头连续摆动两次，此时为双摆。表1给出了槽式人工模拟降雨机不同摆动情况下喷头摆动的次数、间歇时间以及地面接收降雨的次数。降雨时，通过电源控制板启动上水水泵，向供水箱内输水，当供水箱内水位足够高时，开启供水箱内的潜水泵向供水管内供水，供水管内的水通过喷头回到水槽底部，流回供水箱，当供水持续一阵以后即可启动喷头摆动，开始降雨。降雨强度的大小可以根据实验需求，通过控制器上的挡位和单双摆选择就可以控制降雨。为了获得不同降雨过程，可以根据实验需要，随时调整喷头摆动频率，获得不同降雨过程。