Симулятор осадков
Симулятор осадков используется в почвоведении и гидрологии для изучения того, как почва реагирует на осадки . Естественные осадки трудно использовать в экспериментах , поскольку их время и интенсивность невозможно надежно воспроизвести. Использование моделирования осадков значительно ускоряет изучение эрозии , поверхностного стока и выщелачивания .
Простейшие симуляторы осадков качественно демонстрируют, что происходит с почвой во время осадков. Они полезны для объяснения того, как удобрения могут стекать (смываться), а не поставлять питательные вещества сельскохозяйственным культурам .
История
[ редактировать ]Эволюция симулятора осадков началась в конце 1800-х годов, когда немецкий ученый Эвальд Волльни официально изучал эрозию. Поскольку исследование продолжалось до начала 1910-х годов, были спроектированы экспериментальные полевые участки для улавливания стоков естественных осадков. В 1930-х годах пионеры исследований эрозии ужесточили контроль над своими экспериментами, создав первые симуляторы осадков. [ 1 ] [ 2 ] обычные поливочные банки или трубы с дырочками. Эти отверстия были заменены в 1960-х годах полноконусными форсунками, тщательно подобранными для точного приближения:
- Размер капли дождевой воды
- Скорость капли при ударе о землю
- Равномерность капель по участку для обеспечения точной имитации осадков.
Симуляторы 1960-х годов могли моделировать только одну интенсивность дождя. К 1980-м годам электромагнитные клапаны могли модулировать поток воды, чтобы динамически изменять интенсивность моделируемых осадков, подобно тому, как интенсивность осадков естественным образом меняется во время штормов. [ 3 ] По мере развития технологии в начале 1990-х годов в Соединенных Штатах в рамках Проекта прогнозирования водной эрозии использовались симуляторы осадков для обновления универсального уравнения потери почвы . [ 4 ]
Рекомендации по проектированию
[ редактировать ]Цель
[ редактировать ]Современные исследовательские симуляторы обычно разрабатываются с учетом задач, для выполнения которых они предназначены: от простых демонстраций для фермеров до углубленных научных исследований эрозии , поверхностного стока и отложений размера . Другие научные исследования могут включать оценку методов обработки почвы , последствий уплотнения почвы , образования корки и проникновения в сельскохозяйственные почвы. [ 5 ]
При исследованиях эрозии, если нет растительного покрова над почвой , необходимо точно смоделировать распределение размеров и конечную скорость дождевых капель, поскольку они влияют на брызговую эрозию . [ 6 ]
Требования
[ редактировать ]Основными компонентами имитатора дождя являются генератор капель, система подачи воды и, возможно, лобовое стекло. [ 7 ]
Система подачи воды
[ редактировать ]Система подачи воды может быть как безнапорной, так и напорной. Негерметичные системы обычно состоят из резервуара с водой, подвешенного над полевым участком. Гравитация перемещает воду на участок. В системах под давлением используется насос для подачи воды на участок.
Генераторы капель
[ редактировать ]Генераторы капель преобразуют поток воды в имитацию капель дождя. Существует два типа генераторов капель. Первый тип представляет собой систему подачи без давления с гравитационной подачей, такую как перфорированная труба, висячие нити или набор игл шприцев , образующих капли. Второй тип представляет собой систему подачи под давлением, соединенную с соплом. Высота генератора капель важна во многих научных симуляторах, чтобы обеспечить достижение конечной скорости капель воды в направлении вниз. Типичная высота составляет три метра (десять футов). Генераторы капель под давлением, используемые в научной работе, часто имеют полноконусную распылительную форсунку , которая отличается от большинства оросительных форсунок. Полноконусные форсунки специально разработаны для очень равномерного распыления . Полноконусные форсунки могут быть квадратными или круглыми. Квадратные насадки лучше подходят для прямоугольных участков, а круглые – для круглых.
