專利名稱：一種人工模擬降雹災害的試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種人工模擬降雹災害的試驗方法，屬于應對農業氣象災害的新方法領域。
背景技術：
雹災是一種嚴重的氣象災害，隨著農業承災體類型的不斷增多，城市化水平的提高，其導致的損失日益增加。范寶俊(1999)將冰雹災害定義為從發展強盛的高大積雨云中降落到地面上的固體降水所造成的災害。張養才等(1991)認為，它是一種局地性強、季節明顯、來勢急、持續時間短，以砸傷為主的一種氣象災害。簡言之，雹災就是冰雹降落在各類承災體上造成的損害。雹災是一種嚴重的氣象災害，雖然其持續時間短，影響范圍小，但突發性強，破壞性大(王靜愛等，1999)。如2005年5月31日北京地區一次降雹就造成數千輛汽車遭受損失，保險公司的賠付超過500萬元，又如2007年7月9日的雹災造成僅昌平區果樹和農作物直接經濟損失就達3000萬元。據WM0(World Meteorological Organization)統計，每年冰雹給世界帶來的損失約20億美元(董安祥和張強，2004)。中國是世界上四大冰雹災害頻發區之一，平均每年遭受雹災的耕地面積約2X106hm2，平均每年遭受雹災的直接經濟損失達到30多億元，多雹災年直接經濟損失達到100多億元(CLPINF0，2009)。隨著農業承災體的類型不斷增多，經濟價值也不斷增長，因雹災引起的損失不斷增加。在我國最易受雹災的農業承災體主要是棉花、玉米和大豆,而造成的損失尤以棉花為甚。冰雹對棉花的破壞力很大，它可以打爛棉葉、打折枝莖、打壞生長點、打落棉鈴，甚至造成棉花絕收。我國大部分地區降雹主要集中在4 9月(王瑛等，2002)，正值棉花生育期內，因此降雹對不同階段的棉花都有損害，造成綜合災情大。不僅如此，我國的黃河流域棉區、長江流域棉區和新疆棉區三大棉花種植區恰是冰雹災害頻發區，造成很大損失。我國對雹災的模擬試驗方法有一定的研究。如1987年，山東省聊城地區保險公司和聊城農校聯合，采用人工擲石子的雹災模擬方式，對不同生育時期的棉花進行破壞性試驗，得出了雹災對棉花危害的曲線方程。但上述試驗與自然降雹情景有很大差異，因其不能夠定量控制和精確測度試驗中使用的石子直徑、石子密度和石子動能，更重要的是對降雹情景的設置、損失程度指標的選取、試驗數據的處理等也沒有形成系統的方法。目前也有一些對雹災模擬的試驗裝置，但都是對太陽能電池、太陽能熱水器、飛行器或其他類似產品進行冰雹沖擊模擬試驗的裝置，沒有涉及雹災對農作物產量定損的試驗，而且也沒有形成系統的試驗方法。因此，基于以上背景條件，提出一種人工模擬降雹災害的試驗方法，能夠定量的進行相關雹災對棉花危害方面的試驗，今后還可以擴展到人工模擬降雹對其它農作物的影響等試驗
發明內容
鑒于以上問題，本發明提出一種利用人工模擬降雹機產生不同大小、不同降雹密度的冰雹用以打擊不同生長時期的棉花，來研究雹災災情的試驗方法。通過本發明所提到的人工模擬降雹災害的試驗方法，達到了對雹災打擊農作物(本試驗主要是針對棉花)后造成的損失進行定量研究的目的，從而能夠厘定雹災承載體脆弱性這一核災、定損及進行進一步風險評估的核心參數。