人工降雨的特征模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇人工降雨的特征，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

关键词 人工液态水含量；人工影响天气；应用

中图分类号P4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）145-0057-01

人工降水是一项先进的科学技术，它主要是对需要进行降水地区的云层实施降水技术。在人工影响天气作业中，云中液态水含量的相关数值很重要，它是决定是否能够进行人工降雨的重要因素。近几年，云中液态水含量在人工影响天气中的应用是气象研究者的研究热点，在研究过程中，运用有效的探测方法来研究云中液态水含量，并对该技术在人工降雨中的推广做出前景展望。下面我们就来具体分析一下。

1 云中液态水在人工影响天气中的意义

云中液态水可以保持大气中的水分收支平衡，它的分布特征与演变规律是气象研究者的研究重点。云中液态水的意义很深远，它并不是独立的个体，与其他水分子之间是相互作用的，并对全球气候的变化产生有重要的影响。在气象学与物理学研究过程中，云中液态水含量是比较重要的云物理参数，它是气象研究者研究云物理过程的主要参考，也是气象局进行人工降雨作业的重要指标。另外，云中液态水含量的高低可以直接影响人工降雨的效果，可见云中液态水在人工影响天气中的重要作用。

人工影响天气作业过程中，云中液态水含量包含过冷水含量，实际上过冷水含量在人工降雨过程中是很重要的参照指标，以我国北方进行人工降雨目标云系来说，主要将该云系分为三个层次，并且需要从上到下进行分层，主要有冰晶层、冰晶与冷水滴共存层、水滴层。其中，冰晶层主要在-25℃到-30℃之间的区域。另外，冰晶的浓度相对较高，经过凝华后增长到最高点会自由下落，自由下落的过程中会播种目标云系中间层的冰晶，从而形成冰晶与冷水滴共存层，这一层次的温度一般在零摄氏度以下，它是根据冰水的转化进而形成的，也可以说它有“饲养”冰晶的作用。在目标云系的最底层，由于过冷水滴比较繁多，相对成熟的冰晶通过对过冷水滴的获取逐渐开始变大，从而形成了雪花。目标云系中的水滴层，温度一般在零摄氏度以上，中间层的冰晶落入水滴层后由于温度的升高会融化成雨滴，雨滴在掉落过程中就会因相互摩擦而逐渐增大。通过以上的分析我们可以了解到，在目标云系中的中间层与最下层中，过冷水滴与云中液态水含量都与降水有着很密切的联系。

2 云中液态水的探测方法

为了更好的观测气候变化与灾害天气的发生，气象部门要有计划地测量云中液态水，这对更好的掌握人工降雨的指标也具有重要意义。云和雨在气象部门研究中变化指数都很大，并且具有一定的复杂性和多变性。所以，科研人员在进行云中液态水含量的探测过程中，难度也比较大。目前，我国气象部门的探究重点就是要及时、准确的探测出云中液态水含量，这将是一个巨大挑战。对于云中液态水含量的探测方法有很多种，运用比较多的探测方法为微波辐射计探测、卫星遥感探测、飞机探测与雷达探测。这四种探测方法各有利弊，在探测过程中要根据实际状况选择合适的探测方法才能够取得理想效果。

近几年，微波辐射计探测技术应用比较广泛，相对其他探测技术也比较成熟，在云中液态水含量的探测过程中，由于所需的探测时间比较长，所以需要探测技术具有很好的连续性。但是微波辐射计探测技术的缺点是获取的信息具有局限性，并不能全面、系统的探测出想要得到的相关数据。如果运用微型遥感探测技术来探测云中液态水含量，可以获取比较广泛的探测信息，而它的缺点则是会因为时间与空间影响分辨率，人工发出的作业要求不能及时回应，从而会延误工作进度。目前，只有飞机探测才可以直接探测到云中液态水含量，由于条件有限，我国的增雨飞机只有增雨一个用途，并不能做云中飞行探测工作。同时，在降雨过程中飞机并不能探测到整个降雨过程，针对云中水含量中的数据也无法进行探测，因此，如果气象局在人工降雨中有实时探测的需求，飞机探测是做不到的。

在对云中液态水含量进行探测过程中，只有雷达最能满足探测的需求，它不仅可以保证空间探测的连续性，还可以在所有空间范围内进行探测，在人工影响天气作业中雷达探测技术可以发挥出它的全部优势。近几年，雷达产品与探测技术相继被提出，在人工影响天气中被广泛应用，它可以准确的获取云中液态水含量，还可以实时的了解水含量在云中的分布状况，对人工降雨来说是一项重要的指标。根据研究表明，雷达技术可以从不同高度、不同角度探测出云中液态水含量，可以给人工降雨的区域实时的提供有效的数据，从而推动我国人工影响天气技术的不断发展。

1998年，我国新一代天气雷达网出现，它对于人工影响天气的作业有至关重要的作用。在垂直积分液态水含量被提出后，它可以直接的反映空中水资源的分布状态，因此为人工降雨工作带来重要的参考数据，从而也在人工影响天气作业中被广泛应用。经过反复的研究试验，可以了解到，虽然垂直积分液态水含量在目前被广泛的运用，但是它也有不足之处，它不能准确的分辨清楚云中降水粒子的性质，在整个云层中，垂直积分液态水含量主要是根据不同雨滴建立的雷法反射率因子和液态水含量获得的，根据云层的变化和降水粒子的不同，雷达所反射出来的因子和云中液态水含量中有不一样的关系，因此，垂直积分液态水含量在计算过程中就会存在一定误差。

3 云中液态水含量探测技术在人工影响天气中的应用前景

随着我国经济的发展，科学技术的水平也在不断进步，在气象研究中，雷达技术以及其他探测气象技术设备在不断的更新与完善，此后将利用高新技术精准的探测云中液态水含量。随着探测技术的不断完善，探测技术的准确度与连续性也相继提高，给人工影响天气的作业带来一定的参考价值。在目前来看，云中液态水含量的探测技术还存在许多问题，需要将不同的探测设备相互结合，弥补技术中的不足，这个问题也是未来气象研究员需要研究的重点。

4 结论

本文通过对云中水含量在人工影响天气中应用的分析可以了解到，气象部门要想更好的掌握人工影响天气的重要指标，就必须准确的探测出云中液态的水含量。除此之外，气象研究人员还需要利用相应的云中液态水探测技术，来准确的获取云中液态水含量。云中液态水含量的数据在人工影响天气作业中及其重要，因此要具有准确性。在未来的人工影响天气工作中，气象研究员要完善并运用云中探测高新技术，精确的探测出云中液态水含量，从而会在一定程度上提升气象部门人工降雨的效果，也可以大大满足人们对降雨的需求。

参考文献

篇2

中图分类号：U448.27 文献标识码：A文章编号：

1.引言

斜拉桥是一种由三种基本承载构件，即梁（桥面）、塔和两端分别锚固在塔和梁上的拉索共同承载的结构体系，以其结构受力性能好、跨越能力强、结构造型多姿多彩、抗震能力强及施工方法成熟等特点，而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一，在桥梁工程中得到了越来越多的应用。

由于斜拉索质量、刚度和阻尼都很小，随着斜拉桥跨度的增大，拉索振动问题的影响日益显著。在各种振动情况中，风雨激振是拉索风致振动中最强烈的一种，且风雨激振的起振条件容易满足，振幅极大，对桥梁的危害最为严重，因而关于斜拉桥拉索风雨激振的研究得到了国内外学者的广泛重视。

风雨激振是指干燥气候下气动稳定的圆形截面的拉索，在风雨共同作用下，由于水线的出现，改变了拉索的截面形状，使其在气流中失去稳定性，由此发生的一种大幅振动。

2.研究现状

2.1.现场实测

现场观测是最早用于研究风雨激振的手段。它可以获得拉索风雨激振最准确的特征，为验证风洞试验和理论分析研究结果的真实性、可靠性提供宝贵的资料。

Hikami等[1]对日本名港西(MeikoNishi)大桥的实测。20世纪80年代，在日本建造名港西大桥的过程中，发现了比较严重的风雨激振现象，Hikami等选取了其中24根索进行实测，对该桥进行了为期5个月的现场实测，实测内容包括索面的拉索振幅。

Main和Jone[3]对美国Fred Hartman桥的斜拉索风雨激振记录。进行了16个月的现场监测，分析了记录的5000组5分钟时程的斜拉索加速度和气象资料。

陈政清[4]等对洞庭湖大桥的实测。自2001年1月至2004年4月，陈政清在国家自然科学基金资助下，与香港理工大学合作，在岳阳洞庭湖大桥上进行了连续4年的风雨激振观测研究。

通过研究国内外专家对风雨激振现场观测的结果，得出了一些结论：(1) 与拉索振动形态的关系。进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，拉索表面会形成振荡的水线，表现为低阶振型。(2) 与环境参数的关系。风雨激振存在起振振动，只在一定风速范围内发生；在无雨情况下，很少观测到风雨激振，而且雨量为小到中雨情况观测到风雨激振次数最多。(3) 与拉索本身参数的关系。风雨激振的振幅大小与拉索的表面材料、长度、风偏角和倾斜方向等参数有关。

2.2.风洞试验

按照水线的模拟方法，研究风雨激振的风洞试验可分为两种类型：人工降雨试验和人工水线试验。

1. 人工降雨试验

人工降雨试验是在风洞内通过人工模拟降雨，提供与实际拉索发生风雨激振相类似的风雨条件，对通过弹簧悬挂在固定支架上的拉索节段模型进行的一种试验形式。

2. 人工水线试验

人工水线试验是在风洞内对带有人工水线的拉索节段模型进行的一种试验形式。根据人工水线与拉索的连接形式和试验的测量内容的不同，人工水线试验可分为：固定人工水线测振试验、固定人工水线测力试验、固定人工水线测压试验和运动人工水线测振试验。

2.3.理论分析

目前关于斜拉索的风雨激振问题形成机理大致可分为如下几类观点：

1. 驰振机理

日本的Hikami与Shiraishi[1]1985年在Meiko.Nishi桥最先观测到风雨激振现象。随后他们通过一系列的人工降雨风洞实验再现了这一现象。他们在实验的基础上初步分析了风雨振的发生机理，认为风雨激振可能有两种机理：一种是Den Hartog驰振机理；另一种是弯扭两个自由度驰振机理。

2. 上水线振荡诱发机理

H.Yamaguchi[6]认为单自由度Den Hartog驰振理论不能解释风雨振的形成机理水线是风雨激振不可缺少的条件，当水线的振荡频率接近于拉索的自振频率时，水线与拉索之间的相互作用导致斜拉索产生负阻尼，引发斜拉索发生大幅振动。Peil, U.& Nahrath, N[8]认为上水线的运动是导致风雨振的主要原因。Seidel等[9]指出当风速大于某个限制，流动不存在转变，这时不会发生风雨激振；发生风雨激振的速度下限是由风偏角和拉索倾斜角决定的。

3. 上水线特定位置致振机理

顾明和杜晓庆[10]建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动方程，气动力系数根据带人工水线三维拉索模型试验得到，分析了水线平衡位置和水线振幅的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅，得出了水线特定位置是引起索结构大幅振动的主要因素的结论。

4. 涡激振动机理

Delong Zuo[11]揭示了风雨激振与高风速下干索涡激振动之间的联系，认为风雨激振的内在机理与涡激振动的相同，与降水无关。由于风偏角和拉索倾角的存在使得这种涡激振动不同于经典卡门涡脱，是一种三维涡激振动。

2.4.CFD数值模拟

风工程的研究方法中数值模拟是最近30年在前三种方法的基础上逐步发展起来的，下面的介绍为CFD技术在拉索风雨激振方面的相关研究。

陈文礼和李惠[13]提出物理试验与CFD数值模拟的混合子结构方法，通过与圆柱涡激振动的流固耦合方法结果进行比较，分析了上水线对绕流场特性的影响，然后采用有限元程序ANSYS和计算流体动力学程序CFX对考虑风速剖面的CFRP斜拉索涡激振动进行流固耦合方法的CFD数值模拟。

3.结语与展望

本文参考国内外文献，对斜拉桥拉索风雨激振问题进行了系统总结, 并对今后的研究提出展望。总结如下:

在现场观测和风洞试验方面，未来的研究应更加关注水线的形成及其在风雨激振中的作用，精确测量不同拉索运动状态下的水线形状和位置，为理论分析和数值模拟提供基础。

在理论分析方面，虽然国内外很多学者和专家提出了各种理论模型和数值解析方法分析风雨激振发生机理，但是迄今为止还是没有一种大家公认的对斜拉索风雨激振的发生机理能够完全解释清楚的模型，今后的研究应侧重于风雨激振的轴向流、风场与水线间的气液两相耦合现象以及风场、水线与拉索间的气液固三相耦合现象的研究，对风雨激振机理进行更加深入和精细化的研究。

参考文献

[1] HIKAMI Y，SHIRAISHI N． Rain-wind-induced vibrations of cables in cable stayed bridges [J]. Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics，1988，29: 409 － 418．

[2] 顾明，刘慈军，罗国强. 斜拉桥拉索的风（雨）激振及控制 [J]. 上海力学, 1998, 12: 281~288.

