人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的應用研究

張 寧

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

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推廣應用

人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的應用研究

張 寧

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

在大多數(shù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題中，干旱缺水已經(jīng)成為一大主要的社會性生態(tài)問題。尤其是對于中國北方地區(qū)而言，受氣候以及地質(zhì)、地貌特征影響，普遍干旱少雨。因此，在農(nóng)作物生長過程中，受到了嚴重的影響，經(jīng)常需要采取人工降雨措施。在此過程中，人工模擬降雨技術(shù)，不僅具有保濕、保墑的功效，而且能夠在區(qū)域水土保持工作中發(fā)揮巨大的作用。基于此，文章將重點針對人工模擬降雨技術(shù)在區(qū)域水土保持中的重要作用進行分析，以期為中國區(qū)域水土保持工作提供實踐參考。

人工模擬降雨；水土保持；技術(shù)；應用

在中國現(xiàn)有的水土保護研究工作實踐中，大多研究者采用人工降雨方式進行野外試驗觀測，以此對徑流小區(qū)的實際土壤流失量進行分析、對比。但是，在研究試驗中，需要通過對多個不同時段的數(shù)據(jù)進行連續(xù)監(jiān)測，從而提高資料研究的可靠性與真實性。在此基礎上，針對某水土流失研究區(qū)的人工模擬降雨技術(shù)進行分析，在研究、分析過程中，文章采用模擬試驗的方法，對區(qū)域地表土壤侵蝕以及降雨產(chǎn)流和地表水入滲等過程進行分析。在研究、試驗過程中，有效避免了外界人為干擾因素的影響，從而在既定的研究范圍內(nèi)，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對試驗模擬結(jié)果進行分析。

1 人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的應用背景

人工模擬降雨技術(shù)是一種有效的水土保持研究試驗方法。在幾天之內(nèi)，即可通過試驗、分析，得到準確的參數(shù)資料，從而結(jié)合相關數(shù)據(jù)資料，就可對區(qū)域不同條件下的水土保持效果和水文特征進行分析。因此，人工模擬試驗方法在一定程度上可以作為自然降雨條件下，水土保持效果研究的重要補充。因此，文章將著重通過對人工降雨技術(shù)在水土保持方面的應用研究情況進行介紹，以此通過對文章研究過程中，人工模擬降雨技術(shù)裝置的相關參數(shù)進行科學設置，從而采用 Kust03-1型人工模擬降雨裝置，在我國遼寧省某研究區(qū)展開試驗分析[1]。

2 人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的作用

人工模擬降雨技術(shù)最早起源于美國。在20世紀中期，美國首次針對坡面產(chǎn)流以及土壤侵蝕過程，采用人工模擬降雨技術(shù)進行入滲研究試驗。此時的試驗，大多在野外試驗基地進行。但是，中國的人工模擬降雨試驗，是在室內(nèi)實驗室研究基礎上發(fā)展起來的。由于實驗室試驗條件有限，而且由于技術(shù)水平限制。因此，無法通過人工模擬降水試驗過程，準確反映區(qū)域水土流失的實際情況。基于人工模擬降雨技術(shù)，在野外進行試驗分析，已經(jīng)成為中國各地區(qū)改善水生態(tài)系統(tǒng)以及研究水土保持效果的重要方式。

試驗研究結(jié)果表明，人工模擬降雨試驗技術(shù)，不僅能夠?qū)^(qū)域水土保持的綜合效益進行分析，而且可以對我國林業(yè)以及農(nóng)業(yè)和其它相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供重要的研究方法。因此，總體而言，人工模擬降雨技術(shù)在區(qū)域水土保持中的應用，不僅能夠在一定程度上減少徑流小區(qū)裝置設備的投資成本，而且可以大量節(jié)約人工降水試驗經(jīng)費，從而不斷加快試驗研究進程。除此之外，采用人工降雨技術(shù)，對研究區(qū)水土保持效益進行綜合研究，可以結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件，創(chuàng)造更多的試驗條件，從而提高試驗分析的可行性以及數(shù)據(jù)分析的準確性。

3 人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的試驗概況

目前，常見的人工模擬降雨技術(shù)裝置主要分為噴嘴式以及噴灑式和懸線式以及針頭式幾種類型：

1)第1種人工模擬降雨技術(shù)裝置的主要優(yōu)點，是雨滴較為分散。因此，在降雨過程中，可以通過人工調(diào)節(jié)，對供水壓力以及孔徑進行控制[2]。