本發明的上述目的是通過以下技術方案實現的提供一種人工模擬棉田降雹災害的試驗方法，包括以下步驟(I)以棉花生長期、冰雹大小和降雹密度為變量設計雹災情景；(2)將試驗田劃分為試驗小區和對照小區，再根據步驟(I)設計的情景劃分所述的試驗小區；(3)在每個棉花生長期內，按照步驟(I)設計的以冰雹大小和降雹密度為變量的所有情景，分別對相應的試驗小區內的棉花植株實施人工模擬降雹打擊試驗，并觀測和記錄相應試驗小區和對照小區在打擊前后的棉花植株生物性狀；(4)在最后一個棉花生長期結束后，觀測和記錄相應試驗小區和對照小區的產量性狀，并處理分析試驗觀測數據。步驟(I)所述的棉花生長期，可以根據本領域現有的標準劃分為若干個，例如可以將從棉花出苗期開始到吐絮期結束的大約5個月劃分為以下幾個生長期①播種出苗期一從播種到子葉出土平展時，稱出苗，棉田出株數達50%時，為出苗期；播種后，溫度、氧氣、水分條件適宜，約經8-15天便可出苗。②苗期一從出苗到現蕾稱為苗期，約40-50天，包括幼苗期和孕蕾期。③蕾期一從現蕾到開花這一段時期稱蕾期，蕾期的長短隨品種、氣候條件和栽培管理的不同而有差異，一般為25-30天。④花鈴期——從開花到開始吐絮的一段時期稱花鈴期，一般50天左右，是棉花生育最肥盛時期。⑤葉絮期一棉花開始吐絮到全田收花基本結束，為吐絮期。吐絮期長短，因各棉區的無霜期長短和栽培條件而有差異，一般75天左右。步驟⑴所述的冰雹大小優選從l-5cm的冰雹直徑；更優選lcm、l. 5cm、2cm、 2. 5cm、3cm和5cm的冰雹直徑。步驟⑴所述的降雹密度通常為50 500個/m2 ;優選150 450個/m2 ;更優選 150 個 /m2、300 個 /m2 和 450 個 /m2。步驟(3)所述的人工模擬降雹打擊試驗優選采用人工模擬降雹機發射冰球或冰塊打擊棉田來完成。所述人工模擬降雹機發射冰球或冰塊的初速度優選23m/s以上。所述的人工模擬降雹機可將不同大小、不同數量的冰雹打入空中讓其以自由落體落下，也可以一定入射角度直接對準植株進行打擊。所述的人工模擬降雹機可以選用現有技術中各種可以實現人工模擬降雹功能的機械，優選的人工模擬降雹機可以如圖I所示，主要包括移動牽引部分I、水平旋轉部分2、 產風部分3、角度調節部分4、進冰部分5、發射部分6等；其移動牽引部分I上設置有水平旋轉部分2，水平旋轉部分2上設置有產風部分3、角度調節部分4，產風部分3聯接發射部分6，發射部分6聯接進冰部分5。所述的移動牽引部分I主要包括牽引桿101、框架102、 支架103、輪架104、車輪105、輪軸106等零部件；其框架102采用槽鋼制作，呈A字型，框架102底面安裝有可折疊的支架103，A字型框架102的頭端聯接有牽引桿101，尾端聯接有鋼質輪架104，輪架104上安裝有輪軸106及左右兩個車輪105。所述的水平旋轉部分2 主要包括下軸承套201、上軸承套202、蝸輪203、圓錐滾子軸承204、傳動軸205、向心球軸承206、蝸桿207、鋼板208、支撐輪209、傳動軸套210、方管211、試驗平臺212、輪軸支承架 213、蝸桿軸架214等零部件；其傳動軸205頂部與試驗平臺212焊接固聯，下部設置有下軸承套201，其內裝有單列圓錐滾子軸承204，用于支承傳動軸205，下軸承套201安裝在輪軸支承架213上，輪軸支承架213固聯在移動牽引部分I的輪架104上，對傳動軸205進行軸向定位；傳動軸205上還設置有上軸承套202，其內裝有單列向心球軸承206，用于支承傳動軸205，上軸承套202安裝在環形的鋼板208中心孔內，環形鋼板208固聯在移動牽引部分I的輪架104及框架102上，對傳動軸205進行徑向定位；傳動軸205上部鍵聯接有蝸輪 