人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統

王博

摘 要：本文對人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統進行了較為詳細的論述，發現這個系統由多個部件與子系統組成，包括人工降雨裝置、排水裝置、產流量測算裝置等。這些分工明確的裝置各司其職，同時加上計算機系統輔助，先進性較高，能夠根據外部環境的需求進行相關指數調節，最大限度的滿足需要，這也促使其應用范圍被不斷擴展。

關鍵詞：人工降雨;徑流土壤水運動模擬實驗系統;優勢;結構組成

人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統涉及水文、土壤等專業領域，因此這些方面的工作也要得到兼顧，系統上的一些器材會有涉及，其次降雨形成過程、產流、土壤水運動等都需得到系統的兼顧，因此試驗過程都會所涉及。

一、現有人工降雨模擬器技術的不足

人 工降水徑流模擬從20世紀中期開始一直是研究水循環中降水.截留、下滲及土壤水運動重要方式之- -， 有效的彌補了觀測天然降水徑流資料的不足。現在隨著人類活動的影響，植被、土壤都再不斷的發生變化，水文學研究仍在做著人工降水徑流實驗。傳統人工降水徑流模擬大部分都是在野外完成，選取的場地都很大，比如中國科學院地理科學與資源研究所在河北易縣設置的人工降水徑流實驗場，在野外最大的好處是能夠更接近于真實的天然情況，模擬精度高，問題是實驗成本高，運行維護不方便。為了運行維護的方便，很多高校和研究所將人工降水徑流儀器搬到了室內，如中科院地理所與河海大學均建立了人工降水大廳，大廳面積超過50平米，相對于野外實驗運行與維護要方便很多，但成本仍然很高。

1.不夠便捷。現有的人工降水儀器設備在形成雨滴、控制雨強時，需要對應不同的噴頭或是降水設備，因此這些依據不同需求而研究出的各種對應設備就會占用很多的時間與金錢，同時各種各樣的設備在功能方面雖然具備自身的優勢，但是也會因為體積過大、不夠靈活、精確度不夠高無法讓整個降水過程更加順利。

2.成本高，無法在課堂上進行實驗演示。一些降水徑流設備不夠便捷，體積過大，導致設備只能在某地或是謀區域使用，同時在對相關專業的學生進行實驗展示的時候，會因為設備體積過大，操作過于復雜而無法將過程展示的完全。同時有些設備的零部件過多多重，甚至現場采購后，無法直接安裝，需要將各個組件運輸到需要使用的區域后，組織安裝。

3.不同研究學科的設計差別大，沒有統一的標準。如水保專業的研究學者注重水滴設計，而土壤研究部門在設計人工降雨設備時，比較關注土壤水運動設計。同時有些正在使用的人工降雨模擬器的使用環境要求較高，一些在室內可以穩定發揮作用的設備到了室外就會因為坡度、角度等方面的因素不合適，而出現功能無法發揮或是功能發揮受到影響的情況。

二、人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統設計

此實驗系統的組成部分主要包括人工降雨裝置;徑流與土壤水形成裝置;排水裝置;產流量測算裝置等，人工降雨裝置主要由供水裝置與雨滴形成裝置構成，供水裝置主要依靠水泵進行水資源供給，熱水泵的輸出管道與雨滴形成裝置連接;水泵的輸出管上會安裝調節閥門與流速儀器;雨滴形成裝置是一個類似直立方形的容器，共分為內外兩層，內層是透水鋼絲網構成的內壁，外層則是一些透明材料構成的，內部與外部之間是由多層不透水的分層鋼板連接，同時對應容器外壁一側還會設置一列或是多個縱向排列的測流管，每層分層鋼板會分別對應在每根測流管的下方。

方形容器的框架材料是鋼鐵，四個角會被安裝上一個可以升降的豎直撐桿，撐桿上的上端會有孔管道組;同時容器的內部會有起填充作用的土壤層，這些帶孔的管道會被放置在容器的正上方，而容器的側壁的位置會設置標尺;排水裝置會被設置在土壤的底部，會被直接組成為是一個安裝在容器框架上的帶孔鋼架，鋼絲網上還可以找到一些帶孔的鋼架。產流量測算裝置與測流管的引水管相連，可以將水直接收集到量杯中進行測量，所述產流量測算裝置使用的是電子測算方式，同時量杯的底部還會安裝壓力傳感器，與單片機連接，同時再與計算機相連，可以對收集到的數據轉換為水位數據。與測流管相連的引水管上會安裝過濾器，同時各個測流管之間的間距為10cm，連接容器的內部與外部兩層鋼板之間的間距也是10cm;土壤層上的會植一些假草，同時這些土壤是由沙土和石子構成。

三、具體實施方式

實驗系統主要由人工降雨裝置、徑流、土壤水形成裝置、產流量測算裝置等。人工降雨裝置包括供水裝置與雨滴形成裝置。徑流及土壤水形成裝置這個直立容器，截面也是正方形，同時邊長為50cm，底端到容器頂端的高度為70cm，容器內部填充的土壤層的下端會安裝一個固定的容器框架，同時框架上還會安裝一個帶孔的鋼架，鋼架頂部會有一個鋼絲網與帶孔鋼架構成的結構是排水裝置，可以保證排水過程通暢順利，同時可以方便土壤水的運動情況，配合實時監控，容器的側壁會有一個縱向排列的測流管。

雨滴形成裝置是一組被安裝在徑流與土壤水形成裝置的容器上，這個容器的上部會安裝一個帶有孔洞管道組，同時通過水泵對帶孔管道組進行供水，也可以利用帶孔管道組上的小孔，進行雨滴模擬，這些帶孔管道組具備不同規格、不同孔徑的設備組合，借助供水裝置上的調節閥門與流速器，可以對不同種類、大小的額降水雨滴進行模擬。

容器的框架一般會使用鋼鐵材料，在四個角上進行可升降調節的豎直撐桿安裝，帶孔管道組會被安置在這些豎直撐桿的上端，然后工作人員可以通過這些撐桿對帶孔管道距離土壤層的高度進行調節，進而滿足不同的模擬降雨實驗需要;排水裝置需要設置在土壤層的底部，與安裝在容器框架與帶孔鋼架的鋼絲網組件共同發揮作用。產流量測算裝置通過與測流管連接的引水管將出水收集到的量杯中，方便開展測算工作。飲水管上會安裝過濾器，此時產流量測算裝置會跟測流管相連接的飲水管對收集量杯中的水進行測量，測量裝置一般為電子形式的，同時量杯的底部也會被安裝壓力傳感器，壓力傳感會與單片機連接，然后將接收到的數據轉換為水位數據，再將這些數據傳輸給轉換軟件系統，由計算機的相關軟件與系統進行處理。

四、結語

綜上所述，人工降雨徑流土壤水運動系統結構簡單、操作簡便，同時造價上與其他人工降水系統相比占用更少。設備的體積也相對較小，可以根據實際區域需求進行移動或是攜帶。雨滴形成裝置的調節靈活性較強，高度也可以根據需求進行調節。最為重要的一點是此系統可以進行數據處理運算，保證得到的數據更加準確、快捷。

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