人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统

王博

摘 要：本文对人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统进行了较为詳细的论述，发现这个系统由多个部件与子系统组成，包括人工降雨装置、排水装置、产流量测算装置等。这些分工明确的装置各司其职，同时加上计算机系统辅助，先进性较高，能够根据外部环境的需求进行相关指数调节，最大限度的满足需要，这也促使其应用范围被不断扩展。

关键词：人工降雨;径流土壤水运动模拟实验系统;优势;结构组成

人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统涉及水文、土壤等专业领域，因此这些方面的工作也要得到兼顾，系统上的一些器材会有涉及，其次降雨形成过程、产流、土壤水运动等都需得到系统的兼顾，因此试验过程都会所涉及。

一、现有人工降雨模拟器技术的不足

人 工降水径流模拟从20世纪中期开始一直是研究水循环中降水.截留、下渗及土壤水运动重要方式之- -， 有效的弥补了观测天然降水径流资料的不足。现在随着人类活动的影响，植被、土壤都再不断的发生变化，水文学研究仍在做着人工降水径流实验。传统人工降水径流模拟大部分都是在野外完成，选取的场地都很大，比如中国科学院地理科学与资源研究所在河北易县设置的人工降水径流实验场，在野外最大的好处是能够更接近于真实的天然情况，模拟精度高，问题是实验成本高，运行维护不方便。为了运行维护的方便，很多高校和研究所将人工降水径流仪器搬到了室内，如中科院地理所与河海大学均建立了人工降水大厅，大厅面积超过50平米，相对于野外实验运行与维护要方便很多，但成本仍然很高。

1.不够便捷。现有的人工降水仪器设备在形成雨滴、控制雨强时，需要对应不同的喷头或是降水设备，因此这些依据不同需求而研究出的各种对应设备就会占用很多的时间与金钱，同时各种各样的设备在功能方面虽然具备自身的优势，但是也会因为体积过大、不够灵活、精确度不够高无法让整个降水过程更加顺利。

2.成本高，无法在课堂上进行实验演示。一些降水径流设备不够便捷，体积过大，导致设备只能在某地或是谋区域使用，同时在对相关专业的学生进行实验展示的时候，会因为设备体积过大，操作过于复杂而无法将过程展示的完全。同时有些设备的零部件过多多重，甚至现场采购后，无法直接安装，需要将各个组件运输到需要使用的区域后，组织安装。

3.不同研究学科的设计差别大，没有统一的标准。如水保专业的研究学者注重水滴设计，而土壤研究部门在设计人工降雨设备时，比较关注土壤水运动设计。同时有些正在使用的人工降雨模拟器的使用环境要求较高，一些在室内可以稳定发挥作用的设备到了室外就会因为坡度、角度等方面的因素不合适，而出现功能无法发挥或是功能发挥受到影响的情况。

二、人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统设计

此实验系统的组成部分主要包括人工降雨装置;径流与土壤水形成装置;排水装置;产流量测算装置等，人工降雨装置主要由供水装置与雨滴形成装置构成，供水装置主要依靠水泵进行水资源供给，热水泵的输出管道与雨滴形成装置连接;水泵的输出管上会安装调节阀门与流速仪器;雨滴形成装置是一个类似直立方形的容器，共分为内外两层，内层是透水钢丝网构成的内壁，外层则是一些透明材料构成的，内部与外部之间是由多层不透水的分层钢板连接，同时对应容器外壁一侧还会设置一列或是多个纵向排列的测流管，每层分层钢板会分别对应在每根测流管的下方。

方形容器的框架材料是钢铁，四个角会被安装上一个可以升降的竖直撑杆，撑杆上的上端会有孔管道组;同时容器的内部会有起填充作用的土壤层，这些带孔的管道会被放置在容器的正上方，而容器的侧壁的位置会设置标尺;排水装置会被设置在土壤的底部，会被直接组成为是一个安装在容器框架上的带孔钢架，钢丝网上还可以找到一些带孔的钢架。产流量测算装置与测流管的引水管相连，可以将水直接收集到量杯中进行测量，所述产流量测算装置使用的是电子测算方式，同时量杯的底部还会安装压力传感器，与单片机连接，同时再与计算机相连，可以对收集到的数据转换为水位数据。与测流管相连的引水管上会安装过滤器，同时各个测流管之间的间距为10cm，连接容器的内部与外部两层钢板之间的间距也是10cm;土壤层上的会植一些假草，同时这些土壤是由沙土和石子构成。

三、具体实施方式

实验系统主要由人工降雨装置、径流、土壤水形成装置、产流量测算装置等。人工降雨装置包括供水装置与雨滴形成装置。径流及土壤水形成装置这个直立容器，截面也是正方形，同时边长为50cm，底端到容器顶端的高度为70cm，容器内部填充的土壤层的下端会安装一个固定的容器框架，同时框架上还会安装一个带孔的钢架，钢架顶部会有一个钢丝网与带孔钢架构成的结构是排水装置，可以保证排水过程通畅顺利，同时可以方便土壤水的运动情况，配合实时监控，容器的侧壁会有一个纵向排列的测流管。

雨滴形成装置是一组被安装在径流与土壤水形成装置的容器上，这个容器的上部会安装一个带有孔洞管道组，同时通过水泵对带孔管道组进行供水，也可以利用带孔管道组上的小孔，进行雨滴模拟，这些带孔管道组具备不同规格、不同孔径的设备组合，借助供水装置上的调节阀门与流速器，可以对不同种类、大小的额降水雨滴进行模拟。

容器的框架一般会使用钢铁材料，在四个角上进行可升降调节的竖直撑杆安装，带孔管道组会被安置在这些竖直撑杆的上端，然后工作人员可以通过这些撑杆对带孔管道距离土壤层的高度进行调节，进而满足不同的模拟降雨实验需要;排水装置需要设置在土壤层的底部，与安装在容器框架与带孔钢架的钢丝网组件共同发挥作用。产流量测算装置通过与测流管连接的引水管将出水收集到的量杯中，方便开展测算工作。饮水管上会安装过滤器，此时产流量测算装置会跟测流管相连接的饮水管对收集量杯中的水进行测量，测量装置一般为电子形式的，同时量杯的底部也会被安装压力传感器，压力传感会与单片机连接，然后将接收到的数据转换为水位数据，再将这些数据传输给转换软件系统，由计算机的相关软件与系统进行处理。

四、结语

综上所述，人工降雨径流土壤水运动系统结构简单、操作简便，同时造价上与其他人工降水系统相比占用更少。设备的体积也相对较小，可以根据实际区域需求进行移动或是携带。雨滴形成装置的调节灵活性较强，高度也可以根据需求进行调节。最为重要的一点是此系统可以进行数据处理运算，保证得到的数据更加准确、快捷。

参考文献：

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