2)第2種技術(shù)裝置的主要優(yōu)點，是降雨過程中降雨以雨滴形式降落到地面。因此，雨水較為集中。但是，降雨噴頭不太靈活。

3)第3種形式的降雨技術(shù)裝置，主要是指懸線式的降雨技術(shù)裝置，這種人工模擬降雨技術(shù)裝置，在降雨過程中雨水較為均勻，而且雨水的大小與降雨裝置的壓力參數(shù)大小無關。

4)最后1種降雨技術(shù)裝置主要為針頭式的降雨設備，其降雨較為集中，而且射程較遠。

因此，綜上優(yōu)、缺點分析，本文在研究過程中，主要采用噴嘴式以及針頭式2種不同的人工模擬降雨技術(shù)裝置。在技術(shù)實施過程中，通過移動方式提高降雨的均勻度，從而使人工模擬降雨的雨強系數(shù)達到0.9以上，而且保證人工模擬降雨速度穩(wěn)定在0.025-0.39mm/min之間。

文章所采用的試驗技術(shù)裝置系統(tǒng)，主要由噴車以及噴頭和供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)以及移動控制系統(tǒng)組成。主要用于遼寧省旱地地區(qū)的人工降雨模擬[3]。在此過程中，文章還采用均勻降雨方式，使雨滴直徑以及雨水強度與自然降雨過程相一致。文章采用的降雨噴灑器為單向式的噴射器，采用功率為2300W的大功率柴油機搭配噴灌機進行加壓取水，使降雨強度可以增加到89mm/h。為了提高降雨模擬的真實性，本文在試驗過程中，采用大小不同的降雨技術(shù)裝置進行試驗。通過參數(shù)設置，分別使大、小降雨器的相對降雨強度保持在 2-100 mm/h以及4-100mm /h。因此，大大提高了人工模擬降雨技術(shù)裝置的穩(wěn)定性與可行性。在試驗區(qū)，文章主要針對當?shù)仄赂厮亮魇КF(xiàn)象進行研究分析。研究區(qū)實際面積為7m×4.5m，試驗區(qū)四周采用鐵板作為圍墻。在試驗區(qū)不同邊界處，設置截留槽與集流筒相連通。在測試徑流過程中，采用水桶測量，對人工模擬降雨過程中收集的相關數(shù)據(jù)進行計算，文章采用臨界抗剪切方法進行研究對比。在整個人工模擬降雨過程中，通過人工控制與計算機自動化控制相結(jié)合的方式，對降雨機降雨強度以及降雨時間進行調(diào)節(jié)和控制，

4 人工模擬降雨技術(shù)參數(shù)設置

按照上述試驗要求進行操作之后，本文需要通過測試，保證人工模擬降雨滿足一定的試驗要求：①降雨強度以及降雨的均勻性，要與自然降雨過程保持一致，通過對降雨設備進行參數(shù)調(diào)節(jié)，使降雨均勻度保持在80%左右；②降雨過程中，雨滴中徑以及降雨終點速度，應該與自然降雨過程中的中徑以及降雨終速 保持一致[4]。

因此，在對相關數(shù)據(jù)進行計算時，分別需要計算人工降雨的均勻系數(shù)以及降雨強度和雨滴動能、雨滴中數(shù)直徑等。

1)在試驗過程中的人工模擬降雨均勻系數(shù)計算，需要按照以下公式進行計算分析：

(1)

2)在試驗過程中的降雨強度計算中，由于降水器壓力較小。因此，噴頭無法全面展開，導致降雨區(qū)域分布不均。當壓力經(jīng)過科學調(diào)節(jié)上升后，人工模擬降雨裝置的噴頭噴射效果最好。因此，文章通過試驗調(diào)節(jié)，最終的降雨壓力參數(shù)為0.5kg/cm2；在調(diào)節(jié)過程中，人工模擬降雨裝置的雨強，隨著降雨壓力不斷增大而上升。但是，通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當人工模擬降雨技術(shù)裝置的壓力由0.5kg/cm2上升到1.9kg/cm2時，降雨設備的雨強又有所減小[5]。因此，經(jīng)過科學調(diào)試，本文在試驗過程中，所采用的針頭式和噴嘴式人工模擬降雨技術(shù)裝置的參數(shù)達到了我國中科院地理所模擬降雨裝置的相關模擬要求，降雨強度能夠保持在2.5-102ml/h左右。

在對研究試驗過程中的雨滴動能進行分析時，文章將降雨雨滴大小波動控制在0-7mm之內(nèi)。人工模擬降雨的終點降雨速度保持在3-3.9mm/s左右，同時使人工模擬降雨技術(shù)裝置的平均降雨高度控制在8-10mm。

除此之外，文章在對整個模擬試驗過程中的雨滴直徑進行分析時，主要通過色斑測定法進行分析。首先，對雨滴進行采樣，采樣之后對雨滴直徑進行計算分析，然后按照如下計算公式，對人工模擬降雨過程中的雨滴中數(shù)直徑進行計算分析：

d=aDb

(2)

