導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇人工降雨的特征，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

關(guān)鍵詞 人工液態(tài)水含量；人工影響天氣；應(yīng)用

中圖分類號P4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2015）145-0057-01

人工降水是一項先進的科學技術(shù)，它主要是對需要進行降水地區(qū)的云層實施降水技術(shù)。在人工影響天氣作業(yè)中，云中液態(tài)水含量的相關(guān)數(shù)值很重要，它是決定是否能夠進行人工降雨的重要因素。近幾年，云中液態(tài)水含量在人工影響天氣中的應(yīng)用是氣象研究者的研究熱點，在研究過程中，運用有效的探測方法來研究云中液態(tài)水含量，并對該技術(shù)在人工降雨中的推廣做出前景展望。下面我們就來具體分析一下。

1 云中液態(tài)水在人工影響天氣中的意義

云中液態(tài)水可以保持大氣中的水分收支平衡，它的分布特征與演變規(guī)律是氣象研究者的研究重點。云中液態(tài)水的意義很深遠，它并不是獨立的個體，與其他水分子之間是相互作用的，并對全球氣候的變化產(chǎn)生有重要的影響。在氣象學與物理學研究過程中，云中液態(tài)水含量是比較重要的云物理參數(shù)，它是氣象研究者研究云物理過程的主要參考，也是氣象局進行人工降雨作業(yè)的重要指標。另外，云中液態(tài)水含量的高低可以直接影響人工降雨的效果，可見云中液態(tài)水在人工影響天氣中的重要作用。

人工影響天氣作業(yè)過程中，云中液態(tài)水含量包含過冷水含量，實際上過冷水含量在人工降雨過程中是很重要的參照指標，以我國北方進行人工降雨目標云系來說，主要將該云系分為三個層次，并且需要從上到下進行分層，主要有冰晶層、冰晶與冷水滴共存層、水滴層。其中，冰晶層主要在-25℃到-30℃之間的區(qū)域。另外，冰晶的濃度相對較高，經(jīng)過凝華后增長到最高點會自由下落，自由下落的過程中會播種目標云系中間層的冰晶，從而形成冰晶與冷水滴共存層，這一層次的溫度一般在零攝氏度以下，它是根據(jù)冰水的轉(zhuǎn)化進而形成的，也可以說它有“飼養(yǎng)”冰晶的作用。在目標云系的最底層，由于過冷水滴比較繁多，相對成熟的冰晶通過對過冷水滴的獲取逐漸開始變大，從而形成了雪花。目標云系中的水滴層，溫度一般在零攝氏度以上，中間層的冰晶落入水滴層后由于溫度的升高會融化成雨滴，雨滴在掉落過程中就會因相互摩擦而逐漸增大。通過以上的分析我們可以了解到，在目標云系中的中間層與最下層中，過冷水滴與云中液態(tài)水含量都與降水有著很密切的聯(lián)系。

2 云中液態(tài)水的探測方法

為了更好的觀測氣候變化與災害天氣的發(fā)生，氣象部門要有計劃地測量云中液態(tài)水，這對更好的掌握人工降雨的指標也具有重要意義。云和雨在氣象部門研究中變化指數(shù)都很大，并且具有一定的復雜性和多變性。所以，科研人員在進行云中液態(tài)水含量的探測過程中，難度也比較大。目前，我國氣象部門的探究重點就是要及時、準確的探測出云中液態(tài)水含量，這將是一個巨大挑戰(zhàn)。對于云中液態(tài)水含量的探測方法有很多種，運用比較多的探測方法為微波輻射計探測、衛(wèi)星遙感探測、飛機探測與雷達探測。這四種探測方法各有利弊，在探測過程中要根據(jù)實際狀況選擇合適的探測方法才能夠取得理想效果。

近幾年，微波輻射計探測技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，相對其他探測技術(shù)也比較成熟，在云中液態(tài)水含量的探測過程中，由于所需的探測時間比較長，所以需要探測技術(shù)具有很好的連續(xù)性。但是微波輻射計探測技術(shù)的缺點是獲取的信息具有局限性，并不能全面、系統(tǒng)的探測出想要得到的相關(guān)數(shù)據(jù)。如果運用微型遙感探測技術(shù)來探測云中液態(tài)水含量，可以獲取比較廣泛的探測信息，而它的缺點則是會因為時間與空間影響分辨率，人工發(fā)出的作業(yè)要求不能及時回應(yīng)，從而會延誤工作進度。目前，只有飛機探測才可以直接探測到云中液態(tài)水含量，由于條件有限，我國的增雨飛機只有增雨一個用途，并不能做云中飛行探測工作。同時，在降雨過程中飛機并不能探測到整個降雨過程，針對云中水含量中的數(shù)據(jù)也無法進行探測，因此，如果氣象局在人工降雨中有實時探測的需求，飛機探測是做不到的。

在對云中液態(tài)水含量進行探測過程中，只有雷達最能滿足探測的需求，它不僅可以保證空間探測的連續(xù)性，還可以在所有空間范圍內(nèi)進行探測，在人工影響天氣作業(yè)中雷達探測技術(shù)可以發(fā)揮出它的全部優(yōu)勢。近幾年，雷達產(chǎn)品與探測技術(shù)相繼被提出，在人工影響天氣中被廣泛應(yīng)用，它可以準確的獲取云中液態(tài)水含量，還可以實時的了解水含量在云中的分布狀況，對人工降雨來說是一項重要的指標。根據(jù)研究表明，雷達技術(shù)可以從不同高度、不同角度探測出云中液態(tài)水含量，可以給人工降雨的區(qū)域?qū)崟r的提供有效的數(shù)據(jù)，從而推動我國人工影響天氣技術(shù)的不斷發(fā)展。

1998年，我國新一代天氣雷達網(wǎng)出現(xiàn)，它對于人工影響天氣的作業(yè)有至關(guān)重要的作用。在垂直積分液態(tài)水含量被提出后，它可以直接的反映空中水資源的分布狀態(tài)，因此為人工降雨工作帶來重要的參考數(shù)據(jù)，從而也在人工影響天氣作業(yè)中被廣泛應(yīng)用。經(jīng)過反復的研究試驗，可以了解到，雖然垂直積分液態(tài)水含量在目前被廣泛的運用，但是它也有不足之處，它不能準確的分辨清楚云中降水粒子的性質(zhì)，在整個云層中，垂直積分液態(tài)水含量主要是根據(jù)不同雨滴建立的雷法反射率因子和液態(tài)水含量獲得的，根據(jù)云層的變化和降水粒子的不同，雷達所反射出來的因子和云中液態(tài)水含量中有不一樣的關(guān)系，因此，垂直積分液態(tài)水含量在計算過程中就會存在一定誤差。

3 云中液態(tài)水含量探測技術(shù)在人工影響天氣中的應(yīng)用前景

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術(shù)的水平也在不斷進步，在氣象研究中，雷達技術(shù)以及其他探測氣象技術(shù)設(shè)備在不斷的更新與完善，此后將利用高新技術(shù)精準的探測云中液態(tài)水含量。隨著探測技術(shù)的不斷完善，探測技術(shù)的準確度與連續(xù)性也相繼提高，給人工影響天氣的作業(yè)帶來一定的參考價值。在目前來看，云中液態(tài)水含量的探測技術(shù)還存在許多問題，需要將不同的探測設(shè)備相互結(jié)合，彌補技術(shù)中的不足，這個問題也是未來氣象研究員需要研究的重點。

4 結(jié)論

本文通過對云中水含量在人工影響天氣中應(yīng)用的分析可以了解到，氣象部門要想更好的掌握人工影響天氣的重要指標，就必須準確的探測出云中液態(tài)的水含量。除此之外，氣象研究人員還需要利用相應(yīng)的云中液態(tài)水探測技術(shù)，來準確的獲取云中液態(tài)水含量。云中液態(tài)水含量的數(shù)據(jù)在人工影響天氣作業(yè)中及其重要，因此要具有準確性。在未來的人工影響天氣工作中，氣象研究員要完善并運用云中探測高新技術(shù)，精確的探測出云中液態(tài)水含量，從而會在一定程度上提升氣象部門人工降雨的效果，也可以大大滿足人們對降雨的需求。

參考文獻

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中圖分類號：U448.27 文獻標識碼：A文章編號：

1.引言

斜拉橋是一種由三種基本承載構(gòu)件，即梁（橋面）、塔和兩端分別錨固在塔和梁上的拉索共同承載的結(jié)構(gòu)體系，以其結(jié)構(gòu)受力性能好、跨越能力強、結(jié)構(gòu)造型多姿多彩、抗震能力強及施工方法成熟等特點，而成為現(xiàn)代橋梁工程中發(fā)展最快、最具有競爭力的橋型之一，在橋梁工程中得到了越來越多的應(yīng)用。

由于斜拉索質(zhì)量、剛度和阻尼都很小，隨著斜拉橋跨度的增大，拉索振動問題的影響日益顯著。在各種振動情況中，風雨激振是拉索風致振動中最強烈的一種，且風雨激振的起振條件容易滿足，振幅極大，對橋梁的危害最為嚴重，因而關(guān)于斜拉橋拉索風雨激振的研究得到了國內(nèi)外學者的廣泛重視。

風雨激振是指干燥氣候下氣動穩(wěn)定的圓形截面的拉索，在風雨共同作用下，由于水線的出現(xiàn)，改變了拉索的截面形狀，使其在氣流中失去穩(wěn)定性，由此發(fā)生的一種大幅振動。

2.研究現(xiàn)狀

2.1.現(xiàn)場實測

現(xiàn)場觀測是最早用于研究風雨激振的手段。它可以獲得拉索風雨激振最準確的特征，為驗證風洞試驗和理論分析研究結(jié)果的真實性、可靠性提供寶貴的資料。

Hikami等[1]對日本名港西(MeikoNishi)大橋的實測。20世紀80年代，在日本建造名港西大橋的過程中，發(fā)現(xiàn)了比較嚴重的風雨激振現(xiàn)象，Hikami等選取了其中24根索進行實測，對該橋進行了為期5個月的現(xiàn)場實測，實測內(nèi)容包括索面的拉索振幅。

Main和Jone[3]對美國Fred Hartman橋的斜拉索風雨激振記錄。進行了16個月的現(xiàn)場監(jiān)測，分析了記錄的5000組5分鐘時程的斜拉索加速度和氣象資料。

陳政清[4]等對洞庭湖大橋的實測。自2001年1月至2004年4月，陳政清在國家自然科學基金資助下，與香港理工大學合作，在岳陽洞庭湖大橋上進行了連續(xù)4年的風雨激振觀測研究。

通過研究國內(nèi)外專家對風雨激振現(xiàn)場觀測的結(jié)果，得出了一些結(jié)論：(1) 與拉索振動形態(tài)的關(guān)系。進入穩(wěn)定的大幅振動后，其波形猶如甩鞭狀，拉索表面會形成振蕩的水線，表現(xiàn)為低階振型。(2) 與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系。風雨激振存在起振振動，只在一定風速范圍內(nèi)發(fā)生；在無雨情況下，很少觀測到風雨激振，而且雨量為小到中雨情況觀測到風雨激振次數(shù)最多。(3) 與拉索本身參數(shù)的關(guān)系。風雨激振的振幅大小與拉索的表面材料、長度、風偏角和傾斜方向等參數(shù)有關(guān)。

2.2.風洞試驗

按照水線的模擬方法，研究風雨激振的風洞試驗可分為兩種類型：人工降雨試驗和人工水線試驗。

1. 人工降雨試驗

人工降雨試驗是在風洞內(nèi)通過人工模擬降雨，提供與實際拉索發(fā)生風雨激振相類似的風雨條件，對通過彈簧懸掛在固定支架上的拉索節(jié)段模型進行的一種試驗形式。

2. 人工水線試驗

人工水線試驗是在風洞內(nèi)對帶有人工水線的拉索節(jié)段模型進行的一種試驗形式。根據(jù)人工水線與拉索的連接形式和試驗的測量內(nèi)容的不同，人工水線試驗可分為：固定人工水線測振試驗、固定人工水線測力試驗、固定人工水線測壓試驗和運動人工水線測振試驗。

2.3.理論分析

目前關(guān)于斜拉索的風雨激振問題形成機理大致可分為如下幾類觀點：

1. 馳振機理

日本的Hikami與Shiraishi[1]1985年在Meiko.Nishi橋最先觀測到風雨激振現(xiàn)象。隨后他們通過一系列的人工降雨風洞實驗再現(xiàn)了這一現(xiàn)象。他們在實驗的基礎(chǔ)上初步分析了風雨振的發(fā)生機理，認為風雨激振可能有兩種機理：一種是Den Hartog馳振機理；另一種是彎扭兩個自由度馳振機理。

2. 上水線振蕩誘發(fā)機理

H.Yamaguchi[6]認為單自由度Den Hartog馳振理論不能解釋風雨振的形成機理水線是風雨激振不可缺少的條件，當水線的振蕩頻率接近于拉索的自振頻率時，水線與拉索之間的相互作用導致斜拉索產(chǎn)生負阻尼，引發(fā)斜拉索發(fā)生大幅振動。Peil, U.& Nahrath, N[8]認為上水線的運動是導致風雨振的主要原因。Seidel等[9]指出當風速大于某個限制，流動不存在轉(zhuǎn)變，這時不會發(fā)生風雨激振；發(fā)生風雨激振的速度下限是由風偏角和拉索傾斜角決定的。

