常琪琪, 劉寶元, 劉瑛娜, 路炳軍, 符素華

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 地理學(xué)院, 北京100875; 2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 3.北京易科立德生態(tài)環(huán)境科技有限責(zé)任公司, 北京 100141)

人工模擬降雨是廣泛用于土壤侵蝕規(guī)律研究、預(yù)報(bào)模型建立及水土保持措施效益分析與評(píng)價(jià)的一種試驗(yàn)方法[1]。人工模擬降雨通過大幅度縮短研究周期來加快研究進(jìn)程，從而在較短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)資料[1-4]。人工模擬降雨裝置可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行不同試驗(yàn)條件的組合(不同降雨強(qiáng)度、雨量、雨型等)，獲得天然條件下難以觀測到的數(shù)據(jù)[2,4]。人工模擬降雨在歷時(shí)、效率、試驗(yàn)條件控制等方面具有極大優(yōu)勢，解決了天然降雨耗時(shí)長、成本高、難以取得精準(zhǔn)控制數(shù)據(jù)的問題[2-3]。

人工模擬降雨的實(shí)現(xiàn)為地學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的許多研究做出了重大貢獻(xiàn)[5]。人工模擬降雨機(jī)最早在20世紀(jì)30年代初被美國用于坡面產(chǎn)流和土壤侵蝕過程試驗(yàn)研究[6-7]。40年代末人工模擬降雨裝置的研制受到重視，不同類型的人工降雨裝置不斷被研制出來[4,8]。1958年Meyer等[9]研制出了槽式人工模擬降雨機(jī)，被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕及相關(guān)研究中，之后不斷有學(xué)者對槽式人工模擬降雨機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)[1,10]。我國20世紀(jì)60年代有學(xué)者開始研制人工模擬降雨機(jī)[4]，60—70年代人工模擬降雨機(jī)研制及試驗(yàn)方法漸漸被更多學(xué)者接受認(rèn)可[6]，至80年代人工模擬降雨機(jī)研制技術(shù)逐漸成熟，新世紀(jì)后進(jìn)入快速發(fā)展階段[11]，目前我國學(xué)者已研制出了各種適于不同試驗(yàn)要求和研究目的的人工模擬降雨裝置[12]。

噴頭是降雨機(jī)最重要的部分，直接決定了模擬降雨的雨滴大小、分布和降雨動(dòng)能等與天然降雨的相似性，直接影響到人工模擬降雨試驗(yàn)規(guī)律與天然降雨試驗(yàn)規(guī)律的相似性。如柯奇畫和張科利[11]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他條件相同時(shí)，靜止噴嘴式降雨機(jī)在黃綿土上得到的土壤流失量不到天然降雨的50%，且土壤流失量隨坡度的變化規(guī)律也明顯不同。因此，選擇合適的噴頭是人工模擬降雨機(jī)的關(guān)鍵。Meyer等[9,13-16]的研究表明Veejet80150噴頭能產(chǎn)生與天然降雨更相似的雨滴直徑、分布及降雨動(dòng)能。但是到目前為止，還缺乏對Veejet80150噴頭在不同高度以及不同降雨強(qiáng)度的降雨特性及降雨均勻性的系統(tǒng)研究。因此本文擬評(píng)價(jià)不同高度以及不同降雨強(qiáng)度條件下Veejet80150噴頭的降雨特性，以及多噴頭組合的降雨均勻性，為Veejet80150噴頭的模擬降雨機(jī)使用提供相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 降雨機(jī)簡介

北京師范大學(xué)房山試驗(yàn)基地人工模擬降雨大廳內(nèi)的槽式下噴模擬降雨機(jī)，是由北京易科立德生態(tài)環(huán)境科技有限公司與北京師范大學(xué)聯(lián)合對舊款降雨機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造后的產(chǎn)品。本人工模擬降雨系統(tǒng)包括10臺(tái)降雨機(jī)，主要由降雨系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)3部分組成。降雨系統(tǒng)包括連動(dòng)桿等動(dòng)力裝置和噴頭等噴灑裝置。噴頭采用Veejet80150噴頭，與連動(dòng)桿連接，沿降雨機(jī)長軸方向擺動(dòng)。每臺(tái)降雨機(jī)有5個(gè)噴頭，噴頭間距離為1.1 m，相鄰降雨機(jī)間距離為1.5 m，為了便于多噴頭疊加噴灑，獲得均勻降雨，單個(gè)噴頭降雨面積至少應(yīng)為(1.1×2) m×(1.5×2) m=6.6 m2?？刂葡到y(tǒng)由電腦與控制電路組成。通過設(shè)置不同降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)來模擬不同的降雨條件，然后由電腦及控制電路決定連動(dòng)桿擺動(dòng)速率?？稍O(shè)置降雨強(qiáng)度范圍為0～200 mm/h，以1 mm/h為增量。供排水系統(tǒng)主要包括供水箱、水泵等供水裝置以及水槽、水箱等回流排水裝置，供水水壓為0.04 MPa。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究Veejet80150單個(gè)噴頭的降雨特性及多噴頭的降雨空間均勻性，本研究進(jìn)行了3組試驗(yàn)。(1) 研究單噴頭同一降雨強(qiáng)度不同高度情況下降雨強(qiáng)度與降雨面積的變化，為此設(shè)計(jì)了1個(gè)降雨強(qiáng)度(60 mm/h)，6個(gè)不同高度(2，2.5，3，4，5，6 m)，共6場降雨。(2) 研究單噴頭不同降雨強(qiáng)度情況下降雨面積變化，設(shè)計(jì)了6個(gè)降雨強(qiáng)度(15，30，60，90，120，150 mm/h)，2個(gè)高度(2.5，4 m)，共12場降雨。(3) 研究多噴頭組合下不同噴頭高度降雨機(jī)降雨強(qiáng)度差異及降雨空間均勻性，設(shè)計(jì)6個(gè)降雨強(qiáng)度(15，30，60，90，120，150 mm/h)，2個(gè)高度(2.5，4 m)，共12場降雨。去過重合部分，3組試驗(yàn)共28場降雨。

