一种自循环式人工降雨模拟装置降雨特性的试验研究

蒋建清，程 超，蔡晶垚，夏 平，王 亮，肖邬旺

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

一种自循环式人工降雨模拟装置降雨特性的试验研究

蒋建清，程 超，蔡晶垚，夏 平，王 亮，肖邬旺

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

结合天然降雨特性，研制了一套适于岩土工程降雨模型试验和水土保持的自循环式人工降雨模拟装置，并对其降雨特性进行了率定试验，得到了该装置降雨强度与控水阀门开度、降雨动能与降雨强度、雨滴平均直径与滤纸色斑平均直径等特征量之间的计算关系式及雨滴直径累积频率分布曲线．结果表明：该装置实现了雨水自循环利用，可模拟的降雨强度范围为4.65 mm/h-406.05 mm/h，降雨均匀度超过85 %，雨滴粒径和雨滴终点落地速度分别在0.94-2.16 mm、3.69-7.14 m/s之间，模拟降雨与天然降雨的相似度好，为实验室为在短期内开展大批量降雨模型试验和获取实验数据提供了保障．

雨水自循环；降雨模拟装置；降雨特性；研制；率定

在实验室使用降雨模拟装置进行雨水入渗岩土工程稳定性、土壤入渗、坡面产流和土壤侵蚀等方面的研究，不仅具有经济性、便捷性、可控性、重复性等优点，还可以控制实验进程，缩短实验周期．目前，降雨模拟装置主要有4种类型，即管网式、针管式、悬线式和喷嘴式[1]．比如，徐向舟等[2]研制的 SX2002管网式降雨模拟装置，其降雨高度为3.5 m，降雨面积为3.5 m×2.5 m，降雨强度范围为1.0-4.0 mm/min，降雨均匀度超过80 %，雨滴粒径为0-3 mm；孙恺等[3]研制针管式人工降雨装置，其降雨高度为1.6 m，降雨面积为196 250 mm2，降雨强度范围0-15 mm/h，降雨均匀度超过90 %，雨滴粒径为0-10 mm；Bowyer-Bower[4]研制的悬线式降雨模拟器，其采用了内径0.7 mm、外径2-3 mm长15 mm的聚乙烯管，雨滴中径为2-3 mm；霍云梅等研制的旋转下喷式降雨装置[5]、苏溦娜等研制的喷嘴式降雨模拟装置[6]和张晶玲等研制的摇臂上喷式降雨模拟装置[7]．各种类型降雨模拟装置的降雨特性均不尽相同，其中针管式降雨装置降雨强度控制范围有限；悬线式降雨装置在国内应用不多；喷嘴式降雨装置主要应用于室外，且侧喷式装置因雨滴直径较大而受风影响大，下喷式的雨滴落地破坏力不易计算，上喷式的降雨均匀度不够稳定．此外，现有降雨模拟装置研制尚存在雨水难以自循环利用、试验周期较长、设备安装调试复杂、试样淋雨平台不便于上人操作等问题．在装置的降雨特性率定方面，国内外对降雨强度、降雨均匀性、雨滴直径、雨滴终点落地速度与降雨动能等开展了研究．比如，吴光艳[8]等通过对天然降雨雨滴特征的研究验证了雨滴直径特征符合 Best分布函数；美国学者罗斯等人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0-6 mm[9]．但是，不同人工模拟降雨装置由于其产生降雨的机制不同，亦需有针对性地开展降雨特性试验研究．

因此，本文借鉴国内外降雨模拟装置的经验，研制了一套自循环式人工降雨模拟装置，并开展了该装置在不同雨强条件下的降雨强度、降雨均匀性、雨滴直径、雨滴终点落地速度与降雨动能等降雨特性率定试验，为实验室在短期内开展大批量降雨模型试验和获取实验数据提供保障．

1 试验材料与方法

1.1 人工降雨模拟基本原理

降雨装置雨滴的动能是模拟天然降雨侵蚀的最好参量[10]．当降雨高度不变且雨滴大小均匀，即雨滴终点落地速度v为常数时，时间t内降雨对淋雨平台单位面积上试验土体作用的总动能为

式中：E为时间段t内单位面积上的降雨对淋雨平台作用的总动能(J/(m2·s))；m为时间段t内单位面积上的降雨总质量(kg/m2)；v为雨滴终点落地速度(m/s)；r为雨滴密度(kg/m3)；I为降雨强度(mm/h)；t为降雨持续时间(s)；k为常数．

