導(dǎo)語(yǔ)：人工模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1人工模擬降雨試驗(yàn)方法

1．1徑流小區(qū)布局

野外人工模擬降雨試驗(yàn)要在前期土壤水分不飽和的狀態(tài)下進(jìn)行，因此每次模擬降雨試驗(yàn)只能在同一徑流小區(qū)進(jìn)行一次降雨過(guò)程。為獲取更多的野外模擬降雨產(chǎn)匯流及水土流失對(duì)比數(shù)據(jù)，計(jì)劃在每個(gè)項(xiàng)目區(qū)的典型坡度———5°～8°、8°～15°、15°～25°分別建設(shè)坡地徑流小區(qū)。徑流小區(qū)的布設(shè)與等高線垂直，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和實(shí)際條件，徑流小區(qū)投影面積一般為60m2，即20m(順坡投影長(zhǎng)度)×3m(寬與等高線平行)。云縣石佛山坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目于2010年12月初完成8°、12°、15°三塊坡地小區(qū)的建設(shè)，2011年6月下旬第一次模擬降雨試驗(yàn)后，為方便對(duì)比分析，根據(jù)工程進(jìn)展情況在12°坡地小區(qū)旁增設(shè)一塊梯地小區(qū)。

1．2人工模擬降雨系統(tǒng)

此次人工模擬降雨試驗(yàn)采用西安理工大學(xué)研制的人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)。它基于工控組態(tài)軟件，應(yīng)用現(xiàn)有的人工模擬降雨試驗(yàn)裝置，將試驗(yàn)過(guò)程的常用設(shè)備和工控軟件結(jié)合在一起，增加了自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，解決了手動(dòng)調(diào)節(jié)雨強(qiáng)不方便的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同時(shí)段、不同雨強(qiáng)、不同分布的人工模擬降雨系統(tǒng)的手動(dòng)和自動(dòng)雙控制，采用監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)更好地滿足了人工模擬降雨試驗(yàn)的需求。該人工模擬降雨系統(tǒng)可建于自然坡面上，高6m，降雨試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)20m、寬3m，有效降雨面積60m2。降雨系統(tǒng)布設(shè)在降雨裝置支架上，噴頭選用與天然降雨雨滴譜最為接近的X型下噴式噴頭，由4組不同噴嘴孔徑組合而成。為兼顧模擬降雨的均勻性與搭建支架的經(jīng)濟(jì)性和安全性，將系統(tǒng)在野外難以架設(shè)的固定式方鋼支架改為鋼管腳手架。頂寬超出徑流小區(qū)寬度方向兩邊各0．3m，頂端橫桿按照水管和噴頭分布架設(shè)，壓力控制裝置設(shè)4個(gè)出水管，每管對(duì)應(yīng)同一噴嘴孔徑的噴頭，共設(shè)置4組24個(gè)不同噴嘴孔徑噴頭，支架內(nèi)部無(wú)任何遮擋。壓力控制裝置可自動(dòng)、手動(dòng)控制出水管的全開(kāi)、全關(guān)或部分開(kāi)啟。本系統(tǒng)可模擬降雨強(qiáng)度變化范圍4～200mm/h，降雨雨強(qiáng)最小分辨值1．3mm/h，降雨強(qiáng)度控制精度0．66mm/h，降雨均勻度＞0．95。系統(tǒng)采用先進(jìn)的閉環(huán)自動(dòng)控制理論和技術(shù)，是一種應(yīng)用交流變頻調(diào)速器控制的人工模擬降雨自動(dòng)控制設(shè)備，以降雨過(guò)程的最終實(shí)際降雨參數(shù)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)降雨部件，克服了從水源到噴頭之間諸多環(huán)節(jié)對(duì)降雨的隨機(jī)影響。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備的主要性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)內(nèi)外其他人工模擬降雨系統(tǒng)，是進(jìn)行土壤產(chǎn)匯流和侵蝕規(guī)律研究的重要試驗(yàn)設(shè)備。

