第16卷摇第2期2018年4月
ScienceofSoilandWaterConservation
中国水土保持科学
Vol.16摇No.2Apr.2018
我国人工降雨侵蚀相关试验的研究进展回顾
柯奇画,张科利覮
(北京师范大学,地理科学学部,地理学院,100875,北京)
摘要:人工降雨试验是土壤侵蚀过程机理研究的重要手段,自20世纪60年代开始,在世界各国得到普遍应用。笔者运用文献法,从时间历程、空间分布、研究主题、试验平台、降雨机类型、试验方法、研究机构及其地区分布等方面,对我国运用人工降雨试验进行侵蚀相关研究的文献资料进行统计分析。结果表明:1)在我国,人工降雨应用于侵蚀相关研究的发展过程可分为3个阶段:20世纪60—70年代的起步阶段、80—90年代的缓慢发展阶段和进入21世纪以后的快速发展阶段。2)我国人工降雨侵蚀相关试验研究集中在黄土高原,主要受试土壤为黄土、红壤、紫色土、黑土和石灰土,热点研究主题是细沟与细沟间侵蚀,主要试验平台是直型坡,主要降雨机类型是静止喷嘴式中的侧喷式和下喷式。3)相关研究机构和文献发表分别集中于北京和陕西;以中科院水保所为首的研究院所和以西北农林科技大学为首的高校是我国人工降雨侵蚀相关试验研究的主导力量,相关试验站和行政管理单位也参与进来。最后分别从降雨装置和模拟方法方面提出人工降雨试验方法存在的问题和今后的前进方向。本研究可为准确把握我国土壤侵蚀模拟试验研究方法提供基础数据,对进一步认识我国的水土保持研究和工作具有重要意义。
关键词:人工降雨试验;侵蚀相关研究;国内进展中图分类号:S157
文献标志码:A
文章编号:2096鄄2673(2018)02鄄0134鄄10
DOI:10.16843/j.sswc.2018.02.018
Areviewontheerosion鄄relatedresearchesbysimulatedrainfall
experimentsinChina
(SchoolofGeography,FacultyofGeographicalScience,BeijingNormalUniversity,100875,Beijing,China)
KEQihua,ZHANGKeli
Abstract:[Background]Simulatedrainfallexperimentisanimportantmethodinthemechanismstudy
ofsoilerosionprocessduetoitscharacteristicsofeasycontrolandstudyprocessexpediting,andithasbeenappliedaroundtheworldsincethe1960s.[Methods]Wecollectedallrelevantliteraturesfromdatabasesetc.,andmadeastatisticalanalysisoftheliteraturesoferosion鄄relatedresearchesbysimulatedrainulatortypes,researchmethods,researchfacilitiesandtheirdistributioninChina.[Results]1)InChina,theapplicationofsimulatedrainfallinthedomainofsoilerosionrelevantcanbedividedintothreeresearchesbysimulatedrainfallexperimentsfocusontheLoessPlateau,themaintestedsoiltypesare80sandthehigh鄄speeddevelopmentafterenteringthe21stcentury.2)InChina,theerosion鄄relatedloess,redsoil,purplesoil,blacksoilandlimestonesoil,thehotresearchtopicisaboutrillandinterrill
收稿日期:20170920摇修回日期:20180314
项目名称:国家自然科学基金重点项目“西南黄壤区不同尺度土壤侵蚀与泥沙运移规律耦合关系冶(41730748);国家自然科
学基金面上项目“东北黑土区冻融作用与水蚀过程耦合机理研究冶(41471224)
第一作者简介:柯奇画(1993—),女,硕士研究生。主要研究方向:土壤资源利用与保护。E鄄mail:qhke@mail.bnu.edu.cn覮通信作者简介:张科利(1962—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:土壤侵蚀。E鄄mail:keli@bnu.edu.cn
rainfallexperimentsfromtheaspectsoftimecourses,spatialdistribution,researchtopics,test鄄bedtypes,phases:initialstagethroughoutthe1960sand1970s,slowdevelopingstagethroughoutthe1970sand
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erosion,theprimarytest鄄bedtypeistheuniformslope,themajortypeofrainulatorsaretheside鄄spraying
anddown鄄sprayingwithstationarynozzles.3)InvolvedresearchfacilitiesanddocumentsareconcentratedTechUniversityofAgricultureandForestry,arethemainforceoferosion鄄relatedresearchesbysimulatedrainfallexperimentsinChina,someexperimentsstationsandadministrativeunitsarealsoinvolvedintheflood.Atlast,theproblemsexistingintheartificialrainfalltestmethodsanditsfuturedirectionareapplicationanduniversalizationofsoilerosionsimulationexperimentsresults,itisanecessarypathto
inBeijingandShaanxi,respectively.ResearchinstitutionsheadedbyInstituteofSoilandWater
