蘇溦娜, 田一梅, 高 波, 趙 鵬

(天津大學 環(huán)境科學與工程學院, 天津 300072)

人工模擬降雨裝置的設計及其參數率定

蘇溦娜, 田一梅, 高 波, 趙 鵬

(天津大學 環(huán)境科學與工程學院, 天津 300072)

摘要：[目的] 針對水環(huán)境領域中地表徑流的水質研究所需的降雨特點，設計了一種人工模擬降雨裝置。 [方法] 該模擬降雨裝置采用3個規(guī)格不同的噴嘴式噴頭，利用不同噴頭的啟閉與組合實現不同雨強的模擬。 [結果] 經率定，此裝置降雨強度可達0.3～2.0 mm/min，在此范圍內降雨均勻系數均在85%以上，雨滴中數直徑的范圍為1.09～2.25 mm，最大雨滴直徑不超過6 mm，雨滴終點速度可達到2～2.9 mm/s。 [結論] 該裝置模擬降雨與天然降雨的相似程度較高，可用于模擬真實的降雨情況。

關鍵詞：模擬降雨裝置; 雨強; 噴頭; 雨滴直徑

近年來，中國對雨水利用、水土保持等方面的研究逐步深入，而此類研究都需要以大量的試驗數據為基礎，然而降雨的不確定性給研究工作帶來了很大的困難。尤其是在一些干旱少雨的地區(qū)，每年降雨場次過少，滿足不了數據收集的要求。因此，越來越多的研究人員采用人工模擬降雨的方式進行試驗研究。早在20世紀30年代初，就有學者使用噴壺作為雨滴發(fā)生器來進行模擬降雨試驗，這就是最早最簡單的人工模擬降雨器。隨后使用一些結構簡單的噴管形式，作為降雨器[1]。隨著對于降雨特性的研究逐漸深入，中國從20世紀50年代開始應用人工模擬降雨裝置進行土壤入滲試驗[2]。此后，人工模擬降雨裝置的研制受到了重視，不同類型的模擬降雨裝置被研制出來并逐步得到改善，應用于各類水土保持、水質檢測等領域。1997年，黃毅等[3]研制出單噴頭變雨強模擬降雨裝置，有效降雨面積為20～40 m2，降雨強度30～150 mm/h，降雨均勻系數K≥0.8。之后，劉素媛等[4]研制了由6種不同孔徑(7,9,11,13,15,17 mm)的噴嘴和碎流板組成的SB-YZCP(野外移動、組合、側向、噴灑式)人工降雨模擬裝置。高小梅等[5]采用醫(yī)用注射針頭在一圓圈內振動灑落水滴來模擬降雨的方法，研制了具有降雨強度可變范圍較寬(小降雨器2～100 mm/h，大降雨器4～100 mm/h)的人工模擬降雨裝置。模擬降雨與天然降雨的相似程度將決定試驗的準確性，通過率定各降雨特性參數，并與天然降雨相比較，有利于保證試驗的準確性。通過模擬降雨器可以使降雨具有可控性，方便試驗研究，例如通過降雨器控制雨強的大小，可以研究不同雨強下地表徑流中污染物的變化規(guī)律；控制不同的雨滴大小分布研究其對土壤侵蝕程度的影響。因此，針對目前人工模擬降雨裝置的特點和不足，結合天然降雨的特點，本文主要針對水環(huán)境領域中地表徑流的水質研究所需的降雨特點，設計人工模擬降雨裝置，并對其進行參數率定。