3. 上水線特定位置致振機理

顧明和杜曉慶[10]建立了三維拉索風雨激振的準二自由度運動方程，氣動力系數(shù)根據(jù)帶人工水線三維拉索模型試驗得到，分析了水線平衡位置和水線振幅的取值，采用數(shù)值求解方法計算了拉索風雨激振振幅，得出了水線特定位置是引起索結(jié)構(gòu)大幅振動的主要因素的結(jié)論。

4. 渦激振動機理

Delong Zuo[11]揭示了風雨激振與高風速下干索渦激振動之間的聯(lián)系，認為風雨激振的內(nèi)在機理與渦激振動的相同，與降水無關(guān)。由于風偏角和拉索傾角的存在使得這種渦激振動不同于經(jīng)典卡門渦脫，是一種三維渦激振動。

2.4.CFD數(shù)值模擬

風工程的研究方法中數(shù)值模擬是最近30年在前三種方法的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，下面的介紹為CFD技術(shù)在拉索風雨激振方面的相關(guān)研究。

陳文禮和李惠[13]提出物理試驗與CFD數(shù)值模擬的混合子結(jié)構(gòu)方法，通過與圓柱渦激振動的流固耦合方法結(jié)果進行比較，分析了上水線對繞流場特性的影響，然后采用有限元程序ANSYS和計算流體動力學程序CFX對考慮風速剖面的CFRP斜拉索渦激振動進行流固耦合方法的CFD數(shù)值模擬。

3.結(jié)語與展望

本文參考國內(nèi)外文獻，對斜拉橋拉索風雨激振問題進行了系統(tǒng)總結(jié), 并對今后的研究提出展望?？偨Y(jié)如下:

在現(xiàn)場觀測和風洞試驗方面，未來的研究應(yīng)更加關(guān)注水線的形成及其在風雨激振中的作用，精確測量不同拉索運動狀態(tài)下的水線形狀和位置，為理論分析和數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)。

在理論分析方面，雖然國內(nèi)外很多學者和專家提出了各種理論模型和數(shù)值解析方法分析風雨激振發(fā)生機理，但是迄今為止還是沒有一種大家公認的對斜拉索風雨激振的發(fā)生機理能夠完全解釋清楚的模型，今后的研究應(yīng)側(cè)重于風雨激振的軸向流、風場與水線間的氣液兩相耦合現(xiàn)象以及風場、水線與拉索間的氣液固三相耦合現(xiàn)象的研究，對風雨激振機理進行更加深入和精細化的研究。

參考文獻

[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] 顧明，劉慈軍，羅國強. 斜拉橋拉索的風（雨）激振及控制 [J]. 上海力學, 1998, 12: 281~288.

[3] 陳文禮. 斜拉索風雨激振的試驗研究與數(shù)值模擬[D]. 黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

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

篇3

中圖分類號：S127 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）22-0018-03

1 一維垂直入滲模型

2 模型驗證

2.1 試驗設(shè)計

為了驗證本文數(shù)值模擬結(jié)果，在直徑為15cm的有機玻璃柱進行人工降雨條件下土壤垂直入滲試驗。供實驗土壤采自三峽大學北校門的某工地的粉質(zhì)粘土，將其風干過5mm的篩后按不同的初始含水量配置，靜置24小時時期水分均勻，按照設(shè)計容重每層10cm裝入到玻璃柱。以降雨強度、初始含水量和干密度3個因素，每個因素設(shè)計2組實驗，來對模型模擬的結(jié)果進行驗證，見表1。

2.2 試驗土壤的物理性質(zhì)

實驗所用的土樣來自三峽大學某建筑工地。根據(jù)土工試驗規(guī)程（SL237-1999）中土的分類標準可知實驗所用土樣屬于粉質(zhì)粘土。土樣的基本物理性質(zhì)見表2所示。

不同干密度下的土壤水分特征曲線通過顆分試驗和Arya-Paris模型，計算出土壤顆粒每一級的含水量和基質(zhì)勢，再擬合得到VG模型的參數(shù)，見表3。

3 室內(nèi)實驗與數(shù)值模擬比較

為了驗證模型的可靠性，將matlab軟件編程求解的不同試驗處理的一維降雨垂直入滲過程與試驗結(jié)果進行了對比驗證。

3.1 不同雨強下的室內(nèi)實驗與數(shù)值模擬比較

3.2 不同初始含水量下的室內(nèi)實驗與數(shù)值模擬比較

3.3 不同干密度下的室內(nèi)實驗與數(shù)值模擬比較

4 結(jié)語

本文主要研究了降雨強度、土壤的初始含水量和干密度分別對非飽和土壤一維水分運動影響規(guī)律，采用了數(shù)值模擬和實驗的方法進行了研究，本文得到以下結(jié)論：

（1）雨強較大的數(shù)值模擬結(jié)果要優(yōu)于雨強小的結(jié)果，本文的降雨入滲模型更適用于雨強較大的情形。

（2）當降雨強度一定時，土壤的初始含水量越大，土壤的剖面含水量變化越快。也進一步說明了土壤的初始含水量會對下滲有一定的影響作用。但是土柱上表面達到飽和時刻與初始含水量無關(guān)。

（3）土壤的干密度越大，孔隙率就越小，土壤的入滲率就越小，濕潤鋒向前推進的速度越慢。

參考文獻

[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.土壤溶質(zhì)運移研究動態(tài)及展望[J].土壤通報，2003，34（6）：70-73.

篇4

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

中圖分類號：U448.27文獻標識碼：A 文章編號：

1.引言

斜拉橋是一種由三種基本承載構(gòu)件，即梁（橋面）、塔和兩端分別錨固在塔和梁上的拉索共同承載的結(jié)構(gòu)體系，以其結(jié)構(gòu)受力性能好、跨越能力強、結(jié)構(gòu)造型多姿多彩、抗震能力強及施工方法成熟等特點，而成為現(xiàn)代橋梁工程中發(fā)展最快、最具有競爭力的橋型之一，在橋梁工程中得到了越來越多的應(yīng)用。進入二十世紀90年代以來，隨著計算機性能的提高、正交異性橋面板制造工藝的成熟以及施工技術(shù)的進步，斜拉橋在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，其跨徑已經(jīng)進入以前懸索橋適用的特大跨徑范圍。目前，世界約建成300多座斜拉橋，作為斜拉橋建設(shè)史上里程碑的日本的多多羅大橋（主跨890米）和法國的諾曼底大橋（主跨856米）首次使斜拉橋進入特大跨度橋梁領(lǐng)域。我國斜拉橋建設(shè)起步較晚，但發(fā)展迅速，自1977年建成重慶云陽橋（主跨76米）以來，目前已建成各類斜拉橋200余座，包括上海楊浦大橋（主跨602米）、南京長江二橋（主跨628米）、南京長江三橋（主跨648米）、香港昂船洲大橋（主跨1018米）等一批大跨度橋梁；2008年6月30日，蘇通長江大橋（主跨1088米）正式通車，成為當今世界跨徑最大斜拉橋，使斜拉橋跨度突破千米大關(guān)。

由于斜拉索質(zhì)量、剛度和阻尼都很小，隨著斜拉橋跨度的增大，拉索振動問題的影響日益顯著。在各種振動情況中，風雨激振是拉索風致振動中最強烈的一種，且風雨激振的起振條件容易滿足，振幅極大，對橋梁的危害最為嚴重，因而關(guān)于斜拉橋拉索風雨激振的研究得到了國內(nèi)外學者的廣泛重視。

風雨激振是指干燥氣候下氣動穩(wěn)定的圓形截面的拉索，在風雨共同作用下，由于水線的出現(xiàn)，改變了拉索的截面形狀，使其在氣流中失去穩(wěn)定性，由此發(fā)生的一種大幅振動。1984年日本學者Hikami和Shiraishi首次在Meikonishi橋上詳細觀察到了拉索的風雨激振現(xiàn)象，直徑140mm的斜拉索在14m/s風速下振幅值達到275mm。1995年，美國的Fred Hartman橋由于斜拉索的風雨振動導致斜拉索的根部索套開裂。中國的楊浦大橋尾索在風雨共同作用下曾發(fā)生強烈振動其最大振幅超過1米，在1994年和1995年曾三次因拉索的振動而導致減振器脫落。洞庭湖大橋在2000年建成以來，發(fā)生多次較強烈的風雨激振現(xiàn)象。斜拉索發(fā)生大幅振動的危害是顯而易見的，會引起拉索的疲勞，在索錨接合處產(chǎn)生疲勞裂紋，破壞索的防腐系統(tǒng)。嚴重的甚至會引起拉索的失效，而任何一根拉索一旦喪失承載能力，都會引起斜拉橋整體內(nèi)力的重新分布，導致斜拉橋的整體失穩(wěn)和破壞，造成嚴重的安全事故和巨大的經(jīng)濟損失。

2.研究現(xiàn)狀

2.1.現(xiàn)場實測

現(xiàn)場觀測是最早用于研究風雨激振的手段。它可以獲得拉索風雨激振最準確的特征，為驗證風洞試驗和理論分析研究結(jié)果的真實性、可靠性提供寶貴的資料。

日本學者Hikami等對日本名港西(MeikoNishi)大橋的實測。20世紀80年代，在日本建造名港西大橋的過程中，發(fā)現(xiàn)了比較嚴重的風雨激振現(xiàn)象，Hikami等選取了其中24根索進行實測，對該橋進行了為期5個月的現(xiàn)場實測，并總結(jié)出了拉索風雨激振的如下特征：拉索僅在下雨情況下才出現(xiàn)大的振幅；只有傾斜方向與風向同向的拉索才會發(fā)生風雨激振；拉索風雨激振發(fā)生在一定風速范圍內(nèi)；拉索風雨激振的振動頻率遠小于渦激振動頻率，而振幅則遠大于拉索渦振的振幅；隨著拉索長度的增加，發(fā)生風雨激振的拉索振型從低階到高階變化。風雨激振發(fā)生時拉索振型一般為1-4階；拉索表面會形成水線，水線會隨著拉索的振動而振蕩。

Main和Jone對美國Fred Hartman橋的斜拉索風雨激振情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：大部分情況是處于無降雨狀態(tài)，斜拉索振動幅值較??；少部分是在中等降雨情況下，斜拉索可能發(fā)生風雨激振，風速范圍在4-14.5m/s之間；同時也得出一些與其他學者不一樣的特征，在大雨情況下，極少數(shù)風速樣本點（小于5m/s）伴隨較大的加速度響應(yīng)，不僅風向與中等降雨情況發(fā)生很大改變，而且其風向離散性非常大，最大差異將近180°。

Zuo等進一步對Fred Hartman橋的其中一根斜拉索的風雨激振進行了現(xiàn)場監(jiān)測。這根拉索直徑0.194m，長度197.9m，通過現(xiàn)場觀測得到斜拉索在2-6階模態(tài)都發(fā)生了風雨激振，其中2-4階模態(tài)的振動幅值最大，發(fā)生風雨激振的風速段主要集中在5-10m/s，同時也觀測到少量10-15m/s發(fā)生風雨激振的情況。將風速換成折算風速之后，認為風雨激振是發(fā)生在高折算風速的一種渦激振動。

陳政清等于2001年1月至2004年4月對岳陽洞庭湖大橋上進行了連續(xù)4年的風雨激振觀測研究。監(jiān)測結(jié)果表明：拉索進入穩(wěn)定的大幅振動后，其波形猶如甩鞭狀，可以認為至少在拉索中部一個相當大的范圍內(nèi)每個拉索截面都有幾乎相等的振幅，拉索的這種振動形態(tài)很接近馳振的特征；降雨是拉索發(fā)生大幅風雨激振的必要條件，在無雨的條件下，即使是風速達到20m/s，洞庭湖大橋的拉索也幾乎不發(fā)生振動，但是風雨激振與降雨強度卻無明顯的相關(guān)性，當降雨幾乎停止時，由于拉索上源源不斷有雨水流下，拉索仍在大幅振動，即只要有上水線存在，風雨激振就不會停止；在有雨條件下，起振風速約在6m/s―8m/s之間，當風速超過14m/s時，就有較強烈的風雨激振現(xiàn)象，在14m/s―20m/s范圍內(nèi)，振幅隨風速增加而增加；靠近橋塔的4#、5#索，其傾角已達70度，也會發(fā)生明顯的風雨激振。

通過研究國內(nèi)外專家對風雨激振現(xiàn)場觀測的結(jié)果，得出了一些結(jié)論：(1) 與拉索振動形態(tài)的關(guān)系。進入穩(wěn)定的大幅振動后，其波形猶如甩鞭狀，拉索表面會形成振蕩的水線，表現(xiàn)為低階振型。(2) 與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系。風雨激振存在起振振動，只在一定風速范圍內(nèi)發(fā)生；在無雨情況下，很少觀測到風雨激振，而且雨量為小到中雨情況觀測到風雨激振次數(shù)最多。(3) 與拉索本身參數(shù)的關(guān)系。風雨激振的振幅大小與拉索的表面材料、長度、風偏角和傾斜方向等參數(shù)有關(guān)。

2.2.風洞試驗

按照水線的模擬方法，研究風雨激振的風洞試驗可分為兩種類型：人工降雨試驗和人工水線試驗。

1. 人工降雨試驗

人工降雨試驗是在風洞內(nèi)通過人工模擬降雨，提供與實際拉索發(fā)生風雨激振相類似的風雨條件，對通過彈簧懸掛在固定支架上的拉索節(jié)段模型進行的一種試驗形式。

