張 寧

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

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推廣應(yīng)用

人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的應(yīng)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(wèn)題中，干旱缺水已經(jīng)成為一大主要的社會(huì)性生態(tài)問(wèn)題。尤其是對(duì)于中國(guó)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(zhǎng)過(guò)程中，受到了嚴(yán)重的影響，經(jīng)常需要采取人工降雨措施。在此過(guò)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(diǎn)針對(duì)人工模擬降雨技術(shù)在區(qū)域水土保持中的重要作用進(jìn)行分析，以期為中國(guó)區(qū)域水土保持工作提供實(shí)踐參考。

人工模擬降雨；水土保持；技術(shù)；應(yīng)用

在中國(guó)現(xiàn)有的水土保護(hù)研究工作實(shí)踐中，大多研究者采用人工降雨方式進(jìn)行野外試驗(yàn)觀測(cè)，以此對(duì)徑流小區(qū)的實(shí)際土壤流失量進(jìn)行分析、對(duì)比。但是，在研究試驗(yàn)中，需要通過(guò)對(duì)多個(gè)不同時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，從而提高資料研究的可靠性與真實(shí)性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)某水土流失研究區(qū)的人工模擬降雨技術(shù)進(jìn)行分析，在研究、分析過(guò)程中，文章采用模擬試驗(yàn)的方法，對(duì)區(qū)域地表土壤侵蝕以及降雨產(chǎn)流和地表水入滲等過(guò)程進(jìn)行分析。在研究、試驗(yàn)過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果進(jìn)行分析。

1 人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的應(yīng)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(yàn)方法。在幾天之內(nèi)，即可通過(guò)試驗(yàn)、分析，得到準(zhǔn)確的參數(shù)資料，從而結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)資料，就可對(duì)區(qū)域不同條件下的水土保持效果和水文特征進(jìn)行分析。因此，人工模擬試驗(yàn)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(bǔ)充。因此，文章將著重通過(guò)對(duì)人工降雨技術(shù)在水土保持方面的應(yīng)用研究情況進(jìn)行介紹，以此通過(guò)對(duì)文章研究過(guò)程中，人工模擬降雨技術(shù)裝置的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，從而采用 Kust03-1型人工模擬降雨裝置，在我國(guó)遼寧省某研究區(qū)展開(kāi)試驗(yàn)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(guó)。在20世紀(jì)中期，美國(guó)首次針對(duì)坡面產(chǎn)流以及土壤侵蝕過(guò)程，采用人工模擬降雨技術(shù)進(jìn)行入滲研究試驗(yàn)。此時(shí)的試驗(yàn)，大多在野外試驗(yàn)基地進(jìn)行。但是，中國(guó)的人工模擬降雨試驗(yàn)，是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件有限，而且由于技術(shù)水平限制。因此，無(wú)法通過(guò)人工模擬降水試驗(yàn)過(guò)程，準(zhǔn)確反映區(qū)域水土流失的實(shí)際情況?；谌斯つM降雨技術(shù)，在野外進(jìn)行試驗(yàn)分析，已經(jīng)成為中國(guó)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(yàn)研究結(jié)果表明，人工模擬降雨試驗(yàn)技術(shù)，不僅能夠?qū)^(qū)域水土保持的綜合效益進(jìn)行分析，而且可以對(duì)我國(guó)林業(yè)以及農(nóng)業(yè)和其它相關(guān)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(yīng)用，不僅能夠在一定程度上減少?gòu)搅餍^(qū)裝置設(shè)備的投資成本，而且可以大量節(jié)約人工降水試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，從而不斷加快試驗(yàn)研究進(jìn)程。除此之外，采用人工降雨技術(shù)，對(duì)研究區(qū)水土保持效益進(jìn)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(yàn)條件，從而提高試驗(yàn)分析的可行性以及數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

3 人工模擬降雨技術(shù)在水土保持中的試驗(yàn)概況

目前，常見(jiàn)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(diǎn)，是雨滴較為分散。因此，在降雨過(guò)程中，可以通過(guò)人工調(diào)節(jié)，對(duì)供水壓力以及孔徑進(jìn)行控制[2]。

2)第2種技術(shù)裝置的主要優(yōu)點(diǎn)，是降雨過(guò)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(guò)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(wú)關(guān)。

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

因此，綜上優(yōu)、缺點(diǎn)分析，本文在研究過(guò)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(shí)施過(guò)程中，通過(guò)移動(dòng)方式提高降雨的均勻度，從而使人工模擬降雨的雨強(qiáng)系數(shù)達(dá)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(yàn)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(dòng)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(guò)程中，文章還采用均勻降雨方式，使雨滴直徑以及雨水強(qiáng)度與自然降雨過(guò)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(jī)搭配噴灌機(jī)進(jìn)行加壓取水，使降雨強(qiáng)度可以增加到89mm/h。為了提高降雨模擬的真實(shí)性，本文在試驗(yàn)過(guò)程中，采用大小不同的降雨技術(shù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)參數(shù)設(shè)置，分別使大、小降雨器的相對(duì)降雨強(qiáng)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(yàn)區(qū)，文章主要針對(duì)當(dāng)?shù)仄赂厮亮魇КF(xiàn)象進(jìn)行研究分析。研究區(qū)實(shí)際面積為7m×4.5m，試驗(yàn)區(qū)四周采用鐵板作為圍墻。在試驗(yàn)區(qū)不同邊界處，設(shè)置截留槽與集流筒相連通。在測(cè)試徑流過(guò)程中，采用水桶測(cè)量，對(duì)人工模擬降雨過(guò)程中收集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，文章采用臨界抗剪切方法進(jìn)行研究對(duì)比。在整個(gè)人工模擬降雨過(guò)程中，通過(guò)人工控制與計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制相結(jié)合的方式，對(duì)降雨機(jī)降雨強(qiáng)度以及降雨時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，