[3] 陈文礼. 斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.

[4] U. Peil, N. Nahrath, Modeling of rain-wind induced vibration [J], Wind and Structue, 2003, 6(1), 41~52.

篇3

中图分类号：S127 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）22-0018-03

1 一维垂直入渗模型

2 模型验证

2.1 试验设计

为了验证本文数值模拟结果，在直径为15cm的有机玻璃柱进行人工降雨条件下土壤垂直入渗试验。供实验土壤采自三峡大学北校门的某工地的粉质粘土，将其风干过5mm的筛后按不同的初始含水量配置，静置24小时时期水分均匀，按照设计容重每层10cm装入到玻璃柱。以降雨强度、初始含水量和干密度3个因素，每个因素设计2组实验，来对模型模拟的结果进行验证，见表1。

2.2 试验土壤的物理性质

实验所用的土样来自三峡大学某建筑工地。根据土工试验规程（SL237-1999）中土的分类标准可知实验所用土样属于粉质粘土。土样的基本物理性质见表2所示。

不同干密度下的土壤水分特征曲线通过颗分试验和Arya-Paris模型，计算出土壤颗粒每一级的含水量和基质势，再拟合得到VG模型的参数，见表3。

3 室内实验与数值模拟比较

为了验证模型的可靠性，将matlab软件编程求解的不同试验处理的一维降雨垂直入渗过程与试验结果进行了对比验证。

3.1 不同雨强下的室内实验与数值模拟比较

3.2 不同初始含水量下的室内实验与数值模拟比较

3.3 不同干密度下的室内实验与数值模拟比较

4 结语

本文主要研究了降雨强度、土壤的初始含水量和干密度分别对非饱和土壤一维水分运动影响规律，采用了数值模拟和实验的方法进行了研究，本文得到以下结论：

（1）雨强较大的数值模拟结果要优于雨强小的结果，本文的降雨入渗模型更适用于雨强较大的情形。

（2）当降雨强度一定时，土壤的初始含水量越大，土壤的剖面含水量变化越快。也进一步说明了土壤的初始含水量会对下渗有一定的影响作用。但是土柱上表面达到饱和时刻与初始含水量无关。

（3）土壤的干密度越大，孔隙率就越小，土壤的入渗率就越小，湿润锋向前推进的速度越慢。

参考文献

[1] BUCHTER B，DAVIDOFF B， AMACHER MC，et al.Correlation of Freundlich Kd and n retention parameters with soils and elements[J].Soil Science， 1989， 148（5）：370-379.

[2] VAN GENUCHTEN M TH.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1980， 44（5）：892-898.

[3] MUALEM YECHEZKEL.Hydraulic conductivity of unsaturated porous media：generalized macroscopic approach[J]. Water resources research， 1978，14（2）：325-334.

[4] 侯春霞， 胡海英，魏朝富，等.土壤溶质运移研究动态及展望[J].土壤通报，2003，34（6）：70-73.

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Abstract: from the field observation, wind tunnel test, the theoretical analysis and the CFD simulation four aspects to cable-stayed Bridges of vibration problems and the present study status of generalization and summarized, analyzed the existing research results, the research direction in the future was prospected for relevant researchers reference.

Keywords: cable-stayed bridge; The lasso; Rain excitation

中图分类号：U448.27文献标识码：A 文章编号：

1.引言

斜拉桥是一种由三种基本承载构件，即梁（桥面）、塔和两端分别锚固在塔和梁上的拉索共同承载的结构体系，以其结构受力性能好、跨越能力强、结构造型多姿多彩、抗震能力强及施工方法成熟等特点，而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一，在桥梁工程中得到了越来越多的应用。进入二十世纪90年代以来，随着计算机性能的提高、正交异性桥面板制造工艺的成熟以及施工技术的进步，斜拉桥在世界范围内得到广泛应用，其跨径已经进入以前悬索桥适用的特大跨径范围。目前，世界约建成300多座斜拉桥，作为斜拉桥建设史上里程碑的日本的多多罗大桥（主跨890米）和法国的诺曼底大桥（主跨856米）首次使斜拉桥进入特大跨度桥梁领域。我国斜拉桥建设起步较晚，但发展迅速，自1977年建成重庆云阳桥（主跨76米）以来，目前已建成各类斜拉桥200余座，包括上海杨浦大桥（主跨602米）、南京长江二桥（主跨628米）、南京长江三桥（主跨648米）、香港昂船洲大桥（主跨1018米）等一批大跨度桥梁；2008年6月30日，苏通长江大桥（主跨1088米）正式通车，成为当今世界跨径最大斜拉桥，使斜拉桥跨度突破千米大关。

由于斜拉索质量、刚度和阻尼都很小，随着斜拉桥跨度的增大，拉索振动问题的影响日益显著。在各种振动情况中，风雨激振是拉索风致振动中最强烈的一种，且风雨激振的起振条件容易满足，振幅极大，对桥梁的危害最为严重，因而关于斜拉桥拉索风雨激振的研究得到了国内外学者的广泛重视。

风雨激振是指干燥气候下气动稳定的圆形截面的拉索，在风雨共同作用下，由于水线的出现，改变了拉索的截面形状，使其在气流中失去稳定性，由此发生的一种大幅振动。1984年日本学者Hikami和Shiraishi首次在Meikonishi桥上详细观察到了拉索的风雨激振现象，直径140mm的斜拉索在14m/s风速下振幅值达到275mm。1995年，美国的Fred Hartman桥由于斜拉索的风雨振动导致斜拉索的根部索套开裂。中国的杨浦大桥尾索在风雨共同作用下曾发生强烈振动其最大振幅超过1米，在1994年和1995年曾三次因拉索的振动而导致减振器脱落。洞庭湖大桥在2000年建成以来，发生多次较强烈的风雨激振现象。斜拉索发生大幅振动的危害是显而易见的，会引起拉索的疲劳，在索锚接合处产生疲劳裂纹，破坏索的防腐系统。严重的甚至会引起拉索的失效，而任何一根拉索一旦丧失承载能力，都会引起斜拉桥整体内力的重新分布，导致斜拉桥的整体失稳和破坏，造成严重的安全事故和巨大的经济损失。

2.研究现状

2.1.现场实测

现场观测是最早用于研究风雨激振的手段。它可以获得拉索风雨激振最准确的特征，为验证风洞试验和理论分析研究结果的真实性、可靠性提供宝贵的资料。

日本学者Hikami等对日本名港西(MeikoNishi)大桥的实测。20世纪80年代，在日本建造名港西大桥的过程中，发现了比较严重的风雨激振现象，Hikami等选取了其中24根索进行实测，对该桥进行了为期5个月的现场实测，并总结出了拉索风雨激振的如下特征：拉索仅在下雨情况下才出现大的振幅；只有倾斜方向与风向同向的拉索才会发生风雨激振；拉索风雨激振发生在一定风速范围内；拉索风雨激振的振动频率远小于涡激振动频率，而振幅则远大于拉索涡振的振幅；随着拉索长度的增加，发生风雨激振的拉索振型从低阶到高阶变化。风雨激振发生时拉索振型一般为1-4阶；拉索表面会形成水线，水线会随着拉索的振动而振荡。

Main和Jone对美国Fred Hartman桥的斜拉索风雨激振情况进行了现场监测。监测结果表明：大部分情况是处于无降雨状态，斜拉索振动幅值较小；少部分是在中等降雨情况下，斜拉索可能发生风雨激振，风速范围在4-14.5m/s之间；同时也得出一些与其他学者不一样的特征，在大雨情况下，极少数风速样本点（小于5m/s）伴随较大的加速度响应，不仅风向与中等降雨情况发生很大改变，而且其风向离散性非常大，最大差异将近180°。

Zuo等进一步对Fred Hartman桥的其中一根斜拉索的风雨激振进行了现场监测。这根拉索直径0.194m，长度197.9m，通过现场观测得到斜拉索在2-6阶模态都发生了风雨激振，其中2-4阶模态的振动幅值最大，发生风雨激振的风速段主要集中在5-10m/s，同时也观测到少量10-15m/s发生风雨激振的情况。将风速换成折算风速之后，认为风雨激振是发生在高折算风速的一种涡激振动。

陈政清等于2001年1月至2004年4月对岳阳洞庭湖大桥上进行了连续4年的风雨激振观测研究。监测结果表明：拉索进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，可以认为至少在拉索中部一个相当大的范围内每个拉索截面都有几乎相等的振幅，拉索的这种振动形态很接近驰振的特征；降雨是拉索发生大幅风雨激振的必要条件，在无雨的条件下，即使是风速达到20m/s，洞庭湖大桥的拉索也几乎不发生振动，但是风雨激振与降雨强度却无明显的相关性，当降雨几乎停止时，由于拉索上源源不断有雨水流下，拉索仍在大幅振动，即只要有上水线存在，风雨激振就不会停止；在有雨条件下，起振风速约在6m/s―8m/s之间，当风速超过14m/s时，就有较强烈的风雨激振现象，在14m/s―20m/s范围内，振幅随风速增加而增加；靠近桥塔的4#、5#索，其倾角已达70度，也会发生明显的风雨激振。

通过研究国内外专家对风雨激振现场观测的结果，得出了一些结论：(1) 与拉索振动形态的关系。进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，拉索表面会形成振荡的水线，表现为低阶振型。(2) 与环境参数的关系。风雨激振存在起振振动，只在一定风速范围内发生；在无雨情况下，很少观测到风雨激振，而且雨量为小到中雨情况观测到风雨激振次数最多。(3) 与拉索本身参数的关系。风雨激振的振幅大小与拉索的表面材料、长度、风偏角和倾斜方向等参数有关。

2.2.风洞试验

按照水线的模拟方法，研究风雨激振的风洞试验可分为两种类型：人工降雨试验和人工水线试验。

1. 人工降雨试验

人工降雨试验是在风洞内通过人工模拟降雨，提供与实际拉索发生风雨激振相类似的风雨条件，对通过弹簧悬挂在固定支架上的拉索节段模型进行的一种试验形式。

Hikami与Shiraish在日本名港西大桥发现风雨激振现象后，随即在风洞试验中重现了该现象，并在试验的基础上初步分析了拉索风雨激振的发生机理，认为拉索风雨激振有两种可能机理：一种是邓哈托驰振机理；另一种是类似裹冰输电线的弯扭两自由度驰振机理。