203及傳動軸套210，蝸輪203嚙合蝸桿207，蝸桿207設置在蝸桿軸架214上，蝸桿軸架214 設置在環形鋼板208上；傳動軸套210外側焊接有兩根方管211，方管211上面焊接有試驗平臺212，方管211底面焊接有沿圓周均勻分布的四個支撐輪209，且四個支撐輪209位于環形鋼板208上。所述的產風部分3主要包括張緊輪調節桿301、柴油機302、傳動帶303、 張緊輪304、風機架305、傳動帶輪306、風機307、定位銷308、鋼架309、風機軸310等零部件；其柴油機302、鋼架309通過螺栓安裝在水平旋轉部分2的試驗平臺212上，由于柴油機302震動較大，柴油機302下面裝有彈簧墊圈，防止柴油機松脫；鋼架309的上平面為斜面，通過螺栓聯接有斜置的風機架305，風機架305上安裝有風機307，可通過風機架305固定風機307或調整風機307的安裝高度及角度，風機軸310上安裝有傳動帶輪306，柴油機 302的輸出軸通過其軸上自帶的傳動帶輪及三角傳動帶303聯接風機軸310上的傳動帶輪 306，三角傳動帶303上設置有張緊輪304，鋼架309上鉸接有張緊輪調節桿301，通過張緊輪調節桿301調整張緊輪304，并將張緊輪調節桿301鎖固在鋼架309上設置的定位銷308 上。如圖2所示，所述的角度調節部分4主要包括支撐桿401、齒輪軸402、鎖緊扳手 403、齒條404、升降桿405、齒輪軸架406、手柄407、軸承座408等零部件；其支撐桿401內設置有升降桿405，升降桿405上端鉸接在發射部分6的發射管601下面，支撐桿401下端鉸接在水平旋轉部分2的試驗平臺212側面，支撐桿401上設置有鎖緊扳手403，用于鎖固升降桿405 ;齒輪軸402安裝在齒輪軸架406上部的軸承座408內，軸承座408兩側設置有手柄407，齒條404安裝在風機307殼體的外側，齒條404為圓弧形，齒條404與齒輪軸402
口四合。如圖3所示，所述的進冰部分5主要包括置冰凹槽501、滑落凹槽502、冰球出口 503、銷軸504、滑蓋505等零部件；其置冰凹槽501位于風機307之上，但不與風機聯接，方型置冰凹槽501后部銜接滑落凹槽502，滑落凹槽502后部設置有凹槽型的冰球出口 503， 冰球出口 503上方設置有滑蓋505，冰球出口 503側壁上設置有銷軸504，置冰凹槽501、滑落凹槽502通過銷軸504與冰球出口 503活動聯接，冰球出口 503焊接在發射部分6的發射管601上。同時如圖3所示，所述的發射部分6主要包括發射管601、法蘭盤602、圓管603 等零部件；其發射管601 —端為方口，通過螺栓與產風部分3的風機307方口聯接，另一端為圓口，通過法蘭盤602與圓管603聯接；發射管601上設置有一方形開口 604與進冰部分 5的冰球出口 503相對應。