一種室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)，特別是涉及一種新型室內(nèi)人工模擬降雨 試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于道路工程與環(huán)境科研儀器設(shè)備領(lǐng)域。本發(fā)明給出的試驗(yàn)系統(tǒng)可用于室內(nèi)降 雨模擬，可針對不同地域的氣象和降雨特點(diǎn)，通過芝加哥暴雨過程線模型和不同噴頭組合 形式以實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度在時(shí)間和空間上的控制與變化，并可實(shí)時(shí)記錄降雨強(qiáng)度。 技術(shù)背景
[0002] 室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)是一種在人為控制的條件下模擬自然降雨過程的試 驗(yàn)系統(tǒng)，它可以在室內(nèi)條件下用于透水路面的透水性能、污染物在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的迀移、透 水路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、路基土水分和養(yǎng)分變化等研究，是道路工程學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)和土壤學(xué) 等學(xué)科重要的科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備。采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，不僅可 以針對具體地區(qū)的氣象和降雨特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模擬不同降雨重現(xiàn)期、降雨歷時(shí)的自然降雨過程， 且試驗(yàn)過程受人為控制，試驗(yàn)周期大大縮短，同時(shí)通過嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件來研究不同因素 之間的相互作用。
[0003] 根據(jù)產(chǎn)生雨滴的方式的不同，人工模擬降雨裝置可分為：噴頭式、針頭式、懸線式、 噴灑式。而目前用以室內(nèi)人工模擬降雨的試驗(yàn)裝置主要有兩種：一種是用噴頭作為雨滴發(fā) 生器，這也是使用最為廣泛的一種；另一種是用醫(yī)用針頭作為雨滴發(fā)生器。
[0004] 由于自然降雨強(qiáng)度與被研究對象之間往往存在著多變量、強(qiáng)耦合和非線性的特 點(diǎn)，使得降雨強(qiáng)度與被研究對象之間的機(jī)理分析存在很大的難度。目前人工模擬降雨裝置 的假設(shè)性強(qiáng)，往往難以真實(shí)地模擬降雨強(qiáng)度的時(shí)間、空間上的變化，故得出的試驗(yàn)結(jié)論往往 存在著通用性差、難以推廣等缺點(diǎn)。為此，本發(fā)明提出一種基于芝加哥暴雨過程線模型的室 內(nèi)人工降雨試驗(yàn)系統(tǒng)，從時(shí)間和空間上最大程度模擬自然降雨過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，針對目前人工模擬降雨裝置 的無法真實(shí)地模擬自然降雨在時(shí)間、空間上的變化，且適用性不廣的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種 基于芝加哥暴雨過程線模型的室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)，可針對給定地域的氣象和降雨 特點(diǎn)，通過芝加哥暴雨過程線模型對設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)下的設(shè)計(jì)降雨量進(jìn)行時(shí)間 上的分配，控制每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的降雨強(qiáng)度，以在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對典型降雨情景的還原；同時(shí)，本 發(fā)明采用組合式微型噴頭作為雨滴發(fā)生器，通過設(shè)定微噴頭的組合形式，實(shí)現(xiàn)不同降雨面 積；此外，該系統(tǒng)還可對降雨強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，方便后期數(shù)據(jù)處理和分析。該室內(nèi)人工模 擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)可為道路工程學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)和土壤學(xué)等學(xué)科的科學(xué)研究與試驗(yàn)提供 一套切實(shí)可行的試驗(yàn)系統(tǒng)，具有模擬精度高、使用方便、成本低廉、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 根據(jù)試驗(yàn)需要，室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：
