降雨發(fā)生裝置多噴頭仿真和測試研究*

劉　波，王曉蕾，蘇　騰，康釗菁（解放軍理工大學氣象海洋學院，南京211101）

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降雨發(fā)生裝置多噴頭仿真和測試研究*

劉波，王曉蕾*，蘇騰，康釗菁
（解放軍理工大學氣象海洋學院，南京211101）

摘要：為了實現(xiàn)自然條件下降雨強度的全范圍的模擬，基于單個噴頭的測試結果，將單噴頭試驗得到的水量分布數(shù)據(jù)作為一個多維向量，建立了多噴頭在正方形布置時的仿真模型，得到不同間距條件下的均勻度系數(shù)和降雨量等值線圖，分析確定最佳間距。并在此最佳間距下進行了實測試驗，對4個噴頭組合時降雨發(fā)生裝置產生降雨環(huán)境進行均勻性和穩(wěn)定性分析。結果表明：在目前的降雨發(fā)生裝置產生的降雨環(huán)境中，可以在穩(wěn)定時間之后，在東、西、南、北四個位置布置翻斗式雨量計進行大降雨強度測試。

關鍵詞：降雨發(fā)生裝置；大降雨強度；仿真；測試

降雨是指大氣中冷凝的水汽以液態(tài)的形式下降到地球表面的天氣現(xiàn)象。降雨現(xiàn)象影響著自然環(huán)境、社會生活、農業(yè)生產、交通運輸以及戰(zhàn)機起降、導彈發(fā)射等各種軍事活動。降雨時空分布異常，往往會引發(fā)洪澇災害、山體滑坡、泥石流、城市內澇等自然災害，帶來嚴重的人員傷亡和經濟損失。因此對降雨現(xiàn)象的準確測量成為氣象、水文、環(huán)境等多個領域的研究重點［1-2］。

降雨測量儀器種類龐雜、原理各異，其測量性能必然存在差異。為了準確了解不同儀器的測量性能、保證其所測量值的準確、可靠，國內外大量降雨測量儀器生產廠家及廣大計量工作者進行了大量研究。目前，對于承水式降雨測量儀器的測試、校準，國內外已有較為完善的雨量、雨強標準裝置及測試、校準方法［3-5］，但是，此類標準裝置無法應用于非承水式降雨測量測試中。而對于非承水式降雨測量儀器，除了儀器交付用戶前廠家進行的標定和WMO組織的自然降雨條件下的動態(tài)比對試驗［6］外，使用者無法對儀器的性能進行準確的評定。為了對非承水式降雨測量儀器進行測試和校準，產生一個可控的降雨場，為降雨測量儀器的測試、校準提供穩(wěn)定的測試環(huán)境顯得尤為重要。降雨發(fā)生裝置實質上是一個人工模擬降雨裝置，而國內外將降雨發(fā)生裝置應用于降雨儀器測試計量的研究甚少。陳文廣等［7］、Matteo Colli等［8］提出了標準雨滴雨強模擬及測試技術和實驗室模擬降雨裝置的思想，但是并未做出實物。蘇騰［9］結合自然降雨特性及降雨測量儀器測試校準需求，設計和研制了降雨發(fā)生裝置模擬樣機，并進行了大量的測試試驗，提出了測試方法，并對模擬降雨的特性進行了改進研究，但是其產生的降雨強度的范圍僅為1 mm/h~ 70 mm/h，而自然條件下的特大暴雨在短時間內，降雨強度能達到142.2 mm/h。因此，有必要對降雨發(fā)生裝置大降雨強度的發(fā)生特性進行深入研究。

為了實現(xiàn)自然條件下降雨強度的全范圍的模擬，本文基于單個噴頭的測試結果，對多噴頭的組合間距進行了分析，并結合多噴頭的實測結果，進行了比較，研究探討多個噴頭組合條件下的降雨發(fā)生裝置的特性，為較大雨強降雨的模擬提供一種方法。

1　模型和特征參數(shù)

1.1單噴頭測試試驗數(shù)據(jù)

由蘇騰［9］的研究結果可知，其對3種型號的噴頭進行了大量測試和分析，這里采用其研究的HH-27W單個噴頭兩次在同一條件下的測試數(shù)據(jù)的平均值作為仿真的數(shù)據(jù)輸入，研究多噴頭的最佳組合間距，降雨發(fā)生裝置及主要部件實物圖如圖1所示。

圖1　降雨發(fā)生裝置及主要部件實物圖

1.2仿真模型

為了對多噴頭的仿真進行研究，Dwomoh等［10］通過釆用MATLAB軟件［11］建立了以均勻性為目標的噴頭間距計算模型。其通過仿真和實測的得出正方形、矩形、三角形布置時的噴頭水量分布，發(fā)現(xiàn)正方形布置時，噴頭仿真和實測的均勻性均最大。因此本文僅通過對正方形布置時的噴頭進行仿真研究，仿真模型如圖2所示。