Matsumoto等也进行了一系列的人工降雨试验，研究了具有一定风向角和倾角的圆柱体在有雨和无雨情况下的气动特性，试图解释拉索风雨激振的机理。

M.Gu等在同济大学TJ-1风洞实验室成功地重现了拉索的风雨激振现象，这在国内尚属首次。通过试验研究了来流风速、拉索倾角和风向角、拉索振动频率、结构阻尼等对风雨激振的影响及拉索空间姿态对上水线位置的影响，测量了拉索风雨激振时的气动阻尼；另外对螺旋线控制拉索风雨激振的有效性进行了试验研究。

2. 人工水线试验

人工水线试验是在风洞内对带有人工水线的拉索节段模型进行的一种试验形式。根据人工水线与拉索的连接形式和试验的测量内容的不同，人工水线试验可分为：固定人工水线测振试验、固定人工水线测力试验、固定人工水线测压试验和运动人工水线测振试验。

固定人工水线试验可研究水线在拉索表面的位置、水线形状和水线大小等参数对拉索风雨激振的影响。可通过测力或表面测压得到带人工水线拉索的气动力与水线位置的相互关系，为进一步的理论分析提供试验依据。运动人工水线测振试验可模拟水线在拉索表面的运动，更真实地模拟实际拉索发生风雨激振时的运动现象，用于研究拉索振动和水线运动之间的耦合关系。

Yamaguchi对带有小圆柱体的大八面体柱体节段进行了一系列测力试验，试验得到了在不同d/D比值(这里d为小圆柱的直径，D为八面体圆柱体的平均直径)时圆柱体的三分力系数随风的攻角的变化规律。虽然Yamaguchi的试验模型与拉索发生风雨激振时的实际情况相差甚远，但得到的结果却使得进一步的理论分析成为了可能。

Matsumot对带人工上水线的圆柱体进行了测振和测压试验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对带人工上水线圆柱体的气动性能的影响，并测得了强迫振动时带人工水线拉索表面的压力分布。Matsumoto认为紊流度的增加可减小发生拉索风雨激振的可能性；人工上水线在某些位置可剧烈地改变拉索的气动性能。

同济大学是国内外较早进行拉索人工水线试验研究的科研机构之一。刘慈军等通过一系列固定人工水线测振风洞试验，研究了水线在拉索风雨激振中的作用，分析了风向角、拉索质量、拉索振动频率、拉索结构阻尼及St数等参数对拉索风雨激振的影响。彭天波在风洞中采用测力天平测得了带固定人工水线拉索节段模型在不同风攻角时的气动力，进而得到了模型的升力阻力系数随攻角变化的曲线，并对气动力进行了谱分析。吕强设计了大小不同的两种形状的人工水线，通过测力天平得到固定人工水线拉索模型的气动力随上水线位置的变化曲线。黄麟在固定人工水线试验的基础上设计了运动人工水线的试验装置，研究了水线振动与拉索运动之间的耦合关系，分析了风速、水线平衡角和阻尼比等参数对拉索振动的影响，并在频域上比较了固定水线模型与运动水线模型振动的区别。杜晓庆通过拉索表面测压试验，研究了水线位置、风向角、下水线、水线尺寸和风速等参数的影响，并且得到各种参数下上水线表面的风压分布规律，通过表面压力的积分得到了带固定人工水线三维拉索的气动力和水线上的气动力。

哈尔滨工业大学的李惠，陈文礼研究了一套实时监测斜拉索风雨激振时其表面水线特征的超声波测厚系统，进行斜拉索风雨激振风洞试验，分析不同风速下斜拉索的上水线状态，研究了上水线几何特征与斜拉索风雨激振之间的关系，揭示斜拉索风雨激振与上水线振荡频率、振动幅值、平衡位置和相位之间的相关性。

通过分析不同研究者人工模拟降雨风洞试验的成果，可以得到一些共同点：风雨激振风速一般为6-18m/s，雨量一般为小到中雨，通常发生风雨激振的斜拉索是沿风向向下的方向，拉索直径一般为100-200mm，下水线对风雨激振的影响较小；斜拉索风雨激振主要发生在面内，也存在一个面外分量，风雨振动的频率一般为0.6-3.4Hz，在斜拉索表面形成上下两条水线，沿索表面向下流动，上水线沿斜拉索模型环向振荡，振荡频率等于模型的自振频率。

拉索风雨激振现象机理非常复杂，受各种因素影响，例如：拉索倾角、来流风速、来流方向、来流紊流度、拉索的振动频率、拉索阻尼、降雨量、拉索线质量等。现场实测虽然能获得拉索风雨激振最真实的特征，但无法对各种影响因素进行参数分析。为系统研究风雨激振的机理，风洞试验可以重现风雨激振的一些基本特征，还可研究振动控制措施的有效性。

2.3.理论分析

目前关于斜拉索的风雨激振问题形成机理大致可分为如下几类观点：

1. 驰振机理

日本的Hikami与Shiraishi1985年在Meiko.Nishi桥最先观测到风雨激振现象。随后他们通过一系列的人工降雨风洞实验再现了这一现象。他们在实验的基础上初步分析了风雨振的发生机理，认为风雨激振可能有两种机理：一种是Den Hartog驰振机理；另一种是弯扭两个自由度驰振机理。

2. 上水线振荡诱发机理

H.Yamaguchi在进行带固定人工水线拉索三分力实验基础上，最早进行了理论分析，对于Hikami提出的两个可能的机理，Yamaguchi采用准定常驰振方法进行分析，建立拉索和水线两自由度运动方程。分析认为单自由度Den Hartog驰振理论不能解释风雨振的形成机理水线是风雨激振不可缺少的条件，当水线的振荡频率接近于拉索的自振频率时，水线与拉索之间的相互作用导致斜拉索产生负阻尼，引发斜拉索发生大幅振动，应该把风雨激振作为一个两自由度驰振问题来研究，通过分析发现水线的形状和位置的变化会改变拉索的气动稳定性。

Xu&Wang,Wang&Xu在Yamaguchi的基础上提出单自由度分析模型，将气动力升力表示成拉索竖向运动速度、水线角度和角速度的函数，将拉索速度项移至方程左边（气动阻尼项），右边则剩下水线的运动项，风雨激振变为在水线运动荷载下的受迫振动，但没有考虑拉索运动对水线的振幅和频率的影响。对于移动水线情况，由于水线与拉索以及来流之间的相互作用导致气动阻尼发生交替的变化，从而引发风雨激振。Wilde&Witkowski在Xu&Wang单自由度模型中考虑了水线振荡幅值随风速的变化关系。

Peil, U.& Nahrath, N在Yamaguchi两方程驰振模型的基础上，建立一个三自由度模型，增加了斜拉索顺风向振动进行分析，假设斜拉索受到的气动力矩全部作用到水线上，并且通过实验研究了索结构风雨激振，认为上水线的运动是导致风雨振的主要原因。

Seidel等将水线看作是移动干扰，考虑斜拉索表面存在两条水线，建立了六个耦合方程组，分别表示斜拉索和两条水线横风向和顺风向运动。由于水线的存在，圆柱表面被分成不同压强区域（亚临界和超临界），通过积分得到气动升阻力系数，气动升阻力表示成水线角度的函数。Seidel等指出当风速大于某个限制，流动不存在转变，这时不会发生风雨激振；发生风雨激振的速度下限是由风偏角和拉索倾斜角决定的。

3. 上水线特定位置致振机理

Masumoto对带人工上水线的圆柱进行了测振和测压实验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对该模型的气动性能的影响，并测得强迫振动时带人工水线拉索表面压力分布，提出了上水线在某些位置可剧烈改变拉索的气动性能。

Xu&Wang,Wang&Xu认为对于静止水线情况，拉索大幅值振动的发生是由于水线处于某些特定位置使得拉索产生负的气动阻尼造成的。

国内，顾明和杜晓庆建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动方程，气动力系数根据带人工水线三维拉索模型试验得到，分析了水线平衡位置和水线振幅的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅。顾明、黄麟、刘慈军等通过人工水线风洞测振试验研究，得出了水线特定位置是引起索结构大幅振动的主要因素的结论。

4. 涡激振动机理

Delong Zuo揭示了风雨激振与高风速下干索涡激振动之间的联系，认为风雨激振的内在机理与涡激振动的相同，与降水无关。由于风偏角和拉索倾角的存在使得这种涡激振动不同于经典卡门涡脱，是一种三维涡激振动。

5. 轴向流与水线间的气液耦合现象引发振动机理

Masumot提出了轴向流理论，认为拉索上部形成的水线和拉索背风面的轴向流是拉索结构发生振动不稳定的重要因素，轴向涡流与上水线的气液耦合现象是拉索风雨激振的关键所在。

2.4.CFD数值模拟

风工程的研究方法主要有风洞试验、现场测试、理论分析和数值模拟四种，其中数值模拟是最近30年在前三种方法的基础上逐步发展起来的，下面的介绍为CFD技术在拉索风雨激振方面的相关研究。

高仕宁选取雷诺应力(RSM)模型，应用CFX软件分别对位于拉管不同位置的水线和不同尺寸的水线的情况做数值模拟，得出拉管表面压力分布、升力系数、阻力系数的变化规律，并与前人的试验数据进行了对比。李寿英和顾明采用CFX软件对带固定人工水线斜拉索的绕流进行数值模拟，选取两种人工水线，计算了倾角为30°、风攻角为35°时带固定人工水线拉索的阻力系数、升力系数、表面平均压力系数、固定人工水线上的气动力等，并与试验结果进行比较。Rocchi D和Zasso A 选取大涡模拟（LES）模型，使用FLUENT软件，对固定水线位置的拉索进行了模拟，并得出一些有益的结论。陈文礼和李惠提出物理试验与CFD数值模拟的混合子结构方法，通过与圆柱涡激振动的流固耦合方法结果进行比较，分析了上水线对绕流场特性的影响，然后采用有限元程序ANSYS和计算流体动力学程序CFX对考虑风速剖面的CFRP斜拉索涡激振动进行流固耦合方法的CFD数值模拟。

3.结语与展望

本文参考各类文献，对斜拉桥拉索风雨激振问题进行了系统总结, 并对今后的设计研究提出展望。总结如下:

在现场观测和风洞试验方面，未来的研究应更加关注水线的形成及其在风雨激振中的作用，精确测量不同拉索运动状态下的水线形状和位置，为理论分析和数值模拟提供基础。

在理论分析方面，虽然国内外很多学者和专家提出了各种理论模型和数值解析方法分析风雨激振发生机理，但是迄今为止还是没有一种大家公认的对斜拉索风雨激振的发生机理能够完全解释清楚的模型，对设计工作也无决定性的指导意义，今后的研究应侧重于风雨激振的轴向流、风场与水线间的气液两相耦合现象以及风场、水线与拉索间的气液固三相耦合现象的研究，结合桥梁设计、监测对风雨激振机理进行更加深入和精细化的研究。

目前的CFD数值模拟中主要集中于绕流现象和涡激振动的研究，风雨激振的数值模拟主要针对固定水线位置的分析，以下问题有待进一步解决：(1) CFD中风雨（气液）两相流对水线形成过程的研究需要进一步探讨；(2) CFD中风雨条件下与斜拉索的耦合振动（气液固三相）问题需要进一步阐述；(3) 风雨激振的轴向流的数值模拟需要进一步实现；(4) CFD中考虑超长跨斜拉索下垂影响，在风速剖面作用下的风雨激振的现象需要进一步解释。

参考文献：

[1] 刘慈军. 斜拉桥拉索风致振动研究[D]. 上海：同济大学，1999.

[2] 陈文礼. 斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.

[3] 高仕宁. 拉管结构绕流的数值模拟及理论分析[D].大连：大连理工大学，2009.

