人工模拟降雨装置的设计及其参数率定

[目的]针对水环境领域中地表径流的水质研究所需的降雨特点,设计了一种人工模拟降雨装置。[方法]该模拟降雨装置采用3个规格不同的喷嘴式喷头,利用不同喷头的启闭与组合实现不同雨强的模拟。[结果]经率定,此装置降雨强度可达0.3~2.0mm/min,在此范围内降雨均匀系数均在85%以上,雨滴中数直径的范围为1.09~2.25mm,最大雨滴直径不超过6mm,雨滴终点速度可达到2~2.9mm/s。[结论]该装置模拟降雨与天然降雨的相似程度较高,可用于模拟真实的降雨情况。     

QYJY-503C人工模拟降雨装置降雨特性试验

为了使基于人工模拟降雨装置的水土保持试验更可靠,采用人工降雨试验方法,通过研究QYJY-503C人工模拟降雨装置的降雨特性,探讨该装置在水土保持科学试验中的适用性。结果表明:1)雨滴达到终速时雨滴-色斑直径的关系为d=0.383 9D0.709;2)QYJY-503C人工模拟降雨装置有效降雨均匀度超过80%;3)在试验范围内,雨滴直径随降雨强度增大而增大,雨滴中数直径与降雨强度呈d50=0.559 5I0.280 5的幂函数关系,相同降雨强度条件下的雨滴直径较天然雨滴偏小20%~70%;4)降雨动能与降雨强度呈E=0.004 2I-0.021的线性关系,可通过控制降雨强度实现降雨动能与天然降雨的相似性;5)QYJY-503C人工模拟降雨装置性能稳定、可控性强,可适用于室内土壤侵蚀的研究。     

DQSY型模拟降雨装置研制通报

 在分析、借鉴国内外研制经验的基础上,研制单喷头曲面设计、双层喷射变雨强弹簧调节的野外模拟降雨喷头,实现了以单喷头替代多喷头组合式模拟降雨装置,并达到同样模拟降雨效果。由于喷头采用曲面设计,确保喷射水舌有规律地变化;模拟雨滴动能接近于天然降雨动能;模拟降雨过程均匀;喷射面积稳定。实测证明:雨滴中数直径为0.574.26mm,降雨均匀系数≥0.8（±0.05）,降雨面积为150 m2,模拟降雨强度为30～240 mm/h。     

摇臂上喷式降雨模拟器降雨特性分析

降雨模拟器是进行室内或野外土壤侵蚀规律研究、降雨产流及入渗过程研究等的有效手段,目前野外降雨模拟器存在喷头安装高度大、有效降雨区域较小、与天然降雨有一定差别等问题,本文针对以上问题研制出一种可广泛使用的摇臂上喷式降雨模拟器.通过率定降雨面积、降雨强度与均匀系数、雨滴中数直径、终点速度与雨滴动能六大降雨特性,探讨该降雨装置的适用性.结果表明:该装置的降雨面积可达到100 m2,降雨均匀系数为41％;当降雨面积为50 m2,供水压力为0.32 kg/cm2时,平均最大降雨强度为116.25 mm/h,最小降雨强度为61.01 mm/h,降雨均匀系数最大值为82％,最小值为46％,平均雨滴中数直径D50为1.67 mm,平均雨滴终点速度为3.656 m/s,平均雨滴动能为299.4 J/(m2·cm).该装置具有能耗小、重量轻、操作简单、便于移动等优点,符合天然降雨规律,可满足一般田间和野外试验的要求.     

