降雨發(fā)生裝置多噴頭仿真和測(cè)試研究*

劉　波，王曉蕾，蘇　騰，康釗菁（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京211101）

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降雨發(fā)生裝置多噴頭仿真和測(cè)試研究*

劉波，王曉蕾*，蘇騰，康釗菁
（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京211101）

摘要：為了實(shí)現(xiàn)自然條件下降雨強(qiáng)度的全范圍的模擬，基于單個(gè)噴頭的測(cè)試結(jié)果，將單噴頭試驗(yàn)得到的水量分布數(shù)據(jù)作為一個(gè)多維向量，建立了多噴頭在正方形布置時(shí)的仿真模型，得到不同間距條件下的均勻度系數(shù)和降雨量等值線(xiàn)圖，分析確定最佳間距。并在此最佳間距下進(jìn)行了實(shí)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)4個(gè)噴頭組合時(shí)降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生降雨環(huán)境進(jìn)行均勻性和穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明：在目前的降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生的降雨環(huán)境中，可以在穩(wěn)定時(shí)間之后，在東、西、南、北四個(gè)位置布置翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行大降雨強(qiáng)度測(cè)試。

關(guān)鍵詞：降雨發(fā)生裝置；大降雨強(qiáng)度；仿真；測(cè)試

降雨是指大氣中冷凝的水汽以液態(tài)的形式下降到地球表面的天氣現(xiàn)象。降雨現(xiàn)象影響著自然環(huán)境、社會(huì)生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及戰(zhàn)機(jī)起降、導(dǎo)彈發(fā)射等各種軍事活動(dòng)。降雨時(shí)空分布異常，往往會(huì)引發(fā)洪澇災(zāi)害、山體滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害，帶來(lái)嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)降雨現(xiàn)象的準(zhǔn)確測(cè)量成為氣象、水文、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［1-2］。

降雨測(cè)量?jī)x器種類(lèi)龐雜、原理各異，其測(cè)量性能必然存在差異。為了準(zhǔn)確了解不同儀器的測(cè)量性能、保證其所測(cè)量值的準(zhǔn)確、可靠，國(guó)內(nèi)外大量降雨測(cè)量?jī)x器生產(chǎn)廠家及廣大計(jì)量工作者進(jìn)行了大量研究。目前，對(duì)于承水式降雨測(cè)量?jī)x器的測(cè)試、校準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外已有較為完善的雨量、雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)裝置及測(cè)試、校準(zhǔn)方法［3-5］，但是，此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)裝置無(wú)法應(yīng)用于非承水式降雨測(cè)量測(cè)試中。而對(duì)于非承水式降雨測(cè)量?jī)x器，除了儀器交付用戶(hù)前廠家進(jìn)行的標(biāo)定和WMO組織的自然降雨條件下的動(dòng)態(tài)比對(duì)試驗(yàn)［6］外，使用者無(wú)法對(duì)儀器的性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)定。為了對(duì)非承水式降雨測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)，產(chǎn)生一個(gè)可控的降雨場(chǎng)，為降雨測(cè)量?jī)x器的測(cè)試、校準(zhǔn)提供穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境顯得尤為重要。降雨發(fā)生裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)人工模擬降雨裝置，而國(guó)內(nèi)外將降雨發(fā)生裝置應(yīng)用于降雨儀器測(cè)試計(jì)量的研究甚少。陳文廣等［7］、Matteo Colli等［8］提出了標(biāo)準(zhǔn)雨滴雨強(qiáng)模擬及測(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室模擬降雨裝置的思想，但是并未做出實(shí)物。蘇騰［9］結(jié)合自然降雨特性及降雨測(cè)量?jī)x器測(cè)試校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)和研制了降雨發(fā)生裝置模擬樣機(jī)，并進(jìn)行了大量的測(cè)試試驗(yàn)，提出了測(cè)試方法，并對(duì)模擬降雨的特性進(jìn)行了改進(jìn)研究，但是其產(chǎn)生的降雨強(qiáng)度的范圍僅為1 mm/h~ 70 mm/h，而自然條件下的特大暴雨在短時(shí)間內(nèi)，降雨強(qiáng)度能達(dá)到142.2 mm/h。因此，有必要對(duì)降雨發(fā)生裝置大降雨強(qiáng)度的發(fā)生特性進(jìn)行深入研究。