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中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）30-7354-04

1 教育游戏的概念

在国外，教育游戏一词最早出现在八十年代的美国，而在我国，教育游戏起步较晚，还属于新生的事物，并且目前对教育游戏的认识仍然没有一个统一的定义。但由于教育游戏给教育教学带来了新的活力，越来越多的专家开始致力于教育游戏的研究，并提出了不同的定义。到目前为止，对教育游戏的认识主要有一下的观点：1）把教育游戏作为一款教学软件；2）把教育游戏作为一款游戏软件；3）把教育游戏作为一种工具；4）把教育游戏作为一种游戏化学习环境。

上述是各个学者对教育游戏的认识。而要想设计好一款教育游戏，游戏任务的设计是主要的部分，那么如何设计教育游戏的游戏任务？要设计一款好的教育游戏，就要从以学习者为中心，以教学目标位向导，结合学习内容设计出适合学习者特征并能激发学习者兴趣的游戏任务上述是各个学者对教育游戏的认识。而要想设计好一款教育游戏，游戏任务的设计是主要的部分，那么如何设计教育游戏的游戏任务？要设计一款好的教育游戏，就要从以学习者为中心，以教学目标位向导，结合学习内容设计出适合学习者特征并能激发学习者兴趣的游戏任务。

2 教育游戏的游戏任务设计要遵循的原则

一般游戏任务分三个过程：游戏者进入情境接受任务——努力探索完成任务并获得奖励——接受新的任务继续体验。而对于教育游戏来说，游戏任务是学习目标和学习内容的载体。因此我们在设计游戏任务时应在充分分析学习目标和学习内容基础上，并结合前面构思的故事情境，设计游戏任务。个人认为，在设计游戏任务时应注意一下几点：

1）要以现有的教学目标为依据，以学习内容为依托

教育游戏的设计要遵循教育性与游戏性平衡，游戏性是指一个游戏的设计首先应该有趣，否则便不能吸引玩家，同样教育游戏的设计也首先必须有趣，只有这样才能吸引学习者参与进来，否则和普通的教学软件就没什么区别。但教育游戏又不同于一般的电脑游戏，它主要是用来帮助学习者学习的，所以设计的游戏必须要遵循教育性原则。而我们在设计一款教育游戏的时候一定要把握要教育性与游戏性的平衡。

而要实现这种平衡的关键是思考如何把学习目标和游戏任务相结合，如何把学习内容很好地融入到游戏任务当中，让学习者在完成游戏任务的同时也掌握了相应的学习内容，达到我们预先设计好的学习目标。因此在设计游戏的任务时首先要对学习目标和学习内容进行分析，争取让学习目标和学习内容无缝地融入到游戏任务当中。

2）以学习者的特征为基础

教育游戏的一个最大优势就是注重是学习者的主体性，即应以学习者为中心。因此游戏任务的设计要以学习者的特征为出发点，设计任务时不仅应考虑他们的心理特征、年龄特征、思维方式等，还应考虑他们目前的认知水平。沉浸理论认为：只有学习者目前的经验水平和所要面对的挑战任务相一致时，学习者才能达到最大程度的沉浸，学习者才能达到最深刻的体验。如图3-4所示。如果游戏的任务难度大于学习者目前的认知水平时，学习者就会在学习者感到焦虑、紧张，相反，如果游戏任务远远低于学习者的认知水平时，学习者就会由于长时间做太简单没刺激性的事而感到厌倦。

因此我们需要根据前面的学习者分析进行，设计出适合他们目前认知水平的游戏任务。我们在设计游戏任务时要根据“最近发展区理论”，设计出让他们通过自己的努力和认真学习会达到的游戏任务。这样才能让学习者在游戏中获得最好的体验。

3）游戏任务的设计要有容易到难，让学习者容易上手。

4）游戏任务要提供激励机制，学习者每完成一定的任务，要奖励他们一定的物品或获得升级等，这样才能激励学习者继续玩下去。这刚好符合学习动机理论。

3 案例《神探小西游唐记》游戏任务设计

本文设计的教育游戏《神探小西游唐记》是一款基于初中化学的教育游戏，该游戏主要是供初三学生在课下学习初中化学时用的，在游戏中玩家小西通过在不同的情境中完成不同的游戏任务学到相关的化学知识、并产生对化学的兴趣。

3.1 游戏主题和故事剧情简介

该游戏的的主题以科幻、穿越为主题，结合目前比较流行的侦探类电视剧《神探狄仁杰》。主要写了中学生小西（被同学称为神探）穿越到唐朝，冲破种种难关拯救被恶魔抓走的英雄任务狄仁杰的情景。

在该游戏中，根据学习内容与学习目标一共设置4个任务情景，每个任务情景设置一个或多个关卡，学习者每完成一个关卡，说明他们已经达到对相应知识点的掌握。为了鼓励学生玩游戏的兴趣，在该游戏中还设置了奖励机制，每完成一定的任务，都会获得一定的奖励，期中包括物质奖励与精神奖励。精神奖励如获得升级、获得荣誉称号等，物质奖励如获得一定的物品、金钱等。

3.2 游戏任务的设计

该教育游戏的游戏总任务是冲破种种关卡、打败魔兽救出狄仁杰。该游戏一共设计四个任务。每个任务都对应一定的知识点，对应一个教学目标。

在每个游戏任务中都根据学习内容与学习目标设置一定的关卡，学习者只有完成前一个场景的任务，获得一定的等级后才可以进入下一个场景，否则的话游戏就不能进行下去，不过每个场景里面都会提供一定的帮助信息，比如有的是通过武术密集（知识宝典）获得帮助，有的是通过询问路人获得帮助。学习者完成相应的学习任务时，就能获得升级，当获得一定的等级后，就能进入到下一个场景。在该游戏中，每个场景的游戏任务都与相应的学习内容或学习目标联系在一起。

每个游戏任务对应的学习内容如表1：

以下是四个游戏任务设计：

1）任务1：地窖之妖

游戏任务：小西在该游戏中利用学所的知识破解地窖之妖之谜，为村民们排除了疑虑与担心。

对应的学习内容为：二氧化碳的物理性质与化学性质。在该游戏中如果玩家破解了该谜语，就会升级并自动进入下一个场景。否则如果玩家破解不了的话就会弹出提示，提示玩家是否要看化学宝典，玩家通过学习化学宝典获得相应的知识，学习完后回到场景中继续执行任务。

游戏情节：当小西到达一个偏远的山村的时候，看到那里的村民满脸的惊慌，他就询问到底是怎么回事。原来是这个村庄出现了妖怪。村庄里有一口干井，无论是人还是动物只要不小心掉下去就再也出不来了，这个井里住着妖怪。小西通过自己的分析加上游戏中的提示破解了这个谜语，原因是里面二氧化碳密度比空气大，所以都沉到井的底部，这样导致井底二氧化碳浓度过大，氧气缺少，而二氧化碳又不支持呼吸，这样就导致里面的人或动物因缺氧而窒息而死。（当然如果小西不知道原因的话或相应的知识没掌握的话可以翻看该游戏提供的化学宝典，在下面的任务中都是这样的，用户可以通过学习化学宝典来完成获得相应的知识，完成相应的游戏人任务。） 通过完成该游戏任务，小西不仅学到了二氧化碳的物理性质，而且还把所学的知识运用到生活当中，为人们排忧解难，更体会到学习的兴趣。

2）任务2：人工降雨

游戏任务：为人们解决干旱之灾，实施人工降雨。

对应的学习内容为：固体二氧化碳的也就是干冰的性质和作用。

游戏情节：在第2个情景中，小西处于一个干旱的地区，到处是饥饿的人们，小西经过了解才知道这个地方常年干旱，庄家常年欠收，几乎好多年不降雨了。小西决定帮助这些人们。正在此时，一个精灵出现了，她问了小西一些与人工降雨有关的问题，只要小西回答对这些问题，就可以人工降雨，帮助这些人们，同时能获得升级。

通过该游戏任务的完成，玩家不仅掌握了固体二氧化碳的性质和作用，还在整个游戏的体验中体会到学习的快乐。因为用所学的知识解决了实际生活中的问题，帮助了这里的人们，小西在整个游戏的体验过程中获得了自我价值的实现。

3） 任务3：火灾之谜

游戏任务：小西断案，破解了火灾之谜的案件。

学习内容：掌握燃烧的三个条件

游戏情节：小西在该游戏场景中应用所学的知识破解了一场冤家错案，通过该任务的完成，小西掌握了燃烧的三个条件。

4）任务4：食狗洞之谜

游戏任务：小西在该任务中解开地窖之妖的谜语，并且打败魔兽救出英雄人物狄仁杰。

学习任务：这是对前面知识的巩固与加深，通过该游戏任务情境的体验，小西进一步了解了二氧化碳的物理性质与化学性质，同时掌握了钟乳石、溶洞的形成原理与过程。

游戏情节：小西冲破种种关卡，终于到达了目的地，关押狄仁杰的山洞，在洞门口遇到了矮人鬼与半身兽在门口守门（这些都是为了增加游戏的兴趣设置的），小西利用前面获得的等级与武器战胜了这些矮人鬼与半身兽，进入了山洞，可却发现自己的小狗生命值越来越弱，自己却安然无事，难受这个山洞中有传说的食狗妖？小西仍然不相信有妖怪一说。通过分析，小西得知其中的原因还是二氧化碳在作怪。

学习者通过在该游戏任务情景的体验，进一步了解了二氧化碳的物理性质与化学性质，并且了解了钟乳石、溶洞的形成。

参考文献：

[1] 尚俊杰，李芳乐，李浩文.“轻游戏”：教育游戏的希望和未来[J].电化教育研究，2005（1）.

[2] 李湘，袁志芬.体验式学习的理论与实践策略[J].现代中小学教育，2005（2）.

[3] 吕森林.教育游戏产业研究报告[J].中国远程教育，2004（22）.

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中图分类号 S714.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）06-0189-03

Effects of Different Rainfall Intensity on Limestone Soil Water Transport of Huaxi Area in Guiyang City

HAN Wen-jun PAN You-jing DU Bo

（College of Forestry，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550001）

Abstract Different rainfall intensity was simulated by artificial rainfall，in which，the soil water infiltration situation of lime-soil sampled in Huaxi Area was observed. The influence of different rainfall intensity on soil water infiltration in typical karst area was summarized and discussed. The results showed that：for lime-soil，the rainfall intensity less than 60 mm/h should be classified into the effective rainfall，oppositely the rainfall intensity greater than or equal to 60 mm/h should be classified into the erosive rainfall. For the effect of rainfall intensity on supplying soil water，at 40 mm/h was better than at 20 mm/h. It was the lowest availability rainfall in 60～80 mm/h rainfall intensity. In this range the greater the rainfall intensity，the higher the runoff yield，the stronger the soil erosion，the lower the absorbing rate of the soil to the rainfall. The change of soil surface water content increased with the increase of rainfall intensity. The process of the soil water content increase would be reached the maximum at 20 minutes after the rainfall，and then slowly decreased.

