第15章　叠加喷洒式模拟降雨系统

降雨是影响水文循环最重要的因素之一，是水文学研究的主要对象。本书第14章已经介绍了降雨量、降雨强度和降雨入渗的基本理论和实验方法。

文献[1]介绍了国外的降雨装置研究状况。早在20世纪30年代，国外就有研究人员使用喷壶作为雨滴发生器来进行模拟降雨实验。1932年Duley D.Hbys、1934年Hendzinksen、1940年Zingg等应用人工模拟降雨器来研究微小面积上的土壤侵蚀现象，实验小区面积仅为1.275～3.168m2。1952年，Mamisao等在一个巨型水箱的底部安装了许多小钢管，利用该装置研究了降雨强度为25.4～406.4mm/h范围内系统均匀降雨的特性。同年Passerinni设计了一种装有细管喷嘴的6根钢管，平行排列组成桁架式降雨装置进行降雨模拟。1967年，Worin等研制了喷头式降雨器。20世纪70年代，日本人渡边武夫设计了一种针管压力盒组合式降雨装置，该装置有60个压力盒，针头间距为5cm，针头内径为0.8mm，由高水箱供水，用浮标式流量计测量流量，实验的降雨强度范围为100～200mm/h，降雨覆盖面积为9.6m2，该装置具有可组合性，适用于不同形状和尺寸范围的降雨模拟；20世纪70年代以后，国外在降雨装置的研究方面主要有Veyer和Harmon（1978年）、Miller（1987年）、Cerda等（1997年）、Hignett等（1995年）、Romkens等（2001年）、Paige等（2003年）、Parson和stoal（2006年）、Tromp-van Meerveld（2008年）、Hafzullah Aksoy等（2012年）、Roberto Corona等（2013年）、Stlvia和Carvalho（2014年），这些研究者的降雨强度范围从10～400mm/h不等，降雨装置大多采用喷头喷洒式降雨方式[2]。Odgen和Van Es（1997）、Peterson和Bubenzer（1986）报道了采用模拟降雨法进行土壤入渗实验的模拟降雨装置，该装置依据天然降雨情况，在维持均匀不变的降雨强度条件下，观测实验区的地表径流过程和土壤入渗过程[3]。

我国的人工降雨装置起步于20世纪50年代后期，大致可以分为3个阶段，1962—1979年为第一阶段，有少量研究成果，例如1962年，徐在庸和胡玉山利用人工降雨装置研究了坡面径流[4]；1967年中国科学院地理研究所水文室采用喷嘴往复运动进行降雨模拟。20世纪70年代末，铁道科学院西南研究所采用网状管路降雨装置进行降雨模拟[5]；1980—1999年为第二阶段，人工降雨装置的研究呈上升趋势[6]，1987年山西省水土保持研究所采用静止喷嘴侧喷式降雨装置进行降雨模拟[5]；西安理工大学在20世纪80年代提出了新型针管式降雨装置，该装置由马氏瓶、供水管路、控制阀、分立针管式降雨器组成，该装置的降雨强度可在一定范围内任意调整，实验过程中既可使雨强保持均匀、稳定，又可按设计要求模拟雨强随时间的变化以及沿坡长方向的空间变化[7]；1989年加拿大学者与山西水土保持研究所合作研究喷嘴静止下喷降雨装置，此装置可以改变喷嘴压力[5]，此外还有黄毅（1997年）、刘素媛（1998）分别采用不同孔径的喷头组合型喷洒式降雨装置[2]。2000年以后为第三阶段，这一阶段的人工降雨装置趋于成熟，控制系统自动化和智能化得到普遍使用，形成了基于以上不同原理不同控制方式的模拟降雨系统。(https://www.daowen.com)

据有关研究表明[6]，我国从1959—2017年，共研制了近80种人工模拟降雨装置，国外从1938—1999年，共发明改造了229种人工模拟降雨装置。这些人工模拟降雨装置根据雨滴产生的原理不同，分为喷嘴式、管网式、针管式和悬线式，在这些降雨装置中，喷嘴式占65%，管网式占10%，针管式占23%，悬线式占2%。采用最广泛的是静止喷嘴式中的侧喷式和下喷式，两者占37%，其次是振动针管式、摆动下喷式和管网下喷式，分别占11%、7%和5%左右。

2001年，张建丰在多年研究的基础上，开发了叠加喷洒式模拟降雨系统，已用于中国科学院水土保持研究所、西北农林科技大学、太原理工大学、天津大学、青海大学、重庆大学、天津理工大学、西安理工大学、交通部公路研究所等高校和研究单位。该系统由供水装置、控制装置和计算机等几部分组成，可用于模拟降雨过程、降雨强度，其中降雨强度的递增或递减，系统的操作完全由计算机自动控制，测量数据可以在线显示、绘图和保存。在脱机状态下，可以用Excel对数据进行再处理和分析。具体原理、设备组成、操作方法介绍如下。