1降雨裝置與測定方法

1.1　降雨裝置的設計

目前的人工降雨裝置通常按雨滴的形成方式劃分，人工模擬降雨裝置主要可分為4種類型，即噴嘴式、噴灑式、懸線式和針頭式[6]。噴嘴式是使用具有不同孔徑大小的噴頭，通過調節(jié)供水壓力來改變雨強；噴灑式是利用一些平行的細管上不同直徑的小孔，通過變化供水壓力使小孔噴出的水滴以不同雨強降落；懸線式是水在懸線中以水滴形式離開并降落至地面，這種方式下雨滴大小是均勻的；針頭式是水滴通過針頭末端降落到地面。本文所設計的模擬降雨裝置采用噴嘴式噴頭，使雨滴降落前獲得一定的初始速度，并且雨滴大小不均勻，符合天然降雨的特點。本裝置設有3個噴嘴式噴頭，分別具有大(4 mm)、中(2.5 mm)、小(2 mm)3種不同大小的圓形孔徑，針對不同強度的降雨，采用不同規(guī)格的噴頭，可以使模擬雨滴形態(tài)更接近于真實情況。噴頭安裝于門字型支架上，其中一側的支架兼具過水和支撐的作用，使用電磁閥控制三個噴頭的啟閉狀態(tài)，水泵與支架中間使用軟管作為供水管路，其上設有壓力表(0～0.6 MPa)和渦輪流量計(L10403028)，水泵采用SZ037-B型號粵華牌不銹鋼離心泵(功率0.37 kW流量0～3.0 m3/h，揚程35～12 m，汽蝕余量2.5 m)，水泵采用福建巨龍電機集團有限公司生產的三相異步電動機(型號SZ-YS6332，功率0.37 kW，電壓220/380 V，電流1.77/1.02 A，頻率50 Hz)進行變頻調速，以便調節(jié)流量大小。降雨支架可拆卸，支架下方設有滾輪，方便移動。裝置整體高3 m，寬2 m，本裝置同時具備手動和自動功能，可以滿足不同的試驗要求。裝置結構圖如圖1所示。

圖1　模擬降雨裝置結構圖

1.2　測定方法

本裝置主要用于研究地表徑流的小試試驗，實際降雨面積可達2 m×2 m，根據徑流收集的試驗要求，主要針對噴頭下方1 m×1 m的范圍內對降雨強度、均勻性、雨滴大小及分布、雨滴終點速度進行率定及分析，以比較模擬降雨與真實降雨的相似程度。

1.2.1降雨強度采用叢臺創(chuàng)美儀器設備有限公司生產的自記式雨量計在噴頭下方中心位置進行雨強的率定。通過調節(jié)水泵的頻率控制供水管路中的流量和壓力大小，控制不同噴頭啟閉與組合達到對雨強大小的控制。

1.2.2降雨均勻性為了使人工降雨與天然降雨盡量一致，同時減小試驗誤差，模擬降雨需要具有一定的均勻性才能保證模擬效果良好。目前，降雨分布的均勻程度的表示方法主要有以下兩類： (1) 繪制降雨量等值線圖。根據降雨量率定小區(qū)上各測點雨量筒的降雨量或測點的降雨強度，將其等值點連接起來，繪制成降雨量等值線圖。 (2) 以均勻系數大小為根據判斷，均勻系數越大，降雨均勻性越好。本裝置采用計算均勻系數的方法測定降雨均勻性，在降雨中心位置地面處呈正方形布設16個100 ml雨量筒，各雨量筒橫縱間距35 cm，利用公式1計算降雨均勻系數。

(1)

1.2.3雨滴直徑大小及分布中國目前研究雨滴大小所采用較普遍的方法是濾紙色斑法[7]，本研究同樣采用此方法觀測雨滴直徑。使用新華造紙廠生產的直徑為150 mm的中速定性濾紙，使用曙光紅和滑石粉的混合粉末作為涂料，按照質量比1∶10混合均勻，試驗前用板刷將涂料均勻的涂抹于濾紙表面，干燥后，濾紙不顯色，當雨滴降落在濾紙上時，每個雨滴就產生近似圓形的色斑。在每種雨強下用3張濾紙收集雨滴，得到足夠數量的雨滴色斑。將濾紙掃描為圖片格式導入AutoCAD中，調整圖片大小使濾紙的直徑在CAD中測量為150 mm，則認為此時圖片與實際的尺寸比例為1∶1。利用軟件中的“標注”工具，標出每個色斑的直徑大小。利用此方法，可以大大減小人工測量的誤差，并且對于較小的色斑也可以較準確的測量。