因此，在人工降雨模拟试验中，保证降雨高度不变，并使雨滴的大小及其分布基本不变，则只需通过调整装置的降雨强度就能控制相应的降雨动能，即降雨能量相似可通过相应的雨强来表达．另外，理想的降雨模拟装置所产生的人工降雨的主要降雨特性还包括降雨强度、降雨均匀性、雨滴直径分布、雨滴降落终点速度等，本文主要针对这些特征进行率定实验，分析自循环式人工降雨模拟装置产生的人工降雨与天然降雨的相似性,为该装置用于科学实验提供依据．

1.2 人工降雨模拟系统

研制的自循环式人工降雨模拟装置属于管网式降雨装置，由降雨系统、自循环供水系统、支撑系统和试样淋雨平台等四大部分组成，如图1所示．该装置由潜水泵供水，水流经过供水系统输送到降雨系统，产生稳定降雨．通过调节导水管上的控水阀门的开度，调整降雨强度，从而控制相应的降雨动能．

图1 自循环式降雨模拟装置

降雨装置的降雨系统由降雨管网、导水管和挡雨帷幕组成，降雨面积约 8 m2．降雨管网由PVC管拼接而成，固定在支撑系统顶部，每根PVC管钻设降雨喷孔；导水管位于降雨管网两侧．

降雨装置的自循环供水系统由简易蓄水池、潜水泵、连接蓄水池与降雨系统的进水管及安装于进水管上的控水阀门和水压表组成．其自循环原理为潜水泵将蓄水池内的水通过进水管输送至导水管，再由导水管导入降雨管网，降雨管网中的雨水降到管网正下方的试样淋雨平台上，然后通过模板上的透水孔重新回到蓄水池，如此循环，整个过程既环保又节水．蓄水池池壁由固定在支撑系统上的模板组成，其防水层由多层防水帆布与防水薄膜组成；进水管采用PVC材料制成．

降雨装置的支撑系统由钢管组装而成，包括立杆、纵向支撑杆、横向支撑杆和连接扣件．降雨装置试样淋雨平台由带透水孔的模板铺装而成，通过支撑系统固定在蓄水池上方，不仅能在淋雨平台同时布置多个雨水入渗侵蚀试验模型，还能上人安装试样模型、进行试验操作及数据采集．

1.3 降雨特性参数率定取样点

采用等距取样法在试样淋雨平台上确定共35个取样点，并在采样点上摆放雨量计，形成阵列，如图2所示．待降雨达到稳定后，依次进行降雨强度、降雨均匀性、雨滴直径、雨滴终点落地速度与降雨动能等降雨特性试验．

图2 降雨模拟装置率定实验取样点分布

2 试验结果与分析

2.1 降雨强度及降雨均匀性

降雨强度是指单位时段内的降雨量，采用自制简易雨量计率定降雨强度，每场降雨结束后，用量筒测量每个雨量计的降雨量．为防止喷孔被杂质堵塞而影响降雨的均匀性，率定前先将供水压力调整到较大值，把积存在管网内的杂质冲出，再在每1个取样点分别放置雨量计，确保雨滴经过漏斗进入相应雨量计的量筒中．率定时，在控水阀门不同开度下，分别测出各取样点上雨量计的降雨量Xi，再求出各取样点的平均降雨量，控水阀门不同开度下降雨装置的平均降雨强度为

式中：为试样淋雨平台上各取样点的平均降雨强度(mm/h)；为试样淋雨平台上各取样点的实测平均降雨量(mm)．根据实测平均降雨强度的计算结果，绘制平均降雨强度—控水阀门开度的拟合曲线(见图3)，得到降雨装置降雨强度的线性拟合计算公式

式中：I为降雨装置降雨强度的拟合推算值(mm/h)；q为控水阀门开度(°)．式(3)可以指导用于实验的降雨强度设计，由式(3)计算可得，装置可模拟的降雨强度范围为4.65 mm/h-406.05 mm/h．

图3 控水阀门开度-降雨强度拟合曲线

装置的降雨均匀性可根据同一时段内降雨面上多个测点的降雨量来计算，降雨均匀度

式中：K为降雨均匀度(%)；Xi为各取样点上雨量计的实测降雨量(mm)；n为取样点个数，取为35．由式(4)计算可得，在不同降雨强度下，装置的降雨均匀度均超过85 %．限于篇幅，列举2例，如下：降雨强度为 30 mm/h时，降雨均匀度为90.91 %，其降雨强度等值线见图4(a)；降雨强度为150 mm/h时，降雨均匀度达到了96.73 %，其降雨强度等值线见图4(b)．