ConservationofChineseAcademyofSciences,collegesanduniversitiesrepresentedbyNorthwestSci鄄
proposedrespectivelyfromtheaspectsofrainfalldevicesandsimulationmethods.ToelevatevaluesforascertainerosivityparametersofvariousrainulatorsandtonormalizeoperatingmethodsofsimulatedtheexactgraspofresearchmethodsofsoilerosionsimulationexperimentsandabetteracquaintancewiththescientificresearchandpracticalworkonwaterandsoilconservationinChina.摇摇野外径流小区观测是土壤侵蚀研究中获取资料加之维护成本昂贵,在现实中又很难获得天然降雨条件下的产流产沙过程资料,所以仅仅依靠径流小区观测来获取大量土壤侵蚀的科研数据存在很大的局限性[12]。为弥补野外小区观测方法的不足,20世纪30年代诞生了人工降雨试验方法。与天然降雨观测相比,人工降雨试验一方面便于进行控制条件下的水蚀规律研究,可以获取侵蚀过程资料,另一方面具有可大大加快研究进程、节约大量的人力物力财力的优势[34];因此,人工降雨试验已成为水土保持领域重要的研究方法[45]。
从20世纪40—50年代开始,国外学者广泛运
Keywords:simulatedrainfallexperiment;erosion鄄relatedresearch;Chinesedomesticprogress
Science、ElsevierSD、EngineeringVillage等英文数据库中,通过专业检索的方式对我国利用人工降雨试验进行侵蚀相关研究的文献进行了搜索,检索截止日期为2017年12月1日。最终搜索到中国作者发表的相关研究论文2500余篇,具体有自1962年以来的1800余篇中文研究论文及自1982年以来的近700篇英文研究论文。本文从时间历程、空间分布、研究主题、试验平台、降雨机类型、试验方法、研究机构及其地区分布等方面对这些文献进行分类统计,全面介绍我国人工降雨试验在侵蚀相关研究中1郾1摇时间历程
人工降雨试验在我国起步于20世纪60—70年代,80年代逐步成熟,新世纪后进入快速发展阶段。根据发表年份对现有相关文献进行统计,得到我国运用人工降雨试验进行侵蚀相关研究的文献数量随时间的变化过程(图1)。
我国最早应用人工降雨进行水土保持研究的文章[7]发表于1962年,此后的人工降雨试验研究大致可分为1962—1979、1980—1999和2000至今3个阶段。在早期(1962—1979年)阶段,只有零星的2篇相关中文研究论文发表于60年代[78],年均文献产出不足1篇,人工降雨试验相关研究发展极其缓慢;在1980—1999年期间,年均文献产出约9篇,人工降雨试验相关研究发展开始呈上升趋势,开始有中国作者在外文期刊发表相关研究论文,最早的一篇是Chong等于1986年发表的《Relationshipbe鄄tweentherunoffcurvenumberandhydrologicsoil的发展状况。
rainfallexperiments.[Conclusions]Thesefindingsofthestudycouldprovidebasicresearchdatumfor
的主要途径;但由于每年产流降雨发生的次数有限,
用人工降雨方法研究水土流失规律,并取得重要成果,如确定土壤可蚀性K值的诺模图就是Wis鄄chmeier等基于美国中西部大量的人工降雨试验资料推导而来的[6]。在我国,人工降雨试验应用于土壤侵蚀相关研究始于20世纪60年代[5],许多学者利用室内或野外人工降雨试验进行大量侵蚀相关研究,如坡面侵蚀产沙、径流/入渗、淋溶、土壤养分流失与迁移构成等。笔者运用文献法,对我国运用人工降雨试验进行侵蚀相关研究的文献资料进行统计分析和综述,并针对其中的关键问题提出了今后的解决方向,旨在为把握我国土壤侵蚀模拟试验研究方法提供基础数据,为我国水土保持研究和工作的进步指明方向。
1摇我国人工降雨侵蚀相关试验的研究现状
在知网、万方、维普等中文数据库以及Webof
properties》[9];进入21世纪以来(2000—2016年),
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124篇,其中2010—2016年间年均文献产出更是高1郾2摇空间分布
按照水土保持一级区划对现有相关文献进行分区统计,可以得到我国人工降雨试验的空间分布概况(表1)。人工降雨侵蚀相关试验在西北黄土高原区应用最多,发表的论文数量几乎占到所有相关论文的一半。其次是南方红壤区和西南紫色土区,其中南方红壤区占23郾4%,西南紫色土区占13郾6%。
图1摇中国人工降雨侵蚀相关试验研究的文献数量
随时间的变化过程
Fig.1摇Time鄄varyingprocessofliteraturesinerosion鄄related
researchesbyrainfallsimulationexperimentsinChina
达197篇。
在西南岩溶区、东北黑土区、北方土石山区、北方风沙区开展的相关研究较少,青藏高原区则是研究空白区。从土壤类型来看,目前我国人工降雨侵蚀相关试验所用的土壤类型以黄土、红壤、紫色土、黑土、石灰土为主,其中用于黄土侵蚀规律研究的最多。
人工降雨试验相关研究迅速发展,年均文献产出近摇摇
表1摇中国人工降雨侵蚀相关试验研究区的空间分布概况
Tab.1摇Spatialdistributionofstudyareasinerosion鄄relatedresearchesbyrainfallsimulationexperimentsinChina
中国水土保持区划一级分区
典型土类Typicalsoil黑土Blacksoil
风沙土Aeoliansandysoil棕壤Brownsoil
文献数Numberofliteratures
5762905299152061010145530
比例Percentage/%
5郾30郾62郾70郾049郾50郾81郾419郾30郾90郾913郾65郾00郾0
1stlevelregionalizationofsoilandwaterconservationinChina东北黑土区BlacksoilareaofNorth鄄eastChina北方风沙区WindyandsandyareaofNorthChina北方土石山区RockymountainsoilareaofNorthChina西北黄土高原区LoessPlateauareaofNorth鄄westChina