1．3人工模擬降雨雨強(qiáng)

石佛山小流域位于云南省臨滄市云縣幸福鎮(zhèn)幸福村水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目區(qū)。模擬降雨設(shè)計(jì)頻率及雨強(qiáng)參照幸福雨量站。該站距項(xiàng)目區(qū)直線距離2km，1983年建站，有1983—2010年共28年的完整降雨資料，降雨資料質(zhì)量可靠，能滿足設(shè)計(jì)暴雨頻率分析要求。通過(guò)幸福雨量站1h短歷時(shí)暴雨頻率計(jì)算，石佛山小流域100年一遇1h降雨量為84．8mm，50年一遇1h降雨量為77．0mm，30年一遇1h降雨量為72．1mm。人

工模擬降雨采用100年一遇1h降雨過(guò)程。

2人工模擬降雨監(jiān)測(cè)結(jié)果

2．1JDZ02型自記雨量器記錄結(jié)果

人工模擬降雨試驗(yàn)于2011年1月開(kāi)始，至2012年9月結(jié)束，跨2年歷時(shí)40天，試驗(yàn)時(shí)間分別為枯水期兩次(第一次、第三次)、主汛期兩次(第二次、第四次)。在不同坡度的徑流小區(qū)分別進(jìn)行15場(chǎng)次的人工模擬降雨試驗(yàn)。

2．2普通雨量器監(jiān)測(cè)結(jié)果

徑流小區(qū)人工模擬降雨面降雨量采用普通雨量器監(jiān)測(cè)，用算術(shù)平均法計(jì)算平均面降雨量。用普通雨量器觀測(cè)的15場(chǎng)次人工模擬降雨面降雨量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

2．3人工模擬降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量監(jiān)測(cè)

人工模擬降雨雨強(qiáng)采用100年一遇1h降雨雨強(qiáng)。在模擬降雨試驗(yàn)前采用移動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)儀和稱重法在各小區(qū)距地表10、20、30cm土層剖面處取土樣分別測(cè)定前期土壤含水率，并取平均值。產(chǎn)流產(chǎn)沙量的監(jiān)測(cè)是在有徑流產(chǎn)生時(shí)，每5min取1個(gè)水樣，采用加權(quán)平均法計(jì)算平均含沙量，并用容積法記錄產(chǎn)流量。監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1人工模擬降雨試驗(yàn)降雨監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

云南省人工模擬降雨試驗(yàn)是全國(guó)第一次大規(guī)模使用人工模擬降雨系統(tǒng)在野外研究土壤產(chǎn)匯流和侵蝕規(guī)律的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境與野外環(huán)境差距較大，在野外試驗(yàn)雖然是按100年一遇的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人工降雨，但是由于受風(fēng)速、風(fēng)向影響較大，加之降雨雨滴與實(shí)際還有一定差距，所以部分降雨隨風(fēng)飄落到小區(qū)之外，落到小區(qū)地面的降雨標(biāo)準(zhǔn)也因此降低?？紤]到上述情況，試驗(yàn)都選在無(wú)風(fēng)或輕微風(fēng)和微風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行。將徑流小區(qū)內(nèi)安裝的JDZ02型自記雨量器記錄的降雨雨強(qiáng)與設(shè)計(jì)降雨雨強(qiáng)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)都在0．6以上，說(shuō)明人工模擬降雨過(guò)程與設(shè)計(jì)降雨過(guò)程之間存在強(qiáng)相關(guān)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，使用Brown－Forsythe檢驗(yàn)法檢驗(yàn)設(shè)計(jì)降雨過(guò)程與12場(chǎng)次JDZ02型自記雨量器記錄降雨過(guò)程的差異性，在顯著性水平α=0．05下檢驗(yàn)結(jié)果為各組之間差異不顯著。對(duì)比設(shè)計(jì)雨量與JDZ02型自記雨量器記錄結(jié)果，有7場(chǎng)次降雨接近或超過(guò)設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，說(shuō)明在徑流小區(qū)局部，人工模擬降雨雨強(qiáng)是達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。對(duì)徑流小區(qū)12場(chǎng)次面降雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，小區(qū)內(nèi)模擬降雨重現(xiàn)期達(dá)到10年一遇以上的有7場(chǎng)，以下的有5場(chǎng)，最高重現(xiàn)期為13年一遇，最低為2年一遇。小區(qū)內(nèi)降雨極不均勻，單個(gè)普通雨量器收集的降雨量有的大于設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，有的小于設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，特別是小區(qū)兩側(cè)降雨量與設(shè)計(jì)雨量誤差最大，達(dá)到82．5mm。受風(fēng)速、風(fēng)向、試驗(yàn)支架架設(shè)高度和植被的影響，用加權(quán)平均法計(jì)算出徑流小區(qū)內(nèi)21只普通雨量器的實(shí)測(cè)面平均雨量均小于設(shè)計(jì)雨量，相對(duì)誤差在－62．7%～－27．0%之間，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3．2徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況分析