2.2 雨滴直径的率定试验

雨滴直径的大小是影响降雨落地速度的重要参数．理论上，一定高度的天然雨滴受自身重力作用降落时，随着速度的不断增大，受到的空气阻力也不断增大，从而变形破裂，体积不断变小，因此雨滴直径一般不会超过 6 mm．目前，率定雨滴直径的方法主要有：面粉球法、摄影法以及色斑法．本文采用历史悠久、适用广泛的滤纸色斑法，利用不同孔径的注射针头模拟雨滴，该方法基于水滴在同种滤纸材料上产生的色斑大小与水滴的真实粒径大小成正比的假定．预先率定滤纸色斑直径与雨滴真实粒径之间的关系，然后通过量测降雨装置的雨滴在相同滤纸材料上形成的色斑大小推算相应的雨滴粒径．

图4 降雨强度等值线

先将针头装在注射器上，并向注射器内注入一定量的清水，用电子秤称量含水注射器的质量；然后，将经过细致研磨的高锰酸钾粉末与滑石粉按1︰4(质量比)比例搅拌均匀，并尽可能薄地涂于滤纸表面；最后，从滤纸正上方一定高度处将注射器中的清水滴到滤纸上，滴满一张滤纸并注意使水滴大小均匀且色斑不粘在一起，完成后测定注射器(含剩余水)的质量．用不同孔径的针头重复上述步骤若干次，得到若干雨滴色斑(代表性色斑见图5)．

图5 雨滴色斑

如果一张滤纸上总共有n个雨滴，可按

计算雨滴实际粒径的平均直径式中：为雨滴实际粒径的平均直径(mm)；为一张滤纸上所有雨滴的质量(g)；m为一张滤纸上雨滴的个数；r为水的密度；π为圆周率．

根据试验中率定的水滴直径与相应的色斑直径的实测和计算结果，绘制雨滴直径—色斑直径拟合曲线图(见图6)．

图6 雨滴直径—色斑直径拟合曲线图

分析得到雨滴实际粒径的平均直径和滤纸色斑直径平均值之间的推算公式

在降雨装置模拟降雨试验中，可通过式(6)由雨滴在滤纸上形成的色斑大小推算雨滴实际粒径．先将海绵平放在雨滴直径取样盒底板上，再将涂好粉末的滤纸平放在海绵上，合上盖板．调节控水阀门，在降雨达到稳定后，依次在每个取样点上放置取样盒，均匀滑动取样盒盖板，当雨滴落到滤纸上的瞬间，立即合上盖板，并取出取样盒．经过若干次降雨采样后，可以得到若干降雨装置雨滴色斑谱．通过分析，可得到装置的雨滴直径累积频率分布曲线(见图 7)，雨滴粒径在0.94 mm-2.16 mm之间．

图7 降雨装置雨滴直径累积频率分布曲线

2.3 雨滴终点落地速度与降雨动能的率定试验

雨滴终点落地速度是研究降雨动能的重要参数．采用目前应用较广的公式计算雨滴终点落地速度，即当雨滴直径时，采用修正的沙玉清公式

式中，为雨滴终点落地速度(m/s)．由式(7)或(8)计算可得，装置的雨滴终点落地速度的范围在3.69 m/s-7.14 m/s，与天然降雨终点速度(1.58 m/s-9.44 m/s[11-12])有较好地相似性．

得到所有雨滴样本的终点落地速度，即可计算单个雨滴的降雨动能．因为装置降雨稳定且都是降雨样本随机取样，可认为一次降雨的能量为多组样本降雨能量的组合．单位时间单位面积内一定降雨强度条件下的降雨动能可用

计算．式中：为单位时间单位面积内降雨动能；为一次取样的雨滴降雨能量和；s为取样纸的面积；t为在雨中取样时间．由此计算试验降雨强度条件下的降雨动能，装置的降雨动能随降雨强度的变化如图8所示，并对降雨动能和降雨强度作回归分析,可以得到降雨强度与降雨动能的关系式在图示的降雨强度范围内，降雨动能与降雨强度有着良好的线性关系，通过控制降雨强度可以实现降雨动能相似，已知降雨强度就可以计算出其各次降雨降雨动能，用以指导降雨实验分析．