褐土Cinnamonsoil黄土Loess
黄棕壤Yellowbrownsoil黄壤Yellowsoil
南方红壤区RedsoilareaofSouthChina红壤Redsoil
赤红壤Latosolicredsoil砖红壤Latosol
西南紫色土区PurplesoilareaofSouth鄄westChina西南岩溶区KarstareaofSouth鄄westChina青藏高原区Qinghai鄄TibetPlateauarea
紫色土Purplesoil石灰土Limestonesoil高山土Alpinesoil
1郾3摇研究主题和试验平台类型
纵观以往相关研究,人工降雨试验可分为野外原位试验和室内模拟试验2大类,其中室内模拟试验又可分为原型试验和模型试验。人工降雨原型试验保持了侵蚀坡面原有的几何形态,通常用于研究溅蚀、细沟与细沟间侵蚀相关研究中;而人工降雨模型试验则通过将较大的原型进行概化和缩小,在模型上进行试验,通常应用于浅沟、切沟和冲沟侵蚀的相关研究中。人工降雨模型试验通常只是缩小了地形,而无法解决雨滴大小分布[10]和土壤结构的缩小问题。由于无法遵循3要素等比例相似的原理,大多涉及浅沟、切沟和冲沟
侵蚀的人工降雨模型试验在研究方法上是不可行的。
按照研究主题进行统计,绝大部分人工降雨试验应用于细沟与细沟间侵蚀、雨滴溅蚀研究,相关研究论文占比分别超过60%和近30%;运用缩比尺模型开展浅沟、切沟和冲沟侵蚀的研究只占少数(图2(a))。关于浅沟、切沟和冲沟侵蚀的人工降雨模型试验通常是在大雨强、陡坡度或结合冲刷试验的条件下进行[1115],其中浅沟、切沟侵蚀又多在沟蚀发育过程或侵蚀方式演变过程的相关研究中同时出现[1619],而冲沟侵蚀则多出现在泥石流相关研究中[2023]。
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根据复杂程度,可将人工降雨试验中的平台类型分为直型坡(单一坡向单一坡度)、复合坡(单一坡向多个坡度)和小流域模型(多个坡向多个坡度组合)这3种。绝大多数模拟侵蚀过程的人工降雨试验所用平台为直型坡,应用率近98%;其次是复合坡,但应用率只有1郾%;模拟地形复杂的小流域模型最少,只有0郾44%(图2(b))。在试验平台为复合坡的研究中:近一半是关于黄土高原坡沟系统的研究,具体是关于坡沟系统的径流泥沙过程、时空分布以及降雨、植被对坡沟系统产流产沙的影响等方面的研究[2427];也存在以雏形沟、凹凸型坡为
平台的复合坡人工降雨试验研究[2830]。直型坡是人工降雨试验研究中的基本坡型,即使在野外开展的原位试验,也是尽可能地将试验坡面修整成直型。目前我国直型坡的人工降雨试验研究中,坡长最长可达40m,分别有20世纪90年代蔡强国等人在马场沟小流域内40m坡长上进行的野外人工降雨试验[31]和21世纪初刘纪根等人在8m长的土槽上通过调节上方汇水进行当量坡长为40m的室内人工降雨试验[32];坡度超过30毅的人工降雨试验多在室内通过可变坡度土槽或边坡模型进行,其中坡度最陡可达45毅[3335]。
图2摇我国人工降雨侵蚀相关试验中不同研究主题和试验坡型的分布概况
1郾4摇人工模拟降雨装置
Fig.2摇Subjectsandslopetypesinerosion鄄relatedresearchesbysimulatedrainfallexperimentsinChina
装置被研制出来,其中适用于室内的占45%,适用20%。由表2可知,我国研制的降雨机以喷水式为主,滴水式降雨机种类和数量均较少。喷嘴式降雨机种类和数量最多,占65%;其次是针管式和管网式,分别占23%和10%;悬线式则仅有清华大学的邵学军等[41]于2004年研制的一例。关于降雨装置的应用,采用最为广泛的是静止喷嘴式中的侧喷式和下喷式降雨机,两者相关文献均占37%左右;其次是振动针管式、摆动下喷式和管网下喷式,相关文献分别占11%、7%和5%左右;其他开发不久、较为新颖的降雨装置类型的应用几乎都处于空白状态。模拟降雨装置种类繁多,在进行人工降雨试验时,根据研究目的、试验条件选择合适的降雨1郾5摇试验方法
根据试验条件,可将人工降雨试验大体可分为野外原位试验和室内模拟试验2种类型。据统计,我国的人工降雨侵蚀相关试验中,约60%是在室内进行的,只有40%是在野外原位状态下完成的。野外原位试验一般以面积较大的径流小区或者自然土机尤为重要。
于野外条件的占35%,实验室和野外均适用的占
人工模拟降雨装置应用于土壤侵蚀相关研究的历史最早可以追溯到20世纪30年代的美国,当时使用结构简易的喷壶进行人工降雨试验[36];从20世纪50年代开始,人工模拟降雨装置的研制在世界范围内受到了广泛重视,不同类型的人工模拟降雨起,我国开始引进并研制各种类型的人工模拟降雨装置开展室内和野外试验[3]。据西班牙学者Cerd佗统计,1938—1999年期间不包括中国在内的世界各多的人工模拟降雨装置中,根据雨滴是否具有初速装置陆续被研制出来[3]。从20世纪50年代后期
国共发明改造229种人工模拟降雨装置[37]。在众度可分为滴水式和喷水式2大类[3,3839],根据雨滴产生原理的不同可分为喷嘴式、管网式、针管式和悬线式4大类[3940]。其中:喷嘴式和管网式都属于喷水式,所产生的雨滴具有一定的初始速度,且雨滴大小分布不一,较符合天然降雨实际情况;针管式和悬线式则属于滴水式,产生的雨滴初速度几乎为0,雨滴大小比较均匀和稳定,与天然降雨有一定差别。2017年期间共有近80种用于侵蚀相关研究的降雨
根据相关论文和发明专利统计,我国在1959—
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表2摇我国侵蚀相关人工模拟降雨装置的研制和应用概况Tab.2摇Developmentandapplicationoferosion鄄relatedrainulatorsinChina
降雨装置类型Typeofrainulator
静止上喷Staticup鄄spraying
静止Stationarynozzle
喷嘴式
静止下喷Staticdown鄄spraying静止侧喷Staticside鄄spraying摆动上喷Oscillatoryup鄄spraying
非静止Fixednozzle
摆动下喷Oscillatorydown鄄spraying移动下喷式Shuttleddown鄄spraying
管网式Pipenetwork针管式
下喷式Down鄄sprayingpipenetwork上喷式Up鄄sprayingpipenetwork振动式Vibratingneedle鄄tubing移动式Shuttledneedle鄄tubing
悬线式Yarn鄄hanging
