可變雨強(qiáng)的人工降雨模擬裝置設(shè)計(jì)

孫 超，胡金春，李春貴，仇少鵬

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)試驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

人工降雨模擬裝置可以模擬自然降雨的雨型、雨滴特性等要素，彌補(bǔ)自然降雨規(guī)律性不足對(duì)科研的限制，成為土壤侵蝕、防洪設(shè)計(jì)和海綿城市研究領(lǐng)域的重要試驗(yàn)裝置[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)人工模擬降雨裝置的制作形式主要有4 種：噴嘴式、管網(wǎng)式、懸線式、針頭式[3]。本文中模擬降雨裝置的設(shè)計(jì)采用噴嘴式。

1 人工降雨裝置設(shè)計(jì)與檢測(cè)方法

1.1 降雨裝置設(shè)計(jì)

1.1.1 降雨裝置的結(jié)構(gòu)

本文研制的降雨裝置包括3 個(gè)部分：供水系統(tǒng)、噴頭組、控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整體尺寸為寬2.0 m，高3.0 m（見圖1）。

圖 1 人工降雨模擬裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

供水系統(tǒng)由儲(chǔ)水箱、輸水管道、泄壓閥、堵頭等部分組成。其中儲(chǔ)水箱為1 m3圓柱形PE 箱，為避免管道內(nèi)壓力超載，在靠近管道末端位置安裝泄壓閥，根據(jù)噴頭最大承受壓力選取泄壓閥規(guī)格為0.8 MPa，降雨外流的水通過地下集水系統(tǒng)排出。

噴頭組由流量不同的3 種噴頭組合而成。

控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、變頻器、離心泵、電磁閥組、電磁流量計(jì)、壓力計(jì)等部件組成。其中觸摸屏用于系統(tǒng)的控制輸入及結(jié)果顯示；PLC 是中央控制器，負(fù)責(zé)采集相關(guān)數(shù)據(jù)并根據(jù)給定雨強(qiáng)時(shí)序控制電磁閥組開閉；變頻器根據(jù)給定雨強(qiáng)時(shí)序控制輸出流量改變降雨量[4]。

1.1.2 試驗(yàn)原理及過程

離心泵的輸出流量與輸入交流電頻率呈正相關(guān)性，因此可以通過PLC 控制變頻器輸出變頻交流電給離心泵，達(dá)到控制輸出流量即降雨量的目的。試驗(yàn)第一步，改變離心泵輸入頻率，用翻斗式雨量計(jì)測(cè)量對(duì)應(yīng)的降雨量，率定出雨強(qiáng)—頻率—噴頭開關(guān)組合關(guān)系。第二步，根據(jù)給定降雨量過程，按第一步的率定關(guān)系，配置對(duì)應(yīng)的頻率過程曲線。本試驗(yàn)選用2015 年7 月21 日下沙氣象站降雨過程（見圖2）。第三步，按照第二步配置的頻率過程曲線進(jìn)行開環(huán)控制試驗(yàn)。

圖2 下沙降雨過程圖

本裝置使用的噴頭是美國(guó)SPRAY 公司HH-W型噴頭，按流量從小到大對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，各噴頭的工作參數(shù)見表1。

表1 噴頭工作參數(shù)表

1.2 檢測(cè)方法

本裝置用于雨水花園試驗(yàn)研究，模擬降雨面積1 m×1 m，針對(duì)這一范圍內(nèi)的降雨強(qiáng)度、均勻性、雨滴大小及分布進(jìn)行率定和分析，以比較裝置和真實(shí)降雨的相似度。

1.2.1 降雨強(qiáng)度

使用翻斗式雨量計(jì)在噴頭下方中心位置進(jìn)行雨強(qiáng)檢測(cè)。

1.2.2 降雨均勻性

降雨均勻性是表征噴頭均勻性的重要參數(shù)，一般通過等雨強(qiáng)線來表征[5]?？傮w來說等雨強(qiáng)線的分布是同心圓，中心處雨強(qiáng)最大，在向外側(cè)擴(kuò)散的過程中迅速遞減。為了繪出等雨強(qiáng)線，在降雨區(qū)域中心附近布置44 個(gè)直徑為10 cm 的小桶（見圖3）。