图8 降雨动能随降雨强度的变化趋势

3 结论

(1)自循环式人工降雨模拟装置模拟降雨与天然降雨的相似程度较高，实现了雨水自循环利用，装置可控性好、性能稳定，可模拟的降雨强度范围为4.65 mm/h -406.05 mm/h，降雨均匀度超过85 %，雨滴粒径在0.94 mm-2.16 mm之间，雨滴终点落地速度在3.69 m/s -7.14 m/s之间，可以满足人工模拟降雨试验要求，为实验室在短期内开展大批量降雨模型试验和获取实验数据提供了技术保障．

(2)自循环式人工降雨模拟装置的降雨强度—控水阀门开度关系式为降雨强度与降雨动能的关系降雨动能与降雨强度有良好线性相关关系，可通过调控雨强实现降雨动能与天然降雨的相似．

[1]夏平, 蒋建清, 蔡晶垚, 等. 人工降雨模拟装置的研制与工程应用进展综述[J]. 企业技术开发, 2015, 34(12): 4-6.

[2]徐向舟, 刘大庆, 张红武, 等. 室内人工模拟降雨试验研究[J].北京林业大学学报, 2006, 28(5): 52-58.

[3]孙恺, 张季如. 针管式人工降雨装置的研究与应用[J]. 武汉理工大学学报, 2013, 35(12): 125-129.

[4]Tas B B, Burt T P. Rainfall simulators for investigating soil response to rainfall[J]. Soil Technology, 1989, 2(1): 1-16.

[5]霍云梅, 毕华兴, 朱永杰, 等. QYJY-503C人工模拟降雨装置降雨特性试验[J]. 中国水土保持科学, 2015, 13(2): 31-36.

[6]苏溦娜, 田一梅, 高波, 等. 人工模拟降雨装置的设计及其参数率定[J]. 水土保持通报, 2015, 35(6): 120-123.

[7]张晶玲, 周丽丽, 黄毅. 摇臂上喷式降雨模拟器降雨特性分析[J]. 中国水土保持科学, 2016, 14(6): 125-130.

[8]吴光艳, 郝民利, 刘超群, 等. 天然降雨与人工降雨特性的研究[J]. 人民珠江, 2013(2): 5-7.

[9]任树梅, 刘洪禄, 顾涛. 人工模拟降雨技术研究综述[J]. 中国农村水利水电, 2003(3): 73-75.

[10]Wischmeier W H, Smith D D. Rainfall energy and its relation to soil loss[J]. Transactions American Geophysical Union, 1958,39(2): 285-291.

[11]吴长文, 徐宁娟. 摆喷式人工降雨机的特性试验[J]. 南昌大学学报, 1995, 17(1): 58-66.

[12]赵志进, 李桂英. 人工模拟降雨机具和方法的发展研究与展望 [J]. 中国水土保持学报, 1989(5): 30-33.

(责任编校：徐赞)

Experimental Study on Rainfall Characteristics of Self-circulation Artificial Rainfall Simulator

JIANG Jian-qing,CHENG Chao,CAI Jing-yao,XIA Ping,WANG Liang,Xiao Wu-wang
(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

In view of the shortage of the existing rainfall simulation device and the characteristics of the natural rainfall, a self-circulation artificial rainfall simulator for soil and water conservation and geotechnical engineering rainfall model test was developed and its rainfall characteristics were tested. The relationship between the rainfall intensity and the opening degree of water control valve, the rainfall kinetic energy and the rainfall intensity, the average diameter of raindrop and the mean diameter of filter paper were calculated and the accumulated frequency distribution curve of rainfall droplet diameter was obtained through the experimental study of rainfall characteristics. The results show that the similarity between the simulated rainfall and the natural rainfall is quite high, and it can simulate the rainfall intensity of 4.65 mm/h -406.05 mm/h. The rainfall uniformity is more than 85 %, the size of raindrops is between 0.94 mm and 2.16 mm, and the falling speed of the rain drops is between 3.69 m/s and 7.14 m/s. The device has realized the self-recycling of rainwater and provided technical guarantee for the laboratory to carry out large-scale rainfall model tests and obtain experimental data in a short time.

rainwater self-recycling; rainfall simulation device; rainfall characteristics; development;rate

TU 41

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0001

1672–7304(2017)02–0001–05

2017-02-16

国家自然科学基金项目(51308198)；湖南省教育厅科研项目(14B034)

蒋建清(1979-)，男，湖南宁乡人，副教授，博士，主要从事岩土工程、结构工程研究，E-mail: lh201314@163.com.