降雨机数量Numberof2(2郾6%)rainulators
2018年
文献数量Numberof51(2郾7%)707(36郾4%)722(37郾9%)8(0郾4%)124(6郾5%)
093(4郾9%)
0213(11郾2%)2(0郾1%)
0literatures
19(24郾4%)14(17郾9%)2(2郾6%)12(15郾4%)2(2郾6%)7(9郾0%)1(1郾3%)16(20郾5%)2(2郾6%)1(1郾3%)
喷水式Sprinker鄄type
Nozzle
滴水式Drip鄄type
Needle鄄tubing
坡为试验平台,土壤处于原位自然状态,只是通过模拟降雨开展试验。室内模拟试验一般以溅蚀杯(盘)、变坡土槽、复合坡模型或小流域模型为试验平台,降雨是人工模拟状态,试验土壤也经过了不同程度的人为干扰。对于试验土壤的处理,一部分研究选择将土壤过筛(一般10mm)以除去杂草和石块[4244],土壤结构受到一定破坏,一部分研究则采取不研磨不过筛处理,仅打碎大块的土块或用手将大土块按自然节理分成小块,尽量保持土壤的自然结构状态[4547]。对于土槽试验中的填土过程,也有多种处理方式:有些研究将土样混匀后分层(一般每次装土5cm厚)填到土槽中[48],有些研究则是在野外分层取样后回室内按野外土层顺序将土样装填至土槽内,保留了土壤原有的剖面结构[49];有些试验直接将土样填入底部无孔的土槽中[50],有些试验为了保证土壤水自由入渗,或在无孔土槽中先铺上一层细沙或当地土壤然后在其上填入试验土壤[42,46],或在底板有孔洞的土槽底部先铺设一层纱布再填入土料[5152];较为严谨的研究还考虑到了分层效应和边界效应的影响,即在填装上层土料之前抓毛或耙松下层土壤表面以防土层之间出现分层现象[5354],在土槽边壁粘上一层沙粒[44]或压实边壁处土壤[55]来避免边壁效应引起的沟蚀现象。对于人关乎试验结果的实用价值。
工降雨侵蚀试验来说,保证坡面尽量接近自然状态,1郾6摇研究机构及其地区分布
目前,我国共有近400所高校、研究院所、试验站和行政管理单位等各类机构参与到人工降雨侵蚀相关试验研究中。早期(1962—1999年),我国人工
降雨试验研究以研究院所为主导,其次是高校和试验站,当时尚无行政单位参与;如今,我国人工降雨试验研究以高校为研究主力,其后依次是相关研究院所、试验站和行政管理单位。根据发表成果数量的大小排序,得到我国人工降雨侵蚀相关试验研究的前20强单位(图3)。按照发表成果数量排名来看,前5强单位依次是:中国科学院水利部水土保持研究所,西北农林科技大学,西安理工大学,中科院地理科学与资源研究所,华中农业大学。前20强研究单位发表的文献占所有相关文献的61%,其中高校占40%。
根据我国一级行政区划,对全国各地利用人工降雨试验进行侵蚀相关研究的机构及其发表文献数量进行分区统计,得到表3。可明显看出我国开展人工降雨侵蚀相关试验的研究单位集中于北京,文献发表则集中于陕西,单位机构发表成果数量以陕西最多。
2摇存在的问题与展望
利用人工降雨试验进行侵蚀相关研究在我国取得了丰富成果,使用的模拟降雨装置类型各式各样,研究方法也多种多样,不同研究结果之间的可比性问题和研究的规范化问题尚需探讨。1)目前大部分的人工降雨侵蚀相关试验对降雨因素的量化仅停留于降雨量和雨强上,忽略了各降雨特性中降雨侵蚀力EI30与土壤侵蚀量相关最为密切的客观规律,也没有考虑到不同类型降雨机下雨强与降雨动能对应关系不同的事实,导致利用不同类型降雨机进行相似试验的研究结果之间可比性差,这大大削弱了
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摇A:中科院水利部水土保持研究所;B:西北农林科技大学;C:西安理工大学;D:中科院地理科学与资源研究所;E:华中农业大学;F:北京林业大学;G:中国农业大学;H:北京师范大学;I:西南大学;J:四川农业大学;K:沈阳农业大学;L:浙江大学;M:长江科学院;N:中国科学院大学;O:黄河水利科学研究院;P:贵州大学;Q:中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所;R:福建农林大学;S:山西农业大学;T:兰州大学
摇A:InstituteofSoilandWaterConservation,CAS.B:NorthwestSci鄄TechUniversityofAgricultureandForestry.C:Xi忆anUni鄄versityofTechnology.D:InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS.E:HuazhongAgriculturalUni鄄versity.F:BeijingForestryUniversity.G:ChinaAgriculturalUniversity.H:BeijingNormalUniversity.I:SouthwestUniversity.J:SichuanAgriculturalUniversity.K:ShenyangAgriculturalUniversity.L:ZhejiangUniversity.M:ChangjiangRiverScientificResearchInstitute.N:UniversityofChineseAcademyofSciences.O:YellowRiverInstituteofHydraulicResearch.P:GuizhouU鄄niversity.Q:InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS.R:FujianAgricultureandForestryUniversity.S:ShanxiAgri鄄culturalUniversity.T:LanzhouUniversity
图3摇我国人工降雨侵蚀相关试验研究前20强单位的文献发表情况
Fig.3摇Publicationsoftop20facilitiesinerosion鄄relatedresearchesbysimulatedrainfallexperimentsinChina
表3摇我国人工降雨侵蚀相关试验研究机构和文献的地区分布概况
Tab.3摇Regionaldistributionoffacilitiesandliteraturesinerosion鄄relatedresearchesbysimulatedrainfallexperimentsinChina
一级行政区Provincial鄄level
division
机构数量facilities4822222119181716141312121211998
文献数量literatures5462071122867160982807510657484248
