人工模拟降雨技术研究综述任树梅1 刘洪禄2 顾 涛1(11中国农业大学水利与土木工程学院 北京市100083; 21北京市水科所 100044) 摘要 在开展雨水高效利用的试验研究中,用人工模拟降雨的方法,可以缩短试验周期,加速雨水入渗规律、土壤侵蚀规律的研究进程。
可以通过控制试验条件,模拟不同环境,弥补在自然降雨条件下,因环境变化而无法得到试验期内计划的研究结果,或者进一步补充论证在自然降雨情况下得到的研究结果。
介绍了在水土保持和降雨入渗研究中模拟降雨装置的研究概况,提出了简易模拟降雨装置的主要技术参数。
关键词 人工模拟降雨 降雨均匀度 降雨强度 雨滴动能 雨滴中数直径Summary of R esearch on Artificial Simulation of R ainfallR en Shumei1 Liu H onglu2 G u T ao1(1.C ollege of Water Res ources and Civil Engineering of China Agricultural University,Beijing100083,China;2.Institute of Water C onservancy of Beijing City,100044,China)Abstract:Using the method of artificial simulation of rain fall can shorten the time length of experiment,and speed up the research process of rain fall in filtration rule,s oil erosion rule in the experimental research on rain water high-efficiency use.Through control of experiment condition,simulation of rain fall under different environments can be realized.T hus,this meth od can remedy the failure of ex periment of natural rain fall condition due to vari2 ation of environment,and validate the ex periment result under natural rain fall condition.T he present situation of research on s oil and water conservation and rain fall in filtration is summarized,and the main technical parameters for the sim ple simulation device of rain fall simulation are proposed.K ey w ords:artificial simulation of rain fall rain fall uniformity rain fall intensity kinetic energy of rain drop rain fall median diameter 自1980年以来,国内外雨水利用得到迅速的发展,不仅少雨国家(如以色列等)发展较快,而且一些多雨国家(如东南亚国家)也得到发展,一些工业发达国家(如日本、澳大利亚和美国等)都在积极开发利用雨水,所以积极开展雨水高效利用是定深度后,由于得不到地下水的滋润,降雨又稀少,原有靠地下水生活的茂盛天然植被便会退化甚至枯死。
所以必须正确处理好人工绿洲和天然绿洲的关系,使其协调统一。
新疆目前的生态用水量约280亿m3(地表水、地下水可利用量的37%),这个耗水量是不能再减少的。
(2)关键是节约用水。
水是人类赖以生存和发展的重要资源,是不可缺少、不可替代的特殊资源。
如前所述,新疆地表水、地下水年可利用总量为682亿m3。
在一个相当长的历史时期内,不但从区外调水难以实现,属水权之内的可利用水资源也难以充分利用。
因此,新疆的农牧业、工业、生活用水总量只能在有限的范围内做文章,关键是合理利用水资源,提倡节约用水。
在节水过程中,应当从新疆的节水现状和区情、水情出发,深入分析掌握现状节水达到的水平和现状节水措施所产生的节水作用,存在的问题及产生的原因、工作难点、具有的潜力和突破点。
在此基础上,应分地区、分部门、分类型,在水资源的承载能力范围内,依据国民经济和社会的需要以及具体条件,以提高水利用率和效益为中心,提出不同阶段要达到的节水水平和需要采取的工程及非工程节水措施,实现以节水为中心的水资源优化配置和高效利用。
开展以提高用水效率为中心的技术革命,如提高水利产业中的科技含量,农业大力推行节水灌溉技术,工业采用先进的技术和工艺,提高循环用水的次数,生活用水采用先进节水措施等。
