可变雨强的人工降雨模拟装置设计

孙 超，胡金春，李春贵，仇少鹏

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重点试验室，浙江 杭州 310020）

人工降雨模拟装置可以模拟自然降雨的雨型、雨滴特性等要素，弥补自然降雨规律性不足对科研的限制，成为土壤侵蚀、防洪设计和海绵城市研究领域的重要试验装置[1-2]。

目前国内人工模拟降雨装置的制作形式主要有4 种：喷嘴式、管网式、悬线式、针头式[3]。本文中模拟降雨装置的设计采用喷嘴式。

1 人工降雨装置设计与检测方法

1.1 降雨装置设计

1.1.1 降雨装置的结构

本文研制的降雨装置包括3 个部分：供水系统、喷头组、控制系统，系统整体尺寸为宽2.0 m，高3.0 m（见图1）。

图 1 人工降雨模拟装置硬件结构图

供水系统由储水箱、输水管道、泄压阀、堵头等部分组成。其中储水箱为1 m3圆柱形PE 箱，为避免管道内压力超载，在靠近管道末端位置安装泄压阀，根据喷头最大承受压力选取泄压阀规格为0.8 MPa，降雨外流的水通过地下集水系统排出。

喷头组由流量不同的3 种喷头组合而成。

控制系统由PLC、触摸屏、变频器、离心泵、电磁阀组、电磁流量计、压力计等部件组成。其中触摸屏用于系统的控制输入及结果显示；PLC 是中央控制器，负责采集相关数据并根据给定雨强时序控制电磁阀组开闭；变频器根据给定雨强时序控制输出流量改变降雨量[4]。

1.1.2 试验原理及过程

离心泵的输出流量与输入交流电频率呈正相关性，因此可以通过PLC 控制变频器输出变频交流电给离心泵，达到控制输出流量即降雨量的目的。试验第一步，改变离心泵输入频率，用翻斗式雨量计测量对应的降雨量，率定出雨强—频率—喷头开关组合关系。第二步，根据给定降雨量过程，按第一步的率定关系，配置对应的频率过程曲线。本试验选用2015 年7 月21 日下沙气象站降雨过程（见图2）。第三步，按照第二步配置的频率过程曲线进行开环控制试验。

图2 下沙降雨过程图

本装置使用的喷头是美国SPRAY 公司HH-W型喷头，按流量从小到大对其进行编号，各喷头的工作参数见表1。

表1 喷头工作参数表

1.2 检测方法

本装置用于雨水花园试验研究，模拟降雨面积1 m×1 m，针对这一范围内的降雨强度、均匀性、雨滴大小及分布进行率定和分析，以比较装置和真实降雨的相似度。

1.2.1 降雨强度

使用翻斗式雨量计在喷头下方中心位置进行雨强检测。

1.2.2 降雨均匀性

降雨均匀性是表征喷头均匀性的重要参数，一般通过等雨强线来表征[5]。总体来说等雨强线的分布是同心圆，中心处雨强最大，在向外侧扩散的过程中迅速递减。为了绘出等雨强线，在降雨区域中心附近布置44 个直径为10 cm 的小桶（见图3）。

图3 小桶布置俯视示意图

试验时，每次降雨的时间为10 min，用量筒测量小桶的雨量，连续降雨3 次，求出每个小桶的平均雨量，根据式（1）计算各点的雨强：

式中：P为降雨强度，mm/min；V为小桶10 min 降雨收集的平均雨量，mm3；S为小桶桶口面积，mm2；t为降雨收集时间，min。

1.2.3 雨滴直径及分布

本试验采用常规的滤纸色斑法观测降雨的雨滴粒径（D）。色斑载体为杭州特种纸业有限公司生产的Φ15 cm 定性滤纸，混合粉末由红色高锰酸钾与白色固定剂滑石粉组成[6]。其中高锰酸钾用于与雨滴作用形成红色色斑，滑石粉用于维持色斑形状不扩散。上述2 种材料经细致研磨后，按质量比1∶4（高锰酸钾∶滑石粉）的比例搅拌均匀，涂抹于滤纸表面。当雨滴降落在滤纸上时，每个雨滴就产生近似圆形的色斑。在采用滤纸色斑法对雨滴取样前，应先对色斑直径与雨滴真实粒径之间的关系进行率定。

2 试验结果

喷头率定结果见表2。

2.1 降雨强度

由表2 可知，雨强大小主要取决于管道压力及喷头规格。对于本装置，单独开启1 号喷头时最大雨强为0.92 mm/min，单独开启2 号喷头时最大雨强为1.41 mm/min，单独开启3 号喷头时最大雨强为2.90 mm/min，同时开启1 号、2 号、3 号喷头时最大雨强为5.23 mm/min。

表2 喷头率定结果表

2.2 等雨强线

额定工作状态下，各喷头的等雨强线均为较好的同心圆（见图4）。

图4 各个喷头的等雨强线图

2.3 雨滴直径及分布

测量各种雨强下色斑直径大小，采用公式（2）将色斑直径转换为雨滴直径。

由上式计算出每种雨强下，雨滴直径的累积曲线图，并由此求出雨滴中数直径（D50）[7]。雨滴中数直径是指雨滴累计体积分数为50%时，所对应的雨滴直径。以1 号喷头0.3 MPa 工作状态为例，累积曲线图及雨滴中数直径见图5，由此得到各雨强下的雨滴中数直径范围为1.07～2.76 mm（见表2），符合天然降雨的雨滴中数直径特点。

图5 1号喷头雨滴直径累积曲线图

3 结 论

本次设计的人工降雨模拟装置可调节雨强范围为0.31～5.30 mm/min，雨滴中数直径范围为1.07～2.76 mm，符合天然降雨特点，模拟性良好。