单位机构发表文献数量Numberofliteratures
perfacility11郾49郾45郾11郾33郾58郾952郾95郾15郾75郾88郾85郾34郾74郾35郾34郾76郾0
一级行政区Provincial鄄level
division
机构数量facilities87665554333321220
文献数量literatures192029185716881513125101220
单位机构发表文献数量Numberofliteratures
perfacility2郾42郾94郾83郾011郾43郾21郾62郾05郾04郾34郾01郾75郾01郾01郾01郾00
NumberofNumberofNumberofNumberof
北京Beijing四川Sichuan江苏Jiangsu广东Guangdong山东Shandong湖北Hubei陕西Shaanxi河南Henan辽宁Liaoning浙江Zhejiang重庆Chongqing甘肃Gansu湖南Hunan河北Hebei云南Yunnan山西Shanxi贵州Guizhou
广西Guangxi吉林Jilin江西Jiangxi上海Shanghai福建FujianXinjiang安徽省Anhui宁夏Ningxia青海Qinghai内蒙古InnerMongolia黑龙江Heilongjiang天津Tianjin海南HainanTibetTaiwanHongkong澳门Macao
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prospectsofmachineryandmethodsofsimulatedrainfall
2)很多研究由于模拟方法的不统一、不合理和不规人工降雨试验水沙结果的实用价值和推广价值。[J].SoilandWaterConservationInChina,19(5):
范,使得相同条件下不同人工降雨试验研究之间、人
工降雨试验和原位天然降雨情况之间,在水沙结果上存在不同程度的明显差别,导致试验结果的代表性和可推广性变差。
针对以上关键问题,谈一下我国水土保持领域中人工降雨试验方法未来的前进方向。1)今后研究中,需弄清不同类型降雨机所产生单位降雨动能随雨强的变化规律,将降雨因素对侵蚀的影响统一落到降雨侵蚀力上,消除由于降雨机类型不同带来的设备误差。2)急需提出一套人工降雨试验的操作规范,尽量保证试验土壤和坡面状态接近野外自然情况,减少因试验方法不同带来的误差。3)关于缩比尺模型试验方法在土壤侵蚀研究中的应用,仍然存在各要素缩小尺度不协调的现状,其合理性和科学性尚存在问题。
3摇参考文献
[1]摇张光辉作原理与特性,刘宝元[J].,李平康水土保持通报.槽式人工模拟降雨机的工
,2007,27(6):56.ZHANGplesGuanghui,LIUBaoyuan,LIPingkang.[J].andBulletinpropertiesofSoilofandartificialWatertroughConservation,rainfall2007,simulatorPrinci鄄
27[2]摇(6):56.
谢云拟降雨机的雨强及其空间分布率定,林小鹃,刘英娜,等.槽式摆喷头下喷式人工模
[J].水土保持通报,2008,28(4):2.
XIEofYun,LINXiaojuan,LIUYingna,etal.troughsimulatedConservation,rainfallrainfall2008,simulatorintensityand28(4):2.
[J].BulletinitsspatialofSoildistributionCalibrationandWaterfor[3]摇陈文亮水土保持学报,王占礼,.1990,国内外人工模拟降雨装置综述4(1):61.
[J].
CHENtedrainfallWenliang,equipmentsWANGZhanli.Thereviewofsimula鄄of王洁SoilandWaterConservation,athomeand1990,4(1):61.abroad[J].Journal[4]摇方面的应用,胡少伟[J].,周跃水土保持研究.人工模拟降雨装置在水土保持
,2005,12(4):188.WANGtificialsimulationJie,HUShaowei,ofrainfallZHOUofdevicesYue.SoilandtoWatersoilApplicationandofar鄄Conservation,
watercon鄄[5]摇2005,12(4):188.
servation[J].Research赵志进究与展望,李桂英[J].中国水土保持.人工模拟降雨机具和方法的发展研
,19(5):31.
ZHAOZhijin,LIGuiying.Developmentresearchand
[6]摇刘宝元31.
北京:中国科学技术出版社,谢云,张科利,等.,土壤侵蚀预报模型2001:72.
[M].
LIUpredictionBaoyuan,XIEYun,ZHANGKeli,etal.Soilloss[7]摇nologyPress,model2001:72.[M].Beijing:ChinaScienceandTech鄄报徐在庸,1962,,胡玉山6(4):1.
.坡面径流的试验研究[J].水利学
XUtheoverlandZaiyong,runoffHUYushan.[J].JournalTheexperimentalofresearchof[8]摇ing,刘昌明1962,关系初,步洪宝鑫6(4):1.
HydraulicEngineer鄄实验研,曾明煊究[J].,等科.学黄土高原暴雨径流预报
通报,1965,10(2):158.
LIUPreliminaryChangming,theLoessPlateauexperimentalHONGBaoxin,[J].ChinesestudyonZENGSciencestormMingxuan,runoffBulletin,forecastetal.
1965,
in[9]摇10(2):158.
CHONGoffSK,TENGTM.Relationshipbetweentherun鄄
[10]摇Journalcurvenumberandhydrologicsoilproperties[J].雷阿林of及其实现,Hydrology,唐克丽1986,84(1/2):1.
[J].科学通报.土壤侵蚀模型试验中的降雨相似
,1995,40(21):2005.LEIsionA鄄lin,modelingTANGtestKeli.Rainfallsimilarityinsoilero鄄ScienceBulletin,1995,40(21):anditsimplementation2005.