為了實(shí)現(xiàn)自然條件下降雨強(qiáng)度的全范圍的模擬，本文基于單個(gè)噴頭的測(cè)試結(jié)果，對(duì)多噴頭的組合間距進(jìn)行了分析，并結(jié)合多噴頭的實(shí)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行了比較，研究探討多個(gè)噴頭組合條件下的降雨發(fā)生裝置的特性，為較大雨強(qiáng)降雨的模擬提供一種方法。

1　模型和特征參數(shù)

1.1單噴頭測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由蘇騰［9］的研究結(jié)果可知，其對(duì)3種型號(hào)的噴頭進(jìn)行了大量測(cè)試和分析，這里采用其研究的HH-27W單個(gè)噴頭兩次在同一條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值作為仿真的數(shù)據(jù)輸入，研究多噴頭的最佳組合間距，降雨發(fā)生裝置及主要部件實(shí)物圖如圖1所示。

圖1　降雨發(fā)生裝置及主要部件實(shí)物圖

1.2仿真模型

為了對(duì)多噴頭的仿真進(jìn)行研究，Dwomoh等［10］通過(guò)釆用MATLAB軟件［11］建立了以均勻性為目標(biāo)的噴頭間距計(jì)算模型。其通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)的得出正方形、矩形、三角形布置時(shí)的噴頭水量分布，發(fā)現(xiàn)正方形布置時(shí)，噴頭仿真和實(shí)測(cè)的均勻性均最大。因此本文僅通過(guò)對(duì)正方形布置時(shí)的噴頭進(jìn)行仿真研究，仿真模型如圖2所示。

圖2　多噴頭仿真模型圖

該方法將單噴頭試驗(yàn)得到的水量分布數(shù)據(jù)作為一個(gè)多維向量，具體步驟如下：

第1步：確定噴頭組合后的噴灑寬度m；

式中：m為多個(gè)噴頭組合后的最大噴灑寬度（m）；s為單噴頭的噴灑寬度（m）；d為噴頭之間的間距（m）。

第2步：對(duì)單噴頭原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。每個(gè)噴頭的面積可以分成兩部分，即原始的單噴頭噴灑的區(qū)域和未噴灑的區(qū)域，噴頭在行、列兩個(gè)方向上對(duì)水量未噴灑到的區(qū)域以零向量補(bǔ)充，從而對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

式中：C1為左上方向單噴頭修正后的某點(diǎn)的降雨量（mm）；Cmn為單噴頭修正后的某點(diǎn)的降雨量（mm）；cij為單噴頭某點(diǎn)的降雨量（mm），其中i= 1，2，3，…，h；j=1，2，3，…，h；l=(j+1)，(j+2)，…，H；k=(j+1)，(j+2)，…，H；m=1，2，3，…，H；n=1，2，3， …，H，h是單噴頭的采樣點(diǎn)數(shù)，H是多噴頭組合后的采樣點(diǎn)數(shù)。其他方向的單噴頭數(shù)據(jù)修正與左上方向單噴頭類(lèi)似，其他三個(gè)方向的單噴頭數(shù)據(jù)修正分別為

式中：C2，C3和C4為分別為右上，左下，右下方向單噴頭修正后的某點(diǎn)的降雨量（mm）。

第3步，將多個(gè)單噴頭修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到組合后的噴頭累積水量分布圖。

式中：C為多噴頭組合的后的降雨量（mm）。

1.3仿真模型的特征參數(shù)

2.3.1均勻度系數(shù)

對(duì)模擬降雨的效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，運(yùn)用最廣泛的就是Christiansen均勻度系數(shù)（CU）［12］，具體公式如式（5）所示。

式中：CU為均勻度系數(shù)；hi為每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的降雨量（mm）；hˉ為所有測(cè)量點(diǎn)降雨量的平均值（mm）；n為測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.3.2降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)

