蘇溦娜, 田一梅, 高 波, 趙 鵬

(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300072)

人工模擬降雨裝置的設(shè)計(jì)及其參數(shù)率定

蘇溦娜, 田一梅, 高 波, 趙 鵬

(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300072)

摘要：[目的] 針對(duì)水環(huán)境領(lǐng)域中地表徑流的水質(zhì)研究所需的降雨特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種人工模擬降雨裝置。 [方法] 該模擬降雨裝置采用3個(gè)規(guī)格不同的噴嘴式噴頭，利用不同噴頭的啟閉與組合實(shí)現(xiàn)不同雨強(qiáng)的模擬。 [結(jié)果] 經(jīng)率定，此裝置降雨強(qiáng)度可達(dá)0.3～2.0 mm/min，在此范圍內(nèi)降雨均勻系數(shù)均在85%以上，雨滴中數(shù)直徑的范圍為1.09～2.25 mm，最大雨滴直徑不超過(guò)6 mm，雨滴終點(diǎn)速度可達(dá)到2～2.9 mm/s。 [結(jié)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(shí)的降雨情況。

關(guān)鍵詞：模擬降雨裝置; 雨強(qiáng); 噴頭; 雨滴直徑

近年來(lái)，中國(guó)對(duì)雨水利用、水土保持等方面的研究逐步深入，而此類(lèi)研究都需要以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，然而降雨的不確定性給研究工作帶來(lái)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(chǎng)次過(guò)少，滿足不了數(shù)據(jù)收集的要求。因此，越來(lái)越多的研究人員采用人工模擬降雨的方式進(jìn)行試驗(yàn)研究。早在20世紀(jì)30年代初，就有學(xué)者使用噴壺作為雨滴發(fā)生器來(lái)進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，這就是最早最簡(jiǎn)單的人工模擬降雨器。隨后使用一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的噴管形式，作為降雨器[1]。隨著對(duì)于降雨特性的研究逐漸深入，中國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始應(yīng)用人工模擬降雨裝置進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)[2]。此后，人工模擬降雨裝置的研制受到了重視，不同類(lèi)型的模擬降雨裝置被研制出來(lái)并逐步得到改善，應(yīng)用于各類(lèi)水土保持、水質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域。1997年，黃毅等[3]研制出單噴頭變雨強(qiáng)模擬降雨裝置，有效降雨面積為20～40 m2，降雨強(qiáng)度30～150 mm/h，降雨均勻系數(shù)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(dòng)、組合、側(cè)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(nèi)振動(dòng)灑落水滴來(lái)模擬降雨的方法，研制了具有降雨強(qiáng)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(yàn)的準(zhǔn)確性，通過(guò)率定各降雨特性參數(shù)，并與天然降雨相比較，有利于保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。通過(guò)模擬降雨器可以使降雨具有可控性，方便試驗(yàn)研究，例如通過(guò)降雨器控制雨強(qiáng)的大小，可以研究不同雨強(qiáng)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(duì)土壤侵蝕程度的影響。因此，針對(duì)目前人工模擬降雨裝置的特點(diǎn)和不足，結(jié)合天然降雨的特點(diǎn)，本文主要針對(duì)水環(huán)境領(lǐng)域中地表徑流的水質(zhì)研究所需的降雨特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人工模擬降雨裝置，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)率定。

1降雨裝置與測(cè)定方法

1.1　降雨裝置的設(shè)計(jì)

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(lèi)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(guò)調(diào)節(jié)供水壓力來(lái)改變雨強(qiáng)；噴灑式是利用一些平行的細(xì)管上不同直徑的小孔，通過(guò)變化供水壓力使小孔噴出的水滴以不同雨強(qiáng)降落；懸線式是水在懸線中以水滴形式離開(kāi)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(guò)針頭末端降落到地面。本文所設(shè)計(jì)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(diǎn)。本裝置設(shè)有3個(gè)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(duì)不同強(qiáng)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(shí)情況。噴頭安裝于門(mén)字型支架上，其中一側(cè)的支架兼具過(guò)水和支撐的作用，使用電磁閥控制三個(gè)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(shè)有壓力表(0～0.6 MPa)和渦輪流量計(jì)(L10403028)，水泵采用SZ037-B型號(hào)粵華牌不銹鋼離心泵(功率0.37 kW流量0～3.0 m3/h，揚(yáng)程35～12 m，汽蝕余量2.5 m)，水泵采用福建巨龍電機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的三相異步電動(dòng)機(jī)(型號(hào)SZ-YS6332，功率0.37 kW，電壓220/380 V，電流1.77/1.02 A，頻率50 Hz)進(jìn)行變頻調(diào)速，以便調(diào)節(jié)流量大小。降雨支架可拆卸，支架下方設(shè)有滾輪，方便移動(dòng)。裝置整體高3 m，寬2 m，本裝置同時(shí)具備手動(dòng)和自動(dòng)功能，可以滿足不同的試驗(yàn)要求。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　模擬降雨裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2　測(cè)定方法