2降雨率定試驗結果與討論

2.1　降雨強度

通過開啟不同規(guī)格的噴頭及利用不同噴頭的組合形式控制雨強的大小，率定結果詳見表1。由表1可知，雨強大小主要取決于管道壓力與噴頭規(guī)格。對于同種規(guī)格的噴頭，隨管道壓力的上升，雨強也逐漸變大；在相同管道壓力的條件下，噴頭規(guī)格越大，雨強也越大。在試驗過程中發(fā)現，對于每種噴頭，當雨強達到一定值后，增大管道壓力只能使降雨面積增大，而雨強不再變化，說明對于每種噴頭，都有各自的降雨極限能力，并不能通過無限制的加壓使降雨強度無限增大。對于本模擬降雨裝置，單獨開啟小噴頭時，最大雨強可達0.6 mm/min；單獨開啟中噴頭時，雨強可達1.0 mm/min；單獨開啟大噴頭時，最大雨強為1.3 mm/min；小噴頭和中噴頭組合時，雨強上限為1.6 mm/min；中噴頭和大噴頭組合時，雨強可達到2.0 mm/min。

表1　不同型號噴頭雨強大小率定

2.2　降雨均勻性

對于每種噴頭，在不同壓力下均進行均勻性測試，結果如表2所示。從表2中可以看出，對于中號和大號噴頭，在管道壓力小于0.08 MPa時，均勻系數不足80%，不滿足天然降雨的均勻性要求，這是由于這兩種噴頭孔徑較大，在低壓情況下雨滴不能完全形成，動力不足，不能完全分散開，因此降低了均勻性。其余場次均勻系數均在85%以上，部分能達到90%，裝置降雨均勻性良好。結合降雨均勻性可知，本模擬降雨裝置，單獨開啟小噴頭時，雨強范圍可調節(jié)在0.3～0.6 mm/min之間；單獨開啟中噴頭時，可用雨強范圍為0.6～1.0 mm/min；單獨開啟大噴頭時，雨強范圍為1.0～1.3 mm/min；小噴頭和中噴頭組合時，雨強范圍為1.3～1.6 mm/min；中噴頭和大噴頭組合時，雨強范圍可達到1.6～2.0 mm/min。超出以上范圍的雨強在試驗條件下均勻性均低于80%，不能較真實地模擬降雨情況。

2.3　雨滴直徑大小及分布

在AutoCAD中測量出每張濾紙上的色斑大小后，采用公式(2)將色斑直徑換算為雨滴直徑。

d=0.356D0.712

(2)

式中：d——雨滴直徑(mm)；D——色斑直徑(mm)。

將每種雨強下3張濾紙中的色斑直徑帶入公式后得到雨滴直徑，分類統計后，計算出不同直徑的體積和，導入Origin 8.0軟件中，得到每種雨強下雨滴直徑的累積曲線圖，并以此求出雨滴中數直徑。雨滴中數直徑是指雨滴累積體積百分數為50%時，所對應的雨滴直徑。以雨強為1.0 mm/min為例，累積曲線圖及雨滴中數直徑如圖2所示，得到各雨強下的雨滴中數直徑，結果列于表3中。

經統計分析，模擬降雨中所有雨滴的直徑均小于6 mm，真實降雨中雨滴直徑通常為0.1～6.5 mm，符合真實降雨的雨滴范圍[8]。

圖2　雨強為1.0 mm/min時雨滴直徑的累積曲線

表2　模擬降雨裝置降雨均勻系數　%

表3　每種雨強時的雨滴中數直徑

對雨滴中數直徑進行回歸分析得到公式(3)：

D50=0.2189I2.7659(R2=0.9486)