為了直觀地觀察降雨量的空間分布［13］特征，繪制了降雨強(qiáng)度空間分布等值線(xiàn)圖。由于測(cè)量點(diǎn)有限，空間分辨率不足，因此選用內(nèi)插結(jié)果可信度較高的3次樣條差值法［14］進(jìn)行空間插值。

1.4測(cè)試試驗(yàn)和特征參數(shù)

為了對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，在最佳間距d下設(shè)計(jì)了測(cè)試試驗(yàn)，來(lái)評(píng)估組合噴頭的均勻性和穩(wěn)定性。其測(cè)試點(diǎn)的分布如圖3所示，在圖中每個(gè)測(cè)量點(diǎn)布置一個(gè)雨量筒，為了減少由于翻斗式雨量計(jì)機(jī)械誤差，采用了塑料杯，每次測(cè)試時(shí)間為5 min，共進(jìn)行了3次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)結(jié)束后用精密電子天平依次測(cè)量每個(gè)塑料杯中的降雨的重量，然后由式（6）計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的降雨量。

式中：RA為降雨量（mm/h）；m為塑料杯中含降雨的總·重量（g）；m0為空杯子的質(zhì)量；ρ為水的密度（g/cm3）；s為塑料杯口的面積（cm2）。

圖3　測(cè)試點(diǎn)的空間分布圖

由于均勻度系數(shù)（CU）具有平滑性，對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)較多時(shí)適用，而在測(cè)試時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)過(guò)少，因此重新定義均勻性和穩(wěn)定性這兩個(gè)特征參數(shù)，對(duì)于降雨環(huán)境的均勻性和穩(wěn)定性，由式（7）進(jìn)行計(jì)算。

式中：max、min和mean分別為數(shù)組序列的最大值、最小值和平均值；當(dāng)ΔRAi為降雨環(huán)境的穩(wěn)定性，Rj為某個(gè)位置第j次測(cè)量的降雨量（mm）；當(dāng)ΔRAi為降雨環(huán)境的均勻性時(shí)，Rj為某次測(cè)量時(shí)第j個(gè)位置的降雨量（mm）。

2　結(jié)果和討論

2.1仿真結(jié)果

2.1.1均勻度系數(shù)

對(duì)d分別取0.8、1.2、1.6和2.0進(jìn)行仿真，為了使結(jié)果具有可比性，對(duì)仿真的面積都取2 m×2 m，得到其仿真均勻性由表1所示，從表1可以看出，①隨著d的增大，組合均勻性增大；②d=2.0 m時(shí)，其均勻性最好，但四個(gè)間距下的均勻性均低于80%，而兩次測(cè)得的單個(gè)HH-27W噴頭的均勻性分別為84.51%和87.32%，因此，多個(gè)噴頭組合的性能較差，進(jìn)行空間均勻性測(cè)試試驗(yàn)的意義不大。

表1　多噴頭仿真均勻性

2.1.2降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)

為了進(jìn)一步分析四種不同間距情況下的仿真結(jié)果，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行等值線(xiàn)圖分析，HH-27W噴頭降雨強(qiáng)度的等值線(xiàn)圖的結(jié)果如圖4所示。從降雨強(qiáng)度等值線(xiàn)圖的結(jié)果看出，①在有效降雨面積的中間區(qū)域，降雨強(qiáng)度的分布呈現(xiàn)中間區(qū)域降雨強(qiáng)度大，向四周逐漸減小的趨勢(shì)；②除了d=2.0 m外，其他3種情況的等值線(xiàn)圖在交界處均為直線(xiàn)，這是由于單個(gè)噴頭的測(cè)試數(shù)據(jù)也是一個(gè)正方形所致；③每個(gè)等值線(xiàn)圖下都有1個(gè)最佳的半徑，即在最佳半徑內(nèi)，具有較好的均勻性。考慮到最佳半徑內(nèi)外各點(diǎn)的差異性較大，因此可以針對(duì)最佳半徑范圍內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行均勻性分析。

