北京师范大学房山试验基地人工模拟降雨大厅内的槽式下喷模拟降雨机,是由北京易科立德生态环境科技有限公司与北京师范大学联合对旧款降雨机进行升级改造后的产品。本人工模拟降雨系统包括10台降雨机,主要由降雨系统、控制系统、供排水系统3部分组成。降雨系统包括连动杆等动力装置和喷头等喷洒装置。喷头采用Veejet80150喷头,与连动杆连接,沿降雨机长轴方向摆动。每台降雨机有5个喷头,喷头间距离为1.1 m,相邻降雨机间距离为1.5 m,为了便于多喷头叠加喷洒,获得均匀降雨,单个喷头降雨面积至少应为(1.1×2)m×(1.5×2)m=6.6 m²。控制系统由电脑与控制电路组成。通过设置不同降雨强度与降雨历时来模拟不同的降雨条件,然后由电脑及控制电路决定连动杆摆动速率。可设置降雨强度范围为0～200 mm/h,以1 mm/h为增量。供排水系统主要包括供水箱、水泵等供水装置以及水槽、水箱等回流排水装置,供水水压为0.04 MPa。

为研究Veejet80150单个喷头的降雨特性及多喷头的降雨空间均匀性,本研究进行了3组试验。(1)研究单喷头同一降雨强度不同高度情况下降雨强度与降雨面积的变化,为此设计了1个降雨强度(60 mm/h),6个不同高度(2,2.5,3,4,5,6 m),共6场降雨。(2)研究单喷头不同降雨强度情况下降雨面积变化,设计了6个降雨强度(15,30,60,90,120,150 mm/h),2个高度(2.5,4 m),共12场降雨。(3)研究多喷头组合下不同喷头高度降雨机降雨强度差异及降雨空间均匀性,设计6个降雨强度(15,30,60,90,120,150 mm/h),2个高度(2.5,4 m),共12场降雨。去过重合部分,3组试验共28场降雨。

单喷头试验时只打开1台降雨机的1个喷头,其他喷头全部关闭,以降雨喷头正下方为中心位置扩散摆放集雨瓶收集降雨,集雨瓶间距在喷头摆动方向为11 cm,在与喷头摆动垂直方向为15 cm(图1),集雨瓶摆放范围为中心喷头及周边8个喷头垂直投影所包围的范围,摆放数量(483～957个)取决于喷头高度。高度越高,摆放数量越多,原因是下喷式模拟降雨机在进行单喷头降雨时,降雨面积会随喷头的高度增加而增加。降雨机多喷头组合试验采用两台降雨机,在降雨机下方摆放集雨瓶,集雨瓶间距在喷头摆动方向为11 cm,在与喷头摆动垂直方向为15 cm(图2),摆放数量为11×21个,共收集2台降雨机6个喷头下方的组合降雨。

本试验每次降雨总量保持不变,根据不同的降雨强度确定降雨历时,即较大降雨强度对应短历时,时间由长到短分别设置为60,30,15,10,7.5,6 min。每次降雨结束后,用量筒逐一测量集雨瓶中雨水的体积,经过计算得到单喷头及多喷头组合方案下的多组测点降雨数据。

降雨强度计算公式为:

I=(10×v/(S_瓶口))/t(1)

式中:I为降雨强度(mm/h); v为集雨瓶中雨水体积(ml); S_瓶口为集雨瓶瓶口表面积(cm²); t为降雨历时(h)。

降雨面积是收集到雨的所有测点所代表的面积总和:

S=(s×n)/(10000)(2)

式中:S为降雨面积(m²); s为一个集雨瓶代表的面积(cm²); n为收集到雨的测点数量。本试验中一个集雨瓶代表的面积为11 cm×15 cm=165 cm²。

图1 单喷头降雨时集雨瓶摆放位置示意图

图2 多喷头降雨时集雨瓶摆放位置示意图

绘制降雨强度等值线是利用Surfer软件,以测点间距离为坐标系统,利用克里金法插值降雨强度等值线。

降雨强度误差计算如下:

ω=(I_2.5m-I_4m)/(I_2.5m)×100%(3)

式中:ω为2.5 m与4 m高度下降雨强度的误差; I_2.5m为2.5 m高度下的降雨强度(mm/h); I_4m为4 m高度下的降雨强度(mm/h)。

降雨均匀性是评价人工降雨机性能的一个重要指标。均匀系数计算^[2]如下:

(4)

式中:K为均匀系数; 为测量面积内所有测点的平均雨量(mm); P_i为各测点雨量(mm); m为所有测点的总数。均匀系数越大,人工模拟降雨的均匀性越好。

Veejet80150单喷头降雨面积随高度变化见图3,由图可知,当喷头高度从2 m增加到6 m,降雨面积由4.7 m²增加到12.1 m²。当高度小于4 m时,单喷头降雨面积略小于6.6 m²,此时,喷头喷洒面积接近该喷头及相邻其他8个喷头正下方所覆盖的范围; 4 m高度时,降雨面积约为6.6 m²,喷头喷洒面积覆盖该喷头及相邻其他8个喷头正下方所覆盖的范围; 高度大于4 m时降雨面积继续增加,喷头喷洒面积越过该喷头及相邻其他8个喷头正下方所覆盖的范围。

图3 单喷头降雨面积随高度变化

图4 单喷头降雨面积随降雨强度变化

以喷头正下方的测点为中心选择3×3个测点,计算降雨强度平均值,以此作为单喷头降雨时的中心点降雨强度,其随高度的变化见图5。由图可知,单喷头降雨的中心点降雨强度随高度的增加而减小,在4 m高度后,中心点降雨强度变化大幅度减缓。

降雨强度等值线图可以清晰直观地表达降雨强度的空间分布。由图6看出,降雨面积随高度的增加明显增加,中心点降雨强度随高度增加显著减小,降雨范围为矩形。与圆形或椭圆形分布相比,矩形分布的优点主要在于可通过多喷头叠加扩大降雨面积,但不会影响降雨强度的均匀性。在2.5 m高度时,降雨范围在垂直喷头摆动方向约为3 m,刚好为左右两台降雨机间的距离; 在喷头摆动方向约为2.2 m,为同台降雨机前后喷头间的距离,当喷头高度大于2.5 m,降雨面积超出上述范围,因此,2.5 m高度可满足本降雨装置配置的要求。

图5 单喷头中心点降雨强度随高度变化

图6 单喷头不同高度降雨强度空间分布

由表1可知,2.5 m与4 m高度降雨强度的误差很小。对2.5 m和4 m高度降雨强度进行单因素方差分析,检验两者间的显著性,结果显示,在95%的置信水平下,两个高度的降雨强度间不存在显著性差异。

表1 不同高度的降雨强度mm/h

有研究表明,当降雨均匀系数达到0.80以上时认为该降雨机符合均匀性要求^[17]。由表2可知,喷头高度为2.5 m时,降雨机均匀系数在0.88～0.90范围内; 喷头高度为4 m时,降雨机均匀系数在0.94～0.95范围内。均匀系数随高度的增加而增加,且2.5 m和4 m高度的均匀系数均满足人工降雨机的基本要求,4 m高度下的均匀性更好。

表2 不同高度各降雨强度的降雨均匀系数