Hikami與Shiraish在日本名港西大橋發(fā)現(xiàn)風雨激振現(xiàn)象后，隨即在風洞試驗中重現(xiàn)了該現(xiàn)象，并在試驗的基礎(chǔ)上初步分析了拉索風雨激振的發(fā)生機理，認為拉索風雨激振有兩種可能機理：一種是鄧哈托馳振機理；另一種是類似裹冰輸電線的彎扭兩自由度馳振機理。

Matsumoto等也進行了一系列的人工降雨試驗，研究了具有一定風向角和傾角的圓柱體在有雨和無雨情況下的氣動特性，試圖解釋拉索風雨激振的機理。

M.Gu等在同濟大學TJ-1風洞實驗室成功地重現(xiàn)了拉索的風雨激振現(xiàn)象，這在國內(nèi)尚屬首次。通過試驗研究了來流風速、拉索傾角和風向角、拉索振動頻率、結(jié)構(gòu)阻尼等對風雨激振的影響及拉索空間姿態(tài)對上水線位置的影響，測量了拉索風雨激振時的氣動阻尼；另外對螺旋線控制拉索風雨激振的有效性進行了試驗研究。

2. 人工水線試驗

人工水線試驗是在風洞內(nèi)對帶有人工水線的拉索節(jié)段模型進行的一種試驗形式。根據(jù)人工水線與拉索的連接形式和試驗的測量內(nèi)容的不同，人工水線試驗可分為：固定人工水線測振試驗、固定人工水線測力試驗、固定人工水線測壓試驗和運動人工水線測振試驗。

固定人工水線試驗可研究水線在拉索表面的位置、水線形狀和水線大小等參數(shù)對拉索風雨激振的影響。可通過測力或表面測壓得到帶人工水線拉索的氣動力與水線位置的相互關(guān)系，為進一步的理論分析提供試驗依據(jù)。運動人工水線測振試驗可模擬水線在拉索表面的運動，更真實地模擬實際拉索發(fā)生風雨激振時的運動現(xiàn)象，用于研究拉索振動和水線運動之間的耦合關(guān)系。

Yamaguchi對帶有小圓柱體的大八面體柱體節(jié)段進行了一系列測力試驗，試驗得到了在不同d/D比值(這里d為小圓柱的直徑，D為八面體圓柱體的平均直徑)時圓柱體的三分力系數(shù)隨風的攻角的變化規(guī)律。雖然Yamaguchi的試驗模型與拉索發(fā)生風雨激振時的實際情況相差甚遠，但得到的結(jié)果卻使得進一步的理論分析成為了可能。

Matsumot對帶人工上水線的圓柱體進行了測振和測壓試驗。研究了紊流度、上水線位置、風速、風攻角等參數(shù)對帶人工上水線圓柱體的氣動性能的影響，并測得了強迫振動時帶人工水線拉索表面的壓力分布。Matsumoto認為紊流度的增加可減小發(fā)生拉索風雨激振的可能性；人工上水線在某些位置可劇烈地改變拉索的氣動性能。

同濟大學是國內(nèi)外較早進行拉索人工水線試驗研究的科研機構(gòu)之一。劉慈軍等通過一系列固定人工水線測振風洞試驗，研究了水線在拉索風雨激振中的作用，分析了風向角、拉索質(zhì)量、拉索振動頻率、拉索結(jié)構(gòu)阻尼及St數(shù)等參數(shù)對拉索風雨激振的影響。彭天波在風洞中采用測力天平測得了帶固定人工水線拉索節(jié)段模型在不同風攻角時的氣動力，進而得到了模型的升力阻力系數(shù)隨攻角變化的曲線，并對氣動力進行了譜分析。呂強設(shè)計了大小不同的兩種形狀的人工水線，通過測力天平得到固定人工水線拉索模型的氣動力隨上水線位置的變化曲線。黃麟在固定人工水線試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了運動人工水線的試驗裝置，研究了水線振動與拉索運動之間的耦合關(guān)系，分析了風速、水線平衡角和阻尼比等參數(shù)對拉索振動的影響，并在頻域上比較了固定水線模型與運動水線模型振動的區(qū)別。杜曉慶通過拉索表面測壓試驗，研究了水線位置、風向角、下水線、水線尺寸和風速等參數(shù)的影響，并且得到各種參數(shù)下上水線表面的風壓分布規(guī)律，通過表面壓力的積分得到了帶固定人工水線三維拉索的氣動力和水線上的氣動力。

哈爾濱工業(yè)大學的李惠，陳文禮研究了一套實時監(jiān)測斜拉索風雨激振時其表面水線特征的超聲波測厚系統(tǒng)，進行斜拉索風雨激振風洞試驗，分析不同風速下斜拉索的上水線狀態(tài)，研究了上水線幾何特征與斜拉索風雨激振之間的關(guān)系，揭示斜拉索風雨激振與上水線振蕩頻率、振動幅值、平衡位置和相位之間的相關(guān)性。

通過分析不同研究者人工模擬降雨風洞試驗的成果，可以得到一些共同點：風雨激振風速一般為6-18m/s，雨量一般為小到中雨，通常發(fā)生風雨激振的斜拉索是沿風向向下的方向，拉索直徑一般為100-200mm，下水線對風雨激振的影響較??；斜拉索風雨激振主要發(fā)生在面內(nèi)，也存在一個面外分量，風雨振動的頻率一般為0.6-3.4Hz，在斜拉索表面形成上下兩條水線，沿索表面向下流動，上水線沿斜拉索模型環(huán)向振蕩，振蕩頻率等于模型的自振頻率。

拉索風雨激振現(xiàn)象機理非常復雜，受各種因素影響，例如：拉索傾角、來流風速、來流方向、來流紊流度、拉索的振動頻率、拉索阻尼、降雨量、拉索線質(zhì)量等?，F(xiàn)場實測雖然能獲得拉索風雨激振最真實的特征，但無法對各種影響因素進行參數(shù)分析。為系統(tǒng)研究風雨激振的機理，風洞試驗可以重現(xiàn)風雨激振的一些基本特征，還可研究振動控制措施的有效性。

2.3.理論分析

目前關(guān)于斜拉索的風雨激振問題形成機理大致可分為如下幾類觀點：

1. 馳振機理

日本的Hikami與Shiraishi1985年在Meiko.Nishi橋最先觀測到風雨激振現(xiàn)象。隨后他們通過一系列的人工降雨風洞實驗再現(xiàn)了這一現(xiàn)象。他們在實驗的基礎(chǔ)上初步分析了風雨振的發(fā)生機理，認為風雨激振可能有兩種機理：一種是Den Hartog馳振機理；另一種是彎扭兩個自由度馳振機理。

2. 上水線振蕩誘發(fā)機理

H.Yamaguchi在進行帶固定人工水線拉索三分力實驗基礎(chǔ)上，最早進行了理論分析，對于Hikami提出的兩個可能的機理，Yamaguchi采用準定常馳振方法進行分析，建立拉索和水線兩自由度運動方程。分析認為單自由度Den Hartog馳振理論不能解釋風雨振的形成機理水線是風雨激振不可缺少的條件，當水線的振蕩頻率接近于拉索的自振頻率時，水線與拉索之間的相互作用導致斜拉索產(chǎn)生負阻尼，引發(fā)斜拉索發(fā)生大幅振動，應(yīng)該把風雨激振作為一個兩自由度馳振問題來研究，通過分析發(fā)現(xiàn)水線的形狀和位置的變化會改變拉索的氣動穩(wěn)定性。

Xu&Wang,Wang&Xu在Yamaguchi的基礎(chǔ)上提出單自由度分析模型，將氣動力升力表示成拉索豎向運動速度、水線角度和角速度的函數(shù)，將拉索速度項移至方程左邊（氣動阻尼項），右邊則剩下水線的運動項，風雨激振變?yōu)樵谒€運動荷載下的受迫振動，但沒有考慮拉索運動對水線的振幅和頻率的影響。對于移動水線情況，由于水線與拉索以及來流之間的相互作用導致氣動阻尼發(fā)生交替的變化，從而引發(fā)風雨激振。Wilde&Witkowski在Xu&Wang單自由度模型中考慮了水線振蕩幅值隨風速的變化關(guān)系。

Peil, U.& Nahrath, N在Yamaguchi兩方程馳振模型的基礎(chǔ)上，建立一個三自由度模型，增加了斜拉索順風向振動進行分析，假設(shè)斜拉索受到的氣動力矩全部作用到水線上，并且通過實驗研究了索結(jié)構(gòu)風雨激振，認為上水線的運動是導致風雨振的主要原因。

Seidel等將水線看作是移動干擾，考慮斜拉索表面存在兩條水線，建立了六個耦合方程組，分別表示斜拉索和兩條水線橫風向和順風向運動。由于水線的存在，圓柱表面被分成不同壓強區(qū)域（亞臨界和超臨界），通過積分得到氣動升阻力系數(shù)，氣動升阻力表示成水線角度的函數(shù)。Seidel等指出當風速大于某個限制，流動不存在轉(zhuǎn)變，這時不會發(fā)生風雨激振；發(fā)生風雨激振的速度下限是由風偏角和拉索傾斜角決定的。

3. 上水線特定位置致振機理

Masumoto對帶人工上水線的圓柱進行了測振和測壓實驗。研究了紊流度、上水線位置、風速、風攻角等參數(shù)對該模型的氣動性能的影響，并測得強迫振動時帶人工水線拉索表面壓力分布，提出了上水線在某些位置可劇烈改變拉索的氣動性能。

Xu&Wang,Wang&Xu認為對于靜止水線情況，拉索大幅值振動的發(fā)生是由于水線處于某些特定位置使得拉索產(chǎn)生負的氣動阻尼造成的。

國內(nèi)，顧明和杜曉慶建立了三維拉索風雨激振的準二自由度運動方程，氣動力系數(shù)根據(jù)帶人工水線三維拉索模型試驗得到，分析了水線平衡位置和水線振幅的取值，采用數(shù)值求解方法計算了拉索風雨激振振幅。顧明、黃麟、劉慈軍等通過人工水線風洞測振試驗研究，得出了水線特定位置是引起索結(jié)構(gòu)大幅振動的主要因素的結(jié)論。

4. 渦激振動機理

Delong Zuo揭示了風雨激振與高風速下干索渦激振動之間的聯(lián)系，認為風雨激振的內(nèi)在機理與渦激振動的相同，與降水無關(guān)。由于風偏角和拉索傾角的存在使得這種渦激振動不同于經(jīng)典卡門渦脫，是一種三維渦激振動。

5. 軸向流與水線間的氣液耦合現(xiàn)象引發(fā)振動機理

Masumot提出了軸向流理論，認為拉索上部形成的水線和拉索背風面的軸向流是拉索結(jié)構(gòu)發(fā)生振動不穩(wěn)定的重要因素，軸向渦流與上水線的氣液耦合現(xiàn)象是拉索風雨激振的關(guān)鍵所在。

2.4.CFD數(shù)值模擬

風工程的研究方法主要有風洞試驗、現(xiàn)場測試、理論分析和數(shù)值模擬四種，其中數(shù)值模擬是最近30年在前三種方法的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，下面的介紹為CFD技術(shù)在拉索風雨激振方面的相關(guān)研究。

高仕寧選取雷諾應(yīng)力(RSM)模型，應(yīng)用CFX軟件分別對位于拉管不同位置的水線和不同尺寸的水線的情況做數(shù)值模擬，得出拉管表面壓力分布、升力系數(shù)、阻力系數(shù)的變化規(guī)律，并與前人的試驗數(shù)據(jù)進行了對比。李壽英和顧明采用CFX軟件對帶固定人工水線斜拉索的繞流進行數(shù)值模擬，選取兩種人工水線，計算了傾角為30°、風攻角為35°時帶固定人工水線拉索的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、表面平均壓力系數(shù)、固定人工水線上的氣動力等，并與試驗結(jié)果進行比較。Rocchi D和Zasso A 選取大渦模擬（LES）模型，使用FLUENT軟件，對固定水線位置的拉索進行了模擬，并得出一些有益的結(jié)論。陳文禮和李惠提出物理試驗與CFD數(shù)值模擬的混合子結(jié)構(gòu)方法，通過與圓柱渦激振動的流固耦合方法結(jié)果進行比較，分析了上水線對繞流場特性的影響，然后采用有限元程序ANSYS和計算流體動力學程序CFX對考慮風速剖面的CFRP斜拉索渦激振動進行流固耦合方法的CFD數(shù)值模擬。

3.結(jié)語與展望

本文參考各類文獻，對斜拉橋拉索風雨激振問題進行了系統(tǒng)總結(jié), 并對今后的設(shè)計研究提出展望?？偨Y(jié)如下:

在現(xiàn)場觀測和風洞試驗方面，未來的研究應(yīng)更加關(guān)注水線的形成及其在風雨激振中的作用，精確測量不同拉索運動狀態(tài)下的水線形狀和位置，為理論分析和數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)。

在理論分析方面，雖然國內(nèi)外很多學者和專家提出了各種理論模型和數(shù)值解析方法分析風雨激振發(fā)生機理，但是迄今為止還是沒有一種大家公認的對斜拉索風雨激振的發(fā)生機理能夠完全解釋清楚的模型，對設(shè)計工作也無決定性的指導意義，今后的研究應(yīng)側(cè)重于風雨激振的軸向流、風場與水線間的氣液兩相耦合現(xiàn)象以及風場、水線與拉索間的氣液固三相耦合現(xiàn)象的研究，結(jié)合橋梁設(shè)計、監(jiān)測對風雨激振機理進行更加深入和精細化的研究。

目前的CFD數(shù)值模擬中主要集中于繞流現(xiàn)象和渦激振動的研究，風雨激振的數(shù)值模擬主要針對固定水線位置的分析，以下問題有待進一步解決：(1) CFD中風雨（氣液）兩相流對水線形成過程的研究需要進一步探討；(2) CFD中風雨條件下與斜拉索的耦合振動（氣液固三相）問題需要進一步闡述；(3) 風雨激振的軸向流的數(shù)值模擬需要進一步實現(xiàn)；(4) CFD中考慮超長跨斜拉索下垂影響，在風速剖面作用下的風雨激振的現(xiàn)象需要進一步解釋。

參考文獻：

[1] 劉慈軍. 斜拉橋拉索風致振動研究[D]. 上海：同濟大學，1999.