(1)8°徑流小區(qū)。由表4知，第一次模擬降雨試驗(yàn)，坡地小區(qū)土壤含水率接近飽和、植被覆蓋率為0，降雨4min后開(kāi)始產(chǎn)流，歷時(shí)1h，產(chǎn)流量1．402m3，產(chǎn)沙量15．6kg。第二次試驗(yàn)在主汛期進(jìn)行，土壤含水率接近飽和，小區(qū)內(nèi)種植玉米，植被覆蓋率為100%，降雨2min后開(kāi)始產(chǎn)流，歷時(shí)62min，產(chǎn)流2145m3，產(chǎn)沙量10．2kg。第三次試驗(yàn)，小區(qū)土壤含水率12．16%，植被為雜草和伐倒的玉米植株，植被覆蓋率為70%，降雨9min后開(kāi)始產(chǎn)流，歷時(shí)40min，產(chǎn)流量0．064m3，產(chǎn)沙量0．015kg。該次模擬降雨面平均雨量為44．1mm，僅占設(shè)計(jì)雨量的48．5%，加之前期土壤含水率低，因此產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。第四次試驗(yàn)，小區(qū)內(nèi)種植的玉米已進(jìn)入成熟期，植株較高，植被覆蓋率為100%。試驗(yàn)時(shí)為減小風(fēng)力對(duì)人工模擬降雨的影響，將降雨架高度由6m減至4m。降雨27min后開(kāi)始產(chǎn)流，歷時(shí)12min，產(chǎn)流量0．082m3，產(chǎn)沙量0．082kg。該次降雨面平均雨量為59．9mm，占到設(shè)計(jì)雨量的70．6%，但是由于小區(qū)前期土壤含水率低，僅為9.04%，故產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。

(2)12°徑流小區(qū)。第一次試驗(yàn)，由于模擬降雨面平均雨量小(31．6mm)，雖然前期土壤含水率高達(dá)1503%，但該次降雨條件下該小區(qū)未產(chǎn)流。第二次試驗(yàn)，小區(qū)前期土壤含水率已接近飽和，植被覆蓋率達(dá)100%，降雨2min后開(kāi)始產(chǎn)流，歷時(shí)58min，產(chǎn)流量1．513m3，產(chǎn)沙量20．9kg。第三次試驗(yàn)，小區(qū)前期土壤含水率11．41%、植被覆蓋率70%，降雨11min后開(kāi)始產(chǎn)流，歷時(shí)42min，產(chǎn)流量0．156m3，產(chǎn)沙量0．044kg。該次模擬降雨面平均雨量較大，占到設(shè)計(jì)雨量的71．3%，但是由于前期土壤含水率低，故產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。第四次試驗(yàn)，小區(qū)植被覆蓋率100%，降雨31min后開(kāi)始產(chǎn)流，產(chǎn)流時(shí)間5min，產(chǎn)流量0．010m3，產(chǎn)沙量0．004kg。該次模擬降雨面平均雨量達(dá)到50．9mm，占到設(shè)計(jì)雨量的60．0%，但是受土壤含水率僅為10．59%的影響，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。