4 人工模擬降雨技術(shù)參數(shù)設(shè)置

按照上述試驗(yàn)要求進(jìn)行操作之后，本文需要通過(guò)測(cè)試，保證人工模擬降雨滿足一定的試驗(yàn)要求：①降雨強(qiáng)度以及降雨的均勻性，要與自然降雨過(guò)程保持一致，通過(guò)對(duì)降雨設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，使降雨均勻度保持在80%左右；②降雨過(guò)程中，雨滴中徑以及降雨終點(diǎn)速度，應(yīng)該與自然降雨過(guò)程中的中徑以及降雨終速 保持一致[4]。

因此，在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，分別需要計(jì)算人工降雨的均勻系數(shù)以及降雨強(qiáng)度和雨滴動(dòng)能、雨滴中數(shù)直徑等。

1)在試驗(yàn)過(guò)程中的人工模擬降雨均勻系數(shù)計(jì)算，需要按照以下公式進(jìn)行計(jì)算分析：

(1)

2)在試驗(yàn)過(guò)程中的降雨強(qiáng)度計(jì)算中，由于降水器壓力較小。因此，噴頭無(wú)法全面展開(kāi)，導(dǎo)致降雨區(qū)域分布不均。當(dāng)壓力經(jīng)過(guò)科學(xué)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(guò)試驗(yàn)調(diào)節(jié)，最終的降雨壓力參數(shù)為0.5kg/cm2；在調(diào)節(jié)過(guò)程中，人工模擬降雨裝置的雨強(qiáng)，隨著降雨壓力不斷增大而上升。但是，通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)，降雨設(shè)備的雨強(qiáng)又有所減小[5]。因此，經(jīng)過(guò)科學(xué)調(diào)試，本文在試驗(yàn)過(guò)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(dá)到了我國(guó)中科院地理所模擬降雨裝置的相關(guān)模擬要求，降雨強(qiáng)度能夠保持在2.5-102ml/h左右。

在對(duì)研究試驗(yàn)過(guò)程中的雨滴動(dòng)能進(jìn)行分析時(shí)，文章將降雨雨滴大小波動(dòng)控制在0-7mm之內(nèi)。人工模擬降雨的終點(diǎn)降雨速度保持在3-3.9mm/s左右，同時(shí)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(duì)整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中的雨滴直徑進(jìn)行分析時(shí)，主要通過(guò)色斑測(cè)定法進(jìn)行分析。首先，對(duì)雨滴進(jìn)行采樣，采樣之后對(duì)雨滴直徑進(jìn)行計(jì)算分析，然后按照如下計(jì)算公式，對(duì)人工模擬降雨過(guò)程中的雨滴中數(shù)直徑進(jìn)行計(jì)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(yīng)用

與鄰近的內(nèi)蒙古平原相比，遼寧省是一個(gè)多山地區(qū)，各種類型的地質(zhì)地貌交錯(cuò)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(guò)對(duì)該地區(qū)山體水土流失現(xiàn)象進(jìn)行總體研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)赝寥狼治g較為嚴(yán)重。因此，采用現(xiàn)場(chǎng)徑流場(chǎng)等測(cè)試方法，對(duì)水土流失現(xiàn)象進(jìn)行研究分析較為困難，而且在實(shí)際研究操作過(guò)程中，成本投資較高[6]。

與此同時(shí)，在研究試驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)受到當(dāng)?shù)貧夂蛞约暗赜虻纫蛩赜绊?。而采用人工模擬降雨技術(shù)對(duì)區(qū)域水土流失情況進(jìn)行分析研究，不僅成本較低，而且操作過(guò)程簡(jiǎn)單。目前，相關(guān)應(yīng)用研究已經(jīng)非常成熟。因此，本文將結(jié)合研究區(qū)項(xiàng)目土地?cái)_動(dòng)性特點(diǎn)，采用常規(guī)觀測(cè)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)資料觀測(cè)。在人工模擬降雨過(guò)程中，主要采用Kust03-1人工模擬降雨裝置，在野外試驗(yàn)區(qū)域展開(kāi)人工模擬試驗(yàn)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(dòng)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(shí)際降雨模擬過(guò)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(jìn)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(shì)，使本次人工模擬降雨過(guò)程更加靈活科學(xué)[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(shè)計(jì)時(shí)，為了方便設(shè)備搬運(yùn)以及拆卸和安裝，該人工模擬降雨技術(shù)裝置各個(gè)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(guò)程中，本次試驗(yàn)?zāi)M，主要采用對(duì)噴以及單、雙噴三種不同方式進(jìn)行噴射。最終按照上述技術(shù)要求參數(shù)經(jīng)過(guò)科學(xué)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(qiáng)分別為0.28MPa和20-100mm/h，人工模擬降雨均勻度為86.45%，因此達(dá)到了本次模擬降雨的目的[9]。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，文章通過(guò)利用人工模擬降雨技術(shù)，對(duì)該研究區(qū)工礦區(qū)的侵蝕狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)水土流失導(dǎo)致工礦區(qū)存在嚴(yán)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(duì)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中，對(duì)土地的擾動(dòng)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(guò)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(jī)理。因此，對(duì)于該研究區(qū)展開(kāi)定量研究及對(duì)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(fù)責(zé)水文水資源評(píng)價(jià)工作。

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