(3)

式中：I——雨強(mm/min)；D50——在此雨強下的雨滴中數直徑。

由表3可知，雨滴中數直徑的范圍為1.09～2.25 mm，符合天然降雨的雨滴中數直徑。

2.4　雨滴終點速度

勞斯[9]認為要使所有不同大小的雨滴能達到其相應的終點速度，其最小降落高度需要20 m，如果只要使95%的雨滴達到其相應的終點速度，最小的降落高度可減少到7～8 m左右。哥德曼[10]提出，當雨滴的降落高度大于4.3 m時，就能使大雨滴達到終點速度的80%。美國、澳大利亞等國家的一些學者對雨滴下落速度也進行了研究，結果指出，具有初速度的下噴式噴頭，降雨高度達2 m時，就可滿足不同直徑的雨滴獲得2～2.9 mm/s的終點速度。本裝置采用噴嘴式噴頭，雨滴降落前已經獲得一定的初始速度，且降雨高度為2.5 m，雨滴直徑范圍為0.1～6 mm，因此可以使雨滴獲得2～2.9 mm/s的終點速度。

3結 論

設計的模擬降雨試驗裝置可用于大部分試驗中，通過模擬降雨，極大縮短試驗的周期性，解決降雨不確定性等問題。本裝置采用噴嘴式噴頭使雨滴降落前獲得一定的初速度，降雨高度為2.5 m，采用3種不同規(guī)格的噴頭使降雨與實際情況跟相似。經率定，單獨開啟小噴頭時，雨強范圍可調節(jié)在0.3～0.6 mm/min之間；單獨開啟中噴頭時，可用雨強范圍為0.6～1.0 mm/min；單獨開啟大噴頭時，雨強范圍為1.0～1.3 mm/min；小噴頭和中噴頭組合時，雨強范圍為1.3～1.6 mm/min；中噴頭和大噴頭組合時，雨強范圍可達到1.6～2.0 mm/min，在此范圍內降雨均勻系數均可達到85%以上。雨滴中數直徑的范圍為1.09～2.25 mm，最大雨滴直徑不超過6 mm，雨滴終點速度可達到2～2.9 mm/s，符合天然降雨的特點，模擬性良好。

[參考文獻]

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[10]陳文亮,王占禮.人工模擬降雨特性的試驗研究[J].水土保持通報,1991,11(2):55-62.

Design and Calibration of An Artificial Rainfall Simulator

SU Weina, TIAN Yimei, GAO Bo, ZHAO Peng

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract：[Objective] Designing an artificial rainfall simulator according to the rainfall characteristics required in surface-runoff water quality research in water environment field. [Methods] An artificial rainfall simulator was introduced, which has three specifications of nozzles in order to simulate different rainfall intensity by their open and close. [Results] By means of calibration, the rainfall intensity of this artificial rainfall simulator was 0.3～2.0 mm/min; and in that range of intensity, rainfall uniformity coefficients were all over 85%. The median diameter of raindrop was 1.09～2.25 mm; the maximum diameter was smaller than 6 mm; the raindrop terminal velocity was 2～2.9 mm/s. [Conclusion] The rainfall characteristics was similar to the natural rainfall. This device can be used to simulate the real rainfall.

Keywords:artificial rainfall simulator; rainfall intensity; nozzle; raindrop diameter

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)06-0120-04

中圖分類號：P481， S157

收稿日期：2014-09-28修回日期：2014-11-26

資助項目：環(huán)境保護部水體污染控制與治理科技重大專項“海河干流水環(huán)境質量改善關鍵技術與綜合示范”(2014ZX07203009)

第一作者：蘇溦娜(1989—),女(漢族),黑龍江省大慶市人,碩士研究生,研究方向為水環(huán)境。E-mail:xina_kid@163.com。