降雨发生装置多喷头仿真和测试研究*

刘　波，王晓蕾，苏　腾，康钊菁（解放军理工大学气象海洋学院，南京211101）



降雨发生装置多喷头仿真和测试研究*

刘波，王晓蕾*，苏腾，康钊菁
（解放军理工大学气象海洋学院，南京211101）

摘要：为了实现自然条件下降雨强度的全范围的模拟，基于单个喷头的测试结果，将单喷头试验得到的水量分布数据作为一个多维向量，建立了多喷头在正方形布置时的仿真模型，得到不同间距条件下的均匀度系数和降雨量等值线图，分析确定最佳间距。并在此最佳间距下进行了实测试验，对4个喷头组合时降雨发生装置产生降雨环境进行均匀性和稳定性分析。结果表明：在目前的降雨发生装置产生的降雨环境中，可以在稳定时间之后，在东、西、南、北四个位置布置翻斗式雨量计进行大降雨强度测试。

关键词：降雨发生装置；大降雨强度；仿真；测试

降雨是指大气中冷凝的水汽以液态的形式下降到地球表面的天气现象。降雨现象影响着自然环境、社会生活、农业生产、交通运输以及战机起降、导弹发射等各种军事活动。降雨时空分布异常，往往会引发洪涝灾害、山体滑坡、泥石流、城市内涝等自然灾害，带来严重的人员伤亡和经济损失。因此对降雨现象的准确测量成为气象、水文、环境等多个领域的研究重点［1-2］。

降雨测量仪器种类庞杂、原理各异，其测量性能必然存在差异。为了准确了解不同仪器的测量性能、保证其所测量值的准确、可靠，国内外大量降雨测量仪器生产厂家及广大计量工作者进行了大量研究。目前，对于承水式降雨测量仪器的测试、校准，国内外已有较为完善的雨量、雨强标准装置及测试、校准方法［3-5］，但是，此类标准装置无法应用于非承水式降雨测量测试中。而对于非承水式降雨测量仪器，除了仪器交付用户前厂家进行的标定和WMO组织的自然降雨条件下的动态比对试验［6］外，使用者无法对仪器的性能进行准确的评定。为了对非承水式降雨测量仪器进行测试和校准，产生一个可控的降雨场，为降雨测量仪器的测试、校准提供稳定的测试环境显得尤为重要。降雨发生装置实质上是一个人工模拟降雨装置，而国内外将降雨发生装置应用于降雨仪器测试计量的研究甚少。陈文广等［7］、Matteo Colli等［8］提出了标准雨滴雨强模拟及测试技术和实验室模拟降雨装置的思想，但是并未做出实物。苏腾［9］结合自然降雨特性及降雨测量仪器测试校准需求，设计和研制了降雨发生装置模拟样机，并进行了大量的测试试验，提出了测试方法，并对模拟降雨的特性进行了改进研究，但是其产生的降雨强度的范围仅为1 mm/h~ 70 mm/h，而自然条件下的特大暴雨在短时间内，降雨强度能达到142.2 mm/h。因此，有必要对降雨发生装置大降雨强度的发生特性进行深入研究。

为了实现自然条件下降雨强度的全范围的模拟，本文基于单个喷头的测试结果，对多喷头的组合间距进行了分析，并结合多喷头的实测结果，进行了比较，研究探讨多个喷头组合条件下的降雨发生装置的特性，为较大雨强降雨的模拟提供一种方法。

1　模型和特征参数

1.1单喷头测试试验数据

由苏腾［9］的研究结果可知，其对3种型号的喷头进行了大量测试和分析，这里采用其研究的HH-27W单个喷头两次在同一条件下的测试数据的平均值作为仿真的数据输入，研究多喷头的最佳组合间距，降雨发生装置及主要部件实物图如图1所示。

