代 肖，張海濤，周大邁，張愛(ài)軍

(1．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定071000;2．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，河北保定071000;3．河北省山區(qū)研究所，河北保定071000)

水土流失是我國(guó)嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題?！?010年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，我國(guó)水土流失面積已經(jīng)占到國(guó)土總面積的37.2%，達(dá)356.92 萬(wàn)km2［1］。但是，截至2009年底，全國(guó)累計(jì)完成的水土流失綜合治理面積僅有104.54 萬(wàn)km2，占國(guó)土總面積的10.9%。隨著國(guó)家對(duì)水土流失治理的重視，我國(guó)在水土流失的主要地區(qū)設(shè)置了典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)水土流失狀況，在水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)布設(shè)徑流泥沙觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這對(duì)開(kāi)展水土流失綜合防治提供了很大的支持［2］。

在20 世紀(jì)中期之前，對(duì)土壤侵蝕的研究多依賴(lài)于天然降雨，由于天然降雨觀測(cè)所需的時(shí)間很長(zhǎng)，且各種因素難以人為控制，給數(shù)據(jù)的采集和分析帶來(lái)了一定的難度。人工模擬降雨裝置可應(yīng)用于土壤侵蝕等方面的研究，可彌補(bǔ)天然降雨的不足，提高科學(xué)研究效率，從而加快水土流失防治［3］。本研究主要介紹近20年來(lái)人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展及目前應(yīng)用情況。

1 人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展與分類(lèi)

1.1 人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展

美國(guó)早在20 世紀(jì)20年代就開(kāi)始采用人工模擬降雨的方法研究坡面土壤侵蝕過(guò)程，我國(guó)則從20 世紀(jì)50年代開(kāi)始應(yīng)用人工模擬降雨裝置進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)［3］。采用人工模擬降雨裝置進(jìn)行試驗(yàn)不依賴(lài)于天然降雨，使得試驗(yàn)所需要的時(shí)間大大縮短，能加快研究進(jìn)程［4］。同時(shí)，由于能通過(guò)人工模擬降雨裝置對(duì)試驗(yàn)的各項(xiàng)條件進(jìn)行人為控制，試驗(yàn)的可行性和數(shù)據(jù)的可靠性都得到提高［5］，故人工模擬降雨裝置得到了廣泛應(yīng)用。

目前的人工模擬降雨裝置研制主要向微型化和大型化兩個(gè)方面發(fā)展［3］。微型的人工模擬降雨裝置移動(dòng)方便，能夠廣泛地應(yīng)用到野外各項(xiàng)試驗(yàn)中，使試驗(yàn)更加方便和快捷;大型人工模擬降雨裝置則能夠更加逼真地模擬天然降雨的真實(shí)情況。

1.2 人工模擬降雨裝置的分類(lèi)

按雨滴的形成方式劃分，人工模擬降雨裝置主要可分為4種類(lèi)型，即噴嘴式、噴灑式、懸線式和針頭式［3］。噴嘴式由噴嘴將由噴孔噴出的水分散成大小不一的水滴，經(jīng)過(guò)一定高度的降落形成降雨，使用者可以通過(guò)使用不同規(guī)格的噴頭調(diào)節(jié)孔徑的大小和變化供水壓力來(lái)改變雨強(qiáng);噴灑式是在一些平行的細(xì)管上鉆有小孔，通過(guò)調(diào)節(jié)孔徑和供水壓力，使從小孔噴出的水滴以不同的雨強(qiáng)落入地面;懸線式是水在懸線中以水滴形式離開(kāi)并降落到地面，這種形式模擬的雨滴大小是均勻的，且初始降落速度為0;針頭式是水滴通過(guò)針頭末端降落到地面［3］。在4種類(lèi)型中，噴嘴式和噴灑式所產(chǎn)生的雨滴具有一定的初始速度，且雨滴直徑不均勻，比較符合天然降雨的實(shí)際情況;而懸線式和針頭式的雨滴直徑比較均勻，與天然降雨有一定的差別。

2 人工模擬降雨裝置的基本要求

人工模擬降雨要想達(dá)到和天然降雨完全一樣的狀況是不可能的。為了使人工模擬降雨和天然降雨盡量產(chǎn)生相同的效果，人工模擬降雨裝置應(yīng)當(dāng)滿足以下條件:

