概   述

“模型黄土高原”建设是一项前无古人的工作，涉及水土保持学、水文学、水力学、土壤学、植物学，以及物理学、化学、数学等学科，有大量尚未解决、需要探索的技术问题。

目前开展的模型建设总体结构为：

通过三种方式：实体模型、比尺模型、原型小流域观测；

建立四类模型：物理模型、数学模型、图表模型、言辞模型；

研究三大问题：水土流失规律问题、水土保持治理模式问题、水土保持三大效益问题。

目前涉及的关键技术问题主要有：

1实体模型建设问题

实体模型是试图通过对自然状态下的小流域进行人工降雨试验，研究探索水土流失规律和水土保持治理问题。由于此项试验没有成功经验和前人成果，因此如何实施，需要论证和研究。

2人工降雨设备选型

当前在试验中应用的人工降雨装置有侧喷式、下喷式、摆动式等。这些装置一般只有100m²左右的降雨面积。实体模型的水平面积将在10000m²以上。对于在大范围进行人工降雨试验应当选用何种降雨装置，也是一个关键问题，它涉及未来试验研究的开展。

3传感器选型

作为水文测验仪器的传感器，种类繁多，测量原理不同，测量范围各异，测量精度不同。对于“模型黄土高原”研究对象的空间尺度、坡面和沟道水流状况等均有很大的特殊性，选择什么类型的传感器，使之能够适合研究需要，也是一个关键问题。

4人工降雨小区建设

人工降雨径流小区是研究水土流失规律的关键部分，设置什么样的小区，设置多少小区，以及如何进行试验等都是需要解决的问题。

5水土流失规律研究

水土流失规律是一个已经研究多年的课题，多年来在黄委各水保站的研究课题申报表上都是名列第一位的项目；同时国内外科研机构对此课题也是给予高度重视，并且完成了大量的研究工作，提出了许多各具特点的研究成果。但是在实际应用中，特别是在黄土高原治理中，可以应用的此类成果却极少。例如，到目前仍然没有能够比较客观准确反映黄土高原水土流失的土壤侵蚀模型（方程）。因此，模型黄土高原如何解答这一问题是最大的关键技术。

6“数学模型”构建问题

作为模型黄土高原最终成果的组成部分，数学模型如何构建是贯穿整个研究过程的关键技术问题之一。到目前为止，形形色色的单变量、多变量，线性、非线性的统计模型、经验公式大量涌现，但其多数都没有经过系统研究、成因分析，只是将一些水文、气象观测数据采用数理统计方法计算后获得。“模型黄土高原”在经过大量野外试验后，将形成何种“数学模型”，是一个从现在就需要重视并研究的技术关键问题。

以上问题，仅是在模型黄土高原建设初期需要考虑和解决的主要关键技术问题。对于这些问题，将在以后的介绍中具体讨论。

实体模型建设问题

实体模型是通过对自然状态下的小流域进行人工降雨试验，研究探索水土流失规律和水土保持治理问题。由于此项试验没有成功经验和前人成果，因此如何实施，需要论证和研究。

首先实体模型的状况十分复杂。

1、降雨下垫面状况复杂。在地形上，包括不同坡度、不同坡长、不同坡向、大小沟道、陡崖等；在植被方面，包括不同覆盖度的乔木、灌木、草以及农作物等。不同的地形和不同的植被又使地表土壤的物理化学性质具有较大差异。

2、下垫面状况的复杂造成坡面流状态的复杂化。

3、坡面流状态的复杂性，导致土壤侵蚀状况的复杂多样。

    为了建设实体模型，试验研究的基本思路是：先简单，后复杂；先单因子，后多因子；先线性，后非线性；从小到大，逐步推进。

具体做法是：先进行小区单因子试验研究，再全坡面试验，后微集水区（微流域）多因子试验，最后进行小流域多因子、非线性试验研究。

1、小区试验设计：建立10º、15º、20º、25º、30º等不同坡度的5m×20m标准小区，每个坡度小区有一个重复。首先进行裸露地面的试验，研究在不同降雨条件下，不同坡度的土壤侵蚀问题；其次进行有不同植物覆盖的不同坡度在不同降雨条件下的土壤侵蚀问题。

以往开展的研究多在小区径流出口处获取水文观测数据，进行分析计算，但小区内部的侵蚀过程仍处于“黑箱”状态。为此，作为实体模型研究的第一步，要在小区内布设各种传感器，收集“黑箱”内部的数据，研究土壤侵蚀机理。

2、全坡面试验设计：建立10m×100m或大于此面积的自然坡面人工降雨试验，研究在长坡面、变坡度条件下的侵蚀机理。

3、微集水区（微流域）试验设计：选择面积在2000m²以上的微集水区开展以人工降雨为试验手段的试验，研究多坡度、多坡向、多植物覆盖条件下的土壤侵蚀问题。

4、小流域试验设计：选择10万m²以上的小流域，以人工降雨为手段，研究多因子、非线性的复杂侵蚀机理，及水土保持治理问题。

人工降雨设备选型

当前在试验中应用的人工降雨装置有侧喷式、下喷式、摆动式等。这些装置一般只有100m²左右的降雨面积。实体模型的水平面积将在10000m²以上。对于在大范围进行人工降雨试验应当选用何种降雨装置，也是一个关键问题，它涉及未来试验研究的开展。

根据实体模型建设和试验研究的需要，人工降雨装置必须符合以下要求：

1、装置的降雨均匀性好，能够满足试验；

2、装置可以模拟降雨强度的空间和时间变化，并可模拟黄土高原的高强度降雨过程；

3、装置的可扩展性好（易组合，易移动）；

4、装置便于自动化控制；

5、装置的可靠性高，便于维护；

6、造价较低；

7、便于与正在建设的比尺模型降雨装置协调和协同试验，使试验数据有可比性。

通过分析比较，本项目选择下喷式人工降雨装置，该装置可以同时满足以上7项要求。

1、该装置的降雨均匀性系数大于85%，具有较高的降雨稳定性，可重复性好。生成的雨滴特性与天然降雨雨滴特性具有较高的相似性。

2、可生成的降雨强度范围为30mm-240mm/h。可以模拟实现天然降雨条件下的连续变雨强降雨过程。试验开始时刻，装置的雨滴生成速度快，试验结束时刻，喷头喷水迅速停止，基本不存在喷头滴水现象；雨强转换速度快。

3、该装置由孔径大小不同的，独立的喷头组成，每个模拟降雨单元装置由16个喷头组成，可以根据需要任意扩展。经过装置的轻量化改进后，可以从一个地点移动到另一个地点。

4、该装置的喷头采用电磁阀，可以实现计算机远程自动控制，操作系统采用windows2000。

5、该装置在运行过程中，只要供电正常，水质清洁，可以保证试验研究的持续进行，具有较高的可靠性。日常维护主要是清洁水池、防止喷头堵塞。

6、该装置造价较低，目前安装的装置（含自动控制系统），平均每m²降雨面积造价3300元，随着降雨面积（规模）的扩大，单位降雨面积造价将大幅度降低。考察摆动式降雨装置，每m²降雨面积造价高达7000多元。

7、模型黄土高原比尺模型建设的降雨装置也采用该类型装置，系统相同，可以在今后的试验研究中实现数据共享和协同试验。

今后将与陕西理工大学等单位共同进行装置的深化研制。（未完待续）