图1　降雨发生装置及主要部件实物图

1.2仿真模型

为了对多喷头的仿真进行研究，Dwomoh等［10］通过釆用MATLAB软件［11］建立了以均匀性为目标的喷头间距计算模型。其通过仿真和实测的得出正方形、矩形、三角形布置时的喷头水量分布，发现正方形布置时，喷头仿真和实测的均匀性均最大。因此本文仅通过对正方形布置时的喷头进行仿真研究，仿真模型如图2所示。

图2　多喷头仿真模型图

该方法将单喷头试验得到的水量分布数据作为一个多维向量，具体步骤如下：

第1步：确定喷头组合后的喷洒宽度m；

式中：m为多个喷头组合后的最大喷洒宽度（m）；s为单喷头的喷洒宽度（m）；d为喷头之间的间距（m）。

第2步：对单喷头原始数据进行修正。每个喷头的面积可以分成两部分，即原始的单喷头喷洒的区域和未喷洒的区域，喷头在行、列两个方向上对水量未喷洒到的区域以零向量补充，从而对原始数据进行修正。

式中：C1为左上方向单喷头修正后的某点的降雨量（mm）；Cmn为单喷头修正后的某点的降雨量（mm）；cij为单喷头某点的降雨量（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是单喷头的采样点数，H是多喷头组合后的采样点数。其他方向的单喷头数据修正与左上方向单喷头类似，其他三个方向的单喷头数据修正分别为

式中：C2，C3和C4为分别为右上，左下，右下方向单喷头修正后的某点的降雨量（mm）。

第3步，将多个单喷头修正后的数据进行叠加，得到组合后的喷头累积水量分布图。

式中：C为多喷头组合的后的降雨量（mm）。

1.3仿真模型的特征参数

2.3.1均匀度系数

对模拟降雨的效率进行评价，运用最广泛的就是Christiansen均匀度系数（CU）［12］，具体公式如式（5）所示。

式中：CU为均匀度系数；hi为每一个测量点的降雨量（mm）；hˉ为所有测量点降雨量的平均值（mm）；n为测量点个数。

2.3.2降雨强度等值线

为了直观地观察降雨量的空间分布［13］特征，绘制了降雨强度空间分布等值线图。由于测量点有限，空间分辨率不足，因此选用内插结果可信度较高的3次样条差值法［14］进行空间插值。

1.4测试试验和特征参数

为了对仿真的结果进行分析，在最佳间距d下设计了测试试验，来评估组合喷头的均匀性和稳定性。其测试点的分布如图3所示，在图中每个测量点布置一个雨量筒，为了减少由于翻斗式雨量计机械误差，采用了塑料杯，每次测试时间为5 min，共进行了3次试验。每次试验结束后用精密电子天平依次测量每个塑料杯中的降雨的重量，然后由式（6）计算各测量点的降雨量。

式中：RA为降雨量（mm/h）；m为塑料杯中含降雨的总·重量（g）；m0为空杯子的质量；ρ为水的密度（g/cm3）；s为塑料杯口的面积（cm2）。

图3　测试点的空间分布图

由于均匀度系数（CU）具有平滑性，对采样点数较多时适用，而在测试时，采样点数过少，因此重新定义均匀性和稳定性这两个特征参数，对于降雨环境的均匀性和稳定性，由式（7）进行计算。

式中：max、min和mean分别为数组序列的最大值、最小值和平均值；当ΔRAi为降雨环境的稳定性，Rj为某个位置第j次测量的降雨量（mm）；当ΔRAi为降雨环境的均匀性时，Rj为某次测量时第j个位置的降雨量（mm）。

2　结果和讨论

2.1仿真结果

2.1.1均匀度系数

对d分别取0.8、1.2、1.6和2.0进行仿真，为了使结果具有可比性，对仿真的面积都取2 m×2 m，得到其仿真均匀性由表1所示，从表1可以看出，①随着d的增大，组合均匀性增大；②d=2.0 m时，其均匀性最好，但四个间距下的均匀性均低于80%，而两次测得的单个HH-27W喷头的均匀性分别为84.51%和87.32%，因此，多个喷头组合的性能较差，进行空间均匀性测试试验的意义不大。