Key words limestone soil；water infiltration；artificial rainfall；rainfall intensity；Guiyang Guizhou

土壤的入渗性能是土壤重要的水分物理性质，是反映土壤涵养水源和抗侵蚀能力的重要指标[1-3]。土壤水分入渗的能力也对植被可利用的有效水与养分产生影响[4-5]。研究[6-7]发现喀斯特坡地土壤含水量主要受降水的影响，有明显的雨季、旱季变化，土壤水分依靠降雨补充完成水分入渗的过程。

目前喀斯特地区土壤水分研究大多都在植被覆盖[5，8-9]、土地利用类型[6]、坡地地形等方面，而气象因子对土壤水分的影响研究鲜见，而喀斯特地区土层薄、土壤侵蚀退化严重、地表漏水系数大，土层中的水分不受地下水分的影响[10]，降雨对土壤水分的作用更显重要，特别是雨强与土壤水分的入渗或产流有着直接的关系，降雨情况对土壤侵蚀的发生起着多方面的重要影响[11]。

雨水利用在解决全球部分地区水资源紧缺方面的可行性与有效性已经得到认可[12]，贵州喀斯特地区水热条件良好，降雨充沛，但是降雨时空分布极不均匀，季节性干旱问题突出，夏季降水强度大，持续性长，水仍然是喀斯特地区植物生长的限制因子[13]，研究降雨强度对土壤的作用，将该地区降雨进行类别划分，成为喀斯特地区在减少土壤侵蚀和降雨资源有效利用的关键点。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

1.1.1 土壤取样及处理。土壤取样点位于贵州省贵阳市花溪区石板镇茨凹村，东经106°32′～106°34′，北纬26°25′～26°27′。地处贵州高原中部，苗岭山脉中段，属长江水系与珠江水系分水岭地带，地貌以中低丘陵为主，海拔999.0～1 655.9 m。属典型的亚热带季风湿润气候，具有明显的高原气候特点，冬春半干燥，夏季湿润，冬暖夏凉，气候宜人，年平均温度14.9 ℃，空气相对湿度平均85%，雨量充沛，水热同季。积温4 484.6 ℃，年平均降雨量1 187.1 mm，水资源丰富，土壤以山地黄棕壤、黄壤、石灰土、紫色土、潮土和水稻土为主。

在采样点挖土壤剖面，每10 cm为一层测定石灰土的物理性质。容重：环刀法。比重：比重计法。含水量：烘干重量法。毛管持水量：浸泡称重。土壤吸湿水含量：标准方法。

1.1.2 土壤装填。按实际测量的土壤各层紧实度分层装填土壤在铁箱中，模拟实际的土壤状态，铁箱尺寸1 m×1 m×1 m，其中一面开孔与装填土壤处于同一水平，用塑料瓶做成引水管，下部放置小水桶用于承接径流。铁箱底部打有若干直径1 cm小孔，用于渗透水分，底部用塑料膜接渗透水。

1.2 试验方法

人工模拟降雨器参数：采用西安清远测控技术有限公司生产的QYJY-501型便携式全自动下喷式不锈钢人工降雨设备，该设备由降雨器、雨量计、小泵及控制器四部分组成。降雨器高6.5 m，长6.5 m，降雨高度4 m，降雨面积20 m2，雨强变化范围15～200 mm/h。

人工降雨方法模拟降雨设计梯度如表1所示，梯度设计根据贵州省1960―2005年降雨资料，选择实际发生频率最大的5个降雨强度。

1.3 数据采集及计算

土壤水分测定：每次降雨前测定试验土壤的水分含量。降雨过程中观察记录产流时间、入渗时间。每次降雨后及时收集土槽所产径流，用1 000 mL量筒测。降雨停止后每小时测量入渗量，持续监测5 h。

2 结果与分析

2.1 雨强对石灰土水分配的影响

“降雨-土壤吸收渗透-渗漏”过程可看作是一个小型水分平衡系统，降雨落在土壤上，首先入渗进土壤，若降雨强度大于土壤入渗能力降雨产生地表径流；若降雨强度小于土壤入渗能力，入渗的水分在土壤非饱和带中运动，土壤含水量增加，当土壤水分达到饱和状态，水分穿过土体渗漏形成渗漏水，同时发生蓄满产流现象。

2.1.1 雨强对降雨量的分布影响。由图1可知，随着雨强增大，降雨从被土壤接纳1条路径增加至3条走向，降雨量分别形成径流量、累计渗漏量、土壤接纳量。

雨强为20 mm/h时，降雨100%被土壤吸收，没有水分渗漏也没有产流，说明在较小的雨强下降雨资源可以充分补充土壤，不会对土壤产生侵蚀作用，雨水资源高效利用；当雨强为40 mm/h时，91.42%降雨补充土壤水分，8.58%降雨通过土体成为渗漏水，无产流，说明在此雨强下，降雨20 min的降雨量已经可以使土壤达到饱和水分状态，并且水分通过土体补充土壤水分有多余的水分从土壤下界面渗漏；雨强为60 mm/h时，2.23%降雨量形成径流，14.24%渗漏，83.53%被土壤吸收接纳，说明此雨强是产生径流的转折雨强，60 mm/h雨强是喀斯特地区石灰土产流的最小雨强，大于此雨强的降雨都会产流对土壤产生一定的侵蚀作用，在实际生活中，当降雨达到60 mm/h时，应采取一定的措施尽可能避免降雨直接落于土壤表层，降低产流率，同时由图观之此时产生的径流量与渗漏量和接纳量相比较小，说明此雨强虽然是产生径流的开始，但径流量不是最主要的降雨量走向，此时的雨量还是能够满足土壤水分的补充，并使土壤水分饱和后产生渗漏，雨强60 mm/h的降雨对水土流失来说属于预防阶段；雨强为80 mm/h时，11.85%降雨量形成径流，28.59%渗透，59.56%被土壤吸收接纳，与前一个雨强梯度相比，产流量显著增大，渗漏量也有所增加，土壤吸收接纳量明显降低，说明此雨强下降雨对土壤水分补充作用大幅度降低，侵蚀性作用增强；雨强为120 mm/h时，18.05%降雨量形成径流，26.59%渗漏，55.35%被土壤吸收接纳，对比上一梯度雨强可以发现，尽管降雨量随着降雨强度的增大而增加，但径流量、渗漏量、土壤接纳量三者之间占降雨量的比例基本不变，说明80 mm/h的雨强是降雨落于土壤上水分走向的节点，当降雨使土壤水分饱和后，土壤水与土体成为一个均匀的介质，再多的降雨对土壤水分没有补充作用，反而随着降雨强度的增加径流量增大，对土壤表面的侵蚀力度也随之增大，由此可以推断此时的降雨属于侵蚀性降雨，是引发喀斯特地区灾害的源头之一。

2.1.2 雨强与土壤水分产流量关系。径流系数是指一次降雨过程中的总径流量与总降雨量的比值[14]。由图2可知，径流系数变化随降雨强度增加而增加。雨强为20、40 mm/h时，径流系数均为0，说明在较小雨强下，不会引发产流，此刻的降雨能对土壤水分起积极补充作用；在降雨强度为60 mm/h时，径流系数为0.02，说明60 mm/h雨强是喀斯特地区石灰土产流的重要分界点，小于该雨强不产流，大于则产流；降雨强度达到80 mm/h时，径流系数增大到0.12，相较于60 mm/h的梯度对应的径流系数扩大了5倍，径流系数变化幅度很大说明雨强对产生径流有重要直接的影响；雨强为120 mm/h时，对应的径流系数是80 mm/h的1.5倍，说明径流系数的变化在降雨强度60～80 mm/h的范围内变化较大，大于80 mm/h后的雨强对产生径流的影响程度有所降低。

由图3可知，在雨强为20、40 mm/h情况下，径流量为0，说明在小于40 mm/h雨强下，土壤水分对降雨有完全吸收的能力，降雨无产流对土壤无侵蚀作用，但随着雨强增大，特别是到达60 mm/h时，径流量显著升高，径流量是446 mL，雨强为80 mm/h时径流量是3 162 mL，径流量相比上一梯度增加了7倍，说明在此区间里，降雨强度对径流量的发生影响十分巨大；当雨强是120 mm/h时，径流量是7 220 mL，径流量增加说明雨强对径流量的影响呈正相关关系的。而从不同雨强间径流量的差异来看，雨强为120 mm/h造成的径流量是80 mm/h的2.3倍，与80 mm/h和60 mm/h的径流量相比，增长幅度变小，也可以说明径流量随降雨强度增加，但雨强对径流量的影响程度呈抛物线的趋势，先增加，在60～80 mm/h这个范围内达到最大值，然后降低，因此可以定性的认为60～80 mm/h这个雨强下的降雨资源是利用率最低的降雨，可能是由于雨强增大对土壤表土的机械作用增强，加快表土结皮以至于径流量迅速增加，但随雨强继续增大，表土结皮可能被破坏，使得径流量增幅降低。

2.1.3 雨强与渗漏量的关系。由图4可知，雨强对渗漏量有着显著的影响，总的规律是渗漏量随雨强增大而增大。雨强为20 mm/h时，渗漏量为0 mL，说明在较小的雨强下，土壤能够充分吸收降雨并保持水分在土壤中，没有水分渗漏；雨强为40 mm/h时，渗漏量为1 143.7 mL，说明该降雨强度下土壤水分入渗吸收过程较为完整，经历渗润、渗吸过程后土壤空隙水分从不饱和状态逐渐发展为饱和状态，进而发生渗漏，结合图3中40 mm/h降雨径流量为0 mL，说明在这个雨强下土壤水分渗透属于未达产流且雨水能稳定入渗至渗漏，降雨强度小于土壤入渗速率；雨强为60 mm/L时，渗漏量为2 848.7 mL，与40 mm/h的雨强相比，渗漏量增加了2.5倍；渗漏量在雨强从40 mm/h增强到60 mm/h的过程中渗漏量显著升高，雨强为80 mm/h时渗漏量为7 623.7 mL，渗漏量是60 mm/h雨强的2.7倍，渗漏量随雨强增大而增大，但在增加幅度上仅略有增加；雨强为120 mm/h时渗漏量为10 637.7 mL，是雨强为80 mm/h时的1.4倍，在80～120 mm/h降雨强度的变化过程中，渗漏量增加幅度呈降低趋势，雨强从40 mm/h增加至120 mm/h的过程中可以看到40～60 mm/h内渗漏量随雨强增大迅速增加，在80 mm/h雨强时基本达到最大值，在80～120 mm/h增加过程中增幅降低，这个过程说明雨强增大对渗漏量增加影响是有限的，这也反映了雨强对土壤不同作用力下水分入渗率是不同的，雨强在一定范围内对入渗率显著影响，小于或超过此范围，雨强不再是影响渗漏量的主要因素。

2.1.4 雨强与土壤接纳量的关系。降雨落在土壤表面，入渗补充土壤水分且没有渗漏出来的部分降雨量是土壤接纳量。由图5可知，土壤对降雨的接纳量随降雨强度的增加基本呈增加趋势。雨强为20 mm/h时，接纳量为6 300 mL，降雨完全被土壤吸收，补充土壤水分；雨强为40 mm/h时，接纳量为12 186.3 mL，较20 mm/h雨强土壤接纳量增加2.1倍；雨强为60 mm/h时，接纳量为16 705.7 mL，较40 mm/h雨强土壤接纳量增加1.3倍；雨强为80 mm/h时，接纳量为15 884.7 mL，较60 mm/h雨强土壤接纳量增加1.2倍；雨强为120 mm/h时，接纳量为22 141.6 mL，较80 mm/h雨强土壤接纳量增加1.6倍，可以看出在雨强小于40 mm/h的范围内，土壤对降雨接纳量的吸收是较为显著的，雨强小，全部降雨可以充分完成入渗过程达到补充土壤水分的作用；当降雨强度增加至60 mm/h，土壤对水分的接纳量也在增加，但增幅小于40 mm/h以内雨强变化；雨强增至80 mm/h时，土壤吸收量却有一定的下降，可能由于雨强过大，雨水下落在土壤表层迅速形成地表击实层[15]，在一定时间内减少了雨水向土壤内部入渗的量，导致产流量增加，土壤接纳量减少；雨强为120 mm/h时，接纳量增加，这说明在此雨强下，土壤表面易产生积水，具有一定的水势加速土壤入渗速率，从而使得土壤水分接纳量增加。

2.2 降雨对土壤水分变化的影响分析

在喀斯特地区有研究[16]发现土壤水分含量随时间变化明显，在夏季达峰值，然后呈下降趋势，至冬季达最低值，随后又逐渐增加，同时随石漠化程度的加深，其土壤含水量变化幅度呈减少趋势，这个变化与该地区降雨规律基本符合。

