一種自循環(huán)式人工降雨模擬裝置降雨特性的試驗(yàn)研究

蔣建清，程 超，蔡晶垚，夏 平，王 亮，肖鄔旺

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

一種自循環(huán)式人工降雨模擬裝置降雨特性的試驗(yàn)研究

蔣建清，程 超，蔡晶垚，夏 平，王 亮，肖鄔旺

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

結(jié)合天然降雨特性，研制了一套適于巖土工程降雨模型試驗(yàn)和水土保持的自循環(huán)式人工降雨模擬裝置，并對(duì)其降雨特性進(jìn)行了率定試驗(yàn)，得到了該裝置降雨強(qiáng)度與控水閥門開度、降雨動(dòng)能與降雨強(qiáng)度、雨滴平均直徑與濾紙色斑平均直徑等特征量之間的計(jì)算關(guān)系式及雨滴直徑累積頻率分布曲線．結(jié)果表明：該裝置實(shí)現(xiàn)了雨水自循環(huán)利用，可模擬的降雨強(qiáng)度范圍為4.65 mm/h-406.05 mm/h，降雨均勻度超過85 %，雨滴粒徑和雨滴終點(diǎn)落地速度分別在0.94-2.16 mm、3.69-7.14 m/s之間，模擬降雨與天然降雨的相似度好，為實(shí)驗(yàn)室為在短期內(nèi)開展大批量降雨模型試驗(yàn)和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了保障．

雨水自循環(huán)；降雨模擬裝置；降雨特性；研制；率定

在實(shí)驗(yàn)室使用降雨模擬裝置進(jìn)行雨水入滲巖土工程穩(wěn)定性、土壤入滲、坡面產(chǎn)流和土壤侵蝕等方面的研究，不僅具有經(jīng)濟(jì)性、便捷性、可控性、重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，還可以控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，縮短實(shí)驗(yàn)周期．目前，降雨模擬裝置主要有4種類型，即管網(wǎng)式、針管式、懸線式和噴嘴式[1]．比如，徐向舟等[2]研制的 SX2002管網(wǎng)式降雨模擬裝置，其降雨高度為3.5 m，降雨面積為3.5 m×2.5 m，降雨強(qiáng)度范圍為1.0-4.0 mm/min，降雨均勻度超過80 %，雨滴粒徑為0-3 mm；孫愷等[3]研制針管式人工降雨裝置，其降雨高度為1.6 m，降雨面積為196 250 mm2，降雨強(qiáng)度范圍0-15 mm/h，降雨均勻度超過90 %，雨滴粒徑為0-10 mm；Bowyer-Bower[4]研制的懸線式降雨模擬器，其采用了內(nèi)徑0.7 mm、外徑2-3 mm長15 mm的聚乙烯管，雨滴中徑為2-3 mm；霍云梅等研制的旋轉(zhuǎn)下噴式降雨裝置[5]、蘇溦娜等研制的噴嘴式降雨模擬裝置[6]和張晶玲等研制的搖臂上噴式降雨模擬裝置[7]．各種類型降雨模擬裝置的降雨特性均不盡相同，其中針管式降雨裝置降雨強(qiáng)度控制范圍有限；懸線式降雨裝置在國內(nèi)應(yīng)用不多；噴嘴式降雨裝置主要應(yīng)用于室外，且側(cè)噴式裝置因雨滴直徑較大而受風(fēng)影響大，下噴式的雨滴落地破壞力不易計(jì)算，上噴式的降雨均勻度不夠穩(wěn)定．此外，現(xiàn)有降雨模擬裝置研制尚存在雨水難以自循環(huán)利用、試驗(yàn)周期較長、設(shè)備安裝調(diào)試復(fù)雜、試樣淋雨平臺(tái)不便于上人操作等問題．在裝置的降雨特性率定方面，國內(nèi)外對(duì)降雨強(qiáng)度、降雨均勻性、雨滴直徑、雨滴終點(diǎn)落地速度與降雨動(dòng)能等開展了研究．比如，吳光艷[8]等通過對(duì)天然降雨雨滴特征的研究驗(yàn)證了雨滴直徑特征符合 Best分布函數(shù)；美國學(xué)者羅斯等人關(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0-6 mm[9]．但是，不同人工模擬降雨裝置由于其產(chǎn)生降雨的機(jī)制不同，亦需有針對(duì)性地開展降雨特性試驗(yàn)研究．