基于雨滴谱的人工降雨系统效能评估

采用德国HSC-OTT Persivel32激光雨滴谱探测仪,结合中国科学院水循环与陆表过程重点实验室的人工降雨系统,从均匀性、雨强、雨滴谱、雨滴终点速度和动能5方面评估人工降雨系统模拟降雨的特征及其与自然降雨的相似性。结果表明:(1)该降雨系统模拟降雨均匀系数为0.83,降雨均匀性较好;当模拟雨强I≤1.0mm/min时降雨可靠性较高,模拟雨强I1.0mm/min时,受降雨系统喷头孔径等因素影响,实际雨强小于设计值,可靠性较低;短历时模拟降雨开始的第1min和结束的最后1min实际雨强远小于设计雨强,数据不可靠;建议开展短历时模拟降雨试验时恰当延长降雨时间,选取其中较可靠的数据以减少试验结果误差。(2)该模拟降雨雨滴直径在0.1~1.9mm之间,平均直径0.9mm,比自然降雨的雨滴直径0.1~6.5mm要小;该模拟降雨的雨谱分布符合自然降雨Best函数分布。(3)直径在0.3~0.7mm范围内的雨滴其终点速度与自然降雨拟合较好,当雨滴直径0.3mm和0.7mm时,雨滴终点速度可靠性较低。(4)该系统模拟降雨的雨滴动能可靠性不高,当雨滴直径≥0.6mm时,该雨滴动能小于自然降雨;当雨滴速度2.0m/s时雨滴动能大于自然降雨。建议通过选择合适的喷嘴内径尺寸和数量组合提高雨滴直径可靠性,从而实现雨强和降雨动能与自然降雨的一致。     

小流域径流调控模型降雨特性模拟研究

基于小流域模型降雨试验研究中存在的不足,在模型模拟试验的基础上,将计算机矢量化软件和色斑法相结合,分析了模型人工降雨雨强率定、雨滴取样、雨滴大小组成分布、降雨能量等降雨特性参数,得出不同喷头组合、不同水头压力条件下模型雨强在0.114~1.33 mm/min之间各场降雨雨滴中数直径为1.122 7~2.139 4 mm,模型降雨总动能为188.74~3 980.03 J/mm。     

槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机的雨强及其空间分布率定

人工模拟降雨机由于不受时间和空间的限制而成为研究降雨影响入渗、产流、冲刷、侵蚀产沙等动力学机理的重要试验手段。为解决我国目前降雨机模拟降雨特性与天然降雨特性相差较大的问题,设计了槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机。通过试验分别率定了该降雨机单喷头降雨雨强和多喷头组合降雨雨强的相关参数．以便为用户应用提供技术指标。该降雨装置在2．5m的高度下模拟的雨强范围为11．3～132．5mm／h。单喷头受雨面呈矩形,沿喷头摆动方向2．0m宽,垂直摆动方向2.7m长,受雨面积为5．4m^2。为形成均匀的雨强空间分布,需进行多喷头组合。组合实验表明,沿摆动方向的相邻喷头最佳距离为1．1m,沿垂直摆动方向的相邻喷头最佳距离为1.5～1．6m,组合后的雨强空间均匀性系数达到0．89以上。目前测试雨机的单机由5个喷头组成,相邻喷头为摆动方向,距离1.1m。用户可根据实验面积自行选择争机喷头数量和雨机数量．相邻雨机喷头间的水平距离建议为1．5～1．6m。     

降雨及坡面径流模拟试验相似准则

目前降雨径流模拟采用佛汝德准则,模拟结果与实际相差较大。该文采用理论分析方法,通过对降雨径流过程中各作用力大小的比较,确定降雨径流试验相似准则。根据薄层均匀流流速分布,确定了流域侵蚀产沙悬移相似条件。确定出降雨过程中雨滴直径小于1.0mm,主导准则为雷诺相似准则,雨滴直径大于1.0mm,不存在相似准则。考虑正常雨滴直径变幅为0.1～3.5mm,降雨相似可由坡面径流相似主导准则韦伯相似准则确定,几何比尺宜大于10。根据试验资料,验证了相似准则的合理性和精度。该研究可为降雨及坡面径流模拟试验设计提供参考。     

基于激光雨滴谱仪的降雨特征研究

激光雨滴谱仪的应用对于更清楚地认识自然降水的发展演变过程具有重要意义.利用激光雨滴谱仪记录不同模拟降雨条件下的降雨特征,分析雨滴谱,计算雨滴动能,并与自动气象站的测量降雨装置进行对比分析发现,激光雨滴谱仪测量值相对于自动雨量计测量值整体偏低,但两者观测到的每分钟降水量变化趋势基本一致.雨滴谱分析结果显示,雨滴平均直径与总动能、雨强相关性甚微,与雨滴数量呈负相关;雨强与降雨总动能、直径0.25～ 6.00 mm雨滴动能在0.01水平(双侧)上显著相关;直径0.25～6.00 mm雨滴动能对总动能贡献最大,占总动能的99％以上;5 min总动能与5 min雨强之间关系密切.     