圖2　多噴頭仿真模型圖

該方法將單噴頭試驗得到的水量分布數(shù)據(jù)作為一個多維向量，具體步驟如下：

第1步：確定噴頭組合后的噴灑寬度m；

式中：m為多個噴頭組合后的最大噴灑寬度（m）；s為單噴頭的噴灑寬度（m）；d為噴頭之間的間距（m）。

第2步：對單噴頭原始數(shù)據(jù)進行修正。每個噴頭的面積可以分成兩部分，即原始的單噴頭噴灑的區(qū)域和未噴灑的區(qū)域，噴頭在行、列兩個方向上對水量未噴灑到的區(qū)域以零向量補充，從而對原始數(shù)據(jù)進行修正。

式中：C1為左上方向單噴頭修正后的某點的降雨量（mm）；Cmn為單噴頭修正后的某點的降雨量（mm）；cij為單噴頭某點的降雨量（mm），其中i= 1，2，3，…，h；j=1，2，3，…，h；l=(j+1)，(j+2)，…，H；k=(j+1)，(j+2)，…，H；m=1，2，3，…，H；n=1，2，3， …，H，h是單噴頭的采樣點數(shù)，H是多噴頭組合后的采樣點數(shù)。其他方向的單噴頭數(shù)據(jù)修正與左上方向單噴頭類似，其他三個方向的單噴頭數(shù)據(jù)修正分別為

式中：C2，C3和C4為分別為右上，左下，右下方向單噴頭修正后的某點的降雨量（mm）。

第3步，將多個單噴頭修正后的數(shù)據(jù)進行疊加，得到組合后的噴頭累積水量分布圖。

式中：C為多噴頭組合的后的降雨量（mm）。

1.3仿真模型的特征參數(shù)

2.3.1均勻度系數(shù)

對模擬降雨的效率進行評價，運用最廣泛的就是Christiansen均勻度系數(shù)（CU）［12］，具體公式如式（5）所示。

式中：CU為均勻度系數(shù)；hi為每一個測量點的降雨量（mm）；hˉ為所有測量點降雨量的平均值（mm）；n為測量點個數(shù)。

2.3.2降雨強度等值線

為了直觀地觀察降雨量的空間分布［13］特征，繪制了降雨強度空間分布等值線圖。由于測量點有限，空間分辨率不足，因此選用內插結果可信度較高的3次樣條差值法［14］進行空間插值。

1.4測試試驗和特征參數(shù)

為了對仿真的結果進行分析，在最佳間距d下設計了測試試驗，來評估組合噴頭的均勻性和穩(wěn)定性。其測試點的分布如圖3所示，在圖中每個測量點布置一個雨量筒，為了減少由于翻斗式雨量計機械誤差，采用了塑料杯，每次測試時間為5 min，共進行了3次試驗。每次試驗結束后用精密電子天平依次測量每個塑料杯中的降雨的重量，然后由式（6）計算各測量點的降雨量。

式中：RA為降雨量（mm/h）；m為塑料杯中含降雨的總·重量（g）；m0為空杯子的質量；ρ為水的密度（g/cm3）；s為塑料杯口的面積（cm2）。

圖3　測試點的空間分布圖

由于均勻度系數(shù)（CU）具有平滑性，對采樣點數(shù)較多時適用，而在測試時，采樣點數(shù)過少，因此重新定義均勻性和穩(wěn)定性這兩個特征參數(shù)，對于降雨環(huán)境的均勻性和穩(wěn)定性，由式（7）進行計算。

式中：max、min和mean分別為數(shù)組序列的最大值、最小值和平均值；當ΔRAi為降雨環(huán)境的穩(wěn)定性，Rj為某個位置第j次測量的降雨量（mm）；當ΔRAi為降雨環(huán)境的均勻性時，Rj為某次測量時第j個位置的降雨量（mm）。

2　結果和討論

2.1仿真結果

2.1.1均勻度系數(shù)

對d分別取0.8、1.2、1.6和2.0進行仿真，為了使結果具有可比性，對仿真的面積都取2 m×2 m，得到其仿真均勻性由表1所示，從表1可以看出，①隨著d的增大，組合均勻性增大；②d=2.0 m時，其均勻性最好，但四個間距下的均勻性均低于80%，而兩次測得的單個HH-27W噴頭的均勻性分別為84.51%和87.32%，因此，多個噴頭組合的性能較差，進行空間均勻性測試試驗的意義不大。

表1　多噴頭仿真均勻性

2.1.2降雨強度等值線

為了進一步分析四種不同間距情況下的仿真結果，對仿真結果進行等值線圖分析，HH-27W噴頭降雨強度的等值線圖的結果如圖4所示。從降雨強度等值線圖的結果看出，①在有效降雨面積的中間區(qū)域，降雨強度的分布呈現(xiàn)中間區(qū)域降雨強度大，向四周逐漸減小的趨勢；②除了d=2.0 m外，其他3種情況的等值線圖在交界處均為直線，這是由于單個噴頭的測試數(shù)據(jù)也是一個正方形所致；③每個等值線圖下都有1個最佳的半徑，即在最佳半徑內，具有較好的均勻性。考慮到最佳半徑內外各點的差異性較大，因此可以針對最佳半徑范圍內的點進行均勻性分析。