本裝置主要用于研究地表徑流的小試試驗(yàn)，實(shí)際降雨面積可達(dá)2 m×2 m，根據(jù)徑流收集的試驗(yàn)要求，主要針對(duì)噴頭下方1 m×1 m的范圍內(nèi)對(duì)降雨強(qiáng)度、均勻性、雨滴大小及分布、雨滴終點(diǎn)速度進(jìn)行率定及分析，以比較模擬降雨與真實(shí)降雨的相似程度。

1.2.1降雨強(qiáng)度采用叢臺(tái)創(chuàng)美儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的自記式雨量計(jì)在噴頭下方中心位置進(jìn)行雨強(qiáng)的率定。通過(guò)調(diào)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(dá)到對(duì)雨強(qiáng)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(shí)減小試驗(yàn)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(lèi)： (1) 繪制降雨量等值線圖。根據(jù)降雨量率定小區(qū)上各測(cè)點(diǎn)雨量筒的降雨量或測(cè)點(diǎn)的降雨強(qiáng)度，將其等值點(diǎn)連接起來(lái)，繪制成降雨量等值線圖。 (2) 以均勻系數(shù)大小為根據(jù)判斷，均勻系數(shù)越大，降雨均勻性越好。本裝置采用計(jì)算均勻系數(shù)的方法測(cè)定降雨均勻性，在降雨中心位置地面處呈正方形布設(shè)16個(gè)100 ml雨量筒，各雨量筒橫縱間距35 cm，利用公式1計(jì)算降雨均勻系數(shù)。

(1)

1.2.3雨滴直徑大小及分布中國(guó)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(cè)雨滴直徑。使用新華造紙廠生產(chǎn)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(zhì)量比1∶10混合均勻，試驗(yàn)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(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。在每種雨強(qiáng)下用3張濾紙收集雨滴，得到足夠數(shù)量的雨滴色斑。將濾紙掃描為圖片格式導(dǎo)入AutoCAD中，調(diào)整圖片大小使濾紙的直徑在CAD中測(cè)量為150 mm，則認(rèn)為此時(shí)圖片與實(shí)際的尺寸比例為1∶1。利用軟件中的“標(biāo)注”工具，標(biāo)出每個(gè)色斑的直徑大小。利用此方法，可以大大減小人工測(cè)量的誤差，并且對(duì)于較小的色斑也可以較準(zhǔn)確的測(cè)量。

2降雨率定試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　降雨強(qiáng)度

通過(guò)開(kāi)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(qiáng)的大小，率定結(jié)果詳見(jiàn)表1。由表1可知，雨強(qiáng)大小主要取決于管道壓力與噴頭規(guī)格。對(duì)于同種規(guī)格的噴頭，隨管道壓力的上升，雨強(qiáng)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(qiáng)也越大。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每種噴頭，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到一定值后，增大管道壓力只能使降雨面積增大，而雨強(qiáng)不再變化，說(shuō)明對(duì)于每種噴頭，都有各自的降雨極限能力，并不能通過(guò)無(wú)限制的加壓使降雨強(qiáng)度無(wú)限增大。對(duì)于本模擬降雨裝置，單獨(dú)開(kāi)啟小噴頭時(shí)，最大雨強(qiáng)可達(dá)0.6 mm/min；單獨(dú)開(kāi)啟中噴頭時(shí)，雨強(qiáng)可達(dá)1.0 mm/min；單獨(dú)開(kāi)啟大噴頭時(shí)，最大雨強(qiáng)為1.3 mm/min；小噴頭和中噴頭組合時(shí)，雨強(qiáng)上限為1.6 mm/min；中噴頭和大噴頭組合時(shí)，雨強(qiáng)可達(dá)到2.0 mm/min。

表1　不同型號(hào)噴頭雨強(qiáng)大小率定

2.2　降雨均勻性

對(duì)于每種噴頭，在不同壓力下均進(jìn)行均勻性測(cè)試，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，對(duì)于中號(hào)和大號(hào)噴頭，在管道壓力小于0.08 MPa時(shí)，均勻系數(shù)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(dòng)力不足，不能完全分散開(kāi)，因此降低了均勻性。其余場(chǎng)次均勻系數(shù)均在85%以上，部分能達(dá)到90%，裝置降雨均勻性良好。結(jié)合降雨均勻性可知，本模擬降雨裝置，單獨(dú)開(kāi)啟小噴頭時(shí)，雨強(qiáng)范圍可調(diào)節(jié)在0.3～0.6 mm/min之間；單獨(dú)開(kāi)啟中噴頭時(shí)，可用雨強(qiáng)范圍為0.6～1.0 mm/min；單獨(dú)開(kāi)啟大噴頭時(shí)，雨強(qiáng)范圍為1.0～1.3 mm/min；小噴頭和中噴頭組合時(shí)，雨強(qiáng)范圍為1.3～1.6 mm/min；中噴頭和大噴頭組合時(shí)，雨強(qiáng)范圍可達(dá)到1.6～2.0 mm/min。超出以上范圍的雨強(qiáng)在試驗(yàn)條件下均勻性均低于80%，不能較真實(shí)地模擬降雨情況。

