人工降雨实验报告

人工模拟降雨侵蚀实验

1 实验目的

通过本实验，了解人工模拟降雨机的工作原理，掌握降雨导致的土壤侵蚀作用、降雨侵蚀的发生过程、影响降雨侵蚀量的主要因素等。

2 实验原理

降雨导致的土壤侵蚀量大小，主要取决于降雨历时、降雨强度和降雨量等，同时还受到土壤种类（不同土壤的可蚀性不同）、地面坡度、地表覆盖物种类及其覆盖物数量等多种因素的影响。

本实验室内人工模拟降雨系统，采用特定土壤（限于教学时数只能选择一种土壤），通过改变有限的因素（降雨量、降雨强度、降雨历时、地面坡度）探讨土壤侵蚀量（土壤流失量）的大小，进而通过分析实验数据得到以上因素与土壤侵蚀量的相关关系。

本试验中，我们设计了两种因子的研究，即降雨历时（3min、5min和10min）和地面坡度（10°、20°、30°）。

3 人工模拟降雨机的主要性能

产品厂家：日本大器株式会社；

有效降雨面积：1.5m×1.5m；

雨滴发生器至地面垂直高度：2.0m；

降雨强度：10 mm/h ~ 200 mm/h 连续可调；

雨滴直径：1.7 mm ~3.0mm；

降雨历时：0~24 h 自动控制；

工作方式：手动、半自动、全自动三种方式任选。

4 实验物品准备

可变坡度土壤侵蚀槽1个（0.5m×1.5m）；

供试土壤适量（1.0 m3以上）装入土壤侵蚀槽；

1000 ml 量筒若干个；

1000 ml 塑料瓶30个；

塑料漏斗30个；

20 cm 定性滤纸2盒；

烘箱1个；

1/100天平2个；

记录及计算用品适量。

5 第三组实验设计

根据班内实验设计协商结果，我们组的任务研究降雨历时对土壤侵蚀量大小的影响。

5.1 地面坡度设计

地面坡度分为10°、20°和30°3个坡度级，为单独研究降雨历时对坡面产沙量的影响，我们控制变量，坡度固定为20°。

5.2 降雨历时设计

降雨历时分为3min、5min、10min 3个级别。

6 实验步骤

将填充有土壤样品的可变坡度土壤侵蚀槽安置于人工模拟降雨机的正下方，向人工模拟降雨机注水并调整模拟降雨机的供水阀门至降雨强度为10 mm/h 左右。

调节土壤侵蚀槽的倾斜程度，使被实验的土壤表面坡度达到20°并保持这

再分别调节模拟降雨机的供水阀门至降雨强度为40 mm/min、50 mm/min、60 mm/min，各保持这些降雨强度约10min左右以使土壤侵蚀槽内土壤表面产生的地表径流量均匀一致，重复 6.5过程及内容，将相关数据分别记录于表2.2~2.7。

按不同地面坡度将水样编号用铅笔分别写在过滤纸上，放入干燥箱内（烘箱温度应≤80℃）烘5~7 h后，取出包有泥沙的过滤纸称重。扣除过滤纸重量后将泥沙重量分别记录。

7 数据整理与分析

1、极端值的剔除

将表1的地面坡度、降雨量和产沙量栏内的实验数据整理（将相同地面坡度和同一降雨强度下的3个产沙量数据初步对比分析，如果相对相差均≤5%时，取其3个产沙量数据的平均值作为该种条件下的产沙量值；如其中一个数据的相对相差均>5%时，则剔除该数据取另2个产沙量数据的平均值作为该种条件下的产沙量值。）

表一 20°坡度条件下研究降雨历时与产沙量关系记录表

坡度（°）降雨历时（min）土重（g）产沙量（g/(㎡h）

2037.39197.07

2038.1216

203 6.01160.27

20510.07161.12

205 6.99111.84

205 6.27100.32

201010.3282.56

20108.6168.88

20108.7870.24

表中，红色数据超限，剔除后，用剩余数据求平均产沙量，结果如下表

表2 20°坡度条件下研究降雨历时与产沙量关系

坡度（°）降雨历时（min）平均产沙量g/(㎡h）

203206.53

205106.08

201069.56

2、降雨历时回归分析

针对降雨历时和产沙量进行一元回归分析，结果如下

图1 坡度为30°条件下降雨历时-产沙量回归分析

图2 坡度为10°条件下降雨历时-产沙量回归分析

针对坡度为10°条件降雨历时产沙量进行回归分析，结果表明降雨历时和产沙量成线性正相关关系，拟合优度达到0.858，相关性良好。这种线性关系可

解释为，在降雨过程中，随着降雨时间的提高，雨滴对坡面的腐蚀破坏程度逐渐增加，故产沙量也逐渐增加。在针对坡度为30°条件下降雨历时和产沙量的回归分析中得出了相反的结论。因为所计算的产沙量是基于单位时间单位面积上的产沙量。降雨历时可能与产沙量并没有良好的线性关系。在某次实验中得出的线性关系并不可靠。降雨历时与产沙量之间可能并不存在确定的相关关系。查阅文献，在前人研究中，尚没有把坡度作为影响因子的研究。

3、坡度-产沙量回归分析

根据坡度为10°条件下降雨历时-产沙量回归分析，带入公式，预测降雨历时为3分钟时，产沙量为54.78g/㎡h。固定降雨历时为3min，针对坡度和产沙量就行回归分析，结果如下

图3 坡度和产沙量回归分析

由图3的分析可知，坡度和产沙量的线性关系较好，拟合优度达到了

0.9431，坡度与产沙量成正线性相关关系。即随着坡度的增加，产沙量也增加，即陡坡能加重土壤流失。这也和前人的研究结果相吻合，如管新建（2011）针对产沙量与其影响因子进行了关联分析，其中坡度与产沙量的关联度达到0.601。鲁克新（2011）利用室内模拟降雨条件对径流侵蚀产沙量进行了试验研究，结果表明坡度是影响产沙的主要因素，产沙贡献率为76%。