人工模拟降雨器研究综述

王　坤，袁慎崇（安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243000）

人工模拟降雨器研究综述

王坤，袁慎崇（安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243000）

在雨水径流的试验研究中，可以用人工模拟降雨的方法替代自然降雨，可以通过改变试验条件，模拟不同降雨过程，以替代在自然环境中无法达到的环境效果，并且可以将自然条件下得到的结果与人工模拟条件下进行对比，进一步深究人工模拟条件下与自然条件下所得结果的不同。介绍了人工模拟降雨器的研究概况，提出模拟降雨装置的评价标准，将人工模拟降雨器应用于雨水径流试验研究中。

人工模拟降雨器；研究概况；雨水；径流

随着城市的发展，不透水面积在城市下垫面的比例不断增加，不透水面积的增加导致径流量的增加。在利用天然降雨时常受到各种因素的限制，给试验工作带来极大困难，降雨过程本身的稳定性差，且受外界影响比较严重，另外在利用自然降雨时实验周期长，所以众多客观条件迫使我们加快研究人工模拟降雨的步伐。

1　降雨模拟器发展现状

由于我国在人工模拟降雨器的研制上起步较晚，所以关于人工模拟降雨器的研制方面所取得的成果是有限的，经过前人的研制，我国也相继出现了一系列降雨发生器，这些降雨发生器因出于不同的目的而制成，总结我国历年研制出的降雨发生器，大致可分表1中几种主要类型。

表1

降雨模拟器在国外被广泛用于多种土壤，农业和环境的研究。没有标准化降雨模拟，这些降雨模拟器的设计，降雨强度，空间雨量分布，液滴尺寸和下降的速度的不同，阻碍效果之间进行有意义的比较。国外关于降雨模拟器有很多种介绍，但总结他们的主要特征确大致相同，根据其特征将主要降雨模拟器列表如表2。

2　降雨模拟器分类

根据试验的要求，现有的降雨模拟器有多种不同的形式。目前发展的人工降雨模拟器主要有以下四种形式：

（1）悬线式：水在出口处以水滴形式落地，这种形式的模拟的降雨雨滴是均匀的，且初始降落速度为0，雨滴大小与水压力无关，仅与悬线的粗细有关；

（2）针头式：降雨雨滴特性与悬线式相类似，其下落初始速度基本为0，降雨均匀度较高；

（3）管网式（喷洒式）：是在一些平行的细管上钻有一系列小孔，水以一定的初速从孔中喷出，以雨滴的形式落到地面，这种形式的雨滴直径是不均匀的，降雨强度可通过不同大小的孔径或供水压力来调节；

表2

（4）喷头式（喷嘴式、喷射式）：水以一定的初速度从喷头中喷出，在空中分散成大小不一的水滴降落到地面，其雨滴特性类似于管网式。

3　降雨模拟器的评价参数

3.1降雨均匀数

降雨分布均匀性可通过降雨均匀性系数K来评价，K值越大，均匀性越好。测定时在降雨面上布设一组雨量筒作为测点，根据各个测点的降雨量，按式：

式中：K为降雨均匀性系数，%；Hi为降雨面上的测点雨量，mL；H为降雨面上的平均雨量，mL；n为降雨面上的测量点数。

3.2降雨强度

目前我国的模拟降雨装置的降雨强度控制方式主要是调节流量和控制压力。喷头式降雨发生器主要是通过不同的喷头和不同的喷嘴直径组合来实现不同的降雨强度。针头式降雨发生器主要是通过改变针号和针数来实现模拟较宽范围的降雨强度，大雨强的装置主要是通过调节供水量和调节振动台的频率来实现不同雨强的效果。管网式降雨发生器也是通过调节管道流量来调节降雨强度。但这些改变雨强的方式遇到雨强时刻变化的情形就很难实现，需要不断改变它们的参数，由于操作过程难免会产生误差，所以最终会产生较大的误差，最终也难以实现时刻变化的降雨强度。

3.3雨滴直径大小及分布

雨滴直径一般采用色斑测定法测定。先在滤纸上涂刷一层曙红与滑石粉混合色料用于雨滴取样。取样后，量出雨滴的色斑直径D，将不同大小的色斑直径分类统计出来，由换算公式d=aDb（计算公式中选用a=0.322，b=0.742），将色斑直径D代入，得到各类雨滴直径d。然后分类统计，计算出不同直径的质量或体积的和，并求出它们在降雨总量中所占的百分数，最后根据累积百分数，得到雨滴的中数直径。

3.4雨滴动能

美国学者罗斯等关于天然降雨雨滴的研究表明，天然降雨雨滴大小的分布，波动在0.1～6mm，其相应的终点速度为2～2.9m/s。同时根据美国、澳大利亚等国家的一些学者对雨滴下落速度的研究，具有初速度的下喷式喷头，降雨高度达到2m时，就可满足不同直径的雨滴获得2～2.9m/s终点速度。

4　结论与展望

降雨模拟是雨水径流试验研究的重要手段。根据降雨雨滴形式，模拟降雨装置一般可分为悬线式、针头式、管网式和喷头式等4种形式。目前的人工模拟降雨装置研究主要向微型化和智能化发展，微型的人工模拟降雨装置移动方便，能够更好的应用于野外各种试验，智能化能够很好的控制降雨，使降雨更加逼真地模拟天然降雨的真实情况。人工模拟降雨装置的研制的发展经历了由简单到复杂、由人工控制到电脑控制的转变，但是天然降雨千变万化，目前还是难以准确地模拟出天然降雨。由于人工模拟降雨装置在实验中的优越性，在今后的雨水径流研究中，应用人工模拟降雨装置进行实验已成为必然的选择。

［1］黄 毅，曹忠杰.单喷头变雨强模拟侵蚀降雨装置研究初报［J］.水土保持研究，1997，4（4）：105～110.

［2］刘素媛，韩奇志，聂振刚，等.SB-YZCP人工降雨模拟装置特性及应用研究［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4（2）：47～53.

［3］陈文亮，唐克丽.SR型野外人工模拟降雨装置［J］.水土保持研究，2000，7（4）：106～110.

［4］高小梅，李兆麟，贾 雪，等.人工模拟降雨装置的研制与应用［J］.辐射防护，2000，20（1～2）：86～90.

［5］徐向舟，张红武，董占地，等．SX2002管网式降雨模拟装置的试验研究．中国水土保持，2006（4）：8～11.

［6］郑粉莉，赵 军．人工模拟降雨大厅及模拟降雨设备简介．水土保持研究，2004，11（04）：177～178.

TV213

A

2095-2066（2016）26-0250-02

2016-9-2