圖3 小桶布置俯視示意圖

試驗(yàn)時(shí)，每次降雨的時(shí)間為10 min，用量筒測(cè)量小桶的雨量，連續(xù)降雨3 次，求出每個(gè)小桶的平均雨量，根據(jù)式（1）計(jì)算各點(diǎn)的雨強(qiáng)：

式中：P為降雨強(qiáng)度，mm/min；V為小桶10 min 降雨收集的平均雨量，mm3；S為小桶桶口面積，mm2；t為降雨收集時(shí)間，min。

1.2.3 雨滴直徑及分布

本試驗(yàn)采用常規(guī)的濾紙色斑法觀測(cè)降雨的雨滴粒徑（D）。色斑載體為杭州特種紙業(yè)有限公司生產(chǎn)的Φ15 cm 定性濾紙，混合粉末由紅色高錳酸鉀與白色固定劑滑石粉組成[6]。其中高錳酸鉀用于與雨滴作用形成紅色色斑，滑石粉用于維持色斑形狀不擴(kuò)散。上述2 種材料經(jīng)細(xì)致研磨后，按質(zhì)量比1∶4（高錳酸鉀∶滑石粉）的比例攪拌均勻，涂抹于濾紙表面。當(dāng)雨滴降落在濾紙上時(shí)，每個(gè)雨滴就產(chǎn)生近似圓形的色斑。在采用濾紙色斑法對(duì)雨滴取樣前，應(yīng)先對(duì)色斑直徑與雨滴真實(shí)粒徑之間的關(guān)系進(jìn)行率定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

噴頭率定結(jié)果見表2。

2.1 降雨強(qiáng)度

由表2 可知，雨強(qiáng)大小主要取決于管道壓力及噴頭規(guī)格。對(duì)于本裝置，單獨(dú)開啟1 號(hào)噴頭時(shí)最大雨強(qiáng)為0.92 mm/min，單獨(dú)開啟2 號(hào)噴頭時(shí)最大雨強(qiáng)為1.41 mm/min，單獨(dú)開啟3 號(hào)噴頭時(shí)最大雨強(qiáng)為2.90 mm/min，同時(shí)開啟1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)噴頭時(shí)最大雨強(qiáng)為5.23 mm/min。

表2 噴頭率定結(jié)果表

2.2 等雨強(qiáng)線

額定工作狀態(tài)下，各噴頭的等雨強(qiáng)線均為較好的同心圓（見圖4）。

圖4 各個(gè)噴頭的等雨強(qiáng)線圖

2.3 雨滴直徑及分布

測(cè)量各種雨強(qiáng)下色斑直徑大小，采用公式（2）將色斑直徑轉(zhuǎn)換為雨滴直徑。

由上式計(jì)算出每種雨強(qiáng)下，雨滴直徑的累積曲線圖，并由此求出雨滴中數(shù)直徑（D50）[7]。雨滴中數(shù)直徑是指雨滴累計(jì)體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的雨滴直徑。以1 號(hào)噴頭0.3 MPa 工作狀態(tài)為例，累積曲線圖及雨滴中數(shù)直徑見圖5，由此得到各雨強(qiáng)下的雨滴中數(shù)直徑范圍為1.07～2.76 mm（見表2），符合天然降雨的雨滴中數(shù)直徑特點(diǎn)。

圖5 1號(hào)噴頭雨滴直徑累積曲線圖

3 結(jié) 論

本次設(shè)計(jì)的人工降雨模擬裝置可調(diào)節(jié)雨強(qiáng)范圍為0.31～5.30 mm/min，雨滴中數(shù)直徑范圍為1.07～2.76 mm，符合天然降雨特點(diǎn)，模擬性良好。