(1)達(dá)到設(shè)計(jì)雨強(qiáng)。不同的試驗(yàn)所要求的雨強(qiáng)不同，人工模擬降雨裝置應(yīng)該有較大的雨強(qiáng)范圍，以此來(lái)滿足試驗(yàn)要求。

(2)所產(chǎn)生的降雨應(yīng)具有一定的均勻性。由于天然降雨均勻度一般大于80%［3］，為了使人工降雨與天然降雨盡量一致，同時(shí)也為了減小試驗(yàn)誤差，人工降雨的均勻度應(yīng)大于80%。

(3)能模擬天然降雨的雨滴譜。天然降雨由很多大小不同的雨滴組成，不同直徑雨滴所占的比例與很多因素有關(guān)，特別是降雨強(qiáng)度［6］。一般用雨滴中數(shù)直徑來(lái)表征雨滴譜。

(4)終點(diǎn)速度。雨滴的落地速度是人工模擬降雨裝置設(shè)計(jì)中十分重要的一個(gè)參數(shù)，在天然降雨條件下雨滴到達(dá)地表時(shí)都達(dá)到了相應(yīng)的終點(diǎn)速度。由于雨滴的終點(diǎn)速度直接影響著降雨動(dòng)能，而降雨動(dòng)能則是降雨侵蝕力的動(dòng)力來(lái)源，因此是否能達(dá)到終點(diǎn)速度，是人工模擬降雨與天然降雨是否吻合的重要指標(biāo)。

(5)人工模擬降雨裝置應(yīng)該能夠穩(wěn)定、持續(xù)地滿足操作者所要求達(dá)到的雨強(qiáng)，并具備可重復(fù)性，這樣才能使試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可靠和有效。用于野外試驗(yàn)的人工降雨設(shè)備還應(yīng)該便于拆卸和運(yùn)輸。

在裝置使用中，水質(zhì)尤為重要。如果水質(zhì)不好，則易使噴頭等形成雨滴的部件發(fā)生堵塞，從而影響降雨的均勻性。改善水質(zhì)，保證水過(guò)濾器的過(guò)濾效率可減少雨滴發(fā)生部件堵塞。

3 我國(guó)人工模擬降雨裝置的研制現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)研制出了許多適用于室內(nèi)與野外各種試驗(yàn)條件和研究目的的人工模擬降雨裝置，主要有以下幾種:①孫超圖等［7］研制的摻氣噴灑式極小雨強(qiáng)降雨裝置，使用摻氣方法減小噴灑式降雨器的降雨強(qiáng)度，用移動(dòng)的方法提高降雨均勻度，從而使雨強(qiáng)達(dá)到0.013～0.36 mm/min 范圍，均勻度達(dá)到90%以上。②吳長(zhǎng)文等［3］研制的擺噴式人工降雨機(jī)可用于陡坡坡面流及坡面侵蝕研究。該人工降雨裝置既克服了微型化降雨器不能研究土壤侵蝕的缺點(diǎn)，又避免了大型設(shè)備搬運(yùn)困難以及動(dòng)力和用水量要求較大的問(wèn)題，但該設(shè)備不宜在試驗(yàn)中進(jìn)行變雨強(qiáng)試驗(yàn)，且易受風(fēng)力影響。③劉素媛等［8］研制的SB—YZCP 人工模擬降雨裝置為組合式結(jié)構(gòu)，安裝拆卸迅速，運(yùn)輸方便，性能穩(wěn)定，控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，噴射距離可調(diào)，雨強(qiáng)、雨滴動(dòng)能、雨滴大小分布(中數(shù)直徑)等降雨特征值與天然降雨特征值基本一致。④陳文亮等［9］研制的SR 型人工降雨裝置是一種多噴頭、多單元組合式的間歇降雨裝置，其在噴頭處輔以使噴頭往返擺動(dòng)的機(jī)械裝置，可增加噴頭的灑水面積和均勻度，同時(shí)以間歇方式降雨來(lái)滿足其降雨強(qiáng)度，雨滴的大小和分布與自然降雨相似。⑤高小梅等［10］為進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核素遷移試驗(yàn)而研制的人工模擬降雨裝置，采用醫(yī)用注射針頭在一圓圈內(nèi)震動(dòng)灑落水滴模擬降雨，其降雨強(qiáng)度可變化范圍寬(小降雨器2～100 mm/h、大降雨器4～100 mm/h)。該裝置與采用噴嘴噴淋的裝置相比，便于控制降雨面積、降水量和總給水量，設(shè)計(jì)人員采用錐形接針座連接針頭，以便在運(yùn)行過(guò)程中快速更換堵塞的針頭，從而保證了降雨的質(zhì)量。⑥沈波等［11］使用的西安理工大學(xué)資源研究所室內(nèi)人工降雨裝置為X 型噴灑式降雨噴頭，通過(guò)改變噴口的大小和進(jìn)水管壓力來(lái)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的降雨(Ⅰ=0.2～4.5 mm/min)，降雨開(kāi)始與結(jié)束的全變化過(guò)程由電腦自動(dòng)控制。⑦張光輝等［6］介紹的槽式人工模擬降雨機(jī)，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)與天然降雨十分吻合，安裝、拆卸和運(yùn)輸都很方便且為循環(huán)用水，用水量較少，但這種降雨機(jī)比較昂貴。同時(shí)，與其他降雨裝置類(lèi)似，該降雨裝置也未實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度的連續(xù)變化，與實(shí)際降雨過(guò)程還存在一定的差異，這是其需要改進(jìn)的地方。