因此，本文借鑒國內(nèi)外降雨模擬裝置的經(jīng)驗(yàn)，研制了一套自循環(huán)式人工降雨模擬裝置，并開展了該裝置在不同雨強(qiáng)條件下的降雨強(qiáng)度、降雨均勻性、雨滴直徑、雨滴終點(diǎn)落地速度與降雨動(dòng)能等降雨特性率定試驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)室在短期內(nèi)開展大批量降雨模型試驗(yàn)和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供保障．

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 人工降雨模擬基本原理

降雨裝置雨滴的動(dòng)能是模擬天然降雨侵蝕的最好參量[10]．當(dāng)降雨高度不變且雨滴大小均勻，即雨滴終點(diǎn)落地速度v為常數(shù)時(shí)，時(shí)間t內(nèi)降雨對(duì)淋雨平臺(tái)單位面積上試驗(yàn)土體作用的總動(dòng)能為

式中：E為時(shí)間段t內(nèi)單位面積上的降雨對(duì)淋雨平臺(tái)作用的總動(dòng)能(J/(m2·s))；m為時(shí)間段t內(nèi)單位面積上的降雨總質(zhì)量(kg/m2)；v為雨滴終點(diǎn)落地速度(m/s)；r為雨滴密度(kg/m3)；I為降雨強(qiáng)度(mm/h)；t為降雨持續(xù)時(shí)間(s)；k為常數(shù)．

因此，在人工降雨模擬試驗(yàn)中，保證降雨高度不變，并使雨滴的大小及其分布基本不變，則只需通過調(diào)整裝置的降雨強(qiáng)度就能控制相應(yīng)的降雨動(dòng)能，即降雨能量相似可通過相應(yīng)的雨強(qiáng)來表達(dá)．另外，理想的降雨模擬裝置所產(chǎn)生的人工降雨的主要降雨特性還包括降雨強(qiáng)度、降雨均勻性、雨滴直徑分布、雨滴降落終點(diǎn)速度等，本文主要針對(duì)這些特征進(jìn)行率定實(shí)驗(yàn)，分析自循環(huán)式人工降雨模擬裝置產(chǎn)生的人工降雨與天然降雨的相似性,為該裝置用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)．

1.2 人工降雨模擬系統(tǒng)

研制的自循環(huán)式人工降雨模擬裝置屬于管網(wǎng)式降雨裝置，由降雨系統(tǒng)、自循環(huán)供水系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和試樣淋雨平臺(tái)等四大部分組成，如圖1所示．該裝置由潛水泵供水，水流經(jīng)過供水系統(tǒng)輸送到降雨系統(tǒng)，產(chǎn)生穩(wěn)定降雨．通過調(diào)節(jié)導(dǎo)水管上的控水閥門的開度，調(diào)整降雨強(qiáng)度，從而控制相應(yīng)的降雨動(dòng)能．

圖1 自循環(huán)式降雨模擬裝置

降雨裝置的降雨系統(tǒng)由降雨管網(wǎng)、導(dǎo)水管和擋雨帷幕組成，降雨面積約 8 m2．降雨管網(wǎng)由PVC管拼接而成，固定在支撐系統(tǒng)頂部，每根PVC管鉆設(shè)降雨噴孔；導(dǎo)水管位于降雨管網(wǎng)兩側(cè)．

降雨裝置的自循環(huán)供水系統(tǒng)由簡易蓄水池、潛水泵、連接蓄水池與降雨系統(tǒng)的進(jìn)水管及安裝于進(jìn)水管上的控水閥門和水壓表組成．其自循環(huán)原理為潛水泵將蓄水池內(nèi)的水通過進(jìn)水管輸送至導(dǎo)水管，再由導(dǎo)水管導(dǎo)入降雨管網(wǎng)，降雨管網(wǎng)中的雨水降到管網(wǎng)正下方的試樣淋雨平臺(tái)上，然后通過模板上的透水孔重新回到蓄水池，如此循環(huán)，整個(gè)過程既環(huán)保又節(jié)水．蓄水池池壁由固定在支撐系統(tǒng)上的模板組成，其防水層由多層防水帆布與防水薄膜組成；進(jìn)水管采用PVC材料制成．