2.3　雨滴直徑大小及分布

在AutoCAD中測(cè)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(qiáng)下3張濾紙中的色斑直徑帶入公式后得到雨滴直徑，分類(lèi)統(tǒng)計(jì)后，計(jì)算出不同直徑的體積和，導(dǎo)入Origin 8.0軟件中，得到每種雨強(qiáng)下雨滴直徑的累積曲線圖，并以此求出雨滴中數(shù)直徑。雨滴中數(shù)直徑是指雨滴累積體積百分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的雨滴直徑。以雨強(qiáng)為1.0 mm/min為例，累積曲線圖及雨滴中數(shù)直徑如圖2所示，得到各雨強(qiáng)下的雨滴中數(shù)直徑，結(jié)果列于表3中。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，模擬降雨中所有雨滴的直徑均小于6 mm，真實(shí)降雨中雨滴直徑通常為0.1～6.5 mm，符合真實(shí)降雨的雨滴范圍[8]。

圖2　雨強(qiáng)為1.0 mm/min時(shí)雨滴直徑的累積曲線

表2　模擬降雨裝置降雨均勻系數(shù)　%

表3　每種雨強(qiáng)時(shí)的雨滴中數(shù)直徑

對(duì)雨滴中數(shù)直徑進(jìn)行回歸分析得到公式(3)：

D50=0.2189I2.7659(R2=0.9486)

(3)

式中：I——雨強(qiáng)(mm/min)；D50——在此雨強(qiáng)下的雨滴中數(shù)直徑。

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

2.4　雨滴終點(diǎn)速度

勞斯[9]認(rèn)為要使所有不同大小的雨滴能達(dá)到其相應(yīng)的終點(diǎn)速度，其最小降落高度需要20 m，如果只要使95%的雨滴達(dá)到其相應(yīng)的終點(diǎn)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(dāng)雨滴的降落高度大于4.3 m時(shí)，就能使大雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度的80%。美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的一些學(xué)者對(duì)雨滴下落速度也進(jìn)行了研究，結(jié)果指出，具有初速度的下噴式噴頭，降雨高度達(dá)2 m時(shí)，就可滿足不同直徑的雨滴獲得2～2.9 mm/s的終點(diǎn)速度。本裝置采用噴嘴式噴頭，雨滴降落前已經(jīng)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(diǎn)速度。

3結(jié) 論

設(shè)計(jì)的模擬降雨試驗(yàn)裝置可用于大部分試驗(yàn)中，通過(guò)模擬降雨，極大縮短試驗(yàn)的周期性，解決降雨不確定性等問(wèn)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(shí)際情況跟相似。經(jīng)率定，單獨(dú)開(kāi)啟小噴頭時(shí)，雨強(qiáng)范圍可調(diào)節(jié)在0.3～0.6 mm/min之間；單獨(dú)開(kāi)啟中噴頭時(shí)，可用雨強(qiáng)范圍為0.6～1.0 mm/min；單獨(dú)開(kāi)啟大噴頭時(shí)，雨強(qiáng)范圍為1.0～1.3 mm/min；小噴頭和中噴頭組合時(shí)，雨強(qiáng)范圍為1.3～1.6 mm/min；中噴頭和大噴頭組合時(shí)，雨強(qiáng)范圍可達(dá)到1.6～2.0 mm/min，在此范圍內(nèi)降雨均勻系數(shù)均可達(dá)到85%以上。雨滴中數(shù)直徑的范圍為1.09～2.25 mm，最大雨滴直徑不超過(guò)6 mm，雨滴終點(diǎn)速度可達(dá)到2～2.9 mm/s，符合天然降雨的特點(diǎn)，模擬性良好。

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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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0120-04

中圖分類(lèi)號(hào)：P481， S157

收稿日期：2014-09-28修回日期：2014-11-26

資助項(xiàng)目：環(huán)境保護(hù)部水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)“海河干流水環(huán)境質(zhì)量改善關(guān)鍵技術(shù)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?yàn)樗h(huán)境。E-mail:xina_kid@163.com。