[2] 陳文禮. 斜拉索風雨激振的試驗研究與數(shù)值模擬[D]. 黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[3] 高仕寧. 拉管結(jié)構(gòu)繞流的數(shù)值模擬及理論分析[D].大連：大連理工大學，2009.

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中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）30-7354-04

1 教育游戲的概念

在國外，教育游戲一詞最早出現(xiàn)在八十年代的美國，而在我國，教育游戲起步較晚，還屬于新生的事物，并且目前對教育游戲的認識仍然沒有一個統(tǒng)一的定義。但由于教育游戲給教育教學帶來了新的活力，越來越多的專家開始致力于教育游戲的研究，并提出了不同的定義。到目前為止，對教育游戲的認識主要有一下的觀點：1）把教育游戲作為一款教學軟件；2）把教育游戲作為一款游戲軟件；3）把教育游戲作為一種工具；4）把教育游戲作為一種游戲化學習環(huán)境。

上述是各個學者對教育游戲的認識。而要想設(shè)計好一款教育游戲，游戲任務(wù)的設(shè)計是主要的部分，那么如何設(shè)計教育游戲的游戲任務(wù)？要設(shè)計一款好的教育游戲，就要從以學習者為中心，以教學目標位向?qū)ВY(jié)合學習內(nèi)容設(shè)計出適合學習者特征并能激發(fā)學習者興趣的游戲任務(wù)上述是各個學者對教育游戲的認識。而要想設(shè)計好一款教育游戲，游戲任務(wù)的設(shè)計是主要的部分，那么如何設(shè)計教育游戲的游戲任務(wù)？要設(shè)計一款好的教育游戲，就要從以學習者為中心，以教學目標位向?qū)ВY(jié)合學習內(nèi)容設(shè)計出適合學習者特征并能激發(fā)學習者興趣的游戲任務(wù)。

2 教育游戲的游戲任務(wù)設(shè)計要遵循的原則

一般游戲任務(wù)分三個過程：游戲者進入情境接受任務(wù)——努力探索完成任務(wù)并獲得獎勵——接受新的任務(wù)繼續(xù)體驗。而對于教育游戲來說，游戲任務(wù)是學習目標和學習內(nèi)容的載體。因此我們在設(shè)計游戲任務(wù)時應(yīng)在充分分析學習目標和學習內(nèi)容基礎(chǔ)上，并結(jié)合前面構(gòu)思的故事情境，設(shè)計游戲任務(wù)。個人認為，在設(shè)計游戲任務(wù)時應(yīng)注意一下幾點：

1）要以現(xiàn)有的教學目標為依據(jù)，以學習內(nèi)容為依托

教育游戲的設(shè)計要遵循教育性與游戲性平衡，游戲性是指一個游戲的設(shè)計首先應(yīng)該有趣，否則便不能吸引玩家，同樣教育游戲的設(shè)計也首先必須有趣，只有這樣才能吸引學習者參與進來，否則和普通的教學軟件就沒什么區(qū)別。但教育游戲又不同于一般的電腦游戲，它主要是用來幫助學習者學習的，所以設(shè)計的游戲必須要遵循教育性原則。而我們在設(shè)計一款教育游戲的時候一定要把握要教育性與游戲性的平衡。

而要實現(xiàn)這種平衡的關(guān)鍵是思考如何把學習目標和游戲任務(wù)相結(jié)合，如何把學習內(nèi)容很好地融入到游戲任務(wù)當中，讓學習者在完成游戲任務(wù)的同時也掌握了相應(yīng)的學習內(nèi)容，達到我們預先設(shè)計好的學習目標。因此在設(shè)計游戲的任務(wù)時首先要對學習目標和學習內(nèi)容進行分析，爭取讓學習目標和學習內(nèi)容無縫地融入到游戲任務(wù)當中。

2）以學習者的特征為基礎(chǔ)

教育游戲的一個最大優(yōu)勢就是注重是學習者的主體性，即應(yīng)以學習者為中心。因此游戲任務(wù)的設(shè)計要以學習者的特征為出發(fā)點，設(shè)計任務(wù)時不僅應(yīng)考慮他們的心理特征、年齡特征、思維方式等，還應(yīng)考慮他們目前的認知水平。沉浸理論認為：只有學習者目前的經(jīng)驗水平和所要面對的挑戰(zhàn)任務(wù)相一致時，學習者才能達到最大程度的沉浸，學習者才能達到最深刻的體驗。如圖3-4所示。如果游戲的任務(wù)難度大于學習者目前的認知水平時，學習者就會在學習者感到焦慮、緊張，相反，如果游戲任務(wù)遠遠低于學習者的認知水平時，學習者就會由于長時間做太簡單沒刺激性的事而感到厭倦。

因此我們需要根據(jù)前面的學習者分析進行，設(shè)計出適合他們目前認知水平的游戲任務(wù)。我們在設(shè)計游戲任務(wù)時要根據(jù)“最近發(fā)展區(qū)理論”，設(shè)計出讓他們通過自己的努力和認真學習會達到的游戲任務(wù)。這樣才能讓學習者在游戲中獲得最好的體驗。

3）游戲任務(wù)的設(shè)計要有容易到難，讓學習者容易上手。

4）游戲任務(wù)要提供激勵機制，學習者每完成一定的任務(wù)，要獎勵他們一定的物品或獲得升級等，這樣才能激勵學習者繼續(xù)玩下去。這剛好符合學習動機理論。

3 案例《神探小西游唐記》游戲任務(wù)設(shè)計

本文設(shè)計的教育游戲《神探小西游唐記》是一款基于初中化學的教育游戲，該游戲主要是供初三學生在課下學習初中化學時用的，在游戲中玩家小西通過在不同的情境中完成不同的游戲任務(wù)學到相關(guān)的化學知識、并產(chǎn)生對化學的興趣。

3.1 游戲主題和故事劇情簡介

該游戲的的主題以科幻、穿越為主題，結(jié)合目前比較流行的偵探類電視劇《神探狄仁杰》。主要寫了中學生小西（被同學稱為神探）穿越到唐朝，沖破種種難關(guān)拯救被惡魔抓走的英雄任務(wù)狄仁杰的情景。

在該游戲中，根據(jù)學習內(nèi)容與學習目標一共設(shè)置4個任務(wù)情景，每個任務(wù)情景設(shè)置一個或多個關(guān)卡，學習者每完成一個關(guān)卡，說明他們已經(jīng)達到對相應(yīng)知識點的掌握。為了鼓勵學生玩游戲的興趣，在該游戲中還設(shè)置了獎勵機制，每完成一定的任務(wù)，都會獲得一定的獎勵，期中包括物質(zhì)獎勵與精神獎勵。精神獎勵如獲得升級、獲得榮譽稱號等，物質(zhì)獎勵如獲得一定的物品、金錢等。

3.2 游戲任務(wù)的設(shè)計

該教育游戲的游戲總?cè)蝿?wù)是沖破種種關(guān)卡、打敗魔獸救出狄仁杰。該游戲一共設(shè)計四個任務(wù)。每個任務(wù)都對應(yīng)一定的知識點，對應(yīng)一個教學目標。

在每個游戲任務(wù)中都根據(jù)學習內(nèi)容與學習目標設(shè)置一定的關(guān)卡，學習者只有完成前一個場景的任務(wù)，獲得一定的等級后才可以進入下一個場景，否則的話游戲就不能進行下去，不過每個場景里面都會提供一定的幫助信息，比如有的是通過武術(shù)密集（知識寶典）獲得幫助，有的是通過詢問路人獲得幫助。學習者完成相應(yīng)的學習任務(wù)時，就能獲得升級，當獲得一定的等級后，就能進入到下一個場景。在該游戲中，每個場景的游戲任務(wù)都與相應(yīng)的學習內(nèi)容或?qū)W習目標聯(lián)系在一起。

每個游戲任務(wù)對應(yīng)的學習內(nèi)容如表1：

以下是四個游戲任務(wù)設(shè)計：

1）任務(wù)1：地窖之妖

游戲任務(wù)：小西在該游戲中利用學所的知識破解地窖之妖之謎，為村民們排除了疑慮與擔心。

對應(yīng)的學習內(nèi)容為：二氧化碳的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)。在該游戲中如果玩家破解了該謎語，就會升級并自動進入下一個場景。否則如果玩家破解不了的話就會彈出提示，提示玩家是否要看化學寶典，玩家通過學習化學寶典獲得相應(yīng)的知識，學習完后回到場景中繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

游戲情節(jié)：當小西到達一個偏遠的山村的時候，看到那里的村民滿臉的驚慌，他就詢問到底是怎么回事。原來是這個村莊出現(xiàn)了妖怪。村莊里有一口干井，無論是人還是動物只要不小心掉下去就再也出不來了，這個井里住著妖怪。小西通過自己的分析加上游戲中的提示破解了這個謎語，原因是里面二氧化碳密度比空氣大，所以都沉到井的底部，這樣導致井底二氧化碳濃度過大，氧氣缺少，而二氧化碳又不支持呼吸，這樣就導致里面的人或動物因缺氧而窒息而死。（當然如果小西不知道原因的話或相應(yīng)的知識沒掌握的話可以翻看該游戲提供的化學寶典，在下面的任務(wù)中都是這樣的，用戶可以通過學習化學寶典來完成獲得相應(yīng)的知識，完成相應(yīng)的游戲人任務(wù)。） 通過完成該游戲任務(wù)，小西不僅學到了二氧化碳的物理性質(zhì)，而且還把所學的知識運用到生活當中，為人們排憂解難，更體會到學習的興趣。

2）任務(wù)2：人工降雨

游戲任務(wù)：為人們解決干旱之災，實施人工降雨。

對應(yīng)的學習內(nèi)容為：固體二氧化碳的也就是干冰的性質(zhì)和作用。

游戲情節(jié)：在第2個情景中，小西處于一個干旱的地區(qū)，到處是饑餓的人們，小西經(jīng)過了解才知道這個地方常年干旱，莊家常年欠收，幾乎好多年不降雨了。小西決定幫助這些人們。正在此時，一個精靈出現(xiàn)了，她問了小西一些與人工降雨有關(guān)的問題，只要小西回答對這些問題，就可以人工降雨，幫助這些人們，同時能獲得升級。

通過該游戲任務(wù)的完成，玩家不僅掌握了固體二氧化碳的性質(zhì)和作用，還在整個游戲的體驗中體會到學習的快樂。因為用所學的知識解決了實際生活中的問題，幫助了這里的人們，小西在整個游戲的體驗過程中獲得了自我價值的實現(xiàn)。

3） 任務(wù)3：火災之謎

游戲任務(wù)：小西斷案，破解了火災之謎的案件。

學習內(nèi)容：掌握燃燒的三個條件

游戲情節(jié)：小西在該游戲場景中應(yīng)用所學的知識破解了一場冤家錯案，通過該任務(wù)的完成，小西掌握了燃燒的三個條件。

4）任務(wù)4：食狗洞之謎

游戲任務(wù)：小西在該任務(wù)中解開地窖之妖的謎語，并且打敗魔獸救出英雄人物狄仁杰。

學習任務(wù)：這是對前面知識的鞏固與加深，通過該游戲任務(wù)情境的體驗，小西進一步了解了二氧化碳的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)，同時掌握了鐘乳石、溶洞的形成原理與過程。

游戲情節(jié)：小西沖破種種關(guān)卡，終于到達了目的地，關(guān)押狄仁杰的山洞，在洞門口遇到了矮人鬼與半身獸在門口守門（這些都是為了增加游戲的興趣設(shè)置的），小西利用前面獲得的等級與武器戰(zhàn)勝了這些矮人鬼與半身獸，進入了山洞，可卻發(fā)現(xiàn)自己的小狗生命值越來越弱，自己卻安然無事，難受這個山洞中有傳說的食狗妖？小西仍然不相信有妖怪一說。通過分析，小西得知其中的原因還是二氧化碳在作怪。

學習者通過在該游戲任務(wù)情景的體驗，進一步了解了二氧化碳的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)，并且了解了鐘乳石、溶洞的形成。

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篇6

中圖分類號 S714.2 文獻標識碼 A 文章編號 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

土壤的入滲性能是土壤重要的水分物理性質(zhì)，是反映土壤涵養(yǎng)水源和抗侵蝕能力的重要指標[1-3]。土壤水分入滲的能力也對植被可利用的有效水與養(yǎng)分產(chǎn)生影響[4-5]。研究[6-7]發(fā)現(xiàn)喀斯特坡地土壤含水量主要受降水的影響，有明顯的雨季、旱季變化，土壤水分依靠降雨補充完成水分入滲的過程。

目前喀斯特地區(qū)土壤水分研究大多都在植被覆蓋[5，8-9]、土地利用類型[6]、坡地地形等方面，而氣象因子對土壤水分的影響研究鮮見，而喀斯特地區(qū)土層薄、土壤侵蝕退化嚴重、地表漏水系數(shù)大，土層中的水分不受地下水分的影響[10]，降雨對土壤水分的作用更顯重要，特別是雨強與土壤水分的入滲或產(chǎn)流有著直接的關(guān)系，降雨情況對土壤侵蝕的發(fā)生起著多方面的重要影響[11]。