基于计算机绘图软件的雨滴谱测定新方法

 为寻找天然降雨和人工模拟降雨特征及设计人工降雨装置的新方法,运用计算机绘图软件与传统色斑法相结合,探索出一种新的测量雨滴直径与数据处理方法。该方法弥补了传统色斑法在观测与数据转换方面工作冗繁、精度低的缺陷,使测量下限由1mm下降到0.2mm,测量范围扩大了一个数量级,大大减少了测量工作量,并得出雨滴直径与色斑直径率定关系式。对其普适性与优越性进行了检验,结果表明:在应用新方法对降雨雨谱进行分析时,所得公式最佳。     

Assessing the drop size distribution of simulated rainfall in a wind tunnel

The installation of a rainfall simulator inside the wind tunnel of I.C.E. (International Center for Eremology, Ghent, Belgium) enables to study the combined effect of wind and rain on the erosion processes. Simulated rainfall characteristics assessed were: the spatial distribution of the intensity in the working area of wind tunnel and the drop size distribution under different operating pressures and wind speed. The rainfall intensities varied between 37.9 mm h⁻¹ to 143.0 mm h⁻¹ depending on the number of operating nozzles, the applied pressure and the wind speed. Areas for different rain intensities with a uniformity coefficient higher than 80% were determined in the working area of the wind tunnel. Under simulated rainfall the raindrop diameter varied between 0.2 and 3 mm and this was affected by the operating pressure and by the wind speed. A narrower raindrop distribution and a smaller sorting coefficient, (D₇₅−D₂₅)/D₅₀, was obtained under wind-driven rain (oblique rain) compared to vertical rainfall (without wind).     

坡面水土流失比尺模型相似性的试验研究

通过不同比尺的系列模型试验,为坡面水土流失的比尺模型相似性研究,提供了原型和模型的降雨-产沙资料。试验结果表明,坡面产沙浓度随时间的变化有较强的紊动性,因此建议采用经验回归的方法率定降雨产沙的比尺关系;原型和模型的侵蚀产沙量都与雨强成幂函数相关,其雨强系数随模型几何比尺的增大而减小,而雨强指数的大小与坡面几何尺度的大小无关。     

滇中高原常绿阔叶林对天然降雨雨滴动能的影响

为探究滇中高原优势群落常绿阔叶林植被对降雨雨滴动能的影响,于2016年和2017年5—9月,在天然降雨条件下运用自计雨量计和滤纸色斑法,通过定位监测磨盘山常绿阔叶林林外降雨和林内穿透雨特征及其雨滴特性,针对不同降雨条件研究了常绿阔叶林对雨滴动能等特征的影响。结果表明:林外的雨滴个数比林内降雨的雨滴个数多61.7%;随着雨量的增大,雨滴直径分布规律也呈逐渐增大的趋势;在小雨条件下,0.5mm林外降雨雨滴直径数量占总雨滴数的40.85%,而同径级雨滴林内仅占总数的12.22%,且以0.5~3.5mm的雨滴数量所占比例较大;当林外降雨雨滴直径超过4.5mm,雨滴终点速度稳定在9.34m/s;林内降雨雨滴直径超过4.1mm,雨滴终点速度稳定在7.05m/s;同一雨滴径级下,暴雨条件下的雨滴动能比小雨时的动能大98.29%,且随降雨量的增大而增大,林内累积雨滴动能的峰值达到林外降雨的20.68%。随着雨滴直径的增大,穿透雨势能、降雨总势能及林冠截留势能均呈逐渐增大的趋势,缓冲势能比穿透雨势能大46.59%,占总势能的65.18%。林冠层对小雨具有截持和增大林内降雨雨滴直径的作用,且造成林内降雨的滞后性,林冠对天然降雨的降雨速度、势能及动能起到明显的缓冲作用。     