土壤水分垂直入渗的过程是一个时变过程[17]，并且通过降雨前期、中期、后期的不同层次的土壤水分动态变化的分析来实现。降雨对土壤水分入渗的过程影响可由土壤不同层次间的含水量变化表示。

2.2.1 土壤各层水分对降雨的响应变化。图6是60 mm/h雨强、20 min历时的降雨后，各层土壤水分含量在80 min内的变化规律，可知0～30 cm 3层土壤水分峰值出现在降雨20 min后，之后随时间推移而降低至稳定，30～50 cm 2层土壤水分变化较小，缓慢增加，在降雨40 min后达到峰值才逐渐降低。土壤水分层次变化表示60 mm/h雨强下，降雨对厚度在30 cm的土层影响较大，水分变化较快幅度较高，其中0～10 cm表层土壤水分变化幅度较大，说明降雨后表层的土壤水分变化较大，较为敏感，因此接下来的分析主要讨论表层土壤水分对降雨强度变化的响应规律。

2.2.2 不同降雨强度下表层土壤含水率的变化。雨强不仅（下转第202页）

对雨水落在裸土表面的走向具有巨大影响，对土壤水分入渗过程也有显著影响。试验[18]表明雨强变化对黄土坡面降雨入渗及土壤水分再分布的微观水分运动过程具有重要影响。

图7是20 mm/h和60 mm/h雨强下，初始含水率一致的表层土壤水分的变化趋势，土壤水分在一定时间内增加，但达到峰值后降低，成一个抛物线状。由图7可知，在初始含水率相同的状态下，土壤水分变化达到峰值都在降雨后20 min，60 mm/h雨强下的土壤水分的增幅是1.7，高于20 mm/h雨强下土壤水分增幅1.1，降雨强度越大，土壤含水率变化越大。但是图上显示在降雨停止80 min后，不同降雨强度下土壤含水率稳定值几乎一样，说明降雨强度显著影响土壤含水率变化，但不是土壤水分最终的稳定值的主要影响因素。60 mm/h雨强降雨后表土水分变化较大，先显著增加而后降低，土壤含水率的变化展示了降雨后水分先是被表层土壤吸收后然后发生入渗过程，从第1层入渗至下层的土壤，使得土壤整体含水量增加这样一个过程，说明雨强增大，对土壤含水量的补充有着正面的影响意义。

3 结论

贵州喀斯特地区降雨落于石灰土表面后主要发生过程是入渗和径流，径流产生对土壤有侵蚀作用，60 mm/h雨强是石灰土的产流临界雨强，降雨强度小于60 mm/h的降雨可归类于有效降雨，降雨能完成土壤水分入渗过程，对土壤水分有补充作用，≥60 mm/h的降雨归类为侵蚀性降雨。

20、40 mm/h雨强的降雨对石灰土水分补充较好，20 mm/h雨强的降雨量较小，40 mm/h雨强的降雨量充足并可以充分补充土壤水分，因此40 mm/h属于最佳降雨。

60～80 mm/h降雨强度对径流量的发生影响达到峰值，在此范围内降雨强度越大，产流量越高，对土壤的侵蚀力越强，土壤对降雨的吸收率越低，对雨水资源的利用率就越低，因此这个雨强范围内的降雨是利用率最低的降雨。

降雨强度对土壤水分入渗后的再分布有显著影响，雨强越大，土壤表层含水率变化越大，土壤水分的增加过程在降雨后20 min达到最大值再缓慢降低，在土壤土水分饱和之前土壤含水量最大影响因素是雨强小于60 mm/h的降雨。

4 参考文献

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[15] 谢森传，雷志栋，杨诗秀.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988.

篇7

教学目标

知识与技能：能说出二氧化碳的主要物理性质和化学性质；能用二氧化碳的性质解释生活中常见的现象；再次练习固体、液体药品取用等基本操作。

过程与方法：通过对二氧化碳的性质、用途等有关知识的探究学习，使学生体会获得知识的过程，使学生学会科学探究的方法，从而培养学生的科学素养。通过相互交流、探究式的学习方式，使学生产生科学探究的兴趣，从而产生学习化学的强烈愿望。

情感、态度与价值观：培养学生从生活视角观察二氧化碳的存在及用途，再从社会视角分析其使用，体会化学与社会的关系；在探究活动中，感受合作学习、研讨、理论联系实际的重要性，创设学术氛围、渗透科研方法，养成严谨求实的科学方法观。通过对温室气体之一的二氧化碳的介绍，增强环境保护意识，并且有意识辩证地看待问题。

教学重点与难点

探究二氧化碳与水反应，使学生认识二氧化碳的化学性质和掌握相关反应方程式。

教具学具

实验用品：烧杯、集气瓶、铁架台、试管、矿泉水瓶、喷壶、纸花、蜡烛、阶梯、毛玻璃片、火柴；盐酸、石灰石、水、石蕊试液

教学媒体的准备及使用环境

媒体的准备：幻灯片的制作，上网查找干冰升华、人工降雨视频

媒体使用环境：多媒体教室

本节课提供了大量实验平台，让学生在实验的基础上进行化学知识的学习，但有的实验在现有条件下无法完成，例如，干冰极不易保存，所以干冰升华、人工降雨实验在课上完成起来有困难。本节课我利用网络资源，找到干冰升华、人工降雨的视频，在课上播放，不但节省时间，而且效果非常好。多媒体展示自然、生动，使学习者易于接受，有利于激发和维持学生学习兴趣，帮助学生实现由感性到理性认识的飞跃。学生通过对多媒体提供的大量信息进行认真观察、思考，感知教材，既提高了课堂教学效率，又实现了化学教学的整体优化。因此，通过多媒体资源与课堂教学的整合，可以提高学生的学习动力，减轻学生的学习负担，使化学教学充满生机和活力。

教学过程

导入新课

猜谜语：农民伯伯说我是庄稼的粮食；消防队员说我是灭火先锋；环境学家说我是温室效应的罪魁祸首。谜底：二氧化碳。

设计意图：创设情境，激发兴趣。

设问：你还知道其他有关二氧化碳的事情吗？

教师首先通过图片展示二氧化碳循环图，介绍固态二氧化碳——干冰，然后通过视频播放干冰升华、人工降雨的过程，讲解人工降雨的原理。

设计意图：渗透生活中处处有化学，激发学生探求新知的兴趣。

环节一：二氧化碳的物理性质

学生通过肉眼无法观察到密度和溶解性，于是教师演示纸天平实验，并指导学生亲手做二氧化碳溶于水实验，学生分析实验现象，得出结论：二氧化碳密度比空气大，能溶于水。

设计意图：培养学生观察实验、分析问题能力。

环节二：二氧化碳的化学性质

在二氧化碳溶于水的过程中，有没有发生化学变化呢？教师通过实验总结化学变化的判断标准；是否有新物质生成；反应物是否减少。

设计意图：总结判断化学变化的依据，使学生形成阶段性总结的意识，拓展思维。

引导学生探究实验：取少量瓶中液体于试管中，滴加石蕊试剂，石蕊变红。是什么使石蕊变红的？分析瓶中液体的成分：水、二氧化碳、新物质。

结论1：二氧化碳与水反应生成了一种酸——碳酸：

H2O+CO2==H2CO3 。

演示实验：加热变红的小花又变回紫色。

结论2：碳酸不稳定，受热立刻分解，变成了二氧化碳和水：H2CO3== H2O+CO2。

设计意图：学生在探究二氧化碳的过程中，体验了一次完整的实验探究过程，学生在明确了化学实验探究过程的同时，也提升了实验探究的能力。

演示实验：检验碳酸饮料中的二氧化碳，现象：石灰水变浑浊了。

结论3 ： 二氧化碳能与石灰水反应：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。

教师在此时提醒学生碳酸饮料会腐蚀牙齿；饮料中的磷酸影响钙和铁的吸收，造成缺钙和贫血。

设计意图：渗透生活中处处有化学，激发学生探求新知的兴趣。

讲述和设疑：在实验室制取二氧化碳时，这个反应可以用来检验二氧化碳气体。那么如何验满呢？

学生回答：用燃着的小木条，小木条熄灭。

结论4：一般情况下，二氧化碳不能燃烧，不支持燃烧，不供给呼吸。

设计意图：用学生已经熟悉的知识引出本节课新知识，过渡自然，学生易于接受。

教师播放视频：检验久未开启的菜窖是否能下去；进山洞用火把照明更安全。在久未开启的菜窖，干涸的深井等处一定要防止二氧化碳含量过高而危及生命。怎样测试菜窖里二氧化碳的含量过高？

演示实验：倾倒二氧化碳灭蜡烛实验

设计意图：应用所学知识解释生活现象，拓展视野，将课本上的知识应用于实际生活，渗透生活中处处有化学。

环节三：二氧化碳的用途

根据二氧化碳的性质，总结二氧化碳的用途。

设计意图：传递化学理念：物质的性质决定用途，用途反映物质的性质。

环节四：了解温室效应

CO2具有很多用途，那么在空气中是否越多越好呢？展示温室效应图片，让学生感受温室效应的危害。

设计意图：培养学生辩证地看待问题的思维，辩证地看待二氧化碳气体的利与弊，增强环保意识。

环节五：小结

教学反思

1.纵观本节课，信息技术与化学教学的有效结合，提高学习的效果和效率，促进学生对课程知识的深度理解和灵活运用，促进学生解决问题以及创造能力的发展。同时培养了学生应用信息技术的能力、对信息内容的理解与批判能力以及处理并运用信息的能力。

篇8

2.从影响因素角度考查，结合区域背景，针对区域最主要的影响因素作答，可能从水资源短缺、荒漠景观、植被表现耐旱特征（叶呈针状或退化、叶硬质、叶有蜡质、根系特别发达等）或湖泊萎缩等其他角度设问。

3.从旱灾的受灾体角度考查，分析其危害和对应的具体措施。

下面，我们结合例题，分别看看这三种考查方式应该如何应对。

例1 读下图，回答问题。

在上图所反映的季节里，造成我国华北地区旱灾的原因是（ ）

A.气温回升快，蒸发量大

B.水源短缺，农田需水量大

C.降水量较少，土壤干燥

D.植被稀少，涵养的水源少

解析 这道题很容易错，在平常课程讲解中，各选项都是导致华北地区春旱的原因，但具体到题目，考查的是旱灾和干旱的区别。干旱是旱灾的致灾因子，而旱灾必须有受灾体。ACD都是华北春季干旱的原因，而B反映了由于干旱导致的水资源短缺，并且导致农业缺水。所以本题选择B选项。

答案 B

点拔 干旱是因长时间无降水或降水量少而造成空气干燥、土壤缺水的一种现象。影响干旱的因素分自然因素和社会经济因素。自然因素，包括降水少、气温高、寒流来袭导致降温减湿、大风导致蒸发加剧、植被差导致涵养水份调节小气候功能下降、地形崎岖影响地表水流速和下渗等一系列原因。社会经济因素，包括人口稠密、工农业发达，生产生活用水量大、水污染、利用率低等导致水资源不足。

对一个地区干旱的影响是单个要素影响或多个要素共同影响。例如华北地区春旱的原因：春季气温回升快，蒸发旺盛；雨带还没到来，降水稀少；农业生产需水量大。需要注意不同地区的影响因素有主次之分，比如季风区更主要的为降水的季节差异和年际变化。

例2 2013年春我国部分地区发生了严重的干旱。读图回答。

在发生重、特旱的地区，此时期最可能出现（ ）

A.滑坡 B.沙尘暴

C.森林火险 D.土壤盐碱化

解析 这道题考查干旱对受灾体可能带来怎样的危害，属于我们身边能够接触到的地理问题。图中重、特旱的地区主要位于我国西南地区，西南地区山区面积广大，气候湿润，森林覆盖率高。气候干旱容易导致森林火灾。暴雨容易引起滑坡、泥石流，在这个季节很少；沙尘暴天气主要分布在我国西北和北方地区；土壤盐碱化主要由不合理的灌溉引起，并且南方湿润地区由于干旱导致的土地盐碱化问题很少。