雨水利用在解決全球部分地區(qū)水資源緊缺方面的可行性與有效性已經(jīng)得到認可[12]，貴州喀斯特地區(qū)水熱條件良好，降雨充沛，但是降雨時空分布極不均勻，季節(jié)性干旱問題突出，夏季降水強度大，持續(xù)性長，水仍然是喀斯特地區(qū)植物生長的限制因子[13]，研究降雨強度對土壤的作用，將該地區(qū)降雨進行類別劃分，成為喀斯特地區(qū)在減少土壤侵蝕和降雨資源有效利用的關(guān)鍵點。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.1.1 土壤取樣及處理。土壤取樣點位于貴州省貴陽市花溪區(qū)石板鎮(zhèn)茨凹村，東經(jīng)106°32′～106°34′，北緯26°25′～26°27′。地處貴州高原中部，苗嶺山脈中段，屬長江水系與珠江水系分水嶺地帶，地貌以中低丘陵為主，海拔999.0～1 655.9 m。屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候，具有明顯的高原氣候特點，冬春半干燥，夏季濕潤，冬暖夏涼，氣候宜人，年平均溫度14.9 ℃，空氣相對濕度平均85%，雨量充沛，水熱同季。積溫4 484.6 ℃，年平均降雨量1 187.1 mm，水資源豐富，土壤以山地黃棕壤、黃壤、石灰土、紫色土、潮土和水稻土為主。

在采樣點挖土壤剖面，每10 cm為一層測定石灰土的物理性質(zhì)。容重：環(huán)刀法。比重：比重計法。含水量：烘干重量法。毛管持水量：浸泡稱重。土壤吸濕水含量：標準方法。

1.1.2 土壤裝填。按實際測量的土壤各層緊實度分層裝填土壤在鐵箱中，模擬實際的土壤狀態(tài)，鐵箱尺寸1 m×1 m×1 m，其中一面開孔與裝填土壤處于同一水平，用塑料瓶做成引水管，下部放置小水桶用于承接徑流。鐵箱底部打有若干直徑1 cm小孔，用于滲透水分，底部用塑料膜接滲透水。

1.2 試驗方法

人工模擬降雨器參數(shù)：采用西安清遠測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的QYJY-501型便攜式全自動下噴式不銹鋼人工降雨設(shè)備，該設(shè)備由降雨器、雨量計、小泵及控制器四部分組成。降雨器高6.5 m，長6.5 m，降雨高度4 m，降雨面積20 m2，雨強變化范圍15～200 mm/h。

人工降雨方法模擬降雨設(shè)計梯度如表1所示，梯度設(shè)計根據(jù)貴州省1960―2005年降雨資料，選擇實際發(fā)生頻率最大的5個降雨強度。

1.3 數(shù)據(jù)采集及計算

土壤水分測定：每次降雨前測定試驗土壤的水分含量。降雨過程中觀察記錄產(chǎn)流時間、入滲時間。每次降雨后及時收集土槽所產(chǎn)徑流，用1 000 mL量筒測。降雨停止后每小時測量入滲量，持續(xù)監(jiān)測5 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨強對石灰土水分配的影響

“降雨-土壤吸收滲透-滲漏”過程可看作是一個小型水分平衡系統(tǒng)，降雨落在土壤上，首先入滲進土壤，若降雨強度大于土壤入滲能力降雨產(chǎn)生地表徑流；若降雨強度小于土壤入滲能力，入滲的水分在土壤非飽和帶中運動，土壤含水量增加，當土壤水分達到飽和狀態(tài)，水分穿過土體滲漏形成滲漏水，同時發(fā)生蓄滿產(chǎn)流現(xiàn)象。

2.1.1 雨強對降雨量的分布影響。由圖1可知，隨著雨強增大，降雨從被土壤接納1條路徑增加至3條走向，降雨量分別形成徑流量、累計滲漏量、土壤接納量。

雨強為20 mm/h時，降雨100%被土壤吸收，沒有水分滲漏也沒有產(chǎn)流，說明在較小的雨強下降雨資源可以充分補充土壤，不會對土壤產(chǎn)生侵蝕作用，雨水資源高效利用；當雨強為40 mm/h時，91.42%降雨補充土壤水分，8.58%降雨通過土體成為滲漏水，無產(chǎn)流，說明在此雨強下，降雨20 min的降雨量已經(jīng)可以使土壤達到飽和水分狀態(tài)，并且水分通過土體補充土壤水分有多余的水分從土壤下界面滲漏；雨強為60 mm/h時，2.23%降雨量形成徑流，14.24%滲漏，83.53%被土壤吸收接納，說明此雨強是產(chǎn)生徑流的轉(zhuǎn)折雨強，60 mm/h雨強是喀斯特地區(qū)石灰土產(chǎn)流的最小雨強，大于此雨強的降雨都會產(chǎn)流對土壤產(chǎn)生一定的侵蝕作用，在實際生活中，當降雨達到60 mm/h時，應(yīng)采取一定的措施盡可能避免降雨直接落于土壤表層，降低產(chǎn)流率，同時由圖觀之此時產(chǎn)生的徑流量與滲漏量和接納量相比較小，說明此雨強雖然是產(chǎn)生徑流的開始，但徑流量不是最主要的降雨量走向，此時的雨量還是能夠滿足土壤水分的補充，并使土壤水分飽和后產(chǎn)生滲漏，雨強60 mm/h的降雨對水土流失來說屬于預防階段；雨強為80 mm/h時，11.85%降雨量形成徑流，28.59%滲透，59.56%被土壤吸收接納，與前一個雨強梯度相比，產(chǎn)流量顯著增大，滲漏量也有所增加，土壤吸收接納量明顯降低，說明此雨強下降雨對土壤水分補充作用大幅度降低，侵蝕性作用增強；雨強為120 mm/h時，18.05%降雨量形成徑流，26.59%滲漏，55.35%被土壤吸收接納，對比上一梯度雨強可以發(fā)現(xiàn)，盡管降雨量隨著降雨強度的增大而增加，但徑流量、滲漏量、土壤接納量三者之間占降雨量的比例基本不變，說明80 mm/h的雨強是降雨落于土壤上水分走向的節(jié)點，當降雨使土壤水分飽和后，土壤水與土體成為一個均勻的介質(zhì)，再多的降雨對土壤水分沒有補充作用，反而隨著降雨強度的增加徑流量增大，對土壤表面的侵蝕力度也隨之增大，由此可以推斷此時的降雨屬于侵蝕性降雨，是引發(fā)喀斯特地區(qū)災害的源頭之一。

2.1.2 雨強與土壤水分產(chǎn)流量關(guān)系。徑流系數(shù)是指一次降雨過程中的總徑流量與總降雨量的比值[14]。由圖2可知，徑流系數(shù)變化隨降雨強度增加而增加。雨強為20、40 mm/h時，徑流系數(shù)均為0，說明在較小雨強下，不會引發(fā)產(chǎn)流，此刻的降雨能對土壤水分起積極補充作用；在降雨強度為60 mm/h時，徑流系數(shù)為0.02，說明60 mm/h雨強是喀斯特地區(qū)石灰土產(chǎn)流的重要分界點，小于該雨強不產(chǎn)流，大于則產(chǎn)流；降雨強度達到80 mm/h時，徑流系數(shù)增大到0.12，相較于60 mm/h的梯度對應(yīng)的徑流系數(shù)擴大了5倍，徑流系數(shù)變化幅度很大說明雨強對產(chǎn)生徑流有重要直接的影響；雨強為120 mm/h時，對應(yīng)的徑流系數(shù)是80 mm/h的1.5倍，說明徑流系數(shù)的變化在降雨強度60～80 mm/h的范圍內(nèi)變化較大，大于80 mm/h后的雨強對產(chǎn)生徑流的影響程度有所降低。

由圖3可知，在雨強為20、40 mm/h情況下，徑流量為0，說明在小于40 mm/h雨強下，土壤水分對降雨有完全吸收的能力，降雨無產(chǎn)流對土壤無侵蝕作用，但隨著雨強增大，特別是到達60 mm/h時，徑流量顯著升高，徑流量是446 mL，雨強為80 mm/h時徑流量是3 162 mL，徑流量相比上一梯度增加了7倍，說明在此區(qū)間里，降雨強度對徑流量的發(fā)生影響十分巨大；當雨強是120 mm/h時，徑流量是7 220 mL，徑流量增加說明雨強對徑流量的影響呈正相關(guān)關(guān)系的。而從不同雨強間徑流量的差異來看，雨強為120 mm/h造成的徑流量是80 mm/h的2.3倍，與80 mm/h和60 mm/h的徑流量相比，增長幅度變小，也可以說明徑流量隨降雨強度增加，但雨強對徑流量的影響程度呈拋物線的趨勢，先增加，在60～80 mm/h這個范圍內(nèi)達到最大值，然后降低，因此可以定性的認為60～80 mm/h這個雨強下的降雨資源是利用率最低的降雨，可能是由于雨強增大對土壤表土的機械作用增強，加快表土結(jié)皮以至于徑流量迅速增加，但隨雨強繼續(xù)增大，表土結(jié)皮可能被破壞，使得徑流量增幅降低。

2.1.3 雨強與滲漏量的關(guān)系。由圖4可知，雨強對滲漏量有著顯著的影響，總的規(guī)律是滲漏量隨雨強增大而增大。雨強為20 mm/h時，滲漏量為0 mL，說明在較小的雨強下，土壤能夠充分吸收降雨并保持水分在土壤中，沒有水分滲漏；雨強為40 mm/h時，滲漏量為1 143.7 mL，說明該降雨強度下土壤水分入滲吸收過程較為完整，經(jīng)歷滲潤、滲吸過程后土壤空隙水分從不飽和狀態(tài)逐漸發(fā)展為飽和狀態(tài)，進而發(fā)生滲漏，結(jié)合圖3中40 mm/h降雨徑流量為0 mL，說明在這個雨強下土壤水分滲透屬于未達產(chǎn)流且雨水能穩(wěn)定入滲至滲漏，降雨強度小于土壤入滲速率；雨強為60 mm/L時，滲漏量為2 848.7 mL，與40 mm/h的雨強相比，滲漏量增加了2.5倍；滲漏量在雨強從40 mm/h增強到60 mm/h的過程中滲漏量顯著升高，雨強為80 mm/h時滲漏量為7 623.7 mL，滲漏量是60 mm/h雨強的2.7倍，滲漏量隨雨強增大而增大，但在增加幅度上僅略有增加；雨強為120 mm/h時滲漏量為10 637.7 mL，是雨強為80 mm/h時的1.4倍，在80～120 mm/h降雨強度的變化過程中，滲漏量增加幅度呈降低趨勢，雨強從40 mm/h增加至120 mm/h的過程中可以看到40～60 mm/h內(nèi)滲漏量隨雨強增大迅速增加，在80 mm/h雨強時基本達到最大值，在80～120 mm/h增加過程中增幅降低，這個過程說明雨強增大對滲漏量增加影響是有限的，這也反映了雨強對土壤不同作用力下水分入滲率是不同的，雨強在一定范圍內(nèi)對入滲率顯著影響，小于或超過此范圍，雨強不再是影響滲漏量的主要因素。

2.1.4 雨強與土壤接納量的關(guān)系。降雨落在土壤表面，入滲補充土壤水分且沒有滲漏出來的部分降雨量是土壤接納量。由圖5可知，土壤對降雨的接納量隨降雨強度的增加基本呈增加趨勢。雨強為20 mm/h時，接納量為6 300 mL，降雨完全被土壤吸收，補充土壤水分；雨強為40 mm/h時，接納量為12 186.3 mL，較20 mm/h雨強土壤接納量增加2.1倍；雨強為60 mm/h時，接納量為16 705.7 mL，較40 mm/h雨強土壤接納量增加1.3倍；雨強為80 mm/h時，接納量為15 884.7 mL，較60 mm/h雨強土壤接納量增加1.2倍；雨強為120 mm/h時，接納量為22 141.6 mL，較80 mm/h雨強土壤接納量增加1.6倍，可以看出在雨強小于40 mm/h的范圍內(nèi)，土壤對降雨接納量的吸收是較為顯著的，雨強小，全部降雨可以充分完成入滲過程達到補充土壤水分的作用；當降雨強度增加至60 mm/h，土壤對水分的接納量也在增加，但增幅小于40 mm/h以內(nèi)雨強變化；雨強增至80 mm/h時，土壤吸收量卻有一定的下降，可能由于雨強過大，雨水下落在土壤表層迅速形成地表擊實層[15]，在一定時間內(nèi)減少了雨水向土壤內(nèi)部入滲的量，導致產(chǎn)流量增加，土壤接納量減少；雨強為120 mm/h時，接納量增加，這說明在此雨強下，土壤表面易產(chǎn)生積水，具有一定的水勢加速土壤入滲速率，從而使得土壤水分接納量增加。

2.2 降雨對土壤水分變化的影響分析

在喀斯特地區(qū)有研究[16]發(fā)現(xiàn)土壤水分含量隨時間變化明顯，在夏季達峰值，然后呈下降趨勢，至冬季達最低值，隨后又逐漸增加，同時隨石漠化程度的加深，其土壤含水量變化幅度呈減少趨勢，這個變化與該地區(qū)降雨規(guī)律基本符合。