人工模拟降雨的能量相似及其实现

 能量相似是降雨模拟的基本原则。通过对雨滴粒径、雨滴击溅速度、降雨均匀度等能量相似要素的分析和探讨,提出实现降雨模拟能量相似的重要手段,即在降雨高度、雨滴发生器等条件不变的情况下,通过调节雨强来实现降雨能量的相似;通过加大供水压力等手段可提高降雨动能,所以在降雨模拟实践中,降雨高度不一定需要达到使所有粒径的雨滴均达到终速所需的高度。     

基于粒子成像瞬态测量技术的雨滴微物理特性及降雨动能研究

雨滴微物理特性及降雨动能是揭示降雨物理本质的重要特征量,亦是开展侵蚀定量分析与建立侵蚀量预报模型的基础。采用粒子成像瞬态测量可视化技术观测自然降雨雨滴,结合计算机视觉识别技术解算雨滴微物理特性参数,同时采用虹吸式自记雨量计记录自然降雨降雨强度。研究表明:该次降雨雨滴以中等粒子为主,雨滴直径均值为1.52 mm,降落末速度均值为3.47 m/s,其中直径在1.00~3.00 mm范围内的雨滴占样本总数的87.21%。雨滴直径和降落末速度呈显著的对数关系。基于实测的雨滴微物理特性和降雨强度估算降雨动能,该结果与传统的经验模型估算结果相对误差均值为7.28%。该方法得到的降雨动能较以往的经验模型能更真实的反应雨滴降落过程中的做功大小,为准确计算降雨过程中雨滴所造成的溅蚀量奠定基础。     

泾河南小河沟流域自然降雨特性

采用德国HSC-OTT Persivel32激光雨滴谱探测仪监测南小河沟流域自然降雨的雨滴谱,分析不同雨型自然降雨雨滴特征及其分布规律,并分析了降雨特性各要素间的相互关系。结果表明:(1)该区自然降雨雨滴直径集中在0.3~1.5mm,与黄土高原利用传统的滤纸色斑法测定结果基本一致,但略小于东北和闽南地区。当雨强I10mm/h时,雨滴中数直径随雨强的增大而增大;当I≥10mm/h时,雨滴中数直径骤然下降,这在一定程度上和雨强增大后大雨滴破裂有关。该地区雨谱随雨强的变化可用Best分布拟合。(2)普通型降雨雨滴数量随直径的分布曲线较平缓,其动能与雨强呈线性相关;而短阵型降雨的雨滴数量随直径的分布曲线较陡峭,其动能与雨强呈幂函数关系。两种雨型的降雨动能均随雨强的增大而增大,但短阵型降雨动能增大的更快,因此短阵型降雨的侵蚀力更大。     

雨滴击溅对耕作层土壤团聚体粒径分布的影响

为研究不同雨滴直径的降雨对耕作层团聚体的破碎及其粒径分布特征的影响,该文选取4个雨滴直径(2.67~3.79 mm)对耕层土壤(0~20 cm)团聚体进行雨滴击溅试验,每次试验各滴5 000滴,每1 000滴收集1次溅蚀团聚体。结果表明:1)所有收集次序中雨滴直径3.79 mm溅蚀量最大,累积雨滴数为2 000、3 000和4 000时,溅蚀量与雨滴直径均呈显著的指数函数关系。2)各雨滴直径的溅蚀量随粒径减小呈增大-减小-增大趋势,2 mm粒径的溅蚀量几乎为0,0.053 mm粒径的溅蚀量随雨滴直径增大而增大。3)相同雨滴直径不同累积雨滴数之间平均重量直径值差异不显著,相同累积雨滴数不同雨滴直径之间平均重量直径值差异不显著(P0.05)。4)不同雨滴直径溅蚀团聚体富集率随粒径变化一致,1 mm粒径溅蚀量团聚体富集率值接近0,0.053~1 mm粒径团聚体富集,1 mm粒径团聚体主要破碎成0.053~1 mm粒径团聚体,且粒级越小,富集率越高。研究可为黄土高原地区水土保持提供理论依据。