答案 C

点拔 干旱常与旱灾相关联，但旱灾与干旱有一定区别。旱灾的发生是某一时期降水比多年平均偏少而导致地区经济活动（尤其是农业生产）、人类生存受到危害。干旱与旱灾的主要区别在于干旱是发生旱灾的致灾因子，而旱灾的发生还需要有受灾体，受灾体主要包括生态、农业和社会经济等，具体如下表所示。

[受灾体＼&危 害＼&举 例＼&生 态＼&对生态环境带来不利影响＼&如森林大火、病虫害、土地盐碱化、河流断流、湖泊萎缩等＼&农 业＼&对作物生长、产量或牧场产量足以产生不利影响＼&如作物正常生长受到影响＼&社会经济＼&对人民的生活和生产带来水资源等问题不利影响＼&如水资源紧张，高温导致人体健康受到影响＼&]

例3 海河流域人均水资源占有量不足全国的1/7。读图，针对流域水资源匮乏的现状，简述农业生产应采取的对策。

解析 针对农业水资源短缺问题，类似于旱灾给农业带来的不利影响问题，可以从缓解农业旱灾的角度出发，主要从培育和种植耐旱作物，加强农业基础设施建设，推广节水灌溉技术（滴灌、喷灌、微灌），提高水资源利用率等方面分析。

答案 推广耐旱作物（调整作物类型、进行品种改良）；应用喷灌、滴灌、微灌等节水技术，发展节水农业；加强农业基础设施建设，提高抵御旱灾的能力。

点拔 针对不同受灾体，缓解旱灾的措施如下表所示。

[受灾体＼&缓解措施＼&生态＼&做好监测与预防准备工作；人工降雨等＼&农业＼&加强旱灾预测，为有效防灾做准备；推广耐旱作物（调整作物类型、进行品种改良）；应用喷灌、滴灌等节水技术，发展节水农业；加强农业基础设施建设（跨流域调水，修建水库）；人工降雨等，提高抵御旱灾的能力＼&社会

经济＼&做好监测与预防准备工作；控制人口数量，提高素质；减少水污染；减少浪费，提高利用率；限制高耗水工业的发展；实行水价调节，树立节水意识；海水淡化；适度开采地下水；人工降雨等＼&]

通过对上述干旱和旱灾的例题分析，可以总结出针对此类试题的处理流程：

1.仔细阅读题干信息，明确干旱和旱灾发生的区位、季节、自然地理及人文地理条件；

2.结合获取的有效信息，构建试题背景模型，从各角度综合考量试题设问内容；

3.根据构建的模型，详细探究旱灾和干旱发生的原因、影响和对应措施；

4.利用所学地理原理和规律，用科学的地理语言，准确叙述回答问题。

在最后的复习阶段，要求我们在备考中进行对这个专题深入探究，理解本质、辨析区别，真正提高理解、探究和知识迁移能力。

[练习]

1.阅读下列图表资料，回答问题。

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，其中水、旱灾害尤其突出，对我国人民的生产和生活造成极大危害。

1949年到1998年我国部分地区水、旱灾害频次

[地区＼&旱灾频次＼&水灾频次＼&三江平原及长白山地＼&32＼&219＼&松辽平原＼&169＼&357＼&环渤海平原＼&415＼&799＼&黄淮平原＼&846＼&1407＼&长江中下游平原和江南丘陵＼&949＼&2151＼&]

概括我国水、旱灾害的分布及发生频次的特点。

2.干旱灾害是中国主要的气象灾害之一。下图反映了我国1950～1991年间不同区域干旱季节分布及其对农业的影响。读图回答下列问题。

（1）判断图中旱灾最严重的地区（写序号）并说明依据。

（2）分析②、③两区旱灾季节差异的原因。

（3）说明①区春旱引发的最主要的次生灾害及其监测手段。

3.下图所示区域的沿海地区年降水量约50毫米，东部山地雪线高度在4480～5000米之间。自20世纪90年代，该地区开始种植芦笋（生长期耗水量较大），并发展成为世界上最大的芦笋出口区。

分析图示沿海地区气候干旱的原因。

4.森林火灾，是指失去控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为，是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。全世界每年平均发生森林火灾20多万次，烧毁森林面积约占全世界森林总面积的1‰以上。下图为“2013年美国加利福尼亚主要森林火灾地点分布图”。

试分析加利福尼亚森林火灾的主要自然原因及其影响。

[参考答案]

1.分布特点：我国水、旱灾害集中分布在东北地区；南方以水灾为主，北方以旱灾为主。

频次特点：我国水、旱灾害发生频次较高，且发生频次由南向北减少；无论南方还是北方，频次均是水灾多于旱灾。

2.（1）②区。依据：②区的旱灾粮食损失量占全国旱灾粮食损失总量的百分比（或B）、旱灾面积占全国旱灾面积的百分比（或C）均最高。

（2）②区：春季降水少；升温快，蒸发旺盛。③区：夏秋季受高气压（副高）控制，盛行下沉气流，干燥少雨。

（3）森林火灾；遥感技术。

篇9

本文内容涉及现场原位试验、室内抗剪强度试验、数据分析与计算机模拟等环节，全文所提供的研究思路、原位数据与研究结论，对促进泥石流堆积体滑坡机制、滑坡转化泥石流机理、泥石流起动机理等学科前沿问题的研究，均有一定的参考价值。

2 泥石流堆积体的特征

泥石流堆积物是泥石流活动的产物，它的各种特征客观地记录了泥石流的基本性质、运动特性、暴发频率、规模大小和沉积环境，它的结构和构造是泥石流体的结构、动力特性和成岩作用三者的联合效应。

前人对云南东川蒋家沟粘性泥石流堆积物作了大量的研究[2]。粘性泥石流的堆积过程介于稀性泥石流和塑性泥石流堆积过程之间的过渡形式。两种典型泥石流沉积结构如图1，2所示。图1为粗化分层构造，为不同场次泥石流堆积后的“水流粗化”的结果。图2为反向粒级构造，上部正粒级是重力分异的结果，下部的反向粒是层流剪切的结果。

3 试验研究

以云南省小江流域泥石流分层粗化构造土层堆积体（图2）为对象，进行滑坡起动试验。

对堆积区原状土取样，进行室内物理力学性质试验。颗粒分析使用筛析和比重计法。试验仪器为4.0～1.0 mm分析筛和甲种比重计，分散剂为六偏磷酸钠。试验表明，砾石呈次磨圆角砾状，最大砾径φ60 mm，为残坡积物，砾石含量43.2%，粘粒含量4.7%，均匀系数uC= 972.4，表明泥石流堆积区原状砾石土样为极为不均匀，但在较高围压下，细颗粒充填于粗颗粒所形成的空隙中，可形成高密度和较好的力学特性。测试结果见表1。

三轴试验使用TSZ30-2.0应变控制式三轴仪。按仪器规格，去除>5 mm的泥石流堆积土，并保持

砾石土的渗透系数试验使用TST?70型渗透仪。土体密度按1.56 g/cm3配制，用等量替换法制备成接近新近沉积弱固结的土体。平均渗透系数为0.006 cm/s，结果与细砂的渗透系数0.001～0.006 cm/s较接近，由于松散原状土中的孔隙率应大于试验配制土，则可推测，渗透性应略大于0.006 cm/s，是属于强渗透系数的土类。测试结果见表3。

现场人工降雨滑坡起动试验于2004年8月～10月期间完成。野外人工降雨试验设备由人工降雨装置与数据实时采集设备组成。含水量测量采用美国产的TRASE TDR时域水分仪，测试数据以体积含水量参数表示，由美国产的CR10X完成数据采集。设置TRASE的采样频率为2 min/次，CR10X的采样频率为5 s/次。传感器在不同土层深度进行埋设。传感器埋设布置见图4。图4中点划线是实地测量的土体大致滑动线。

试验中放置雨量筒2个，测得的降雨量分别为140.9和142.6 mm，平均为141.75 mm，降雨总历时141 min，实际降雨强度为60.3 mm/h。试验步骤与现象如表4所示。

降雨停止后对坡面特征地形进行测量与土体取样。通过测量，形成冲沟的沟床坡度为45°～46.5°，顶部探头处形成的崩塌的滑动面坡度为47°，后壁坡度为81.5°，明显的滑动层厚度从下至上分别为27，24和17 cm。根据土层深度与坡体不同位置，实测土体发生破坏时体积含水量见表5。

4 稳定性分析

在野外试验没有实时测量孔隙水压力，因此，对Spencert法[3]进行修改，利用全应力法分析泥石流堆积体边坡稳定。

如图5所示，根据水平方向力的平衡与Mohr- Coulomb强度准则，可导出基本平衡方程：

在本文中没有考虑坡体后缘裂隙的水压力，因此，从物理现象来看，表6中1#条块计算值中出现负值是不合现实的。这也是基于SPENCER条分法分析坡体稳定性的缺陷。表6中Microsoft Excel表单给出了最可能圆弧滑动面计算数据与过程。计算所取用的参数见表2，5。在表6中单元$B$11：$D$11和$S$4：$T$4中分别输入任意圆心坐标、侧压力系数、安全系数值9c=x，R = 13，=aλ0，F = 1。激活Microsoft内建的规划求解器（Solver），设定目标单元格$U$4为最小值，约束条件$S$7：$T$7=0，Radius≥cy，0min=X，8c=y，F≥1，单击求解器选项菜单，选中“自动比例”，求解后可得到最危险滑动面F = 1.9，=aλ0.7。最可能的非圆弧滑面在已知圆弧滑面的基础上，改变求解器自动搜索选项，给定约束条件$D$20：$D$44≤$C$20：$C$44，$D$44=0，$O$22：$O$44≥0，$S$7：$T$7=0，F≤2，F≥0，设定可变单元格$T$4，$S$4，$B$11：$D$11，目标单元格不变，求解后可得到最优非圆弧滑面的安全系数F = 1.7，比圆弧滑面略小，侧向推力系数=aλ0.8，大于圆弧滑面。图6给出了3个从不同初始圆弧弧面程序搜索得到的非圆弧滑面，相对坐标差值处于在千分位以后，因此，计算结果相当稳定。

将坡面坐标减去0.5 m作为实际滑动面坐标，来取代表6中滑坡面坐标$D$20：$D$44，进行实际滑面上土体的稳定性分析。在规划求解器（Solver） 中，设定目标单元格$U$4为最小值，约束条件$S$7：$T$7=0，可变单元格$S$4：$T$4，规划求解器找不到精确解，但是给出了一个最接近的迭代值，F = 4.0，=aλ1.8。

5 滑坡失稳的机理

由于在求解器约束条件中，限定圆弧滑面的剪出口在坡脚X = 0的位置，求解得到的最不稳定圆弧滑面的后缘和剪出口坐标位置与实际观察一致。但是，条块高度h （$K$21：$K$44）最大值为3.31 m，最小值为0.16 m，与实际观测滑面位置（图6中虚线）不符。最可能的非圆弧滑面的位置较圆弧滑面线更接近边坡侧面，但是仍与实际观测面位置有一定差距。

从实际滑面坐标分析滑体的稳定性，根据式（1）可知，滑动面上抗滑力主要取决于滑动面土体的抗剪强度，在抗剪强度降低4倍以下时，可得到2.0=ΣM，0=ΣF，且侧推力系数达到3.4，坡体接近临界状态，才有可能形成不稳定的滑动面。当实际滑面坐标取为斜坡侧面高程40 cm以下时，可以找到一解：7.4=F，8.1a=λ，并满足所有约束条件与最优状况。分别减少土层厚度值，可得出不同的稳定性系数，如表7所示。