單噴頭試驗(yàn)時(shí)只打開1臺(tái)降雨機(jī)的1個(gè)噴頭，其他噴頭全部關(guān)閉，以降雨噴頭正下方為中心位置擴(kuò)散擺放集雨瓶收集降雨，集雨瓶間距在噴頭擺動(dòng)方向?yàn)?1 cm，在與噴頭擺動(dòng)垂直方向?yàn)?5 cm(圖1)，集雨瓶擺放范圍為中心噴頭及周邊8個(gè)噴頭垂直投影所包圍的范圍，擺放數(shù)量(483～957個(gè))取決于噴頭高度。高度越高，擺放數(shù)量越多，原因是下噴式模擬降雨機(jī)在進(jìn)行單噴頭降雨時(shí)，降雨面積會(huì)隨噴頭的高度增加而增加。降雨機(jī)多噴頭組合試驗(yàn)采用兩臺(tái)降雨機(jī)，在降雨機(jī)下方擺放集雨瓶，集雨瓶間距在噴頭擺動(dòng)方向?yàn)?1 cm，在與噴頭擺動(dòng)垂直方向?yàn)?5 cm(圖2)，擺放數(shù)量為11×21個(gè)，共收集2臺(tái)降雨機(jī)6個(gè)噴頭下方的組合降雨。

本試驗(yàn)每次降雨總量保持不變，根據(jù)不同的降雨強(qiáng)度確定降雨歷時(shí)，即較大降雨強(qiáng)度對應(yīng)短歷時(shí)，時(shí)間由長到短分別設(shè)置為60，30，15，10，7.5，6 min。每次降雨結(jié)束后，用量筒逐一測量集雨瓶中雨水的體積，經(jīng)過計(jì)算得到單噴頭及多噴頭組合方案下的多組測點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算分析

降雨強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(1)

式中：I為降雨強(qiáng)度(mm/h)；v為集雨瓶中雨水體積(ml)；S瓶口為集雨瓶瓶口表面積(cm2)；t為降雨歷時(shí)(h)。

降雨面積是收集到雨的所有測點(diǎn)所代表的面積總和：

民事訴訟審前準(zhǔn)備程序，是指在法院受理案件之后到正式開庭審理之前，為明確案件爭點(diǎn)及確定訴訟資料以交付正式開庭審理，當(dāng)事人和法院等訴訟主體按照一定的時(shí)間順序、方式和手續(xù)進(jìn)行的訴訟活動(dòng)以及相互關(guān)系的總和?！?〕

(2)

式中：S為降雨面積(m2)；s為一個(gè)集雨瓶代表的面積(cm2)；n為收集到雨的測點(diǎn)數(shù)量。本試驗(yàn)中一個(gè)集雨瓶代表的面積為11 cm×15 cm=165 cm2。

圖1 單噴頭降雨時(shí)集雨瓶擺放位置示意圖

圖2 多噴頭降雨時(shí)集雨瓶擺放位置示意圖

繪制降雨強(qiáng)度等值線是利用Surfer軟件，以測點(diǎn)間距離為坐標(biāo)系統(tǒng)，利用克里金法插值降雨強(qiáng)度等值線。

降雨強(qiáng)度誤差計(jì)算如下：

(3)

式中：ω為2.5 m與4 m高度下降雨強(qiáng)度的誤差；I2.5m為2.5 m高度下的降雨強(qiáng)度(mm/h)；I4m為4 m高度下的降雨強(qiáng)度(mm/h)。

降雨均勻性是評(píng)價(jià)人工降雨機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。均勻系數(shù)計(jì)算[2]如下：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 單噴頭不同高度及降雨強(qiáng)度對降雨面積的影響