降雨裝置的支撐系統(tǒng)由鋼管組裝而成，包括立桿、縱向支撐桿、橫向支撐桿和連接扣件．降雨裝置試樣淋雨平臺(tái)由帶透水孔的模板鋪裝而成，通過支撐系統(tǒng)固定在蓄水池上方，不僅能在淋雨平臺(tái)同時(shí)布置多個(gè)雨水入滲侵蝕試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，還能上人安裝試樣模型、進(jìn)行試驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)采集．

1.3 降雨特性參數(shù)率定取樣點(diǎn)

采用等距取樣法在試樣淋雨平臺(tái)上確定共35個(gè)取樣點(diǎn)，并在采樣點(diǎn)上擺放雨量計(jì)，形成陣列，如圖2所示．待降雨達(dá)到穩(wěn)定后，依次進(jìn)行降雨強(qiáng)度、降雨均勻性、雨滴直徑、雨滴終點(diǎn)落地速度與降雨動(dòng)能等降雨特性試驗(yàn)．

圖2 降雨模擬裝置率定實(shí)驗(yàn)取樣點(diǎn)分布

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 降雨強(qiáng)度及降雨均勻性

降雨強(qiáng)度是指單位時(shí)段內(nèi)的降雨量，采用自制簡易雨量計(jì)率定降雨強(qiáng)度，每場降雨結(jié)束后，用量筒測量每個(gè)雨量計(jì)的降雨量．為防止噴孔被雜質(zhì)堵塞而影響降雨的均勻性，率定前先將供水壓力調(diào)整到較大值，把積存在管網(wǎng)內(nèi)的雜質(zhì)沖出，再在每1個(gè)取樣點(diǎn)分別放置雨量計(jì)，確保雨滴經(jīng)過漏斗進(jìn)入相應(yīng)雨量計(jì)的量筒中．率定時(shí)，在控水閥門不同開度下，分別測出各取樣點(diǎn)上雨量計(jì)的降雨量Xi，再求出各取樣點(diǎn)的平均降雨量，控水閥門不同開度下降雨裝置的平均降雨強(qiáng)度為

式中：為試樣淋雨平臺(tái)上各取樣點(diǎn)的平均降雨強(qiáng)度(mm/h)；為試樣淋雨平臺(tái)上各取樣點(diǎn)的實(shí)測平均降雨量(mm)．根據(jù)實(shí)測平均降雨強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，繪制平均降雨強(qiáng)度—控水閥門開度的擬合曲線(見圖3)，得到降雨裝置降雨強(qiáng)度的線性擬合計(jì)算公式

式中：I為降雨裝置降雨強(qiáng)度的擬合推算值(mm/h)；q為控水閥門開度(°)．式(3)可以指導(dǎo)用于實(shí)驗(yàn)的降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)，由式(3)計(jì)算可得，裝置可模擬的降雨強(qiáng)度范圍為4.65 mm/h-406.05 mm/h．

圖3 控水閥門開度-降雨強(qiáng)度擬合曲線

裝置的降雨均勻性可根據(jù)同一時(shí)段內(nèi)降雨面上多個(gè)測點(diǎn)的降雨量來計(jì)算，降雨均勻度

式中：K為降雨均勻度(%)；Xi為各取樣點(diǎn)上雨量計(jì)的實(shí)測降雨量(mm)；n為取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，取為35．由式(4)計(jì)算可得，在不同降雨強(qiáng)度下，裝置的降雨均勻度均超過85 %．限于篇幅，列舉2例，如下：降雨強(qiáng)度為 30 mm/h時(shí)，降雨均勻度為90.91 %，其降雨強(qiáng)度等值線見圖4(a)；降雨強(qiáng)度為150 mm/h時(shí)，降雨均勻度達(dá)到了96.73 %，其降雨強(qiáng)度等值線見圖4(b)．

2.2 雨滴直徑的率定試驗(yàn)