如圖4所示，通過水平旋轉部分2的蝸輪203嚙合蝸桿207，傳遞交叉兩軸間的運動和動力，由于傳動軸205上端與試驗平臺212焊接，從而把旋轉運動又傳遞給試驗平臺 212，使傳動軸205帶動試驗平臺212逆時針旋轉，圖中c角為試驗平臺212以水平中心線為基準逆時針旋轉30°的使用狀態，試驗平臺212逆時針旋轉范圍c為O 90°，同時試驗平臺212上的柴油機302、三角傳動帶303、傳動帶輪306、風機307，及發射管601、圓管 603也作相應30°旋轉，在農田中進行降雹試驗時，可通過水平旋轉部分2調整冰球射出的方向，使其對準要打擊的農作物，而牽引桿101、框架102、輪架104不轉。使用所述優選的人工模擬降雹機模擬降雹災害時，通過四輪拖拉機與牽引桿101 聯接，將人工模擬降雹裝置駛入農田中，被牽引移動時，支架103繞銷軸旋轉至水平收起， 不移動時放下支架103起支撐作用，四個支撐輪209用于承載試驗平臺212及設備、實驗人員的重量，并將重力通過環形鋼板208、輪架104傳遞到車輪105上；通過人工轉動手柄407 帶動齒輪軸402與圓弧形齒條404嚙合來調節風機307出風口及發射部分6的角度，由于風機307出風口與發射管601聯接，所以同時帶動發射管601進行角度調節，以水平線為基準，當發射管601繞風機軸310向上仰起，角度為正角0-85度時，如圖I中a角所示，可將發射管601內的冰球506打入空中，然后自由落下模擬自然降雹打擊農作物，當發射管601繞風機軸310向下俯放，角度為負角0-25度時，如圖I中b角所示，發射管601內的冰球506 可對準不同生長時期農作物的高度，直接進行打擊；通過手動蝸桿207嚙合蝸輪203使傳動軸205轉動，傳動軸205帶動試驗平臺212轉動調整發射管601及圓管603的旋轉方向，使冰球506按既定方向射出。試驗前將張緊輪304松開，柴油機302發動后，壓下張緊輪304， 柴油機302輸出軸連動三角傳動帶303帶動風機主軸使風機307運轉產生高壓空氣，風速大小可通過調節柴油機上設置的油門控制，使不同直徑的冰球506在發射管601中通過產風部分3產生的高壓空氣加速，并獲得一致的加速度。試驗時將一定量的冰球506放入置冰凹槽501中，將試驗所需數量的冰球506手動撥向滑落凹槽502，冰球506在重力作用下從冰球出口 503滑落至發射管601的方形開口 604進入圓管603中，當發射管601向上仰起時，由于置冰凹槽501、滑落凹槽502通過銷軸504與冰球出口 503活動鏈接，所以置冰凹槽501、滑落凹槽502不上仰，而是繞銷軸504旋轉，此時應將滑蓋505打開，使滑落凹槽 502的下端可旋入冰球出口 503中，冰球506仍然可以從冰球出口 503滑落至發射管601的方形開口 604再進入圓管603中，在風壓作用下從管口將冰球506射向農作物，通過送進不同數量的冰球506，完成對不同降雹密度的模擬。經計算冰球506在發射管601與圓管603 聯接后總長約為2. 5m的管道中通過高壓空氣加速，可使冰球506飛出管口的出口速度達到試驗要求23m/s以上。所述的冰塊或冰球可以通過各種方法制備得到，例如可以用不同規格的冰模凍出步驟(I)所設計的各種大小的、足夠數量的冰塊或冰球，凍好后將不同大小的冰塊或冰球按規格分開存放于保溫箱內備用。步驟(3)所述的每個情景下的打擊試驗優選重復做3次。步驟(3)所述的棉花植株生物性狀包括生長點數、頂尖折斷、葉面積、落葉數、破葉數、果枝數、落枝數、斷枝數、花蕾數和/或棉桃數；可在所述范圍內根據不同的生長期進行調整。根據本發明的方法，其通過特定程序，利用現有技術的人工模擬降雹機直接對棉花田中的植株進行試驗，然后通過試驗前后棉花的葉片數、果枝數、棉鈴(棉桃)數的測量對比，以及試驗結束后測量各小區棉花最終產量，評估不同情景下的雹災造成的損失。通過人工模擬降雹災害的試驗方法，提供了一種災害模擬以及定損的系統試驗方法。