[J].Chinese
[11]摇郭明明浅沟径流产沙及其形态发育特征的影响,王文龙,李建明,等.黄土区坡耕地耕作对
[J].农业工
程学报,2015,31(15):114.
GUOEffectMingming,phologyoftillageonWANGrunoffWenlong,andsedimentLIJianming,etal.LoessialdevelopmentRegion[J].characteristicTransactionsofyieldsandmor鄄
ofephemeraltheCSAE,gully2015,
in[12]摇31(15):龚家国114.
发育及其水流水力学基本特性模拟实验研究,周祖昊,贾仰文,等.黄土区浅沟侵蚀沟槽
[J].水
土保持学报,2010,24(5):92.
GONGulationJiaguo,hydraulicsexperimentZHOUparametersofZuhao,ephemeralJIAofconcentratedgullyYangwen,flowerosionetal.andonerosion
basisSim鄄
morphologyConservation,inloessarea[J].JournalofSoilandWater
[13]摇武敏影响的试验研究,郑粉莉,2010,黄斌24(5):92.
[J]..黄土坡面汇流汇沙对浅沟侵蚀
水土保持研究,2004,11(4):74.
WUMin,ZHENGFenli,HUANGBin.Experimental
摇
摇第2期
柯奇画等:我国人工降雨侵蚀相关试验的研究进展回顾
(1):45.
141
studyonupsloperunoffeffectsonephemeralgullyero鄄andWaterConservation,2004,11(4):74.
sionprocessesatloessialhillslope[J].ResearchofSoil
[14]摇LINJinshi,ZHUGaolin,WEIJia,etal.Mulching
effectsonerosionfromsteepslopesandsedimentparticlesizedistributionsofgullycolluvialdeposits[J].Cate鄄na,2018,160:57.
[21]摇高冰,周健,张姣.泥石流启动过程中水土作用机制
的宏细观分析[J].岩石力学与工程学报,2011,30(12):2567.
GAOBing,ZHOUJian,ZHANGJiao.Macro鄄mesoa鄄startingprocess[J].ChineseJournalofRockMechan鄄icsandEngineering,2011,30(12):2567.
nalysisofwater鄄soilinteractionmechanismofdebrisflow
[15]摇郑海金,杨洁,张洪江,等.南方红壤区农田道路强
降雨侵蚀过程试验[J].农业机械学报,2012,43[22]摇孙东彦,陈剑平,马玉飞,等.基于人工降雨的天津
(9):85.
ZHENGFieldferentsimulatedHaijin,experimentYANGJie,onZHANGerosionHongjiang,raininprocessesRedSoilRegion
ofetdif鄄al.
[16]摇[J].陈吉强Transactionsfarmroadsunder.黄土坡面沟蚀发育过程的模拟试验研究
oftheaCSAM,heavy2012,43(9):85.[D].CHEN陕西杨凌:西北农林科技大学,2010:1.
slopeJiqiang.Anexperimentalstudyonloessialhill[17]摇gling,gullyerosiondevelopmentprocess[D].Yan鄄张新和Shaanxi:过程中汇水坡长的侵蚀产沙作用分析,郑粉莉Northwest,张鹏,等A&F.黄土坡面侵蚀方式演变
University,2010:1.
[J].干旱地区
农业研究,2007,25(6):126.
ZHANGContributionXinhe,ZHENGFenli,ZHANGPeng,etal.
erosionandofsedimentupstreamduringslopelengtherosiontopatternloessialevolutionhillslope
2007,process25(6):126.
[J].AgriculturalResearchintheAridAreas,
[18]摇王文龙沟切沟流动力机制研究,雷阿林,李占斌[,J].等.水科学进展土壤侵蚀链内细沟浅
,2003,14(4):471.
WANGonWenlong,LEIA鄄lin,LIZhanbin,etal.lyence,indynamicthe2003,soilmechanismerosion14(4):471.
chainofrills,[J].shallowAdvancesfurrowsinWaterandStudygul鄄Sci鄄
[19]摇肖培青变与侵蚀产,郑粉莉沙过,程汪晓勇试验研,等究.[黄土坡面侵蚀方式演
J].水土保持学报,2008,XIAO22(1):24.ExperimentalPeiqing,sedimentSoilandWaterprocessstudyZHENGFenli,WANGXiaoyong,etal.
Conservation,ononloessalerosionhillslopespatternevolvementand2008,22(1):24.
[J].Journalof
[20]摇张丽萍动人工降雨,唐克丽模拟,及张平仓放水冲,等刷.实泥石流源地松散体起
验[J].山地学报,1999,ZHANG17(1):45.
ExperimentsLiping,waterofartificialTANGKeli,simulationZHANGrainfallPingcang,andetal.
ginplaceinitiating[J].accumulatedJournalofMountainmaterialScience,indebris2016,flowsettingori鄄17
盘龙谷泥石流起动特征[J].东北大学学报(自然科学版),2016,37(11):1625.
SUNationDongyan,CHENJianping,MAYufei,etcialrainfallofdebris[flowJ].inJournalTianjinofPanlongguNortheasternbasedal.University
onartifi鄄Initi鄄[23]摇(Natural倪化勇Science),2016,37(11):1625.
究[J]..工程地质学报人工降雨条件下冲沟型泥石流起动试验研
,2015,23(1):111.
NiflowHuayong.Fieldexperimentsforgroove鄄typedebris[24]摇gineeringinitiationwithartificialrainfall[J].JournalofEn鄄王文龙径流泥沙空,雷阿林Geology,间分,布李占斌2015,23(1):试验研,等究.[黄土区不同地貌部位
111.