土壤水分垂直入滲的過程是一個時變過程[17]，并且通過降雨前期、中期、后期的不同層次的土壤水分動態(tài)變化的分析來實現(xiàn)。降雨對土壤水分入滲的過程影響可由土壤不同層次間的含水量變化表示。

2.2.1 土壤各層水分對降雨的響應(yīng)變化。圖6是60 mm/h雨強、20 min歷時的降雨后，各層土壤水分含量在80 min內(nèi)的變化規(guī)律，可知0～30 cm 3層土壤水分峰值出現(xiàn)在降雨20 min后，之后隨時間推移而降低至穩(wěn)定，30～50 cm 2層土壤水分變化較小，緩慢增加，在降雨40 min后達到峰值才逐漸降低。土壤水分層次變化表示60 mm/h雨強下，降雨對厚度在30 cm的土層影響較大，水分變化較快幅度較高，其中0～10 cm表層土壤水分變化幅度較大，說明降雨后表層的土壤水分變化較大，較為敏感，因此接下來的分析主要討論表層土壤水分對降雨強度變化的響應(yīng)規(guī)律。

2.2.2 不同降雨強度下表層土壤含水率的變化。雨強不僅（下轉(zhuǎn)第202頁）

對雨水落在裸土表面的走向具有巨大影響，對土壤水分入滲過程也有顯著影響。試驗[18]表明雨強變化對黃土坡面降雨入滲及土壤水分再分布的微觀水分運動過程具有重要影響。

圖7是20 mm/h和60 mm/h雨強下，初始含水率一致的表層土壤水分的變化趨勢，土壤水分在一定時間內(nèi)增加，但達到峰值后降低，成一個拋物線狀。由圖7可知，在初始含水率相同的狀態(tài)下，土壤水分變化達到峰值都在降雨后20 min，60 mm/h雨強下的土壤水分的增幅是1.7，高于20 mm/h雨強下土壤水分增幅1.1，降雨強度越大，土壤含水率變化越大。但是圖上顯示在降雨停止80 min后，不同降雨強度下土壤含水率穩(wěn)定值幾乎一樣，說明降雨強度顯著影響土壤含水率變化，但不是土壤水分最終的穩(wěn)定值的主要影響因素。60 mm/h雨強降雨后表土水分變化較大，先顯著增加而后降低，土壤含水率的變化展示了降雨后水分先是被表層土壤吸收后然后發(fā)生入滲過程，從第1層入滲至下層的土壤，使得土壤整體含水量增加這樣一個過程，說明雨強增大，對土壤含水量的補充有著正面的影響意義。

3 結(jié)論

貴州喀斯特地區(qū)降雨落于石灰土表面后主要發(fā)生過程是入滲和徑流，徑流產(chǎn)生對土壤有侵蝕作用，60 mm/h雨強是石灰土的產(chǎn)流臨界雨強，降雨強度小于60 mm/h的降雨可歸類于有效降雨，降雨能完成土壤水分入滲過程，對土壤水分有補充作用，≥60 mm/h的降雨歸類為侵蝕性降雨。

20、40 mm/h雨強的降雨對石灰土水分補充較好，20 mm/h雨強的降雨量較小，40 mm/h雨強的降雨量充足并可以充分補充土壤水分，因此40 mm/h屬于最佳降雨。

60～80 mm/h降雨強度對徑流量的發(fā)生影響達到峰值，在此范圍內(nèi)降雨強度越大，產(chǎn)流量越高，對土壤的侵蝕力越強，土壤對降雨的吸收率越低，對雨水資源的利用率就越低，因此這個雨強范圍內(nèi)的降雨是利用率最低的降雨。

降雨強度對土壤水分入滲后的再分布有顯著影響，雨強越大，土壤表層含水率變化越大，土壤水分的增加過程在降雨后20 min達到最大值再緩慢降低，在土壤土水分飽和之前土壤含水量最大影響因素是雨強小于60 mm/h的降雨。

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篇7

教學目標

知識與技能：能說出二氧化碳的主要物理性質(zhì)和化學性質(zhì)；能用二氧化碳的性質(zhì)解釋生活中常見的現(xiàn)象；再次練習固體、液體藥品取用等基本操作。

過程與方法：通過對二氧化碳的性質(zhì)、用途等有關(guān)知識的探究學習，使學生體會獲得知識的過程，使學生學會科學探究的方法，從而培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。通過相互交流、探究式的學習方式，使學生產(chǎn)生科學探究的興趣，從而產(chǎn)生學習化學的強烈愿望。

情感、態(tài)度與價值觀：培養(yǎng)學生從生活視角觀察二氧化碳的存在及用途，再從社會視角分析其使用，體會化學與社會的關(guān)系；在探究活動中，感受合作學習、研討、理論聯(lián)系實際的重要性，創(chuàng)設(shè)學術(shù)氛圍、滲透科研方法，養(yǎng)成嚴謹求實的科學方法觀。通過對溫室氣體之一的二氧化碳的介紹，增強環(huán)境保護意識，并且有意識辯證地看待問題。

教學重點與難點

探究二氧化碳與水反應(yīng)，使學生認識二氧化碳的化學性質(zhì)和掌握相關(guān)反應(yīng)方程式。

教具學具

實驗用品：燒杯、集氣瓶、鐵架臺、試管、礦泉水瓶、噴壺、紙花、蠟燭、階梯、毛玻璃片、火柴；鹽酸、石灰石、水、石蕊試液

教學媒體的準備及使用環(huán)境

媒體的準備：幻燈片的制作，上網(wǎng)查找干冰升華、人工降雨視頻

媒體使用環(huán)境：多媒體教室

本節(jié)課提供了大量實驗平臺，讓學生在實驗的基礎(chǔ)上進行化學知識的學習，但有的實驗在現(xiàn)有條件下無法完成，例如，干冰極不易保存，所以干冰升華、人工降雨實驗在課上完成起來有困難。本節(jié)課我利用網(wǎng)絡(luò)資源，找到干冰升華、人工降雨的視頻，在課上播放，不但節(jié)省時間，而且效果非常好。多媒體展示自然、生動，使學習者易于接受，有利于激發(fā)和維持學生學習興趣，幫助學生實現(xiàn)由感性到理性認識的飛躍。學生通過對多媒體提供的大量信息進行認真觀察、思考，感知教材，既提高了課堂教學效率，又實現(xiàn)了化學教學的整體優(yōu)化。因此，通過多媒體資源與課堂教學的整合，可以提高學生的學習動力，減輕學生的學習負擔，使化學教學充滿生機和活力。

教學過程

導入新課

猜謎語：農(nóng)民伯伯說我是莊稼的糧食；消防隊員說我是滅火先鋒；環(huán)境學家說我是溫室效應(yīng)的罪魁禍首。謎底：二氧化碳。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣。

設(shè)問：你還知道其他有關(guān)二氧化碳的事情嗎？

教師首先通過圖片展示二氧化碳循環(huán)圖，介紹固態(tài)二氧化碳——干冰，然后通過視頻播放干冰升華、人工降雨的過程，講解人工降雨的原理。

設(shè)計意圖：滲透生活中處處有化學，激發(fā)學生探求新知的興趣。

環(huán)節(jié)一：二氧化碳的物理性質(zhì)

學生通過肉眼無法觀察到密度和溶解性，于是教師演示紙?zhí)炱綄嶒?，并指導學生親手做二氧化碳溶于水實驗，學生分析實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論：二氧化碳密度比空氣大，能溶于水。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學生觀察實驗、分析問題能力。

環(huán)節(jié)二：二氧化碳的化學性質(zhì)

在二氧化碳溶于水的過程中，有沒有發(fā)生化學變化呢？教師通過實驗總結(jié)化學變化的判斷標準；是否有新物質(zhì)生成；反應(yīng)物是否減少。

設(shè)計意圖：總結(jié)判斷化學變化的依據(jù)，使學生形成階段性總結(jié)的意識，拓展思維。

引導學生探究實驗：取少量瓶中液體于試管中，滴加石蕊試劑，石蕊變紅。是什么使石蕊變紅的？分析瓶中液體的成分：水、二氧化碳、新物質(zhì)。

結(jié)論1：二氧化碳與水反應(yīng)生成了一種酸——碳酸：

H2O+CO2==H2CO3 。

演示實驗：加熱變紅的小花又變回紫色。

結(jié)論2：碳酸不穩(wěn)定，受熱立刻分解，變成了二氧化碳和水：H2CO3== H2O+CO2。

設(shè)計意圖：學生在探究二氧化碳的過程中，體驗了一次完整的實驗探究過程，學生在明確了化學實驗探究過程的同時，也提升了實驗探究的能力。

演示實驗：檢驗碳酸飲料中的二氧化碳，現(xiàn)象：石灰水變渾濁了。

結(jié)論3 ： 二氧化碳能與石灰水反應(yīng)：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。

教師在此時提醒學生碳酸飲料會腐蝕牙齒；飲料中的磷酸影響鈣和鐵的吸收，造成缺鈣和貧血。

設(shè)計意圖：滲透生活中處處有化學，激發(fā)學生探求新知的興趣。

講述和設(shè)疑：在實驗室制取二氧化碳時，這個反應(yīng)可以用來檢驗二氧化碳氣體。那么如何驗滿呢？

學生回答：用燃著的小木條，小木條熄滅。

結(jié)論4：一般情況下，二氧化碳不能燃燒，不支持燃燒，不供給呼吸。

設(shè)計意圖：用學生已經(jīng)熟悉的知識引出本節(jié)課新知識，過渡自然，學生易于接受。

教師播放視頻：檢驗久未開啟的菜窖是否能下去；進山洞用火把照明更安全。在久未開啟的菜窖，干涸的深井等處一定要防止二氧化碳含量過高而危及生命。怎樣測試菜窖里二氧化碳的含量過高？

演示實驗：傾倒二氧化碳滅蠟燭實驗

設(shè)計意圖：應(yīng)用所學知識解釋生活現(xiàn)象，拓展視野，將課本上的知識應(yīng)用于實際生活，滲透生活中處處有化學。

環(huán)節(jié)三：二氧化碳的用途

根據(jù)二氧化碳的性質(zhì)，總結(jié)二氧化碳的用途。

設(shè)計意圖：傳遞化學理念：物質(zhì)的性質(zhì)決定用途，用途反映物質(zhì)的性質(zhì)。

環(huán)節(jié)四：了解溫室效應(yīng)

CO2具有很多用途，那么在空氣中是否越多越好呢？展示溫室效應(yīng)圖片，讓學生感受溫室效應(yīng)的危害。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學生辯證地看待問題的思維，辯證地看待二氧化碳氣體的利與弊，增強環(huán)保意識。

環(huán)節(jié)五：小結(jié)

教學反思

1.縱觀本節(jié)課，信息技術(shù)與化學教學的有效結(jié)合，提高學習的效果和效率，促進學生對課程知識的深度理解和靈活運用，促進學生解決問題以及創(chuàng)造能力的發(fā)展。同時培養(yǎng)了學生應(yīng)用信息技術(shù)的能力、對信息內(nèi)容的理解與批判能力以及處理并運用信息的能力。

篇8

2.從影響因素角度考查，結(jié)合區(qū)域背景，針對區(qū)域最主要的影響因素作答，可能從水資源短缺、荒漠景觀、植被表現(xiàn)耐旱特征（葉呈針狀或退化、葉硬質(zhì)、葉有蠟質(zhì)、根系特別發(fā)達等）或湖泊萎縮等其他角度設(shè)問。

3.從旱災的受災體角度考查，分析其危害和對應(yīng)的具體措施。

下面，我們結(jié)合例題，分別看看這三種考查方式應(yīng)該如何應(yīng)對。

例1 讀下圖，回答問題。

在上圖所反映的季節(jié)里，造成我國華北地區(qū)旱災的原因是（ ）

A.氣溫回升快，蒸發(fā)量大

B.水源短缺，農(nóng)田需水量大

C.降水量較少，土壤干燥

D.植被稀少，涵養(yǎng)的水源少

解析 這道題很容易錯，在平常課程講解中，各選項都是導致華北地區(qū)春旱的原因，但具體到題目，考查的是旱災和干旱的區(qū)別。干旱是旱災的致災因子，而旱災必須有受災體。ACD都是華北春季干旱的原因，而B反映了由于干旱導致的水資源短缺，并且導致農(nóng)業(yè)缺水。所以本題選擇B選項。

答案 B

點拔 干旱是因長時間無降水或降水量少而造成空氣干燥、土壤缺水的一種現(xiàn)象。影響干旱的因素分自然因素和社會經(jīng)濟因素。自然因素，包括降水少、氣溫高、寒流來襲導致降溫減濕、大風導致蒸發(fā)加劇、植被差導致涵養(yǎng)水份調(diào)節(jié)小氣候功能下降、地形崎嶇影響地表水流速和下滲等一系列原因。社會經(jīng)濟因素，包括人口稠密、工農(nóng)業(yè)發(fā)達，生產(chǎn)生活用水量大、水污染、利用率低等導致水資源不足。

對一個地區(qū)干旱的影響是單個要素影響或多個要素共同影響。例如華北地區(qū)春旱的原因：春季氣溫回升快，蒸發(fā)旺盛；雨帶還沒到來，降水稀少；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量大。需要注意不同地區(qū)的影響因素有主次之分，比如季風區(qū)更主要的為降水的季節(jié)差異和年際變化。