式中：a=0.322,b=0.742。

5 人工模擬降雨技術(shù)在遼寧省山地中的應用

與鄰近的內(nèi)蒙古平原相比，遼寧省是一個多山地區(qū)，各種類型的地質(zhì)地貌交錯分布。因此，不同類型的山體中，水土侵蝕程度存在很大的差異。通過對該地區(qū)山體水土流失現(xiàn)象進行總體研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)赝寥狼治g較為嚴重。因此，采用現(xiàn)場徑流場等測試方法，對水土流失現(xiàn)象進行研究分析較為困難，而且在實際研究操作過程中，成本投資較高[6]。

與此同時，在研究試驗過程中，會受到當?shù)貧夂蛞约暗赜虻纫蛩赜绊憽６捎萌斯つM降雨技術(shù)對區(qū)域水土流失情況進行分析研究，不僅成本較低，而且操作過程簡單。目前，相關應用研究已經(jīng)非常成熟。因此，本文將結(jié)合研究區(qū)項目土地擾動性特點，采用常規(guī)觀測方式進行數(shù)據(jù)資料觀測。在人工模擬降雨過程中，主要采用Kust03-1人工模擬降雨裝置，在野外試驗區(qū)域展開人工模擬試驗分析。該人工模擬降雨技術(shù)裝置系統(tǒng)，主要由降雨座駕以及降雨噴頭和動力裝置及供水系統(tǒng)等組成。而碎流擋板以及出流孔板、噴頭體共同組成該人工模擬降雨裝置的噴頭構(gòu)件。本技術(shù)裝置在實際降雨模擬過程中，出流孔板的孔徑范圍在4-15mm之間，該降雨技術(shù)裝置的降雨座架可在4m以及6m和8m的不同高度下進行降雨作業(yè)。本技術(shù)裝置充分結(jié)合了三相潛水泵以及兩相潛水泵的技術(shù)優(yōu)勢，使本次人工模擬降雨過程更加靈活科學[7]。

另外，本技術(shù)裝置的供水箱采用塑料薄膜和角鋼、木板、扁鐵等不同構(gòu)件組合而成。在結(jié)構(gòu)設計時，為了方便設備搬運以及拆卸和安裝，該人工模擬降雨技術(shù)裝置各個不同構(gòu)件之間采用耐壓橡膠管相互連接[8]。在人工模擬降雨過程中，本次試驗模擬，主要采用對噴以及單、雙噴三種不同方式進行噴射。最終按照上述技術(shù)要求參數(shù)經(jīng)過科學調(diào)試，該人工模擬降雨技術(shù)裝置降雨面積為4m×5m到5×8m，降雨壓力和平均降雨雨強分別為0.28MPa和20-100mm/h，人工模擬降雨均勻度為86.45%，因此達到了本次模擬降雨的目的[9]。

6 結(jié) 語

綜上所述，文章通過利用人工模擬降雨技術(shù)，對該研究區(qū)工礦區(qū)的侵蝕狀況進行分析，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)水土流失導致工礦區(qū)存在嚴重的垂直侵蝕現(xiàn)象。由于該研究區(qū)工礦廠松散堆積體大量存在。因此，侵蝕現(xiàn)象對工況區(qū)生產(chǎn)安全造成了巨大影響。另外，該研究區(qū)在基礎設施建設過程中，對土地的擾動影響較大，不僅使地表裸露，而且產(chǎn)生了大量的松散土壤。通過此次人工模擬降雨，找到了該研究區(qū)垂直侵蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的具體機理。因此，對于該研究區(qū)展開定量研究及對地形、地貌綜合侵蝕狀況研究具有借鑒意義。

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Application of Simulated Rainfall Technology in Soil and Water Conservation

ZHANG Ning

(Liaoning Provincial Dandong Hydrological Bureau, Dandong 118001, China)

Draught and water-shortage has become a major social ecological problem in most ecological environmental problems of a region, especially over the northern region of China, impacted by the climate, geology and topography, drought and little rain spread widely. Therefore, crops were damaged seriously during the period of growth and the measure of artificial rainfall was adopted often. The artificial simulated rainfall technology not only has the effects of moisturizing and moisture but also can take important roles in regional soil and water conservation during the course of the work. Based on this, the article will analyze the action of artificial simulated rainfall technology for the regional soil and water conservation, so as to supply references for Chinese regional soil and water conservation work.

simulated rainfall; soil and water conservation; technology; application

1007-7596(2017)02-0120-04

2017-02-08

張寧(1983-)，女，遼寧丹東人，工程師，負責水文水資源評價工作。

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