Лобовые стекла
[ редактировать ]Лобовые стекла не позволяют ветру сдувать капли воды с участка. Ветровое стекло может представлять собой легкий брезент, обычно используемый в портативных имитаторах дождя, используемых для экспериментов меньшей продолжительности, или же это может быть значительная конструкция в случае постоянного имитатора, обычно используемого в долгосрочных исследованиях. Существует компромисс между более тяжелыми ветровыми стеклами, которые обычно выдерживают более сильный ветер, и более легкими ветровыми стеклами, которые легче транспортировать.
Тип рамы
[ редактировать ]Симулятор дождя можно отличить по типу используемой рамы:
- Коробчатый имитатор дождя имеет прямоугольную раму.
- Симулятор лестницы Norton отличается большой треугольной рамой.
- Имитатор вращающейся штанги — это постоянный симулятор, похожий на систему орошения с центральным круговым движением .
- Имитатор колеблющейся насадки представляет собой имитатор с разбрызгивателем, который качается для покрытия распределения большого участка.
Другие соображения
[ редактировать ]- Тренажеры с фиксированной интенсивностью дешевле производить; однако симуляторы переменной интенсивности могут точно имитировать изменение интенсивности естественного дождя, типичного для большинства ураганов . Потоки с переменной скоростью создаются либо за счет быстрого включения и выключения электромагнитного клапана , либо за счет нагнетания воздуха в линии. [ 8 ]
- Полевые симуляторы полезны для экспериментов, имитирующих то, что происходит в полевых условиях, тогда как лабораторные симуляторы обеспечивают более жесткий контроль экспериментов.
Лабораторный симулятор осадков
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лафлен, Джон М.; Фланаган, Деннис К. (2013). «Развитие прогнозирования и моделирования эрозии почвы в США» . Международные исследования по сохранению почвы и воды . 1 (2): 1–11. дои : 10.1016/S2095-6339(15)30034-4 . S2CID 129510748 .
- ^ Ганцер, Кларк Дж.; Андерсон, Стивен Х.; Майлз, Рэндалл Дж. (2018). «Столетие первых участков эрозии». Журнал охраны почвы и воды . 73 (3): 57А–59–А. дои : 10.2489/jswc.73.3.57A . S2CID 134282736 .
- ^ Хамфри, Дж; Дэниел, Т; Эдвардс, Д; Шарпли, А. (2003). «Влияние симулятора осадков и масштаба графика на наземный сток и перенос фосфора». Журнал качества окружающей среды . 32 (6): 2172–2179. дои : 10.2134/jeq2003.2172 . ПМИД 14674539 . S2CID 22029526 .
- ^ Шарпли, Эндрю; Кляйнман, Питер (2003). «Влияние симулятора осадков и масштаба графика на наземный сток и перенос фосфора». Журнал качества окружающей среды . 32 (6): 2172–2179. дои : 10.2134/jeq2003.2172 . ПМИД 14674539 . S2CID 22029526 .
- ^ Буланж, Жюльен; Малхат, Фараг; Джайкаев, Пиянух; Нанко, Казуки; Ватанабэ, Хиродзуми (2019). «Портативный имитатор осадков для масштабного исследования дождевых стоков и переноса осадков и загрязняющих веществ». Международный журнал исследований отложений . 34 (1): 38–47. дои : 10.1016/j.ijsrc.2018.08.003 . S2CID 134623903 .
- ^ Мейер, Л.Д.; Хармон, WC (1979). «Имитатор осадков различной интенсивности для исследования эрозии на откосах рядов». Сделки ASAE . 22 (1): 101–103. дои : 10.13031/2013.34973 .
- ^ Абуди, И.; Карми, Г.; Берлинер, П. (2012). «Имитатор осадков для полевых исследований стока». Журнал гидрологии . 454–455 (6): 76–81. doi : 10.1016/j.jгидроl.2012.05.056 .
- ^ Шелтон, Швейцария; фон Бернут, доктор медицинских наук; Раджбхандари, СП (1985). «Имитатор осадков непрерывного действия». Сделки ASAE . 28 (4): 1115–1119. дои : 10.13031/2013.32397 .