J].农业工程学报,2003,WANG19(4):40.
distributionWenlong,raphypositionsofrunoffLEIofverticalandA鄄lin,sedimentLIZhanbin,onthedifferentetal.Spatialtopog鄄[J].TransactionsoftheCSAE,beltsin2003,Loess19(4):40.Regionofhilly
[25]摇余叔同可视化.[D].黄土丘陵区坡沟系统沟蚀发育过程模拟与
陕西杨凌:西北农林科技大学,2010:1.YUsionShutong.Simulationandvisullizationofgullyero鄄
loessdevelopmenthillyregionprocessinhillyslope鄄gullysystemof[26]摇&范东明FUniversity,2010:1.
[D].Yangling,Shaanxi:NorthwestA
统侵蚀产沙时空分布特征研究,吴卿,李志萍,等.基于模拟降雨的坡沟系
[J].中国水土保持,2016(3):43.
FANspatialDongming,mentandtemporalWUdistributionQing,LIZhiping,ofsoilerosionetal.andStudysedi鄄ontem[yieldJ].SoilbasedandonWatersimulatedConservationrainfallininslope鄄gullyChina,2016
sys鄄[27]摇(3):李聪43.
试验研究.植被格局对坡沟系统侵蚀输沙过程作用
[D].西安:西安理工大学,2015:1.LIvegetationCong.ExperimentalD].patternsXi忆an:onthestudyXi忆soilofanUniversityerosiontheregulatoryonoftheTechnology,
slope鄄gullyeffectof
[28]摇2015:1.
system[郑粉莉,武敏,张玉斌,等.黄土陡坡裸露坡耕地浅
摇
142
中国水土保持科学
沟发育过程研究[J].地理科学,2006,26(4):438.ZHENGFenli,WUMin,ZHANGYubin,etal.E鄄phemeralgullydevelopmentprocessatloesssteephill鄄438.
slope[J].ScientiaGeographicaSinica,2006,26(4):
2018年
[37]摇CERD魣A.Areviewoftherainfallsimulatorsandits
Investigaci佼nGeogr佗fica,1999(25):60.
applicationstotheGeomorphology[J].CuadernosDe
[38]摇LALR.SoilErosionResearchMethods[M]椅MEYER
LD.Rainfallsimulatorsforsoilerosionresearch.SoilandWaterConservationSociety.St.LuciePress,1994:
[29]摇杨丽娜,范昊明,郭成久,等.不同坡形坡面侵蚀规
律试验研究[J].水土保持研究,2007,14(4):237.YANGLina,FANHaoming,GUOChengjiu,etal.Ex鄄[39]摇程飞,徐向舟,高吉惠,等.用于土壤侵蚀试验的降
86.
perimentalResearchofstudySoilofandsoilWatererosionConservation,indifferentslopes2007,[J].(4):237.
14
[30]摇于晓杰响研究,[J].魏勇明水土保持研究.不同坡形坡面侵蚀产沙过程的影
,2010,17(1):97.YUactersXiaojie,terConservation,indifferentWEIYongming.2010,slopes17(1):[J].StudyResearchonsoil97.
oferosionSoilandchar鄄Wa鄄
[31]摇蔡强国南地理环境研究.坡长对坡耕地侵蚀产沙过程的影响,1998(1):35.
[J].云
CAIandQiangguo.Effectsofslopelengthonsoilerosion[32]摇graphicsediment刘纪根EnvironmentyieldofResearch,slopecropland1998(1):35.[J].YunnanGeo鄄蚀产沙规律及临界坡长的试验研究,雷廷武,潘英华,等.陡坡耕地施加[J].土壤学报PAM侵
,2003,LIU40(4):504.
polyacrylamideJigen,LEIonTingwu,sedimentPANlossYinghua,andcriticaletal.slopeEffectlength
ofofsteepcultivatedslopeland[J].ActaPedologica[33]摇ca,李凤英2003,研究[J].,何小武40(4):水土保持学报,肖青亮504.
Sini鄄,,2009,等.急陡坡土壤侵蚀试验
23(6):38.
LIsearchFengying,ofsoilerosionHEXiaowu,onveryXIAOsteepQingliang,slope[J].etJournalal.Re鄄SoilandWaterConservation,2009,23(6):38.
of
[34]摇张涛室内模型试验,李雄峰,[陈鹏宇J].低温建筑技术,等.矿山边坡水土流失过程
,2016,38(1):91.
ZHANGdoor[J].modelTao,LowTemperaturetestLIofXiongfeng,soilCHENPengyu,etal.In鄄
ArchitectureerosionprocessTechnology,inmine2016,slope[35]摇38(1):邹小军昌:江西农业大学.91.
红壤区急陡坡条件下土壤侵蚀研究,2016:9.
[D].南
ZOUinRedXiaojun.SoilRegionStudy[J].ofsoilNanchang:erosiononJiangxiveryAgriculturalsteepslope[36]摇University,DULEYdegreeFL,2016:9.
HAYSOE.DeterminingtheeffectofAgricultralofslopeResearch,onrunoff1932,andsoilofthe
45(6):351.
erosion[J].Journal雨模拟器研究进展[J].中国水土保持科学,2008,6(2):107.
CHENGvanceofFei,researchXUonXiangzhou,theSoilrainfallGAOandsimulatorsJihui,WaterConservation,
foretsoilal.Ad鄄ero鄄[40]摇2008,sion[代肖6(2):J].Science107.
of应用介绍,张海涛[J].,中国水土保持周大迈,等.人工模拟降雨装置及其
,2012(12):52.DAIductionXiao,[J].SoilofandartificialZHANGWaterrainfallHaitao,ConservationsimulatorZHOUDaimai,inChina,anditsetal.Intro鄄
2012(12):
application[41]摇52.
邵学军技术与管理,胡慧武,2004,.坡面降雨试验装置设计21(1):39.
[J].实验
SHAOquipmentXuejun,onslopeHU[Huiwu.Designofrainfallteste鄄Management,2004,21(1):J].Experimental39.