為了保證空間測試的可能性，至少應保證降雨測量儀器的采樣面積內具有較好的均勻性，而我們測試用的雨量筒的直徑為20 cm，Parsivel雨滴譜儀［15］的采樣面積為18 cm×3 cm，對于d=2.0 m，無法保證空間的正常布置測量點，因此結合其均勻度系數(shù)，最佳間距定為d=1.6 m。

圖4　d分別為（a）0.8 m，（b）1.2 m，（c）1.6 m，（d）2.0 m時多噴頭仿真等值線圖

2.2測試結果

對最佳間距d=1.6 m下進行測試試驗，測試結果如圖5所示。

圖5　多噴頭組合測試圖

從圖5可以看出：①3次測量中間位置的降雨量均高于四周位置的降雨，約為150 mm/h（5 min內的平均降雨量為12.5 mm），與噴頭仿真結果中中間區(qū)域降雨量最大，向四周逐漸減小的趨勢類似，且噴頭組合后的降雨強度能夠覆蓋自然降雨的大降雨強度范圍段；②3次測量中，第2次和第3次測量五個位置具有較好的一致變化趨勢，第1次測量較后兩次偏差較大，分析應該是由于第1次測試時，裝置還為達到穩(wěn)定所致。因此在進行測試時，應該在原有穩(wěn)定時間的基礎上增加裝置的穩(wěn)定時間。

為了對降雨環(huán)境進行進一步分析，得到了五個位置的均勻性和3次測量的穩(wěn)定性，如表2所示，從表中可以看出：①均勻性，不包括中間位置比包括中間位置的差異性好，第1次測量由于裝置的不穩(wěn)定導致2個差異較小；②穩(wěn)定性，去除第1次測量的數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)差異性明顯提高；③不考慮第1次測量后，均勻性好于穩(wěn)定性，且兩次測量的均勻性具有一致性，而不同位置的穩(wěn)定性有較大區(qū)別。對于翻斗式雨量計的誤差為4%，可知，噴頭組合產生的降雨環(huán)境的均勻性和穩(wěn)定性均能滿足翻斗式雨量計的測試。

表2　降雨環(huán)境的均勻性和穩(wěn)定性

3　結語

本文建立了多噴頭在正方形布置時的仿真模型，得到不同間距條件下的均勻度系數(shù)和降雨量等值線圖，分析確定最佳間距為1.6 m，最后在d=1.6 m下建立了實測試驗，對4個噴頭組合時降雨發(fā)生裝置產生降雨環(huán)境進行均勻性和穩(wěn)定性分析，得出如下結論：①測試時，應延長裝置的穩(wěn)定時間5 min；②在目前的降雨發(fā)生裝置產生的降雨環(huán)境中，可以在穩(wěn)定時間之后，在東、西、南、北四個位置布置翻斗式雨量計進行大降雨強度測試；③裝置各位置的穩(wěn)定性差異較大，應加強裝置穩(wěn)定方面的研究。

由于本文局限于研究降雨發(fā)生裝置產生降雨環(huán)境的宏觀量，且穩(wěn)定性較差，后期需對裝置進行改進，使裝置的穩(wěn)定性增強，針對降雨環(huán)境的微觀特征量進行深入分析，探討裝置實現(xiàn)對雨滴譜儀的測試的可能性。?

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劉波（1991-），男，湖南婁底人，解放軍理工大學氣象海洋學院碩士研究生，研究方向為軍事氣象計量與測試技術，liubonanjing@163.com；

王曉蕾（1964-），女，浙江寧波人，解放軍理工大學氣象海洋學院教授，研究方向為軍事氣象計量與測試技術，wangx?iaolei0199@sina.com。 WMO，Geneva，2006.

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Design of an Optical Instrument for Copper Ion Detection in Water Environment*

LI Zhiwen，LI Haibo，WAN Hao，SUN Qiyong，SUN Fei，TU Jiawei，WANG Ping*
（Biosensor National Laboratory，Key Laboratory of Biomedical Engineering of Education Ministry，Department of Biomedical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Abstract：An automated instrument was designed for heavy metal determination due to severe heavy metal contami?nation in water environment. The instrument can be used to specifically detect copper ion in water based on spectro?photometry. The instrument has the advantages of fast detection，simple operation and good repeatability，etc. Be?sides，specific fluid module was designed to implement auto-sampling during the detection. The waterway closedloop detection module was also designed to achieve precise injection and error warning. In samples with different concentration，the instrument can adjust the laser intensity automatically based on the response of different sam?ples. The experiment result shows that the detection limit of the instrument is 0.006 mg/L，with good linearity in the range from 0.1 mg/L to 2.00 mg/L. Extraordinary performance was also obtained with both good accuracy less than 6.4% and precision less than 4.52%.

Key words：copper detection；closed-loop precise injection；spectrophotometry；automated instrument

doi：EEACC：7230J10.3969/j.issn.1004-1699.2016.01.025

收稿日期：2015-07-24修改日期：2015-10-12

中圖分類號：P426.62

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）01-0141-05

項目來源：國家自然科學基金項目（41327003，41475020）