為了保證空間測(cè)試的可能性，至少應(yīng)保證降雨測(cè)量?jī)x器的采樣面積內(nèi)具有較好的均勻性，而我們測(cè)試用的雨量筒的直徑為20 cm，Parsivel雨滴譜儀［15］的采樣面積為18 cm×3 cm，對(duì)于d=2.0 m，無(wú)法保證空間的正常布置測(cè)量點(diǎn)，因此結(jié)合其均勻度系數(shù)，最佳間距定為d=1.6 m。

圖4　d分別為（a）0.8 m，（b）1.2 m，（c）1.6 m，（d）2.0 m時(shí)多噴頭仿真等值線(xiàn)圖

2.2測(cè)試結(jié)果

對(duì)最佳間距d=1.6 m下進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　多噴頭組合測(cè)試圖

從圖5可以看出：①3次測(cè)量中間位置的降雨量均高于四周位置的降雨，約為150 mm/h（5 min內(nèi)的平均降雨量為12.5 mm），與噴頭仿真結(jié)果中中間區(qū)域降雨量最大，向四周逐漸減小的趨勢(shì)類(lèi)似，且噴頭組合后的降雨強(qiáng)度能夠覆蓋自然降雨的大降雨強(qiáng)度范圍段；②3次測(cè)量中，第2次和第3次測(cè)量五個(gè)位置具有較好的一致變化趨勢(shì)，第1次測(cè)量較后兩次偏差較大，分析應(yīng)該是由于第1次測(cè)試時(shí)，裝置還為達(dá)到穩(wěn)定所致。因此在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，應(yīng)該在原有穩(wěn)定時(shí)間的基礎(chǔ)上增加裝置的穩(wěn)定時(shí)間。

為了對(duì)降雨環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到了五個(gè)位置的均勻性和3次測(cè)量的穩(wěn)定性，如表2所示，從表中可以看出：①均勻性，不包括中間位置比包括中間位置的差異性好，第1次測(cè)量由于裝置的不穩(wěn)定導(dǎo)致2個(gè)差異較?。虎诜€(wěn)定性，去除第1次測(cè)量的數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)差異性明顯提高；③不考慮第1次測(cè)量后，均勻性好于穩(wěn)定性，且兩次測(cè)量的均勻性具有一致性，而不同位置的穩(wěn)定性有較大區(qū)別。對(duì)于翻斗式雨量計(jì)的誤差為4%，可知，噴頭組合產(chǎn)生的降雨環(huán)境的均勻性和穩(wěn)定性均能滿(mǎn)足翻斗式雨量計(jì)的測(cè)試。

表2　降雨環(huán)境的均勻性和穩(wěn)定性

3　結(jié)語(yǔ)

本文建立了多噴頭在正方形布置時(shí)的仿真模型，得到不同間距條件下的均勻度系數(shù)和降雨量等值線(xiàn)圖，分析確定最佳間距為1.6 m，最后在d=1.6 m下建立了實(shí)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)4個(gè)噴頭組合時(shí)降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生降雨環(huán)境進(jìn)行均勻性和穩(wěn)定性分析，得出如下結(jié)論：①測(cè)試時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)裝置的穩(wěn)定時(shí)間5 min；②在目前的降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生的降雨環(huán)境中，可以在穩(wěn)定時(shí)間之后，在東、西、南、北四個(gè)位置布置翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行大降雨強(qiáng)度測(cè)試；③裝置各位置的穩(wěn)定性差異較大，應(yīng)加強(qiáng)裝置穩(wěn)定方面的研究。

由于本文局限于研究降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生降雨環(huán)境的宏觀量，且穩(wěn)定性較差，后期需對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)，使裝置的穩(wěn)定性增強(qiáng)，針對(duì)降雨環(huán)境的微觀特征量進(jìn)行深入分析，探討裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴譜儀的測(cè)試的可能性。?

參考文獻(xiàn)：

［1］高太長(zhǎng).降水測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.氣象水文裝備，2012，23（6）：1-7.

［2］黃玉霞，李棟梁，王寶鑒，等.西北地區(qū)近40年年降水異常的時(shí)空特征分析［J］.高原氣象，2004，23（2）：245-252.