[0007] (1)試驗(yàn)裝置必須要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以承受（路面結(jié)構(gòu)）模型的重 量；
[0008] (2)模擬降雨的均勻度應(yīng)滿足試驗(yàn)要求；
[0009] (3)通過調(diào)整試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度在空間和時(shí)間上的變化與控 制；
[0010] (4)試驗(yàn)裝置應(yīng)有良好的組合性和移動(dòng)性，便于自動(dòng)化控制。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，該發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] -種室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是主要由供水系統(tǒng)、模擬降雨器、試驗(yàn)箱 和水樣采集裝置四部分組成，采用潛水栗輸水，使用組合式微型噴頭作為模擬降雨器，通過 調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)輸水管道的流量和供水壓力，同時(shí)改變噴頭的組合形式，以實(shí)現(xiàn)不同降雨強(qiáng) 度、降雨歷時(shí)和降雨面積的降雨過程的人工模擬。采用流量計(jì)實(shí)時(shí)記錄輸水管道的流量，從 水樣采集裝置排水口排出的雨水由人工收集，作為試驗(yàn)樣本。
[0013] 供水系統(tǒng)主要由人工雨水儲(chǔ)存水箱、流量傳感器、潛水栗、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、輸水 管組成。人工雨水在潛水栗的作用下由儲(chǔ)存水箱經(jīng)輸水管進(jìn)入模擬降雨器，流量傳感器通 過串口連接上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄雨水流量變化，控制系統(tǒng)通過控制氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的開度從而 控制人工雨水流量的大小。
[0014] 模擬降雨器主要由降雨支架、微噴頭和萬向管組成。噴頭由降雨支架支持，安裝在 樣本試驗(yàn)箱正上方。噴頭經(jīng)萬向管連接輸水管，以達(dá)到可以任意調(diào)整噴頭角度和噴頭組合 方式的目的。每個(gè)噴頭的設(shè)計(jì)工作壓力為〇. 25MPa，流量和噴灑范可調(diào)。模擬降雨系統(tǒng)的降 雨均勻度為〇. 956,噴頭全部開啟時(shí)平均噴灑強(qiáng)度為49. 38mm/h。
[0015] 試驗(yàn)箱由試驗(yàn)箱箱體、濕度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器和不銹鋼排水管組 成。濕度傳感器、氣壓傳感器和溫度傳感器分別通過串口與上位機(jī)連接以測量模擬降雨系 統(tǒng)中模擬環(huán)境的大氣濕度、氣壓和溫度。整個(gè)試驗(yàn)箱由平行三組每組三個(gè)且尺寸相同的 可拆卸模具組合而成，箱體由鋼化玻璃板制作而成，以盡可能模擬實(shí)際研究對象的原則， 箱體制作成側(cè)面四個(gè)方向均封閉、上下兩側(cè)為開口的結(jié)構(gòu)型式，尺寸（長X寬X高）為 300mmX300mmX700mm。不銹鋼排水管位于箱體底部垂直于試驗(yàn)箱底部安裝。
[0016] 水樣采集器由不銹鋼排水管、漏斗型液體收集器和手動(dòng)水閥組成。不銹鋼排水管 在驗(yàn)箱底垂直于試驗(yàn)箱水平面安裝，一頭接漏斗型液體收集器，另一頭外接手動(dòng)水閥，開啟 水閥即可進(jìn)行水樣采集。排水管內(nèi)徑19mm，外徑22mm。