4 人工模擬降雨裝置在水土保持和養(yǎng)分流失研究中的

4.1 人工模擬降雨裝置在水土保持研究中的應(yīng)用

在產(chǎn)沙規(guī)律和侵蝕形成的原因等方面，人工模擬降雨裝置主要有以下應(yīng)用:①吳欽孝等［12］利用人工模擬降雨裝置，對(duì)不同地類(lèi)的產(chǎn)沙特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示不同地類(lèi)產(chǎn)沙量大小依次為喬木林地＜灌木林地＜草地＜裸地＜農(nóng)地，其產(chǎn)沙比視雨強(qiáng)和坡度的不同而變化，陡坡農(nóng)地是侵蝕產(chǎn)沙的主要源地。坡度和雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)沙有重要作用，其中雨強(qiáng)效應(yīng)更甚，暴雨是引起侵蝕產(chǎn)沙的主要?jiǎng)恿?。②趙西寧等［13］利用人工模擬降雨裝置研究了不同耕作管理措施對(duì)坡耕地降雨入滲的影響，其結(jié)果表明，不同耕作管理措施對(duì)提高土壤入滲速率的效果不同，等高耕作最為顯著，其次是人工掏挖和人工鋤耕，在中小坡度和中小雨強(qiáng)條件下，這種效果表現(xiàn)更為明顯。③蔡強(qiáng)國(guó)等［14］通過(guò)間隔為11 h 的二次人工模擬降雨和沖蝕槽試驗(yàn)研究了10種土壤的侵蝕過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在第二次降雨中大多數(shù)土壤出現(xiàn)了細(xì)溝侵蝕。分析發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚體分散度、崩解速率與滲透系數(shù)之比兩個(gè)指標(biāo)能較好地預(yù)測(cè)細(xì)溝侵蝕發(fā)生的可能性，同時(shí)也能很好地預(yù)測(cè)侵蝕產(chǎn)沙量。④連振龍等［15］分析了延安燕溝流域近年來(lái)的降雨觀測(cè)資料以及野外人工降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明降雨因素的影響在造成輸沙量減少的原因中約占30%，而以植被建設(shè)為主的水土保持措施的影響約占70%。⑤趙勇鋼等［16］通過(guò)對(duì)不同退耕年限坡地在不同雨強(qiáng)下的土壤入滲性能的研究，分析了土壤結(jié)構(gòu)特征對(duì)入滲的影響。研究結(jié)果表明，隨著退耕年限的延長(zhǎng)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)、孔隙狀況得到明顯改善。⑥肖培青等［17］利用自行設(shè)計(jì)的雙土槽徑流小區(qū)系統(tǒng)和人工模擬降雨試驗(yàn)研究方法，研究了黃土坡面侵蝕方式演變對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響，分析了溝蝕發(fā)育不同階段對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)。⑦王玉霞等［18］采用人工模擬降雨裝置研究了不同雨強(qiáng)、坡度以及PAM(聚丙烯酰胺)使用量條件下初次及二次降雨紫色土壤中流的產(chǎn)流過(guò)程及其氮磷流失特征，結(jié)果表明:第一次降雨中總氮、總磷流失量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第二次的降雨，其原因是第二次降雨中紫色土產(chǎn)流時(shí)間比第一次明顯提前且產(chǎn)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一次。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也表明，PAM 對(duì)減少紫色土地表徑流量起著重要作用。