Veejet80150單噴頭降雨面積隨高度變化見圖3，由圖可知，當(dāng)噴頭高度從2 m增加到6 m，降雨面積由4.7 m2增加到12.1 m2。當(dāng)高度小于4 m時(shí)，單噴頭降雨面積略小于6.6 m2，此時(shí)，噴頭噴灑面積接近該噴頭及相鄰其他8個(gè)噴頭正下方所覆蓋的范圍；4 m高度時(shí)，降雨面積約為6.6 m2，噴頭噴灑面積覆蓋該噴頭及相鄰其他8個(gè)噴頭正下方所覆蓋的范圍；高度大于4 m時(shí)降雨面積繼續(xù)增加，噴頭噴灑面積越過該噴頭及相鄰其他8個(gè)噴頭正下方所覆蓋的范圍。

圖3 單噴頭降雨面積隨高度變化

圖4 單噴頭降雨面積隨降雨強(qiáng)度變化

2.2 單噴頭不同高度對中心點(diǎn)降雨強(qiáng)度的影響

以噴頭正下方的測點(diǎn)為中心選擇3×3個(gè)測點(diǎn)，計(jì)算降雨強(qiáng)度平均值，以此作為單噴頭降雨時(shí)的中心點(diǎn)降雨強(qiáng)度，其隨高度的變化見圖5。由圖可知，單噴頭降雨的中心點(diǎn)降雨強(qiáng)度隨高度的增加而減小，在4 m高度后，中心點(diǎn)降雨強(qiáng)度變化大幅度減緩。

2.3 單噴頭不同高度降雨強(qiáng)度的空間分布

降雨強(qiáng)度等值線圖可以清晰直觀地表達(dá)降雨強(qiáng)度的空間分布。由圖6看出，降雨面積隨高度的增加明顯增加，中心點(diǎn)降雨強(qiáng)度隨高度增加顯著減小，降雨范圍為矩形。與圓形或橢圓形分布相比，矩形分布的優(yōu)點(diǎn)主要在于可通過多噴頭疊加擴(kuò)大降雨面積，但不會(huì)影響降雨強(qiáng)度的均勻性。在2.5 m高度時(shí)，降雨范圍在垂直噴頭擺動(dòng)方向約為3 m，剛好為左右兩臺(tái)降雨機(jī)間的距離；在噴頭擺動(dòng)方向約為2.2 m，為同臺(tái)降雨機(jī)前后噴頭間的距離，當(dāng)噴頭高度大于2.5 m，降雨面積超出上述范圍，因此，2.5 m高度可滿足本降雨裝置配置的要求。

圖5 單噴頭中心點(diǎn)降雨強(qiáng)度隨高度變化

圖6 單噴頭不同高度降雨強(qiáng)度空間分布

2.4 多噴頭組合的降雨強(qiáng)度及空間均勻性

由表1可知，2.5 m與4 m高度降雨強(qiáng)度的誤差很小。對2.5 m和4 m高度降雨強(qiáng)度進(jìn)行單因素方差分析，檢驗(yàn)兩者間的顯著性，結(jié)果顯示，在95%的置信水平下，兩個(gè)高度的降雨強(qiáng)度間不存在顯著性差異。

表1 不同高度的降雨強(qiáng)度 mm/h

有研究表明，當(dāng)降雨均勻系數(shù)達(dá)到0.80以上時(shí)認(rèn)為該降雨機(jī)符合均勻性要求[17]。由表2可知，噴頭高度為2.5 m時(shí)，降雨機(jī)均勻系數(shù)在0.88～0.90范圍內(nèi)；噴頭高度為4 m時(shí)，降雨機(jī)均勻系數(shù)在0.94～0.95范圍內(nèi)。均勻系數(shù)隨高度的增加而增加，且2.5 m和4 m高度的均勻系數(shù)均滿足人工降雨機(jī)的基本要求，4 m高度下的均勻性更好。

表2 不同高度各降雨強(qiáng)度的降雨均勻系數(shù)

3 結(jié) 論

人工模擬降雨機(jī)是土壤侵蝕、土壤入滲和降雨產(chǎn)流等研究的有效工具，噴頭是降雨機(jī)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，噴頭特性率定對噴頭的選擇和降雨機(jī)的研發(fā)具有重要意義。根據(jù)對改進(jìn)后的槽式人工模擬降雨機(jī)進(jìn)行單噴頭及多噴頭組合的試驗(yàn)，得到Veejet80150噴頭特性、該降雨機(jī)的實(shí)測降雨強(qiáng)度以及空間分布的相關(guān)參數(shù)，主要結(jié)論如下。

(1) Veejet80150單噴頭降雨面積隨高度的增加而增加，與降雨強(qiáng)度無關(guān)；(2) 單噴頭中心點(diǎn)降雨強(qiáng)度隨高度增加而減小，并從中心點(diǎn)向外呈規(guī)律性減小，便于多噴頭組合，獲得空間均勻降雨；(3) 多噴頭組合降雨時(shí)，噴頭高度為2.5 m時(shí)，降雨機(jī)均勻系數(shù)在0.88～0.90范圍內(nèi)；噴頭高度為4 m時(shí)，降雨機(jī)均勻系數(shù)在0.94～0.95范圍內(nèi)，該降雨機(jī)均勻性好，噴頭高度大于2.5 m時(shí)可滿足試驗(yàn)要求。