表1　多喷头仿真均匀性

2.1.2降雨强度等值线

为了进一步分析四种不同间距情况下的仿真结果，对仿真结果进行等值线图分析，HH-27W喷头降雨强度的等值线图的结果如图4所示。从降雨强度等值线图的结果看出，①在有效降雨面积的中间区域，降雨强度的分布呈现中间区域降雨强度大，向四周逐渐减小的趋势；②除了d=2.0 m外，其他3种情况的等值线图在交界处均为直线，这是由于单个喷头的测试数据也是一个正方形所致；③每个等值线图下都有1个最佳的半径，即在最佳半径内，具有较好的均匀性。考虑到最佳半径内外各点的差异性较大，因此可以针对最佳半径范围内的点进行均匀性分析。

为了保证空间测试的可能性，至少应保证降雨测量仪器的采样面积内具有较好的均匀性，而我们测试用的雨量筒的直径为20 cm，Parsivel雨滴谱仪［15］的采样面积为18 cm×3 cm，对于d=2.0 m，无法保证空间的正常布置测量点，因此结合其均匀度系数，最佳间距定为d=1.6 m。

图4　d分别为（a）0.8 m，（b）1.2 m，（c）1.6 m，（d）2.0 m时多喷头仿真等值线图

2.2测试结果

对最佳间距d=1.6 m下进行测试试验，测试结果如图5所示。

图5　多喷头组合测试图

从图5可以看出：①3次测量中间位置的降雨量均高于四周位置的降雨，约为150 mm/h（5 min内的平均降雨量为12.5 mm），与喷头仿真结果中中间区域降雨量最大，向四周逐渐减小的趋势类似，且喷头组合后的降雨强度能够覆盖自然降雨的大降雨强度范围段；②3次测量中，第2次和第3次测量五个位置具有较好的一致变化趋势，第1次测量较后两次偏差较大，分析应该是由于第1次测试时，装置还为达到稳定所致。因此在进行测试时，应该在原有稳定时间的基础上增加装置的稳定时间。

为了对降雨环境进行进一步分析，得到了五个位置的均匀性和3次测量的稳定性，如表2所示，从表中可以看出：①均匀性，不包括中间位置比包括中间位置的差异性好，第1次测量由于装置的不稳定导致2个差异较小；②稳定性，去除第1次测量的数据后，发现差异性明显提高；③不考虑第1次测量后，均匀性好于稳定性，且两次测量的均匀性具有一致性，而不同位置的稳定性有较大区别。对于翻斗式雨量计的误差为4%，可知，喷头组合产生的降雨环境的均匀性和稳定性均能满足翻斗式雨量计的测试。

表2　降雨环境的均匀性和稳定性

3　结语

本文建立了多喷头在正方形布置时的仿真模型，得到不同间距条件下的均匀度系数和降雨量等值线图，分析确定最佳间距为1.6 m，最后在d=1.6 m下建立了实测试验，对4个喷头组合时降雨发生装置产生降雨环境进行均匀性和稳定性分析，得出如下结论：①测试时，应延长装置的稳定时间5 min；②在目前的降雨发生装置产生的降雨环境中，可以在稳定时间之后，在东、西、南、北四个位置布置翻斗式雨量计进行大降雨强度测试；③装置各位置的稳定性差异较大，应加强装置稳定方面的研究。

由于本文局限于研究降雨发生装置产生降雨环境的宏观量，且稳定性较差，后期需对装置进行改进，使装置的稳定性增强，针对降雨环境的微观特征量进行深入分析，探讨装置实现对雨滴谱仪的测试的可能性。?

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刘波（1991-），男，湖南娄底人，解放军理工大学气象海洋学院硕士研究生，研究方向为军事气象计量与测试技术，liubonanjing@163.com；

王晓蕾（1964-），女，浙江宁波人，解放军理工大学气象海洋学院教授，研究方向为军事气象计量与测试技术，wangx⁃iaolei0199@sina.com。 WMO，Geneva，2006.

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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

中图分类号：P426.62

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）01-0141-05

项目来源：国家自然科学基金项目（41327003，41475020）