雨滴直徑的大小是影響降雨落地速度的重要參數(shù)．理論上，一定高度的天然雨滴受自身重力作用降落時(shí)，隨著速度的不斷增大，受到的空氣阻力也不斷增大，從而變形破裂，體積不斷變小，因此雨滴直徑一般不會(huì)超過 6 mm．目前，率定雨滴直徑的方法主要有：面粉球法、攝影法以及色斑法．本文采用歷史悠久、適用廣泛的濾紙色斑法，利用不同孔徑的注射針頭模擬雨滴，該方法基于水滴在同種濾紙材料上產(chǎn)生的色斑大小與水滴的真實(shí)粒徑大小成正比的假定．預(yù)先率定濾紙色斑直徑與雨滴真實(shí)粒徑之間的關(guān)系，然后通過量測降雨裝置的雨滴在相同濾紙材料上形成的色斑大小推算相應(yīng)的雨滴粒徑．

圖4 降雨強(qiáng)度等值線

先將針頭裝在注射器上，并向注射器內(nèi)注入一定量的清水，用電子秤稱量含水注射器的質(zhì)量；然后，將經(jīng)過細(xì)致研磨的高錳酸鉀粉末與滑石粉按1︰4(質(zhì)量比)比例攪拌均勻，并盡可能薄地涂于濾紙表面；最后，從濾紙正上方一定高度處將注射器中的清水滴到濾紙上，滴滿一張濾紙并注意使水滴大小均勻且色斑不粘在一起，完成后測定注射器(含剩余水)的質(zhì)量．用不同孔徑的針頭重復(fù)上述步驟若干次，得到若干雨滴色斑(代表性色斑見圖5)．

圖5 雨滴色斑

如果一張濾紙上總共有n個(gè)雨滴，可按

計(jì)算雨滴實(shí)際粒徑的平均直徑式中：為雨滴實(shí)際粒徑的平均直徑(mm)；為一張濾紙上所有雨滴的質(zhì)量(g)；m為一張濾紙上雨滴的個(gè)數(shù)；r為水的密度；π為圓周率．

根據(jù)試驗(yàn)中率定的水滴直徑與相應(yīng)的色斑直徑的實(shí)測和計(jì)算結(jié)果，繪制雨滴直徑—色斑直徑擬合曲線圖(見圖6)．

圖6 雨滴直徑—色斑直徑擬合曲線圖

分析得到雨滴實(shí)際粒徑的平均直徑和濾紙色斑直徑平均值之間的推算公式

在降雨裝置模擬降雨試驗(yàn)中，可通過式(6)由雨滴在濾紙上形成的色斑大小推算雨滴實(shí)際粒徑．先將海綿平放在雨滴直徑取樣盒底板上，再將涂好粉末的濾紙平放在海綿上，合上蓋板．調(diào)節(jié)控水閥門，在降雨達(dá)到穩(wěn)定后，依次在每個(gè)取樣點(diǎn)上放置取樣盒，均勻滑動(dòng)取樣盒蓋板，當(dāng)雨滴落到濾紙上的瞬間，立即合上蓋板，并取出取樣盒．經(jīng)過若干次降雨采樣后，可以得到若干降雨裝置雨滴色斑譜．通過分析，可得到裝置的雨滴直徑累積頻率分布曲線(見圖 7)，雨滴粒徑在0.94 mm-2.16 mm之間．

圖7 降雨裝置雨滴直徑累積頻率分布曲線

2.3 雨滴終點(diǎn)落地速度與降雨動(dòng)能的率定試驗(yàn)

雨滴終點(diǎn)落地速度是研究降雨動(dòng)能的重要參數(shù)．采用目前應(yīng)用較廣的公式計(jì)算雨滴終點(diǎn)落地速度，即當(dāng)雨滴直徑時(shí)，采用修正的沙玉清公式

式中，為雨滴終點(diǎn)落地速度(m/s)．由式(7)或(8)計(jì)算可得，裝置的雨滴終點(diǎn)落地速度的范圍在3.69 m/s-7.14 m/s，與天然降雨終點(diǎn)速度(1.58 m/s-9.44 m/s[11-12])有較好地相似性．