Technologyand
[42]摇孔亚平的模拟研究,张科利[J].,水土保持学报唐克丽.坡长对侵蚀产沙过程影响
,2001,15(2):18.KONGslopelengthYaping,J].onZHANGJournalsoilerosionKeli,TANGKeli.Impactsof
ofSoilandprocessWaterunderConservation,
simulated[43]摇2001,rainfall刘俊体15(2):18.
[土壤细沟侵蚀分析,孙莉英,张学培[J].中国水土保持科学,等.2次降雨条件下不同
,2013,11(4):23.
LIUysisJunzhi,rainfalloftwokindsSUNsoilLiying,rillevolutionZHANGXuepei,undertheetsecondaryal.Anal鄄
2013,11(4):[J].Science23.
ofSoilandWaterConservation,
[44]摇肖培青其力学机制分析,姚文艺,[申震洲J].中国水土保持科学,等.草被减流减沙效应及
,2010,8(2):16.
XIAOReductionPeiqing,YAOWenyi,SHENZhenzhou,mechanicaleffectsConservation,mechanismofgrass2010,8(2):16.
[J].onrunoffScienceandetal.
ofsedimentSoilandandWater
its[45]摇边锋无垄,作郑粉莉坡面侵,徐锡蒙蚀过程,对等.比东北黑土区顺坡垄作和
[J].水土保持通报,
2016,36(1):12.
摇
摇第2期
柯奇画等:我国人工降雨侵蚀相关试验的研究进展回顾
143
BIANisonslopeofFeng,andsoilnon鄄ridgeerosionZHENGslopeprocessFenli,XuinMollisolbetweenXimeng,Regionlongitudinaletal.Compar鄄
ofNortheast
ridge[46]摇安娟2016,China36(1):12.
[J].BulletinofSoilandWaterConservation,
耕地侵蚀过程中土壤团聚体迁移,卢嘉,郑粉莉,等.不同地表条件下黑土区坡
[J].水土保持学报,2011,25(6):101.
ANtransportJuan,LUJia,ZHENGFenli,etsurfaceconditionsduringsoilonerosionblackprocesssoilslopeunderal.Soilaggregatefarmlanddifferent[J].
soil[47]摇刘和平101.
JournalofSoilandWaterConservation,2011,25(6):北京:北京师范大学.坡长对土壤可蚀性,2008:13.
K值测定的影响[D].
LIUsoilHeping.Theeffectofplotlengthonmeasurementof[48]摇ty,erodibility[D].Beijing:BeijingNormalUniversi鄄刘淼2008:13.细沟间侵蚀比率研究,杨明义,张风宝[.J].黄土坡面细沟发育及细沟与
水土保持学报,2015,29(1):13.
LIUonrosionrillMiao,developmentYANGMingyi,andproportionsZHANGofFengbao.interrillandResearchrille鄄Water付兴涛Conservation,fromloesssoil程影响的模拟试验研究,姚璟.降雨条件下坡长对陡坡产流产沙过
2015,slopes29(1):13.[J].JournalofSoiland
[49]摇[J].水土保持学报,2015,29(5):21.
FUimpactXingtao,mentprocessofslopeYAOunderlengthJing.onSimulationsteepslopeexperimentrunoffandonsedi鄄theSoilandWaterConservation,rainfallconditions2015,29(5):21.[J].Journalof
[50]摇孔刚流和土壤化,王全九学,物樊军质流,等失.影前期含水量对坡面降雨产
响研究[J].土壤通报,2008,KONG39(6):1395.
ofinitialGang,WANGQuanjiu,FANJun,etal.Effectsandsoilnutrientwatercontentloss[J].onhillslopeChineseJournalrainfallofinSoilfiltration
Sci鄄
[51]摇ence,王添表糙,2008,度任宗萍39(6):对径流,产沙,1395.
的等影.模拟降雨条件下坡度与地
响[J].水土保持学报,2016,WANG30(6):2.
slopementyieldgradientTian,RENunderandsimulatedsurfaceZongping,roughnessLIPeng,rainfall[J].onrunoffetal.EffectofJournalandofsedi鄄[52]摇and王辉WaterConservation,2016,30(6):2.Soil
分随径流迁移试验,王全九,邵明安[J]..人工降雨条件下黄土坡面养
农业工程学报,2006,22(6):39.
WANGtoryexperimentsHui,WANGofsoilQuanjiu,nutrientSHAOtransferMing鄄an.intheLabora鄄slopewithsurfacerunoffduringsimulatedrainfall[loess
J].[53]摇Transactions张会茹oftheCSAE,2006,22(6):39.坡面土,壤郑粉莉侵蚀过.程不同降雨强度下地面坡度对红壤
的影响[J].水土保持学报,2011,ZHANG25(3):41.
onfallerosionHuiru,ZHENGFenli.Effectofslopegradientsintensityfrom[J].aredJournalsoilhillslopeofSoilandunderWaterdifferentConserva鄄rain鄄[54]摇盛贺伟tion,2011,黄土坡面片蚀的影响,郑粉莉25(3):41.
,蔡强国[J].,等水土保持学报.降雨强度和坡度对粘
,2016,30(6):14.
SHENGEffectsrosionatofHewei,therainfallZHENGFenli,CAIQiangguo,etal.WaterConservation,clayintensityloess2016,30(6):14.
hillslopeandslope[J].gradientJournalonofsheetSoiland
e鄄
[55]摇钱婧长和覆盖度对氮素流失的影响,张丽萍,王小云,等.人工降雨条件下不同坡
[J].水土保持学报,
2012,QIAN26(5):7.
EffectsJing,ZHANGLiping,WANGonofdifferentslopelengthandvegetationXiaoyun,coverageetal.
2012,rainfallnitrogen26(5):7.
[J].lossJournalinslopingofSoillandandunderWaterartificialConservation,
simulated
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