圖I是本發明優選的人工模擬降雹機的結構示意圖的主視圖。圖2是本發明優選的人工模擬降雹機的角度調節部分4的齒輪齒條嚙合結構示意圖。圖3是本發明優選的人工模擬降雹機的進冰部分5結構示意圖的剖視圖。圖4是本發明優選的人工模擬降雹機的使用狀態示意圖的俯視圖。圖5是本發明實施例I的人工模擬降雹災害試驗方法的整體工作流程圖。圖6是本發明實施例I的固定降雹密度(450個/m2)的情況下，冰雹直徑和落葉率的關系回歸曲線圖。圖7是本發明實施例I的落葉率與降雹密度關系的柱狀圖。
具體實施例方式本發明優選的方案中，進行模擬降雹打擊試驗的時機貫穿從棉花出苗期開始到吐絮期結束的大約5個月時間，具體是在每個生育期的中期，或每個生育期內間隔固定時間， 選擇晴朗無風或微風的天氣做一次試驗，用以模擬棉花不同生長期遭遇雹災的情景。所用棉田為農村村民自家的棉田，在田地中留出一條中路(寬度足以通過人工模擬降雹機)，以使人工模擬降雹機能夠順利進入田間。所使用的冰球或冰塊是用不同規格的冰模凍出的不同大小的足夠數量的冰塊或冰球。以下通過具體的實施例進一步說明本發明的技術方案。實施例I選取河北省三河市高樓鎮榮家莊農戶家的棉田為試驗田。如圖5所示，按照本發明所述的試驗方法，具體實施步驟如下(I)以棉花生長期、冰雹大小和降雹密度為變量設計雹災情景先將棉花生長期分為播種出苗期、苗期、蕾期、花鈴期和葉絮期5個生長期，然后在每個棉花生長期內都選取冰雹直徑、降雹密度兩個變量，采用控制變量法分別設計出所有降雹情景。所述的冰雹直徑分別米用1cm、I. 5cm、2cm、2. 5cm、3cm和5cm ；所述的降雹密度分別采用150個/m2、300個/m2和450個/m2 ；由此設計出每個棉花生長期的降雹情景為18種；最終設計得到整個棉花生長期共90種降雹情景。(2)將試驗田劃分為試驗小區和對照小區，再根據步驟(I)設計的情景將所述的試驗小區劃分為至少90塊；每種情景的試驗各設3次重復，因此再將每塊試驗小區進一步劃分為3塊；小區面積> lmXlm。小區用標牌標記，標記內容有試驗生長期、冰雹直徑、降雹密度、試驗次數(如標記內容為1-1. 5-300-1代表苗期，冰雹大小為I. 5cm,降雹密度為 300粒/m2，第一次重復)。(3)在每個棉花生長期內，按照步驟(I)設計的以冰雹大小和降雹密度為變量的所有情景，分別對相應的試驗小區內的棉花植株實施人工模擬降雹打擊試驗，并觀測和記錄相應試驗小區和對照小區在打擊前后的棉花植株生物性狀；觀測項目包括株高、葉片數、果枝數、棉鈴(棉桃)數，并且給每個植株編號，方便試驗后性狀觀測結果的記錄。實施人工模擬降雹打擊時，用拖拉機牽引所述人工模擬降雹機進入田間，發動機器，調節油門使冰雹飛出管口時的速度達到要求的23m/s以上。然后調節降雹機，確保冰雹恰好能打擊到指定范圍內的棉花植株。調整好裝置后，啟動人工模擬降雹機，將試驗前準備的冰塊發射出去。一個小區試驗結束后，拖拉機牽引人工模擬降雹機到下一小區進行試驗。(4)待棉花生長期結束后，最終測量各小區棉花的產量，確定損失。用excel或其他數據分析軟件對試驗數據進行處理，分析冰雹直徑和(或)冰雹密度與棉花災情(包括落葉率、果枝折斷脫落率、棉鈴(桃)脫落率、棉花產量損失率等)的關系，構建災情評估模型。本實施例的試驗結果如下(以8月8日進行的一次試驗數據為例)表I棉花植株性狀統計表
