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1人工模擬降雨試驗方法

1．1徑流小區布局

野外人工模擬降雨試驗要在前期土壤水分不飽和的狀態下進行，因此每次模擬降雨試驗只能在同一徑流小區進行一次降雨過程。為獲取更多的野外模擬降雨產匯流及水土流失對比數據，計劃在每個項目區的典型坡度———5°～8°、8°～15°、15°～25°分別建設坡地徑流小區。徑流小區的布設與等高線垂直，根據相關規范和實際條件，徑流小區投影面積一般為60m2，即20m(順坡投影長度)×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工程水土保持監測項目于2010年12月初完成8°、12°、15°三塊坡地小區的建設，2011年6月下旬第一次模擬降雨試驗后，為方便對比分析，根據工程進展情況在12°坡地小區旁增設一塊梯地小區。

1．2人工模擬降雨系統

此次人工模擬降雨試驗采用西安理工大學研制的人工模擬降雨試驗系統(圖1)。它基于工控組態軟件，應用現有的人工模擬降雨試驗裝置，將試驗過程的常用設備和工控軟件結合在一起，增加了自動控制環節，通過對控制系統進行改造，解決了手動調節雨強不方便的問題，實現了對不同時段、不同雨強、不同分布的人工模擬降雨系統的手動和自動雙控制，采用監控組態系統更好地滿足了人工模擬降雨試驗的需求。該人工模擬降雨系統可建于自然坡面上，高6m，降雨試驗區長20m、寬3m，有效降雨面積60m2。降雨系統布設在降雨裝置支架上，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濟性和安全性，將系統在野外難以架設的固定式方鋼支架改為鋼管腳手架。頂寬超出徑流小區寬度方向兩邊各0．3m，頂端橫桿按照水管和噴頭分布架設，壓力控制裝置設4個出水管，每管對應同一噴嘴孔徑的噴頭，共設置4組24個不同噴嘴孔徑噴頭，支架內部無任何遮擋。壓力控制裝置可自動、手動控制出水管的全開、全關或部分開啟。本系統可模擬降雨強度變化范圍4～200mm/h，降雨雨強最小分辨值1．3mm/h，降雨強度控制精度0．66mm/h，降雨均勻度＞0．95。系統采用先進的閉環自動控制理論和技術，是一種應用交流變頻調速器控制的人工模擬降雨自動控制設備，以降雨過程的最終實際降雨參數控制和驅動系統的各個降雨部件，克服了從水源到噴頭之間諸多環節對降雨的隨機影響。實驗室測試結果表明，該設備的主要性能指標優于國內外其他人工模擬降雨系統，是進行土壤產匯流和侵蝕規律研究的重要試驗設備。

1．3人工模擬降雨雨強

石佛山小流域位于云南省臨滄市云縣幸福鎮幸福村水土保持監測項目區。模擬降雨設計頻率及雨強參照幸福雨量站。該站距項目區直線距離2km，1983年建站，有1983—2010年共28年的完整降雨資料，降雨資料質量可靠，能滿足設計暴雨頻率分析要求。通過幸福雨量站1h短歷時暴雨頻率計算，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降雨過程。

2人工模擬降雨監測結果

2．1JDZ02型自記雨量器記錄結果

人工模擬降雨試驗于2011年1月開始，至2012年9月結束，跨2年歷時40天，試驗時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分別進行15場次的人工模擬降雨試驗。

2．2普通雨量器監測結果

徑流小區人工模擬降雨面降雨量采用普通雨量器監測，用算術平均法計算平均面降雨量。用普通雨量器觀測的15場次人工模擬降雨面降雨量計算結果見表3。

2．3人工模擬降雨產流產沙量監測

人工模擬降雨雨強采用100年一遇1h降雨雨強。在模擬降雨試驗前采用移動墑情監測儀和稱重法在各小區距地表10、20、30cm土層剖面處取土樣分別測定前期土壤含水率，并取平均值。產流產沙量的監測是在有徑流產生時，每5min取1個水樣，采用加權平均法計算平均含沙量，并用容積法記錄產流量。監測結果。

3試驗結果分析

3．1人工模擬降雨試驗降雨監測結果分析

云南省人工模擬降雨試驗是全國第一次大規模使用人工模擬降雨系統在野外研究土壤產匯流和侵蝕規律的試驗。實驗室內的環境與野外環境差距較大，在野外試驗雖然是按100年一遇的標準進行人工降雨，但是由于受風速、風向影響較大，加之降雨雨滴與實際還有一定差距，所以部分降雨隨風飄落到小區之外，落到小區地面的降雨標準也因此降低。考慮到上述情況，試驗都選在無風或輕微風和微風的環境下進行。將徑流小區內安裝的JDZ02型自記雨量器記錄的降雨雨強與設計降雨雨強進行相關性分析，相關系數都在0．6以上，說明人工模擬降雨過程與設計降雨過程之間存在強相關。根據統計學原理，使用Brown－Forsythe檢驗法檢驗設計降雨過程與12場次JDZ02型自記雨量器記錄降雨過程的差異性，在顯著性水平α=0．05下檢驗結果為各組之間差異不顯著。對比設計雨量與JDZ02型自記雨量器記錄結果，有7場次降雨接近或超過設計雨強，說明在徑流小區局部，人工模擬降雨雨強是達到設計要求的。對徑流小區12場次面降雨量監測結果進行分析，小區內模擬降雨重現期達到10年一遇以上的有7場，以下的有5場，最高重現期為13年一遇，最低為2年一遇。小區內降雨極不均勻，單個普通雨量器收集的降雨量有的大于設計雨強，有的小于設計雨強，特別是小區兩側降雨量與設計雨量誤差最大，達到82．5mm。受風速、風向、試驗支架架設高度和植被的影響，用加權平均法計算出徑流小區內21只普通雨量器的實測面平均雨量均小于設計雨量，相對誤差在－62．7%～－27．0%之間，未達到設計要求。

