一种用于研究土壤径流的降雨模拟实验方案

本实验的总体目标是模拟降雨，使目标区域内的雨滴大小、降雨强度和分布均匀性达到标准，以研究土壤径流。首先，通过调节降雨模拟器的控制参数，使所选喷嘴达到近似的压力和流量；其次，对降雨模拟器进行校准，以精确获得所选喷嘴的流量，并确保雨滴在目标区域内均匀分布。

接下来，将正确填装的土壤箱放置在已调整为统一坡度的平台上的目标区域。最后一步是进行降雨模拟并收集土壤径流用于分析。最终，通过降雨模拟来研究在接近自然降雨的标准条件下，土壤特性、土壤改良剂、前期条件、土壤湿度、地形以及降雨强度对土壤径流的影响。

本视频展示了一种在全球范围内用于一致评估土壤径流的降雨模拟方案。因此，演示该方法非常重要，因为降雨模拟器的操作与校准涉及多个步骤，同时存在许多可能影响结果的变量。

Peter 将演示装填土壤箱的步骤。Peter 是马里兰大学东岸分校的学生，过去四年一直在我的实验室工作。首先准备尺寸完全相同的箱子以开始本实验方案。

这些盒子长100厘米，宽20厘米，深7.5厘米，底部有九个直径5毫米的排水孔。盒子一端设有5厘米高的凸缘和集水槽。每个盒子底部需铺上四层纱布，以保留土壤并允许水分通过。

盒子铺好后，称量盒子和纱布的重量，并记录该数值以供后续使用。接着，取已备好的土壤来填充盒子。先处理第一个盒子，铲入足量土壤至盒子半满。

当将土壤铺展至约3.5厘米厚时，应均匀铺开，并用一块平砖压实。土壤在砖块压力下不应过度密实。接着，再添加另外2厘米的土壤。

然后使用水平仪将其平整至5厘米的压实深度，即箱体边缘的高度。称量压实后的土壤箱，以确定加入箱中的土壤量。

使用相同质量的土壤填充剩余的盒子。将每个盒子压实至五厘米深度，并保持均匀的密度。使用真空吸尘器清理排水槽，以除去任何洒入排水槽的土壤。

在安装过程中，降雨模拟器由一个支架构成，用于支撑喷嘴下方的多个土壤箱。开始操作时，先关闭单杠杆球阀，然后再对供应模拟器的主水源进行加压。逆时针旋转压力调节阀顶部的调节螺钉以降低压力。

然后打开下一个串联的流量控制阀，将单杆球阀完全复位并彻底打开。此时，顺时针调节压力调节阀，使压力达到约8 PSI。通过降雨模拟器顶部附近的压力表检查压力读数。

接下来，在监控流量计和压力表的同时，部分关闭管线上游的流量控制阀。当流量计读数接近本实验所用喷嘴的流量（即每分钟1.5加仑），且压力表读数接近该喷嘴对应的压力（6 PSI）时，停止调节。此时，关闭单杠杆球阀以停止流体流动，但不改变已设定的流量和压力参数。

取六个空的土壤箱，用于测定降雨均匀性。用胶带封住排水孔，防止水漏出，以完成土壤箱的准备工作。将空箱放置在水平框架上，确保间距均匀，且无一箱位于喷嘴正下方。

标记盒子的位置，并始终使用相同的位置。使用一根长10英尺、直径2英寸的PVC管将水流从喷嘴处导流。该管道末端应连接一个45度弯头。

同时放置一个大容量的量筒以承接管道流出的液体。为校准喷嘴，将管道置于喷嘴上方并保持固定。打开单杠杆球阀，用量筒收集管道排出的液体，持续10秒。

操作完成后，保持管道位置不变，测定量筒中的水体积，该体积应与喷嘴的预期值一致。喷嘴校准后，移除PVC管道，使降雨润湿箱体区域。

让水流持续10分钟。精确计时10分钟后，通过将10英尺长的PVC管置于出水口上方以突然中断水流。然后关闭单柄球阀，测量每个容器中收集到的水的体积。

将其倒入量筒中。利用该数据确定各箱体中降雨的均匀性。如果变异系数大于0.05，则将喷嘴旋转四分之一圈，并重复校准过程。

在将装填好的土壤箱放入降雨模拟器之前，需准备将框架倾斜至所需坡度。首先，将框架调整至适当高度，以便在土壤箱的排水槽下方放置集水瓶，必要时还可放置漏斗。随后，将一块长度至少为一米的木板沿框架上安装的土壤箱长度方向放置。

将水平仪放在参考板上。在操作过程中，使用砖块和垫片逐步抬高框架后部，以实现 3% 的坡度。当箱体前缘低于水平板 3 厘米时，停止调整。

同时，检查框架的前后两侧是否左右水平。现在将六个装满土壤的盒子放置在倾斜框架上预先标记的位置，用于模拟地表径流，并在排水槽下方放置集流瓶以收集径流。此外，使用回形针将挡板固定在排水槽上方，防止雨水直接进入排水槽或集流瓶中。

将10英尺PVC管套在喷嘴上，开启水流，收集10秒的出流量，并像之前一样重新校准流量。完成后，将管道从喷嘴上移开，开始降雨模拟。

观察每个箱体排水口排出的水。记录排水从缓慢滴水变为连续水流的时间点，并将该时间记录为径流开始时间，用于收集径流样品。

为每个箱体分配一名助手。在径流开始时按预定时间更换集水瓶。通过将10英尺PVC管置于喷嘴上方并关闭球阀来终止降雨事件。

该图显示了径流量（升）与土壤初始含水量的关系，表明较湿润的土壤储水能力较低，且入渗速率较小，从而导致更大的径流体积。土壤按照论文所述方案制备成不同含水量，并在3.2厘米/小时的降雨强度下进行40分钟的模拟降雨试验。

此处，垂直轴上的起流时间与初始土壤含水量呈负相关，即土壤越干燥，水分渗入所需时间越长，越晚湿润地表并产生径流。数据表明，尿素浓度与前期土壤含水量之间存在正相关关系。较干燥的土壤允许水分渗入，使尿素随水淋溶至土壤深层，远离地表。

当发生径流时，地表可随径流迁移的尿素氮较少。该图显示了尿素氮负荷随时间累积的变化情况。

每条曲线代表一种前期含水量条件下一个土壤箱的重复实验结果。该图再次表明，较干燥的土壤产生径流所需时间更长，且累积径流量更低。因此，在观看本视频后，您应能够充分理解降雨模拟器的操作与校准方法，并掌握如何控制如前期含水量等可能影响实验结果的变量。