研究者還利用人工模擬降雨裝置研究了不同改良措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和保水保肥能力的影響:①段喜明等［19］采用人工模擬降雨試驗(yàn)分析了不同粉煤灰含量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和水土流失的影響，認(rèn)為施加10%的粉煤灰可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)和其蓄水保土能力，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著較高的實(shí)用價(jià)值。②Tejada 等［20］通過(guò)4年的時(shí)間，研究了軋棉機(jī)粉碎堆肥(CCGC)、提取橄欖油后所得到的副產(chǎn)物(BOO)、污水污泥(SS)和城市固體有機(jī)廢棄物(MSW)4 種副產(chǎn)品在人工模擬降雨條件下對(duì)土壤質(zhì)量和土壤流失量的影響，結(jié)果表明:這4 種有機(jī)副產(chǎn)品都能夠降低土壤容重、團(tuán)聚體不穩(wěn)定性和土壤流失量，且前兩者的效果比后兩者要好，并認(rèn)為這是由于它們含有更多的腐植酸。③Wu 等［21］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和野外人工降雨相結(jié)合的方法，研究了聚丙烯酸(PPA)、聚乙烯酒精(PTA)和脲醛縮聚物(UR)3 種不同的改良劑對(duì)黃土高原土壤結(jié)構(gòu)和土壤流失量的影響，結(jié)果表明:使用改良劑后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、透氣性和含水量都得到了提高，密度呈下降趨勢(shì)，應(yīng)用于坡地能夠降低徑流速度，減少雨滴沖擊力和流水侵蝕力，降低表面結(jié)痂和提高水的滲透能力，從而減少土壤侵蝕量。④Xiao Bo 等［22］對(duì)黃土高原不同斜坡上人工培植的生物結(jié)皮進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在實(shí)驗(yàn)室條件下種植以苔蘚為主的生物結(jié)皮(苔蘚結(jié)皮)是可行的，這些苔蘚結(jié)皮能顯著增加滲透，從而減少坡面徑流，這對(duì)于保護(hù)陡峭山坡顯得尤為重要，同時(shí)它還能延遲徑流形成的時(shí)間。

4.2 人工模擬降雨裝置在養(yǎng)分流失中的應(yīng)用

暴雨造成的農(nóng)田土壤侵蝕不僅導(dǎo)致氮磷等養(yǎng)分流失和土地生產(chǎn)力的下降，而且引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化和污染，因而成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子［23］。黃滿湘等［24］通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)侵蝕泥沙的粒徑分布特征及其對(duì)氮磷的富集作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:侵蝕泥沙的團(tuán)聚體組成和原來(lái)土壤有很大差異，侵蝕泥沙氮磷富集系數(shù)隨時(shí)間推延而減小，并與侵蝕泥沙累積流失量之間呈顯著的對(duì)數(shù)線性相關(guān)。單保慶等［25］以人工模擬降雨的方式，對(duì)巢湖邊旱作表層土壤在降雨后所產(chǎn)生的磷遷移過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:降雨強(qiáng)度和土壤表層作物覆蓋度影響表面流和土壤內(nèi)部壤中流的動(dòng)態(tài)過(guò)程，高的農(nóng)田作物覆蓋度能促進(jìn)壤中流、減緩表面流，在中到大雨條件下，表面徑流中的磷遷移量是壤中流的3～4 倍。馬琨等［26］利用人工模擬降雨裝置，對(duì)室外自然坡地紅壤的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程及養(yǎng)分流失情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，雨強(qiáng)較大時(shí)土壤養(yǎng)分以泥沙形式隨徑流遷移，雨強(qiáng)較小時(shí)則以可溶態(tài)養(yǎng)分為主。

5 結(jié) 語(yǔ)

人工模擬降雨裝置研制的發(fā)展經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由人工控制到電腦控制的轉(zhuǎn)變，但是由于天然降雨的復(fù)雜性，要做到很精確地模擬天然降雨仍面臨著較大的困難。由于人工模擬降雨裝置在試驗(yàn)中有其優(yōu)越性，因此目前已經(jīng)能夠應(yīng)用其研究得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的模型來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水土流失的發(fā)生，為山區(qū)的自然災(zāi)害提供預(yù)警，這對(duì)減少自然災(zāi)害帶來(lái)的損失是很有意義的?？梢韵嘈?，在今后的土壤侵蝕研究中，應(yīng)用人工模擬降雨裝置進(jìn)行試驗(yàn)已成為必然的選擇。

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