（1） 随着土层厚度的减少，滑面以上泥石流堆积体表层土体因含水量提高，相对重量增加，但是，平行坡面的切向力不能克服土体的抗力产生滑动，并且稳定系数随上覆土层重量的减低逐步上升。

（2） 斜坡表层土体50 cm内的滑动不是由于滑面以上土体整体极限平衡破坏产生的。

（3） 整体极限平衡破坏主要发生在土层厚度大于1 m深度以上，最有可能的为非圆弧滑面，如图6所示。

（4） 泥石流堆积体边坡发生的机理不能完全归之于滑动面上土体抗剪强度原理，土力学中的条分法不能完全解释破坏的机制。

（5） 推测表层土体主要是水力渗透力引起单个颗粒或团块发生移动，然后相互影响到一定深度，形成相对稳定的厚度的土体发生破坏。

由上述可知，处于弱固结状态泥石流堆积土边坡失稳的机制可能是：当发生短历时雨，泥石流堆积土地表形成超渗产流。上层松散泥石流堆积土的渗透系数较大，坡顶与坡脚高差形成较大的水力梯度，渗透力推动细颗粒向深度运移。由于不同场次泥石流堆积后的“水流粗化”的结果，在经历快速紊流渗透后，局部堵塞以至于形成相对不透水层，坡脚形成渗流出口，最先浅层土体发生重力剪切，相当于处于不排水不固结条件下土体发生剪切破坏，砾石土在剪切中呈现体缩的趋势，产生正值的孔隙水压力，不断增加直到稳定值，相应地，土中的有效应力不断减少，强度不断降低，最后接近于0，以至于发生失稳破坏，最后因为动力作用，连续牵连至下层含水量变化小的土层和溯源滑动。

6 结论与讨论

篇10

中图分类号：P334.2文献标志码：A文章编号：16721683（2016）06000606

Rainfall runoff test on bare soil with different slope gradient and soil moisture content

MU Wenbin1，2，LI Yihao1，3，LI Chuanzhe1，LIU Jia1，CHENG Shuanghu4，ZHAO Nana5

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources

and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.The Yellow River Institute of Science，North China University

of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China；3.School of Environmental Science and Engineering

Donghua University，Shanghai 200051，China；4.Hebei Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，

Shijiazhuang 050031，China；5.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China）

Abstract：Antecedent soil moisture content and slope gradient are significant influential factors for rainfallrunoff （RR） process.In order to study the RR mechanism of semiarid region in the North China，artificial RR simulation test was carried out in the condition of different slope gradient and antecedent soil moisture content.According to the results：（1） In the whole RR process，the overland flow increased with the increase of antecedent soil moisture and slope，and the relationship between cumulative runoff and rainfall duration complied with a linear function.（2） Soil infiltration rate and runoff lag time decreased with the increase of antecedent soil moisture content and slope，and the influence of antecedent soil moisture on soil infiltration rate and runoff lag time was more obvious than that of slope.（3）Horton model was better than Kostiakov and Philip model in fitting the relationship between rainfall and infiltration.

Key words：antecedent soil moisture content；slope gradient；rainfallrunoff；soil infiltration rate；bare soil

随着人类活动和气候变化影响的加剧，各种气象灾害频繁发生。作为我国粮食主产区的华北地区，面临着降水变率大、区域洪涝灾害频发等严重问题。因此，正确理解华北半干旱地区的降雨产流特性对准确选择或建立有效的水文模型至关重要 [12]。目前，国内相关学者对降雨产流机理的研究主要集中在黄土高原地区，如王占礼等[3]采用人工模拟降雨试验法对黄土裸坡降雨产流过程进行了研究；孔刚等[4]利用室内人工降雨试验，研究了黄土坡耕地土壤初始含水率对坡面降雨入渗、产流、溶质迁移规律的影响；陈洪松等[5]通过对黄土高原区坡面降雨入渗、产流的研究，表明产流时间主要取决于土壤初始含水量；王辉等[6]研究了黄土区前期土壤含水量对不同土壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响。然而针对华北半干旱区大田土壤的降水产流机理研究还相对较少，因此，本文基于华北半干旱区的土壤特性，以比重较大的砂壤土为研究对象，采用人工模拟降雨的方法，研究了降雨产流过程中坡度和前期土壤含水率对产流的响应机理，从而为华北半干旱区降雨产流过程研究提供数据支撑和理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验采用自行设计的土槽，长×宽×高=200 cm×50 cm×60 cm，土槽坡度可在0～25°之间自由调整。土槽上端以及底部均布设有导流装置，分别用以观测地表径流和壤中流。土槽顶端四周内侧安装10 cm高的铁片，防止雨滴溅蚀及表层水土的侧向冲刷流失。同时，土槽前端出口的纵剖面用铁质的百叶窗封装，并在百叶窗内侧铺设一层纱网，防止降雨过程中土壤侧漏（见图1）。

降雨产流试验所用的土壤取自北京市大兴区中国水利水电科学研究院试验基地，土壤质地为砂壤土，并于2012年3月对试验土槽进行填装。装土前筛去土壤中的杂物，经10 mm的滤网过滤后风干，每隔5 cm进行分层装土，土壤填充高度为50 cm，基本为同性、均质的土壤[7]。本试验于2015年8月进行，所用土槽中的土壤已经沉积3年多的时间，其性状与大田土壤特性相似，基本参数见表1。

试验中采用的美国Decagon公司生产的电容式土壤水分传感器EC5，通过测量土壤中的介电常数来计算土壤体积含水率，测量精度可达到±1%～2%[1，7]。土壤水分数据采用EM50数据采集器（采集时间间隔的可调整范围为1～1 440 min）进行采集。

1.2 试验方法

降雨产流试验于中国科学院水利部水土保持研究所的人工模拟降雨大厅进行。试验设定三种不同坡度（5°、10°和15°），每种坡度分别在前期土壤含水率为020、025和030时进行试验，且每组均进行一组重复试验，降雨历时均为120 min。相关研究指出[812]，雨强较大时，前期土壤含水率对产流的影响不明显，故本试验采用较小的雨强进行试验，标定雨强为25 mm/h。各场次降雨的具体雨强和前期土壤含水率见表2。

试验采用人工计量的方式对降雨过程中的地表径流进行观测，在产流过程中每隔3 min采集一次径流样，降雨停止后的退水过程每隔1 min采集一次。降雨过程中土壤含水率的变化使用EM50数据采集器实时采集，采集时间间隔为1 min。

2 结果分析

2.1 前期土壤含水率和坡度对产流量的影响

前期土壤含水率相同、不同坡度条件下的降雨产流过程见图2。由该图可知：当前期土壤含水率相同时，产流量随坡度的增加而增大，这与王占礼等[3]的研究结果相一致。当前期土壤含水率θ=020时，三种坡度的产流量均未达到稳定，且坡度从5°增加到15°时，产流量增加了144%；在θ=025和θ=030的条件下，则均在产流后30 min内达到稳定产流，且坡度每增加5°，稳定产流量约增加10%。然而，在前期土壤含水率为025时，坡度为15°的产流量却小于坡度为10°和5°的产流量，原因是坡度为15°的土槽由于人为因素造成土壤表面出现裂缝，使得坡度为15°的土槽降雨产流过程受到了影响。

坡度相同、不同前期土壤含水率条件下的降雨产流过程见图3。由该图可知：坡度相同时，前期土壤含水率越高，产流量越大。这是由于随着土壤含水率的增高，土壤入渗能力不断降低，进而使产流量不断增大；在相同坡度下，不同前期土壤含水率下产流量的增加速率差异较大，前期土壤含水率θ=020时，产流后径流量增加缓慢且降雨过程中未达到稳定产流。而θ=025和θ=030时，产流后径流量迅速增加至稳定状态；相同坡度下，前期土壤含水率从025增加至030，稳定产流量约增加10%。

不同坡度和前期土壤含水率的降雨产流试验，在起始产流至产流刚达到稳定的时段内，单位时间产流量与产流历时呈现对数函数y=aln（x）+b关系（见表3）。

2.2 不同坡度/前期土壤含水率对累积径流

量的影响分析 对不同坡度和前期土壤含水率的累积径流量进行回归分析发现：在产流过程中累积径流量几乎均呈线性变化趋势，其确定性系数均在09以上（见表4），且均通过显著水平α=001的方差分析和检验。表4中参数a和b分别表示拟合曲线的斜率和截距。通过对比不同条件下斜率a可发现：累积径流量的变化速率整体上随前期土壤含水率和坡度的增加而增大。然而，在前期土壤含水率为025时，坡度为15°的斜率值明显小于5°和10°，其原因是由于土壤表面出现裂缝，使得在降雨过程中土壤入渗总量变大，导致累积径流量增加缓慢。

2.3 不同坡度/前期土壤含水率对产流滞时

的影响分析

坡度和前期土壤含水率是影响产流滞时的两个重要因素[1316]。不同坡度和前期土壤含水率对产流滞时的影响见图4。试验结果表明：相同坡度下，前期土壤含水率越高，产流滞时越短。在前期土壤含水率θ=020时，三种坡度的产流滞时均在70 min以上，而在θ=025和θ=030时，均在35 min以内产流。对比不同坡度与前期土壤含水率下的产流滞时可以发现：前期土壤含水率对产流滞时的影响较坡度更加明显，这与陈洪松等[5]的研究结果相一致。

2.4 不同坡度和前期土壤含水率对土壤入

渗率的影响

土壤入渗率是描述降雨条件下坡地水文过程的一个重要指标，其变化可影响径流的形成过程[1721]。为研究降雨过程中土壤入渗率的变化特征，本文采用水量平衡的方法，对不同坡度和前期土壤含水率下的土壤入渗率进行计算。不同坡度和前期土壤含水率条件下土壤入渗率曲线见图5。从图5可以看出，降雨开始后，土壤含水率随着降雨历时的增加而增大，然而，由于降雨强度小于土壤入渗率，致使降雨全部入渗，无地表径流产生，因此入渗曲线在地表径流产生前是一条直线；当土壤入渗率小于降雨强度时，开始产生地表径流；当土壤含水率达到田间持水量时，此时土壤入渗率趋于稳定。同时，在相同坡度下，前期土壤含水率越大，土壤入渗率曲线越陡、下降速率越快。

采用传统的降雨入渗模型Kostiakov模型[22]、Horton 模型[23]以及Philip 模型[24]对不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入渗关系进行回归分析（见表5）。结果发现，不同降雨条件下，Horton 入渗模型拟合结果较好，而Kostiakov 模型和Philip 模型的计算结果精度相对较低。从而说明，对于试验区域的砂壤土而言，Horton入渗模型用以估算土壤入渗率以及入渗量具有较好的适应性，该结论与相关学者[1，2，7]的研究结果一致。

3 结论

本文采用人工模拟降雨的方法对华北半干旱区裸地不同坡度和前期土壤含水率条件下的降雨产流过程进行了试验研究，结果如下。

（1）径流量随坡度/前期土壤含水率的增加而增大，在起始产流至产流刚达到稳定的时段内，产流量与产流历时呈现对数关系；产流过程中，累积径流量与降雨历时呈现线性关系。

（2）在降雨产流过程中，坡度和前期土壤含水率越大，产流滞时越短，且前期土壤含水率对产流滞时的影响较坡度更加明显。

（3）土壤入渗率随产流历时的增加而不断减小。在相同坡度下，土壤入渗率的变化趋势受前期土壤含水率的影响较大，其变化速率随前期土壤含水率的增加而增大；同时，与前期土壤含水率相比，坡度对土壤入渗率的影响程度则相对较低。

（4）采用Kostiakov模型、Horton 模型以及Philip 模型对不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入渗关系进行回归分析发现，Horton 模型的模拟结果优于其它两种模型。

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