例2 2013年春我國部分地區(qū)發(fā)生了嚴重的干旱。讀圖回答。

在發(fā)生重、特旱的地區(qū)，此時期最可能出現(xiàn)（ ）

A.滑坡 B.沙塵暴

C.森林火險 D.土壤鹽堿化

解析 這道題考查干旱對受災體可能帶來怎樣的危害，屬于我們身邊能夠接觸到的地理問題。圖中重、特旱的地區(qū)主要位于我國西南地區(qū)，西南地區(qū)山區(qū)面積廣大，氣候濕潤，森林覆蓋率高。氣候干旱容易導致森林火災。暴雨容易引起滑坡、泥石流，在這個季節(jié)很少；沙塵暴天氣主要分布在我國西北和北方地區(qū)；土壤鹽堿化主要由不合理的灌溉引起，并且南方濕潤地區(qū)由于干旱導致的土地鹽堿化問題很少。

答案 C

點拔 干旱常與旱災相關(guān)聯(lián)，但旱災與干旱有一定區(qū)別。旱災的發(fā)生是某一時期降水比多年平均偏少而導致地區(qū)經(jīng)濟活動（尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)）、人類生存受到危害。干旱與旱災的主要區(qū)別在于干旱是發(fā)生旱災的致災因子，而旱災的發(fā)生還需要有受災體，受災體主要包括生態(tài)、農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟等，具體如下表所示。

[受災體＼&危 害＼&舉 例＼&生 態(tài)＼&對生態(tài)環(huán)境帶來不利影響＼&如森林大火、病蟲害、土地鹽堿化、河流斷流、湖泊萎縮等＼&農(nóng) 業(yè)＼&對作物生長、產(chǎn)量或牧場產(chǎn)量足以產(chǎn)生不利影響＼&如作物正常生長受到影響＼&社會經(jīng)濟＼&對人民的生活和生產(chǎn)帶來水資源等問題不利影響＼&如水資源緊張，高溫導致人體健康受到影響＼&]

例3 海河流域人均水資源占有量不足全國的1/7。讀圖，針對流域水資源匱乏的現(xiàn)狀，簡述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)采取的對策。

解析 針對農(nóng)業(yè)水資源短缺問題，類似于旱災給農(nóng)業(yè)帶來的不利影響問題，可以從緩解農(nóng)業(yè)旱災的角度出發(fā)，主要從培育和種植耐旱作物，加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)（滴灌、噴灌、微灌），提高水資源利用率等方面分析。

答案 推廣耐旱作物（調(diào)整作物類型、進行品種改良）；應(yīng)用噴灌、滴灌、微灌等節(jié)水技術(shù)，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)；加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高抵御旱災的能力。

點拔 針對不同受災體，緩解旱災的措施如下表所示。

[受災體＼&緩解措施＼&生態(tài)＼&做好監(jiān)測與預防準備工作；人工降雨等＼&農(nóng)業(yè)＼&加強旱災預測，為有效防災做準備；推廣耐旱作物（調(diào)整作物類型、進行品種改良）；應(yīng)用噴灌、滴灌等節(jié)水技術(shù)，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)；加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（跨流域調(diào)水，修建水庫）；人工降雨等，提高抵御旱災的能力＼&社會

經(jīng)濟＼&做好監(jiān)測與預防準備工作；控制人口數(shù)量，提高素質(zhì)；減少水污染；減少浪費，提高利用率；限制高耗水工業(yè)的發(fā)展；實行水價調(diào)節(jié)，樹立節(jié)水意識；海水淡化；適度開采地下水；人工降雨等＼&]

通過對上述干旱和旱災的例題分析，可以總結(jié)出針對此類試題的處理流程：

1.仔細閱讀題干信息，明確干旱和旱災發(fā)生的區(qū)位、季節(jié)、自然地理及人文地理條件；

2.結(jié)合獲取的有效信息，構(gòu)建試題背景模型，從各角度綜合考量試題設(shè)問內(nèi)容；

3.根據(jù)構(gòu)建的模型，詳細探究旱災和干旱發(fā)生的原因、影響和對應(yīng)措施；

4.利用所學地理原理和規(guī)律，用科學的地理語言，準確敘述回答問題。

在最后的復習階段，要求我們在備考中進行對這個專題深入探究，理解本質(zhì)、辨析區(qū)別，真正提高理解、探究和知識遷移能力。

[練習]

1.閱讀下列圖表資料，回答問題。

我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，其中水、旱災害尤其突出，對我國人民的生產(chǎn)和生活造成極大危害。

1949年到1998年我國部分地區(qū)水、旱災害頻次

[地區(qū)＼&旱災頻次＼&水災頻次＼&三江平原及長白山地＼&32＼&219＼&松遼平原＼&169＼&357＼&環(huán)渤海平原＼&415＼&799＼&黃淮平原＼&846＼&1407＼&長江中下游平原和江南丘陵＼&949＼&2151＼&]

概括我國水、旱災害的分布及發(fā)生頻次的特點。

2.干旱災害是中國主要的氣象災害之一。下圖反映了我國1950～1991年間不同區(qū)域干旱季節(jié)分布及其對農(nóng)業(yè)的影響。讀圖回答下列問題。

（1）判斷圖中旱災最嚴重的地區(qū)（寫序號）并說明依據(jù)。

（2）分析②、③兩區(qū)旱災季節(jié)差異的原因。

（3）說明①區(qū)春旱引發(fā)的最主要的次生災害及其監(jiān)測手段。

3.下圖所示區(qū)域的沿海地區(qū)年降水量約50毫米，東部山地雪線高度在4480～5000米之間。自20世紀90年代，該地區(qū)開始種植蘆筍（生長期耗水量較大），并發(fā)展成為世界上最大的蘆筍出口區(qū)。

分析圖示沿海地區(qū)氣候干旱的原因。

4.森林火災，是指失去控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴展，對森林、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為，是一種突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災害。全世界每年平均發(fā)生森林火災20多萬次，燒毀森林面積約占全世界森林總面積的1‰以上。下圖為“2013年美國加利福尼亞主要森林火災地點分布圖”。

試分析加利福尼亞森林火災的主要自然原因及其影響。

[參考答案]

1.分布特點：我國水、旱災害集中分布在東北地區(qū)；南方以水災為主，北方以旱災為主。

頻次特點：我國水、旱災害發(fā)生頻次較高，且發(fā)生頻次由南向北減少；無論南方還是北方，頻次均是水災多于旱災。

2.（1）②區(qū)。依據(jù)：②區(qū)的旱災糧食損失量占全國旱災糧食損失總量的百分比（或B）、旱災面積占全國旱災面積的百分比（或C）均最高。

（2）②區(qū)：春季降水少；升溫快，蒸發(fā)旺盛。③區(qū)：夏秋季受高氣壓（副高）控制，盛行下沉氣流，干燥少雨。

（3）森林火災；遙感技術(shù)。

篇9

本文內(nèi)容涉及現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)抗剪強度試驗、數(shù)據(jù)分析與計算機模擬等環(huán)節(jié)，全文所提供的研究思路、原位數(shù)據(jù)與研究結(jié)論，對促進泥石流堆積體滑坡機制、滑坡轉(zhuǎn)化泥石流機理、泥石流起動機理等學科前沿問題的研究，均有一定的參考價值。

2 泥石流堆積體的特征

泥石流堆積物是泥石流活動的產(chǎn)物，它的各種特征客觀地記錄了泥石流的基本性質(zhì)、運動特性、暴發(fā)頻率、規(guī)模大小和沉積環(huán)境，它的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是泥石流體的結(jié)構(gòu)、動力特性和成巖作用三者的聯(lián)合效應(yīng)。

前人對云南東川蔣家溝粘性泥石流堆積物作了大量的研究[2]。粘性泥石流的堆積過程介于稀性泥石流和塑性泥石流堆積過程之間的過渡形式。兩種典型泥石流沉積結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。圖1為粗化分層構(gòu)造，為不同場次泥石流堆積后的“水流粗化”的結(jié)果。圖2為反向粒級構(gòu)造，上部正粒級是重力分異的結(jié)果，下部的反向粒是層流剪切的結(jié)果。

3 試驗研究

以云南省小江流域泥石流分層粗化構(gòu)造土層堆積體（圖2）為對象，進行滑坡起動試驗。

對堆積區(qū)原狀土取樣，進行室內(nèi)物理力學性質(zhì)試驗。顆粒分析使用篩析和比重計法。試驗儀器為4.0～1.0 mm分析篩和甲種比重計，分散劑為六偏磷酸鈉。試驗表明，礫石呈次磨圓角礫狀，最大礫徑φ60 mm，為殘坡積物，礫石含量43.2%，粘粒含量4.7%，均勻系數(shù)uC= 972.4，表明泥石流堆積區(qū)原狀礫石土樣為極為不均勻，但在較高圍壓下，細顆粒充填于粗顆粒所形成的空隙中，可形成高密度和較好的力學特性。測試結(jié)果見表1。

三軸試驗使用TSZ30-2.0應(yīng)變控制式三軸儀。按儀器規(guī)格，去除>5 mm的泥石流堆積土，并保持

礫石土的滲透系數(shù)試驗使用TST?70型滲透儀。土體密度按1.56 g/cm3配制，用等量替換法制備成接近新近沉積弱固結(jié)的土體。平均滲透系數(shù)為0.006 cm/s，結(jié)果與細砂的滲透系數(shù)0.001～0.006 cm/s較接近，由于松散原狀土中的孔隙率應(yīng)大于試驗配制土，則可推測，滲透性應(yīng)略大于0.006 cm/s，是屬于強滲透系數(shù)的土類。測試結(jié)果見表3。

現(xiàn)場人工降雨滑坡起動試驗于2004年8月～10月期間完成。野外人工降雨試驗設(shè)備由人工降雨裝置與數(shù)據(jù)實時采集設(shè)備組成。含水量測量采用美國產(chǎn)的TRASE TDR時域水分儀，測試數(shù)據(jù)以體積含水量參數(shù)表示，由美國產(chǎn)的CR10X完成數(shù)據(jù)采集。設(shè)置TRASE的采樣頻率為2 min/次，CR10X的采樣頻率為5 s/次。傳感器在不同土層深度進行埋設(shè)。傳感器埋設(shè)布置見圖4。圖4中點劃線是實地測量的土體大致滑動線。

試驗中放置雨量筒2個，測得的降雨量分別為140.9和142.6 mm，平均為141.75 mm，降雨總歷時141 min，實際降雨強度為60.3 mm/h。試驗步驟與現(xiàn)象如表4所示。

降雨停止后對坡面特征地形進行測量與土體取樣。通過測量，形成沖溝的溝床坡度為45°～46.5°，頂部探頭處形成的崩塌的滑動面坡度為47°，后壁坡度為81.5°，明顯的滑動層厚度從下至上分別為27，24和17 cm。根據(jù)土層深度與坡體不同位置，實測土體發(fā)生破壞時體積含水量見表5。

4 穩(wěn)定性分析

在野外試驗沒有實時測量孔隙水壓力，因此，對Spencert法[3]進行修改，利用全應(yīng)力法分析泥石流堆積體邊坡穩(wěn)定。

如圖5所示，根據(jù)水平方向力的平衡與Mohr- Coulomb強度準則，可導出基本平衡方程：

在本文中沒有考慮坡體后緣裂隙的水壓力，因此，從物理現(xiàn)象來看，表6中1#條塊計算值中出現(xiàn)負值是不合現(xiàn)實的。這也是基于SPENCER條分法分析坡體穩(wěn)定性的缺陷。表6中Microsoft Excel表單給出了最可能圓弧滑動面計算數(shù)據(jù)與過程。計算所取用的參數(shù)見表2，5。在表6中單元$B$11：$D$11和$S$4：$T$4中分別輸入任意圓心坐標、側(cè)壓力系數(shù)、安全系數(shù)值9c=x，R = 13，=aλ0，F(xiàn) = 1。激活Microsoft內(nèi)建的規(guī)劃求解器（Solver），設(shè)定目標單元格$U$4為最小值，約束條件$S$7：$T$7=0，Radius≥cy，0min=X，8c=y，F(xiàn)≥1，單擊求解器選項菜單，選中“自動比例”，求解后可得到最危險滑動面F = 1.9，=aλ0.7。最可能的非圓弧滑面在已知圓弧滑面的基礎(chǔ)上，改變求解器自動搜索選項，給定約束條件$D$20：$D$44≤$C$20：$C$44，$D$44=0，$O$22：$O$44≥0，$S$7：$T$7=0，F(xiàn)≤2，F(xiàn)≥0，設(shè)定可變單元格$T$4，$S$4，$B$11：$D$11，目標單元格不變，求解后可得到最優(yōu)非圓弧滑面的安全系數(shù)F = 1.7，比圓弧滑面略小，側(cè)向推力系數(shù)=aλ0.8，大于圓弧滑面。圖6給出了3個從不同初始圓弧弧面程序搜索得到的非圓弧滑面，相對坐標差值處于在千分位以后，因此，計算結(jié)果相當穩(wěn)定。

將坡面坐標減去0.5 m作為實際滑動面坐標，來取代表6中滑坡面坐標$D$20：$D$44，進行實際滑面上土體的穩(wěn)定性分析。在規(guī)劃求解器（Solver） 中，設(shè)定目標單元格$U$4為最小值，約束條件$S$7：$T$7=0，可變單元格$S$4：$T$4，規(guī)劃求解器找不到精確解，但是給出了一個最接近的迭代值，F(xiàn) = 4.0，=aλ1.8。

5 滑坡失穩(wěn)的機理

由于在求解器約束條件中，限定圓弧滑面的剪出口在坡腳X = 0的位置，求解得到的最不穩(wěn)定圓弧滑面的后緣和剪出口坐標位置與實際觀察一致。但是，條塊高度h （$K$21：$K$44）最大值為3.31 m，最小值為0.16 m，與實際觀測滑面位置（圖6中虛線）不符。最可能的非圓弧滑面的位置較圓弧滑面線更接近邊坡側(cè)面，但是仍與實際觀測面位置有一定差距。