得到所有雨滴樣本的終點(diǎn)落地速度，即可計(jì)算單個(gè)雨滴的降雨動(dòng)能．因?yàn)檠b置降雨穩(wěn)定且都是降雨樣本隨機(jī)取樣，可認(rèn)為一次降雨的能量為多組樣本降雨能量的組合．單位時(shí)間單位面積內(nèi)一定降雨強(qiáng)度條件下的降雨動(dòng)能可用

計(jì)算．式中：為單位時(shí)間單位面積內(nèi)降雨動(dòng)能；為一次取樣的雨滴降雨能量和；s為取樣紙的面積；t為在雨中取樣時(shí)間．由此計(jì)算試驗(yàn)降雨強(qiáng)度條件下的降雨動(dòng)能，裝置的降雨動(dòng)能隨降雨強(qiáng)度的變化如圖8所示，并對(duì)降雨動(dòng)能和降雨強(qiáng)度作回歸分析,可以得到降雨強(qiáng)度與降雨動(dòng)能的關(guān)系式在圖示的降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)，降雨動(dòng)能與降雨強(qiáng)度有著良好的線性關(guān)系，通過控制降雨強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)降雨動(dòng)能相似，已知降雨強(qiáng)度就可以計(jì)算出其各次降雨降雨動(dòng)能，用以指導(dǎo)降雨實(shí)驗(yàn)分析．

圖8 降雨動(dòng)能隨降雨強(qiáng)度的變化趨勢

3 結(jié)論

(1)自循環(huán)式人工降雨模擬裝置模擬降雨與天然降雨的相似程度較高，實(shí)現(xiàn)了雨水自循環(huán)利用，裝置可控性好、性能穩(wěn)定，可模擬的降雨強(qiáng)度范圍為4.65 mm/h -406.05 mm/h，降雨均勻度超過85 %，雨滴粒徑在0.94 mm-2.16 mm之間，雨滴終點(diǎn)落地速度在3.69 m/s -7.14 m/s之間，可以滿足人工模擬降雨試驗(yàn)要求，為實(shí)驗(yàn)室在短期內(nèi)開展大批量降雨模型試驗(yàn)和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了技術(shù)保障．

(2)自循環(huán)式人工降雨模擬裝置的降雨強(qiáng)度—控水閥門開度關(guān)系式為降雨強(qiáng)度與降雨動(dòng)能的關(guān)系降雨動(dòng)能與降雨強(qiáng)度有良好線性相關(guān)關(guān)系，可通過調(diào)控雨強(qiáng)實(shí)現(xiàn)降雨動(dòng)能與天然降雨的相似．

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(責(zé)任編校：徐贊)

Experimental Study on Rainfall Characteristics of Self-circulation Artificial Rainfall Simulator

JIANG Jian-qing,CHENG Chao,CAI Jing-yao,XIA Ping,WANG Liang,Xiao Wu-wang
(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

In view of the shortage of the existing rainfall simulation device and the characteristics of the natural rainfall, a self-circulation artificial rainfall simulator for soil and water conservation and geotechnical engineering rainfall model test was developed and its rainfall characteristics were tested. The relationship between the rainfall intensity and the opening degree of water control valve, the rainfall kinetic energy and the rainfall intensity, the average diameter of raindrop and the mean diameter of filter paper were calculated and the accumulated frequency distribution curve of rainfall droplet diameter was obtained through the experimental study of rainfall characteristics. The results show that the similarity between the simulated rainfall and the natural rainfall is quite high, and it can simulate the rainfall intensity of 4.65 mm/h -406.05 mm/h. The rainfall uniformity is more than 85 %, the size of raindrops is between 0.94 mm and 2.16 mm, and the falling speed of the rain drops is between 3.69 m/s and 7.14 m/s. The device has realized the self-recycling of rainwater and provided technical guarantee for the laboratory to carry out large-scale rainfall model tests and obtain experimental data in a short time.

rainwater self-recycling; rainfall simulation device; rainfall characteristics; development;rate

TU 41

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0001

1672–7304(2017)02–0001–05

2017-02-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308198)；湖南省教育廳科研項(xiàng)目(14B034)

蔣建清(1979-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，副教授，博士，主要從事巖土工程、結(jié)構(gòu)工程研究，E-mail: lh201314@163.com.