□参考文献1 凯色尔.新疆水资源可利用量分析.全疆第二次决策咨询研讨会论文集[R].20002 张志新.试论新疆水资源可持续利用的对策[J].灌溉排水.2000(1): 42～493 董新光.新疆水资源短缺原因分析[J].新疆农业大学学报.2001(1): 10～154 郑旭荣,李明思,樊曙光.新疆干旱地区农业用水利用研究[J].中国农村水利水电,2002(2)[作者简介] 塔义尔・肉孜,男,41岁,副教授(收稿日期:2002-03-10)37中国农村水利水电・2003年第3期摆在我国水利工作者面前的崭新研究方向之一。
因此,如何因地制宜充分利用当地有潜力的降雨资源,发展有限灌溉(灌关键水、救命水),提高作物产量,促使农牧民脱贫致富,不仅是当地迫切需要解决的问题,也是我国农业生产中一个带战略性的问题。
为了给水土保持、雨水集蓄工程及田间试验提供科学依据,定量的评价降雨条件下土壤水分状况以及入渗产流关系,使用野外人工模拟降雨装置,可以克服常用的野外径流小区进行定位观测耗时费力的缺点,缩短试验周期,加速雨水入渗规律、土壤侵蚀规律研究的进程。
1 模拟降雨研究方法的现状在每一年的不同时期或不同年的同一时期,对土壤的水分状况进行田间实际监测,研究不同耕作措施的保水效果,所需研究周期长,受环境气候影响大,要获得理想的结果至少需要好几年的时间。
用人工模拟降雨的方法,可以在短短几天的时间,研究出不同耕作措施的保水效果;通过控制试验条件,可以模拟不同环境。
用这种方法可以弥补在自然降雨条件下,因环境变化,而无法得到试验期内计划的研究结果,或者进一步补充论证在自然降雨环境下得到的研究结果。
目前在国内人工模拟降雨方法多用在水土保持方面的科研活动中,用于农田耕作措施的研究还不多见。
黄毅等[1](1997)通过多次筛选试验,研制出单喷头变雨强模拟降雨装置。
该装置模拟降雨的工作原理是利用喷灌自吸泵将水以不同流速送到装有特制弹性压片的喷体,有压水流在弹性压片的作用下形成薄厚不等的连续水舌,水舌射向空中时受到空气的阻力形成大小不同的雨滴。
在这样一个连续的系统内,施加不同的供水压力就形成不同厚度的水舌,进而形成从小到大的雨量。
该装置的有效降雨面积为20～40m2,降雨强度30～150mm/h,降雨均匀系数K≥0.8。
刘素媛等[2](1998)经5年研究、3年应用和3万个数据率定研制成功的S B-Y Z CP (野外移动、组合、侧向、喷洒式)人工降雨模拟装置,其降雨喷头由6种不同孔径(7,9,11,13,15,17mm)的喷嘴和碎流板组成。
喷嘴出流由6支供水管分别供水,不同孔径的喷头可组成任意组合的降雨机组降水,出水流量和时间由车里的自控装置、仪表监测控制,雨滴高度11m。
塔架由5层金属钢架组成,第四层设平台以调整喷头。
冯绍元等[3](1998)采用人工降雨方法研究降雨入渗规律,初始含水率分布均匀条件下,提出4种不同雨强处理降雨入渗径流的简便计算方法。
王小燕等[4] (2000)在中澳合作项目中用人工降雨方法研究保护性耕作条件下地表径流与水分入渗关系,降雨模拟器的降雨量、雨型和降雨强度可通过选定喷头、调节供水压力和控制喷头摆动速度来完成。
陈文亮等[5](2000)研制的SR型人工降雨装置是一种多喷头、多单元组合式的间歇降雨装置,该装置喷头出水孔径较大,其雨滴直径大小分布与天然降雨相似。
喷头处辅以使喷头往返摆动的机械装置,可增加喷头的散水面积和均匀度,可将降雨强度控制在实用的雨强范围内,是一种较理想的人工模拟降雨装置。
该降雨装置采用间歇下喷方式,降雨高度2.4m 及供水压力在0.2～2kg/cm2时,所测定雨滴直径为0～3mm,个别超过4mm。
根据测定,该降雨装置已满足此范围的雨滴,获得下落终点速度,均匀系数80%。
喷头为美国V-80100,孔径6.4mm,喷头处压力一般为0.2～1kg/cm2。
石生新等[6] (2000)采用野外人工降雨的方法,研究了高强度降雨条件下地面坡度、植被对坡面产沙过程的影响。
喷洒器为单向折射式,出水口为不同直径活动孔板,可更换。
用4马力柴油机配喷灌机加压取水,通过闸阀和更换出水孔板控制雨强,整个降雨区架设风障,防止雨滴飘拂,降雨强度78mm/h。
高小梅等[7] (2000)研制的人工模拟降雨装置,采用医用注射针头在一圆圈内振动洒落水滴模拟降雨。
经过两年多现场试验中的使用,证明它具有降雨强度可变范围宽(小降雨器2～100mm/h、大降雨器4～100mm/h),降雨强度下限低(小降雨器2mm/h、大降雨器4mm/h)和性能稳定等特点。
与采用喷嘴喷淋的装置相比较,便于控制降雨面积、降雨量和总给水量。
该装置能满足现场核素迁移试验使用要求,也可用于其他需要模拟降雨的试验研究中。
雨强可变范围满足2～100mm/h要求,给定水滴落差为0.5m。
李裕元等[8](2001)研究了侵蚀条件下坡地土壤水分与有效磷的空间分布特征,试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行,采用侧喷式人工降雨设备,喷头高度为16m;装土槽采用实验室自行研制的移动变坡式钢槽,规格为5m×0.5m×0.5m。
90年代以前我国使用的降雨器的主要技术性能见表1,日本使用的降雨器的主要性能见表2。
综上所述的各种模拟降雨装置可以归结两类,一类为用喷头作为雨滴发生器,如上述SR 型人工降雨模拟装置和S B型侧喷模拟降雨装置;另一类为用自吸泵输水,用孔板作为雨滴发生装置。