從實際滑面坐標分析滑體的穩(wěn)定性，根據(jù)式（1）可知，滑動面上抗滑力主要取決于滑動面土體的抗剪強度，在抗剪強度降低4倍以下時，可得到2.0=ΣM，0=ΣF，且側(cè)推力系數(shù)達到3.4，坡體接近臨界狀態(tài)，才有可能形成不穩(wěn)定的滑動面。當實際滑面坐標取為斜坡側(cè)面高程40 cm以下時，可以找到一解：7.4=F，8.1a=λ，并滿足所有約束條件與最優(yōu)狀況。分別減少土層厚度值，可得出不同的穩(wěn)定性系數(shù)，如表7所示。

（1） 隨著土層厚度的減少，滑面以上泥石流堆積體表層土體因含水量提高，相對重量增加，但是，平行坡面的切向力不能克服土體的抗力產(chǎn)生滑動，并且穩(wěn)定系數(shù)隨上覆土層重量的減低逐步上升。

（2） 斜坡表層土體50 cm內(nèi)的滑動不是由于滑面以上土體整體極限平衡破壞產(chǎn)生的。

（3） 整體極限平衡破壞主要發(fā)生在土層厚度大于1 m深度以上，最有可能的為非圓弧滑面，如圖6所示。

（4） 泥石流堆積體邊坡發(fā)生的機理不能完全歸之于滑動面上土體抗剪強度原理，土力學中的條分法不能完全解釋破壞的機制。

（5） 推測表層土體主要是水力滲透力引起單個顆?；驁F塊發(fā)生移動，然后相互影響到一定深度，形成相對穩(wěn)定的厚度的土體發(fā)生破壞。

由上述可知，處于弱固結(jié)狀態(tài)泥石流堆積土邊坡失穩(wěn)的機制可能是：當發(fā)生短歷時雨，泥石流堆積土地表形成超滲產(chǎn)流。上層松散泥石流堆積土的滲透系數(shù)較大，坡頂與坡腳高差形成較大的水力梯度，滲透力推動細顆粒向深度運移。由于不同場次泥石流堆積后的“水流粗化”的結(jié)果，在經(jīng)歷快速紊流滲透后，局部堵塞以至于形成相對不透水層，坡腳形成滲流出口，最先淺層土體發(fā)生重力剪切，相當于處于不排水不固結(jié)條件下土體發(fā)生剪切破壞，礫石土在剪切中呈現(xiàn)體縮的趨勢，產(chǎn)生正值的孔隙水壓力，不斷增加直到穩(wěn)定值，相應(yīng)地，土中的有效應(yīng)力不斷減少，強度不斷降低，最后接近于0，以至于發(fā)生失穩(wěn)破壞，最后因為動力作用，連續(xù)牽連至下層含水量變化小的土層和溯源滑動。

6 結(jié)論與討論

篇10

中圖分類號：P334.2文獻標志碼：A文章編號：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

隨著人類活動和氣候變化影響的加劇，各種氣象災害頻繁發(fā)生。作為我國糧食主產(chǎn)區(qū)的華北地區(qū)，面臨著降水變率大、區(qū)域洪澇災害頻發(fā)等嚴重問題。因此，正確理解華北半干旱地區(qū)的降雨產(chǎn)流特性對準確選擇或建立有效的水文模型至關(guān)重要 [12]。目前，國內(nèi)相關(guān)學者對降雨產(chǎn)流機理的研究主要集中在黃土高原地區(qū)，如王占禮等[3]采用人工模擬降雨試驗法對黃土裸坡降雨產(chǎn)流過程進行了研究；孔剛等[4]利用室內(nèi)人工降雨試驗，研究了黃土坡耕地土壤初始含水率對坡面降雨入滲、產(chǎn)流、溶質(zhì)遷移規(guī)律的影響；陳洪松等[5]通過對黃土高原區(qū)坡面降雨入滲、產(chǎn)流的研究，表明產(chǎn)流時間主要取決于土壤初始含水量；王輝等[6]研究了黃土區(qū)前期土壤含水量對不同土壤坡面降雨入滲、產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性的影響。然而針對華北半干旱區(qū)大田土壤的降水產(chǎn)流機理研究還相對較少，因此，本文基于華北半干旱區(qū)的土壤特性，以比重較大的砂壤土為研究對象，采用人工模擬降雨的方法，研究了降雨產(chǎn)流過程中坡度和前期土壤含水率對產(chǎn)流的響應(yīng)機理，從而為華北半干旱區(qū)降雨產(chǎn)流過程研究提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗采用自行設(shè)計的土槽，長×寬×高=200 cm×50 cm×60 cm，土槽坡度可在0～25°之間自由調(diào)整。土槽上端以及底部均布設(shè)有導流裝置，分別用以觀測地表徑流和壤中流。土槽頂端四周內(nèi)側(cè)安裝10 cm高的鐵片，防止雨滴濺蝕及表層水土的側(cè)向沖刷流失。同時，土槽前端出口的縱剖面用鐵質(zhì)的百葉窗封裝，并在百葉窗內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層紗網(wǎng)，防止降雨過程中土壤側(cè)漏（見圖1）。

降雨產(chǎn)流試驗所用的土壤取自北京市大興區(qū)中國水利水電科學研究院試驗基地，土壤質(zhì)地為砂壤土，并于2012年3月對試驗土槽進行填裝。裝土前篩去土壤中的雜物，經(jīng)10 mm的濾網(wǎng)過濾后風干，每隔5 cm進行分層裝土，土壤填充高度為50 cm，基本為同性、均質(zhì)的土壤[7]。本試驗于2015年8月進行，所用土槽中的土壤已經(jīng)沉積3年多的時間，其性狀與大田土壤特性相似，基本參數(shù)見表1。

試驗中采用的美國Decagon公司生產(chǎn)的電容式土壤水分傳感器EC5，通過測量土壤中的介電常數(shù)來計算土壤體積含水率，測量精度可達到±1%～2%[1，7]。土壤水分數(shù)據(jù)采用EM50數(shù)據(jù)采集器（采集時間間隔的可調(diào)整范圍為1～1 440 min）進行采集。

1.2 試驗方法

降雨產(chǎn)流試驗于中國科學院水利部水土保持研究所的人工模擬降雨大廳進行。試驗設(shè)定三種不同坡度（5°、10°和15°），每種坡度分別在前期土壤含水率為020、025和030時進行試驗，且每組均進行一組重復試驗，降雨歷時均為120 min。相關(guān)研究指出[812]，雨強較大時，前期土壤含水率對產(chǎn)流的影響不明顯，故本試驗采用較小的雨強進行試驗，標定雨強為25 mm/h。各場次降雨的具體雨強和前期土壤含水率見表2。

試驗采用人工計量的方式對降雨過程中的地表徑流進行觀測，在產(chǎn)流過程中每隔3 min采集一次徑流樣，降雨停止后的退水過程每隔1 min采集一次。降雨過程中土壤含水率的變化使用EM50數(shù)據(jù)采集器實時采集，采集時間間隔為1 min。

2 結(jié)果分析

2.1 前期土壤含水率和坡度對產(chǎn)流量的影響

前期土壤含水率相同、不同坡度條件下的降雨產(chǎn)流過程見圖2。由該圖可知：當前期土壤含水率相同時，產(chǎn)流量隨坡度的增加而增大，這與王占禮等[3]的研究結(jié)果相一致。當前期土壤含水率θ=020時，三種坡度的產(chǎn)流量均未達到穩(wěn)定，且坡度從5°增加到15°時，產(chǎn)流量增加了144%；在θ=025和θ=030的條件下，則均在產(chǎn)流后30 min內(nèi)達到穩(wěn)定產(chǎn)流，且坡度每增加5°，穩(wěn)定產(chǎn)流量約增加10%。然而，在前期土壤含水率為025時，坡度為15°的產(chǎn)流量卻小于坡度為10°和5°的產(chǎn)流量，原因是坡度為15°的土槽由于人為因素造成土壤表面出現(xiàn)裂縫，使得坡度為15°的土槽降雨產(chǎn)流過程受到了影響。

坡度相同、不同前期土壤含水率條件下的降雨產(chǎn)流過程見圖3。由該圖可知：坡度相同時，前期土壤含水率越高，產(chǎn)流量越大。這是由于隨著土壤含水率的增高，土壤入滲能力不斷降低，進而使產(chǎn)流量不斷增大；在相同坡度下，不同前期土壤含水率下產(chǎn)流量的增加速率差異較大，前期土壤含水率θ=020時，產(chǎn)流后徑流量增加緩慢且降雨過程中未達到穩(wěn)定產(chǎn)流。而θ=025和θ=030時，產(chǎn)流后徑流量迅速增加至穩(wěn)定狀態(tài)；相同坡度下，前期土壤含水率從025增加至030，穩(wěn)定產(chǎn)流量約增加10%。

不同坡度和前期土壤含水率的降雨產(chǎn)流試驗，在起始產(chǎn)流至產(chǎn)流剛達到穩(wěn)定的時段內(nèi)，單位時間產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)y=aln（x）+b關(guān)系（見表3）。

2.2 不同坡度/前期土壤含水率對累積徑流

量的影響分析 對不同坡度和前期土壤含水率的累積徑流量進行回歸分析發(fā)現(xiàn)：在產(chǎn)流過程中累積徑流量幾乎均呈線性變化趨勢，其確定性系數(shù)均在09以上（見表4），且均通過顯著水平α=001的方差分析和檢驗。表4中參數(shù)a和b分別表示擬合曲線的斜率和截距。通過對比不同條件下斜率a可發(fā)現(xiàn)：累積徑流量的變化速率整體上隨前期土壤含水率和坡度的增加而增大。然而，在前期土壤含水率為025時，坡度為15°的斜率值明顯小于5°和10°，其原因是由于土壤表面出現(xiàn)裂縫，使得在降雨過程中土壤入滲總量變大，導致累積徑流量增加緩慢。

2.3 不同坡度/前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時

的影響分析

坡度和前期土壤含水率是影響產(chǎn)流滯時的兩個重要因素[1316]。不同坡度和前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時的影響見圖4。試驗結(jié)果表明：相同坡度下，前期土壤含水率越高，產(chǎn)流滯時越短。在前期土壤含水率θ=020時，三種坡度的產(chǎn)流滯時均在70 min以上，而在θ=025和θ=030時，均在35 min以內(nèi)產(chǎn)流。對比不同坡度與前期土壤含水率下的產(chǎn)流滯時可以發(fā)現(xiàn)：前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時的影響較坡度更加明顯，這與陳洪松等[5]的研究結(jié)果相一致。

2.4 不同坡度和前期土壤含水率對土壤入

滲率的影響

土壤入滲率是描述降雨條件下坡地水文過程的一個重要指標，其變化可影響徑流的形成過程[1721]。為研究降雨過程中土壤入滲率的變化特征，本文采用水量平衡的方法，對不同坡度和前期土壤含水率下的土壤入滲率進行計算。不同坡度和前期土壤含水率條件下土壤入滲率曲線見圖5。從圖5可以看出，降雨開始后，土壤含水率隨著降雨歷時的增加而增大，然而，由于降雨強度小于土壤入滲率，致使降雨全部入滲，無地表徑流產(chǎn)生，因此入滲曲線在地表徑流產(chǎn)生前是一條直線；當土壤入滲率小于降雨強度時，開始產(chǎn)生地表徑流；當土壤含水率達到田間持水量時，此時土壤入滲率趨于穩(wěn)定。同時，在相同坡度下，前期土壤含水率越大，土壤入滲率曲線越陡、下降速率越快。

采用傳統(tǒng)的降雨入滲模型Kostiakov模型[22]、Horton 模型[23]以及Philip 模型[24]對不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入滲關(guān)系進行回歸分析（見表5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同降雨條件下，Horton 入滲模型擬合結(jié)果較好，而Kostiakov 模型和Philip 模型的計算結(jié)果精度相對較低。從而說明，對于試驗區(qū)域的砂壤土而言，Horton入滲模型用以估算土壤入滲率以及入滲量具有較好的適應(yīng)性，該結(jié)論與相關(guān)學者[1，2，7]的研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文采用人工模擬降雨的方法對華北半干旱區(qū)裸地不同坡度和前期土壤含水率條件下的降雨產(chǎn)流過程進行了試驗研究，結(jié)果如下。

（1）徑流量隨坡度/前期土壤含水率的增加而增大，在起始產(chǎn)流至產(chǎn)流剛達到穩(wěn)定的時段內(nèi)，產(chǎn)流量與產(chǎn)流歷時呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系；產(chǎn)流過程中，累積徑流量與降雨歷時呈現(xiàn)線性關(guān)系。

（2）在降雨產(chǎn)流過程中，坡度和前期土壤含水率越大，產(chǎn)流滯時越短，且前期土壤含水率對產(chǎn)流滯時的影響較坡度更加明顯。

（3）土壤入滲率隨產(chǎn)流歷時的增加而不斷減小。在相同坡度下，土壤入滲率的變化趨勢受前期土壤含水率的影響較大，其變化速率隨前期土壤含水率的增加而增大；同時，與前期土壤含水率相比，坡度對土壤入滲率的影響程度則相對較低。

（4）采用Kostiakov模型、Horton 模型以及Philip 模型對不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入滲關(guān)系進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，Horton 模型的模擬結(jié)果優(yōu)于其它兩種模型。

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