[0017] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)可連續(xù)模擬多次自然降雨過程。為保 證降雨強(qiáng)度在整個(gè)模擬過程中穩(wěn)定變化，降雨時(shí)間間隔自動(dòng)設(shè)定為5min，降雨強(qiáng)度在每個(gè) 降雨時(shí)間間隔內(nèi)保持不變。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 本發(fā)明能適應(yīng)復(fù)雜的試驗(yàn)環(huán)境，方便安裝、使用與轉(zhuǎn)移，成本低廉；基于芝加哥暴 雨過程線模型和不同噴頭組合形式以實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度真實(shí)地模擬自然降雨在時(shí)間、空間上的 變化；可調(diào)節(jié)降雨高度、降雨面積的大?。荒軌?qū)崟r(shí)記錄模擬環(huán)境中氣壓、濕度、溫度數(shù)據(jù)， 有助于研究和控制相關(guān)變量對試驗(yàn)結(jié)果的影響；能夠通過流量傳感器實(shí)時(shí)記錄雨量大小， 方便數(shù)據(jù)處理。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是水箱支架；2是微型平整支座，其可調(diào) 范圍在0. 1mm~10.Omm之間；3是水箱；4是潛水栗（新為誠ASP2015) ;5是輸水管；6是數(shù) 字液位傳感器；7是流量傳感器；8是氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥；9是噴頭支架，上面排列有9個(gè)相同 型號的4分折射式微噴頭10 ; 10是4分折射式微噴頭（杰羅GYRORNET64000-024900)，通 過控制水量可得到不同大小的雨滴，這使得降雨器能夠模擬不同的降雨過程；11是萬向連 接管，內(nèi)套聚乙烯軟管23 ;12是手動(dòng)閥門；13是試驗(yàn)箱箱體；14是氣壓傳感器；15是濕度 傳感器；16是溫度傳感器；17是漏斗型液體收集器；18是不銹鋼排水管；19是可伸縮角鋼； 20是帶制動(dòng)輪子，方便降雨裝置轉(zhuǎn)移和固定；21是模擬降雨器支架，由可伸縮角鋼制成，其 高度可以較大范圍調(diào)節(jié)，以使模擬降雨器試驗(yàn)系統(tǒng)能夠適應(yīng)更大范圍的坡度；22是上位機(jī) (中央控制系統(tǒng)），通過設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)降雨時(shí)程的分配，實(shí)時(shí)記錄流量傳感器7、氣壓傳感 器14、濕度傳感器15、溫度傳感器16和數(shù)字液位傳感器6的數(shù)據(jù)；23是聚乙烯軟管。
[0021] 圖2是噴頭支架9的平面圖，可連接固定萬向連接管11。
[0022] 圖3是試驗(yàn)箱箱體13,不銹鋼排水管18位于箱體底部垂直于試驗(yàn)箱底部安裝。
[0023] 圖4是萬向連接管11內(nèi)套聚乙烯軟管23連接手動(dòng)閥12和4分折射式微噴頭10。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 實(shí)施例
[0025] (一）工作原理
[0026] 本室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)降雨強(qiáng)度在空間和時(shí)間上變化的 控制，在于以下幾個(gè)主要的方面：
[0027] (1)雨量設(shè)計(jì)
[0028] 芝加哥降雨過程線模型以統(tǒng)計(jì)的暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)典型降雨過程。在我國 城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，各地暴雨強(qiáng)度公式一般采用式（1):
[0029] (1)
[0030] 式中，i為平均暴雨強(qiáng)度（mm/min)么為降雨重現(xiàn)期為1年的設(shè)計(jì)降雨的雨量； C為雨量變動(dòng)參數(shù)，是反映設(shè)計(jì)降雨各歷時(shí)不同降雨重現(xiàn)期的強(qiáng)度變化程度的參數(shù)之一；P 為降雨重現(xiàn)期（a) ;td為暴雨歷時(shí)（min) ;b、c為常數(shù)，用以描述特定降雨重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)降 雨強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)延長而遞減變化的過程。
[0031] (2)雨型設(shè)計(jì)
[0032] 采用芝加哥暴雨過程線模型對選定暴雨公式做出符合實(shí)際的時(shí)程分配，計(jì)算出 每個(gè)降雨時(shí)間間隔內(nèi)的降雨強(qiáng)度，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到對 降雨強(qiáng)度在時(shí)間上的控制。由于芝加哥暴雨過程線模型引入?yún)?shù)雨峰系數(shù)r(0 <r大于 1)來描述雨峰值發(fā)生的時(shí)間，則降雨的時(shí)間序列分為峰前時(shí)間序列i(tb)和峰后時(shí)間序列 i(ta)：
[0033] (2)
[0034]
(3)
[0035] 式中，i(tb)為芝加哥暴雨過程線模型的峰前瞬時(shí)降雨強(qiáng)度（mm/min