(3)15°徑流小區(qū)。由表4可知，第一次試驗(yàn)，小區(qū)前期土壤含水率為16．05%、植被覆蓋率為0，降雨30min后開(kāi)始產(chǎn)流，歷時(shí)10min，產(chǎn)流量0．0165m3，產(chǎn)沙量0．133kg。第二次試驗(yàn)，土壤含水率已接近飽和，達(dá)20．65%，小區(qū)植被覆蓋率60%，降雨7min后開(kāi)始產(chǎn)流，產(chǎn)流53min，產(chǎn)流量0．629m3，產(chǎn)沙量10.6kg。第三次試驗(yàn)在冬季進(jìn)行，小區(qū)植被覆蓋率為80%，由于前期土壤含水率低(10．41%)、面平均雨量偏小(43．3mm)，因此該次降雨在該小區(qū)未產(chǎn)流。第四次試驗(yàn)，小區(qū)植被覆蓋率100%，人工模擬降雨60min未產(chǎn)流，為檢驗(yàn)產(chǎn)流情況，在12:15將人工模擬降雨裝置閘門(mén)全開(kāi)，以最大降雨強(qiáng)度連續(xù)降雨5min，于降雨64min后開(kāi)始產(chǎn)流，產(chǎn)流5min，產(chǎn)流量0．022m3，產(chǎn)沙量0．036kg。該次模擬降雨歷時(shí)65min，面平均雨量達(dá)到61．1mm，占到設(shè)計(jì)雨量的72．1%，受前期土壤含水率(10．74%)較低、植被覆蓋率較高影響，該小區(qū)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。(4)梯地徑流小區(qū)。由表4可知，梯地徑流小區(qū)第一次試驗(yàn)在主汛期進(jìn)行，前期土壤含水率為17．46%，植被覆蓋率為20%，降雨2min后開(kāi)始產(chǎn)流，產(chǎn)流48min，產(chǎn)流量1．146m3，產(chǎn)沙量1．93kg。第二次試驗(yàn)在冬季進(jìn)行，小區(qū)前期土壤含水率8．09%，植被覆蓋率90%，模擬降雨面平均雨量為58.5mm，由于前期土壤含水率過(guò)低，該次降雨在該小區(qū)未產(chǎn)流。第三次試驗(yàn)在9月份進(jìn)行，前期土壤含水率為8.48%，植被覆蓋率為100%，模擬降雨面平均雨量為54．1mm。該次試驗(yàn)該小區(qū)未產(chǎn)流，其主要原因也是梯地小區(qū)前期土壤含水率過(guò)低。

4結(jié)語(yǔ)

(1)人工模擬降雨裝置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可取得較為理想的降雨成果，在野外試驗(yàn)雖然是按100年一遇的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人工模擬降雨，但受風(fēng)速、風(fēng)向、支架架設(shè)高度和植被的影響，加之降雨雨滴與實(shí)際還有一定差距，部分降雨隨風(fēng)飄落到小區(qū)之外，落到徑流小區(qū)地面的降雨量相對(duì)減少，面平均降雨強(qiáng)度因此降低，但局部降雨強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這說(shuō)明該模擬降雨系統(tǒng)仍存在一定不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

(2)在相同坡度、相同暴雨條件下，無(wú)植被覆蓋或植被覆蓋率低的徑流小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙量更大，說(shuō)明提高地表植被覆蓋率可以有效涵養(yǎng)水源、減輕土壤侵蝕，同時(shí)在前期土壤含水率高的情況下，也更容易出現(xiàn)產(chǎn)流產(chǎn)沙。此外，將坡地改為梯地，并增加相應(yīng)植被覆蓋率對(duì)減少水土流失的效果是非常明顯的。

作者:徐曉鵬徐志春張鼎輝楊軒單位:云南水文水資源局耿馬縣水務(wù)局