［3］Lanza L，Leroy M，Alexandropoulos C，et al. WMO Laboratory In?tercomparison of Rainfall Intensity Gauges［J］. Final report，

劉波（1991-），男，湖南婁底人，解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)檐娛職庀笥?jì)量與測(cè)試技術(shù)，liubonanjing@163.com；

王曉蕾（1964-），女，浙江寧波人，解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院教授，研究方向?yàn)檐娛職庀笥?jì)量與測(cè)試技術(shù)，wangx?iaolei0199@sina.com。 WMO，Geneva，2006.

［4］Humphrey M D，Istok J D，Lee J Y，et al. A New Method for Auto?mated Dynamic Calibration of Tipping-Bucket Rain Gauges［J］. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1997，14（6）：1513-1519.

［5］李偉，宋慶斗.雨量標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)［J］.氣象水文海洋儀器，2007，4：1-5.

［6］Wong K. Performance of Several Present Weather Sensors as Pre?cipitation Gauges［J］. WMO TECO，2012：16-18.

［7］陳文廣，李偉，張艷昆，等.標(biāo)準(zhǔn)雨滴雨強(qiáng)模擬及測(cè)試技術(shù)［C］// 第31屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)S12大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境，2014.

［8］Colli M，Lanza L，Barbera P L，Metrological Requirements for a Laboratory Rainfall Simulator［J］. Geophysical Research Ab?stracts Vol. 17，EGU2015-12084，2015.

［9］蘇騰.降雨發(fā)生裝置研究與應(yīng)用［D］.南京：解放軍理工大學(xué)碩士論文，2015.

［10］Dwomoh F A，Shouqi Y，Hong L. Computation Model of Sprinkler Spacing and Layout［J］. International Journal of Engineering Sci?ences & Emerging Technologies，Aug. 2014，7（1）：481-489.

［11］張慧，何常德，苗靜，等.一種基于MATLAB的CMUT陣列設(shè)計(jì)與成像仿真方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（4）：490-494.

［12］Christensen J E. Irrigation by Sprinkling［J］. University of Califor?nia Bulletin 670. 1942.

［13］嚴(yán)浙平，趙錦陽(yáng)，李本銀.基于行為的UUV推進(jìn)操縱系統(tǒng)異常辨識(shí)方法研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，28（1）：62-70.

［14］袁壽其，朱興業(yè)，李紅，等.基于MATLAB全射流噴頭組合噴灌計(jì)算模擬［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，26（1）：47-52.

［15］胡子浩，濮江平，張歡等. Parsivel激光雨滴譜儀觀測(cè)較強(qiáng)降水的可行性分析和建議［J］.氣象科學(xué)，2014，34（1）：25-31.

Design of an Optical Instrument for Copper Ion Detection in Water Environment*

LI Zhiwen，LI Haibo，WAN Hao，SUN Qiyong，SUN Fei，TU Jiawei，WANG Ping*
（Biosensor National Laboratory，Key Laboratory of Biomedical Engineering of Education Ministry，Department of Biomedical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Abstract：An automated instrument was designed for heavy metal determination due to severe heavy metal contami?nation in water environment. The instrument can be used to specifically detect copper ion in water based on spectro?photometry. The instrument has the advantages of fast detection，simple operation and good repeatability，etc. Be?sides，specific fluid module was designed to implement auto-sampling during the detection. The waterway closedloop detection module was also designed to achieve precise injection and error warning. In samples with different concentration，the instrument can adjust the laser intensity automatically based on the response of different sam?ples. The experiment result shows that the detection limit of the instrument is 0.006 mg/L，with good linearity in the range from 0.1 mg/L to 2.00 mg/L. Extraordinary performance was also obtained with both good accuracy less than 6.4% and precision less than 4.52%.

Key words：copper detection；closed-loop precise injection；spectrophotometry；automated instrument

doi：EEACC：7230J10.3969/j.issn.1004-1699.2016.01.025

收稿日期：2015-07-24修改日期：2015-10-12

中圖分類(lèi)號(hào)：P426.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）01-0141-05

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41327003，41475020）