3．2徑流小區產流產沙情況分析

(1)8°徑流小區。由表4知，第一次模擬降雨試驗，坡地小區土壤含水率接近飽和、植被覆蓋率為0，降雨4min后開始產流，歷時1h，產流量1．402m3，產沙量15．6kg。第二次試驗在主汛期進行，土壤含水率接近飽和，小區內種植玉米，植被覆蓋率為100%，降雨2min后開始產流，歷時62min，產流2145m3，產沙量10．2kg。第三次試驗，小區土壤含水率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后開始產流，歷時40min，產流量0．064m3，產沙量0．015kg。該次模擬降雨面平均雨量為44．1mm，僅占設計雨量的48．5%，加之前期土壤含水率低，因此產流量和產沙量都較小。第四次試驗，小區內種植的玉米已進入成熟期，植株較高，植被覆蓋率為100%。試驗時為減小風力對人工模擬降雨的影響，將降雨架高度由6m減至4m。降雨27min后開始產流，歷時12min，產流量0．082m3，產沙量0．082kg。該次降雨面平均雨量為59．9mm，占到設計雨量的70．6%，但是由于小區前期土壤含水率低，僅為9.04%，故產流量和產沙量都較小。

(2)12°徑流小區。第一次試驗，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1503%，但該次降雨條件下該小區未產流。第二次試驗，小區前期土壤含水率已接近飽和，植被覆蓋率達100%，降雨2min后開始產流，歷時58min，產流量1．513m3，產沙量20．9kg。第三次試驗，小區前期土壤含水率11．41%、植被覆蓋率70%，降雨11min后開始產流，歷時42min，產流量0．156m3，產沙量0．044kg。該次模擬降雨面平均雨量較大，占到設計雨量的71．3%，但是由于前期土壤含水率低，故產流量和產沙量都較小。第四次試驗，小區植被覆蓋率100%，降雨31min后開始產流，產流時間5min，產流量0．010m3，產沙量0．004kg。該次模擬降雨面平均雨量達到50．9mm，占到設計雨量的60．0%，但是受土壤含水率僅為10．59%的影響，產流量和產沙量都較小。

(3)15°徑流小區。由表4可知，第一次試驗，小區前期土壤含水率為16．05%、植被覆蓋率為0，降雨30min后開始產流，歷時10min，產流量0．0165m3，產沙量0．133kg。第二次試驗，土壤含水率已接近飽和，達20．65%，小區植被覆蓋率60%，降雨7min后開始產流，產流53min，產流量0．629m3，產沙量10.6kg。第三次試驗在冬季進行，小區植被覆蓋率為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未產流。第四次試驗，小區植被覆蓋率100%，人工模擬降雨60min未產流，為檢驗產流情況，在12:15將人工模擬降雨裝置閘門全開，以最大降雨強度連續降雨5min，于降雨64min后開始產流，產流5min，產流量0．022m3，產沙量0．036kg。該次模擬降雨歷時65min，面平均雨量達到61．1mm，占到設計雨量的72．1%，受前期土壤含水率(10．74%)較低、植被覆蓋率較高影響，該小區產流量和產沙量都較小。(4)梯地徑流小區。由表4可知，梯地徑流小區第一次試驗在主汛期進行，前期土壤含水率為17．46%，植被覆蓋率為20%，降雨2min后開始產流，產流48min，產流量1．146m3，產沙量1．93kg。第二次試驗在冬季進行，小區前期土壤含水率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低，該次降雨在該小區未產流。第三次試驗在9月份進行，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。該次試驗該小區未產流，其主要原因也是梯地小區前期土壤含水率過低。

4結語

(1)人工模擬降雨裝置在實驗室內可取得較為理想的降雨成果，在野外試驗雖然是按100年一遇的標準進行人工模擬降雨，但受風速、風向、支架架設高度和植被的影響，加之降雨雨滴與實際還有一定差距，部分降雨隨風飄落到小區之外，落到徑流小區地面的降雨量相對減少，面平均降雨強度因此降低，但局部降雨強度達到設計要求，這說明該模擬降雨系統仍存在一定不足，需要進一步改進。

(2)在相同坡度、相同暴雨條件下，無植被覆蓋或植被覆蓋率低的徑流小區產流、產沙量更大，說明提高地表植被覆蓋率可以有效涵養水源、減輕土壤侵蝕，同時在前期土壤含水率高的情況下，也更容易出現產流產沙。此外，將坡地改為梯地，并增加相應植被覆蓋率對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局