權利要求
1.一種人工模擬棉田降雹災害的試驗方法，其特征在于，包括以下步驟(1)以棉花生長期、冰雹大小和降雹密度為變量設計雹災情景；(2)將試驗田劃分為試驗小區和對照小區，再根據步驟(I)設計的情景劃分所述的試驗小區；(3)在每個棉花生長期內，按照步驟(I)設計的以冰雹大小和降雹密度為變量的所有情景，分別對相應的試驗小區內的棉花植株實施人工模擬降雹打擊試驗，并觀測和記錄相應試驗小區和對照小區在打擊前后的棉花植株生物性狀；(4)在最后一個棉花生長期結束后，觀測和記錄相應試驗小區和對照小區的產量性狀， 并處理分析試驗觀測數據。
2.權利要求I所述的試驗方法，其特征在于步驟(I)所述的冰雹大小為l_5cm的冰雹直徑。
3.權利要求2所述的試驗方法，其特征在于步驟(I)所述的冰雹大小為1cm、I.5cm、 2cm、2. 5cm、3cm和5cm的冰霍直徑。
4.權利要求I所述的試驗方法，其特征在于步驟(I)所述的降雹密度為50 500個/m2。
5.權利要求4所述的試驗方法，其特征在于步驟⑴所述的降雹密度為150個/m2、 300 個 /m2 和 450 個 /m2。
6.權利要求I所述的試驗方法，其特征在于步驟(3)所述的人工模擬降雹打擊試驗采用人工模擬降雹機發射冰球或冰塊打擊棉田來完成。
7.權利要求6所述的試驗方法，其特征在于所述的人工模擬降雹打擊試驗是人工模擬降雹機將不同大小、不同數量的冰雹打入空中讓其以自由落體落下。
8.權利要求6所述的試驗方法，其特征在于所述的人工模擬降雹打擊試驗是人工模擬降雹機將不同大小、不同數量的冰雹以一定入射角度直接對準植株進行打擊。
9.權利要求I所述的試驗方法，其特征在于步驟(3)所述的每個情景下的打擊試驗重復做3次。
10.權利要求I所述的試驗方法，其特征在于步驟(3)所述的棉花植株生物性狀包括生長點數、頂尖折斷、葉面積、落葉數、破葉數、果枝數、落枝數、斷枝數、花蕾數和/或棉桃數。
全文摘要
本發明提供一種人工模擬棉田降雹災害的試驗方法，包括以下步驟(1)以棉花生長期、冰雹大小和降雹密度為變量設計雹災情景；(2)將試驗田劃分為試驗小區和對照小區，再根據步驟(1)設計的情景劃分所述的試驗小區；(3)在每個棉花生長期內，按照步驟(1)設計的以冰雹大小和降雹密度為變量的所有情景，分別對相應的試驗小區內的棉花植株實施人工模擬降雹打擊試驗，并觀測和記錄相應試驗小區和對照小區在打擊前后的棉花植株生物性狀；(4)在最后一個棉花生長期結束后，觀測和記錄相應試驗小區和對照小區的產量性狀，并處理分析試驗觀測數據。通過本發明所提到的人工模擬降雹災害的試驗方法，能夠達到對雹災打擊農作物后造成的損失進行定量研究的目的，從而能夠厘定雹災承載體脆弱性這一核災、定損及進行進一步風險評估的核心參數。
文檔編號A01G7/00GK102577799SQ20121003896
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月20日 優先權日2012年2月20日
發明者史培軍, 周蘭, 岳耀杰, 張化, 張國明, 張峰, 栗健, 王靜愛, 趙金濤 申請人:北京師范大學