人工模擬降雨器研究綜述

王　坤，袁慎崇（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000）

人工模擬降雨器研究綜述

王坤，袁慎崇（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000）

在雨水徑流的試驗(yàn)研究中，可以用人工模擬降雨的方法替代自然降雨，可以通過(guò)改變?cè)囼?yàn)條件，模擬不同降雨過(guò)程，以替代在自然環(huán)境中無(wú)法達(dá)到的環(huán)境效果，并且可以將自然條件下得到的結(jié)果與人工模擬條件下進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步深究人工模擬條件下與自然條件下所得結(jié)果的不同。介紹了人工模擬降雨器的研究概況，提出模擬降雨裝置的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將人工模擬降雨器應(yīng)用于雨水徑流試驗(yàn)研究中。

人工模擬降雨器；研究概況；雨水；徑流

隨著城市的發(fā)展，不透水面積在城市下墊面的比例不斷增加，不透水面積的增加導(dǎo)致徑流量的增加。在利用天然降雨時(shí)常受到各種因素的限制，給試驗(yàn)工作帶來(lái)極大困難，降雨過(guò)程本身的穩(wěn)定性差，且受外界影響比較嚴(yán)重，另外在利用自然降雨時(shí)實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，所以眾多客觀條件迫使我們加快研究人工模擬降雨的步伐。

1　降雨模擬器發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國(guó)在人工模擬降雨器的研制上起步較晚，所以關(guān)于人工模擬降雨器的研制方面所取得的成果是有限的，經(jīng)過(guò)前人的研制，我國(guó)也相繼出現(xiàn)了一系列降雨發(fā)生器，這些降雨發(fā)生器因出于不同的目的而制成，總結(jié)我國(guó)歷年研制出的降雨發(fā)生器，大致可分表1中幾種主要類型。

表1

降雨模擬器在國(guó)外被廣泛用于多種土壤，農(nóng)業(yè)和環(huán)境的研究。沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化降雨模擬，這些降雨模擬器的設(shè)計(jì)，降雨強(qiáng)度，空間雨量分布，液滴尺寸和下降的速度的不同，阻礙效果之間進(jìn)行有意義的比較。國(guó)外關(guān)于降雨模擬器有很多種介紹，但總結(jié)他們的主要特征確大致相同，根據(jù)其特征將主要降雨模擬器列表如表2。

2　降雨模擬器分類

根據(jù)試驗(yàn)的要求，現(xiàn)有的降雨模擬器有多種不同的形式。目前發(fā)展的人工降雨模擬器主要有以下四種形式：

（1）懸線式：水在出口處以水滴形式落地，這種形式的模擬的降雨雨滴是均勻的，且初始降落速度為0，雨滴大小與水壓力無(wú)關(guān)，僅與懸線的粗細(xì)有關(guān)；

（2）針頭式：降雨雨滴特性與懸線式相類似，其下落初始速度基本為0，降雨均勻度較高；

（3）管網(wǎng)式（噴灑式）：是在一些平行的細(xì)管上鉆有一系列小孔，水以一定的初速?gòu)目字袊姵?，以雨滴的形式落到地面，這種形式的雨滴直徑是不均勻的，降雨強(qiáng)度可通過(guò)不同大小的孔徑或供水壓力來(lái)調(diào)節(jié)；

表2

（4）噴頭式（噴嘴式、噴射式）：水以一定的初速度從噴頭中噴出，在空中分散成大小不一的水滴降落到地面，其雨滴特性類似于管網(wǎng)式。

3　降雨模擬器的評(píng)價(jià)參數(shù)

3.1降雨均勻數(shù)

降雨分布均勻性可通過(guò)降雨均勻性系數(shù)K來(lái)評(píng)價(jià)，K值越大，均勻性越好。測(cè)定時(shí)在降雨面上布設(shè)一組雨量筒作為測(cè)點(diǎn)，根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的降雨量，按式：

式中：K為降雨均勻性系數(shù)，%；Hi為降雨面上的測(cè)點(diǎn)雨量，mL；H為降雨面上的平均雨量，mL；n為降雨面上的測(cè)量點(diǎn)數(shù)。

3.2降雨強(qiáng)度

目前我國(guó)的模擬降雨裝置的降雨強(qiáng)度控制方式主要是調(diào)節(jié)流量和控制壓力。噴頭式降雨發(fā)生器主要是通過(guò)不同的噴頭和不同的噴嘴直徑組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的降雨強(qiáng)度。針頭式降雨發(fā)生器主要是通過(guò)改變針號(hào)和針數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬較寬范圍的降雨強(qiáng)度，大雨強(qiáng)的裝置主要是通過(guò)調(diào)節(jié)供水量和調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)不同雨強(qiáng)的效果。管網(wǎng)式降雨發(fā)生器也是通過(guò)調(diào)節(jié)管道流量來(lái)調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。但這些改變雨強(qiáng)的方式遇到雨強(qiáng)時(shí)刻變化的情形就很難實(shí)現(xiàn)，需要不斷改變它們的參數(shù)，由于操作過(guò)程難免會(huì)產(chǎn)生誤差，所以最終會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，最終也難以實(shí)現(xiàn)時(shí)刻變化的降雨強(qiáng)度。

3.3雨滴直徑大小及分布

雨滴直徑一般采用色斑測(cè)定法測(cè)定。先在濾紙上涂刷一層曙紅與滑石粉混合色料用于雨滴取樣。取樣后，量出雨滴的色斑直徑D，將不同大小的色斑直徑分類統(tǒng)計(jì)出來(lái)，由換算公式d=aDb（計(jì)算公式中選用a=0.322，b=0.742），將色斑直徑D代入，得到各類雨滴直徑d。然后分類統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出不同直徑的質(zhì)量或體積的和，并求出它們?cè)诮涤昕偭恐兴嫉陌俜謹(jǐn)?shù)，最后根據(jù)累積百分?jǐn)?shù)，得到雨滴的中數(shù)直徑。

3.4雨滴動(dòng)能

美國(guó)學(xué)者羅斯等關(guān)于天然降雨雨滴的研究表明，天然降雨雨滴大小的分布，波動(dòng)在0.1～6mm，其相應(yīng)的終點(diǎn)速度為2～2.9m/s。同時(shí)根據(jù)美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的一些學(xué)者對(duì)雨滴下落速度的研究，具有初速度的下噴式噴頭，降雨高度達(dá)到2m時(shí)，就可滿足不同直徑的雨滴獲得2～2.9m/s終點(diǎn)速度。

4　結(jié)論與展望

降雨模擬是雨水徑流試驗(yàn)研究的重要手段。根據(jù)降雨雨滴形式，模擬降雨裝置一般可分為懸線式、針頭式、管網(wǎng)式和噴頭式等4種形式。目前的人工模擬降雨裝置研究主要向微型化和智能化發(fā)展，微型的人工模擬降雨裝置移動(dòng)方便，能夠更好的應(yīng)用于野外各種試驗(yàn)，智能化能夠很好的控制降雨，使降雨更加逼真地模擬天然降雨的真實(shí)情況。人工模擬降雨裝置的研制的發(fā)展經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由人工控制到電腦控制的轉(zhuǎn)變，但是天然降雨千變?nèi)f化，目前還是難以準(zhǔn)確地模擬出天然降雨。由于人工模擬降雨裝置在實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)越性，在今后的雨水徑流研究中，應(yīng)用人工模擬降雨裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)已成為必然的選擇。

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