Veejet80150噴頭特性及其在降雨機中的應用

常琪琪, 劉寶元, 劉瑛娜, 路炳軍, 符素華

(1.北京師范大學 地理科學學部 地理學院, 北京100875; 2.北京師范大學 地理科學學部地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875; 3.北京易科立德生態環境科技有限責任公司, 北京 100141)

人工模擬降雨是廣泛用于土壤侵蝕規律研究、預報模型建立及水土保持措施效益分析與評價的一種試驗方法[1]。人工模擬降雨通過大幅度縮短研究周期來加快研究進程，從而在較短時間內獲得大量數據資料[1-4]。人工模擬降雨裝置可根據試驗目的進行不同試驗條件的組合(不同降雨強度、雨量、雨型等)，獲得天然條件下難以觀測到的數據[2,4]。人工模擬降雨在歷時、效率、試驗條件控制等方面具有極大優勢，解決了天然降雨耗時長、成本高、難以取得精準控制數據的問題[2-3]。

人工模擬降雨的實現為地學、農學、林學等領域內的許多研究做出了重大貢獻[5]。人工模擬降雨機最早在20世紀30年代初被美國用于坡面產流和土壤侵蝕過程試驗研究[6-7]。40年代末人工模擬降雨裝置的研制受到重視，不同類型的人工降雨裝置不斷被研制出來[4,8]。1958年Meyer等[9]研制出了槽式人工模擬降雨機，被廣泛應用于土壤侵蝕及相關研究中，之后不斷有學者對槽式人工模擬降雨機進行了改進[1,10]。我國20世紀60年代有學者開始研制人工模擬降雨機[4]，60—70年代人工模擬降雨機研制及試驗方法漸漸被更多學者接受認可[6]，至80年代人工模擬降雨機研制技術逐漸成熟，新世紀后進入快速發展階段[11]，目前我國學者已研制出了各種適于不同試驗要求和研究目的的人工模擬降雨裝置[12]。

噴頭是降雨機最重要的部分，直接決定了模擬降雨的雨滴大小、分布和降雨動能等與天然降雨的相似性，直接影響到人工模擬降雨試驗規律與天然降雨試驗規律的相似性。如柯奇畫和張科利[11]的研究發現當其他條件相同時，靜止噴嘴式降雨機在黃綿土上得到的土壤流失量不到天然降雨的50%，且土壤流失量隨坡度的變化規律也明顯不同。因此，選擇合適的噴頭是人工模擬降雨機的關鍵。Meyer等[9,13-16]的研究表明Veejet80150噴頭能產生與天然降雨更相似的雨滴直徑、分布及降雨動能。但是到目前為止，還缺乏對Veejet80150噴頭在不同高度以及不同降雨強度的降雨特性及降雨均勻性的系統研究。因此本文擬評價不同高度以及不同降雨強度條件下Veejet80150噴頭的降雨特性，以及多噴頭組合的降雨均勻性，為Veejet80150噴頭的模擬降雨機使用提供相關的技術參數和科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 降雨機簡介

北京師范大學房山試驗基地人工模擬降雨大廳內的槽式下噴模擬降雨機，是由北京易科立德生態環境科技有限公司與北京師范大學聯合對舊款降雨機進行升級改造后的產品。本人工模擬降雨系統包括10臺降雨機，主要由降雨系統、控制系統、供排水系統3部分組成。降雨系統包括連動桿等動力裝置和噴頭等噴灑裝置。噴頭采用Veejet80150噴頭，與連動桿連接，沿降雨機長軸方向擺動。每臺降雨機有5個噴頭，噴頭間距離為1.1 m，相鄰降雨機間距離為1.5 m，為了便于多噴頭疊加噴灑，獲得均勻降雨，單個噴頭降雨面積至少應為(1.1×2) m×(1.5×2) m=6.6 m2。控制系統由電腦與控制電路組成。通過設置不同降雨強度與降雨歷時來模擬不同的降雨條件，然后由電腦及控制電路決定連動桿擺動速率。可設置降雨強度范圍為0～200 mm/h，以1 mm/h為增量。供排水系統主要包括供水箱、水泵等供水裝置以及水槽、水箱等回流排水裝置，供水水壓為0.04 MPa。

1.2 試驗設計

為研究Veejet80150單個噴頭的降雨特性及多噴頭的降雨空間均勻性，本研究進行了3組試驗。(1) 研究單噴頭同一降雨強度不同高度情況下降雨強度與降雨面積的變化，為此設計了1個降雨強度(60 mm/h)，6個不同高度(2，2.5，3，4，5，6 m)，共6場降雨。(2) 研究單噴頭不同降雨強度情況下降雨面積變化，設計了6個降雨強度(15，30，60，90，120，150 mm/h)，2個高度(2.5，4 m)，共12場降雨。(3) 研究多噴頭組合下不同噴頭高度降雨機降雨強度差異及降雨空間均勻性，設計6個降雨強度(15，30，60，90，120，150 mm/h)，2個高度(2.5，4 m)，共12場降雨。去過重合部分，3組試驗共28場降雨。

單噴頭試驗時只打開1臺降雨機的1個噴頭，其他噴頭全部關閉，以降雨噴頭正下方為中心位置擴散擺放集雨瓶收集降雨，集雨瓶間距在噴頭擺動方向為11 cm，在與噴頭擺動垂直方向為15 cm(圖1)，集雨瓶擺放范圍為中心噴頭及周邊8個噴頭垂直投影所包圍的范圍，擺放數量(483～957個)取決于噴頭高度。高度越高，擺放數量越多，原因是下噴式模擬降雨機在進行單噴頭降雨時，降雨面積會隨噴頭的高度增加而增加。降雨機多噴頭組合試驗采用兩臺降雨機，在降雨機下方擺放集雨瓶，集雨瓶間距在噴頭擺動方向為11 cm，在與噴頭擺動垂直方向為15 cm(圖2)，擺放數量為11×21個，共收集2臺降雨機6個噴頭下方的組合降雨。

本試驗每次降雨總量保持不變，根據不同的降雨強度確定降雨歷時，即較大降雨強度對應短歷時，時間由長到短分別設置為60，30，15，10，7.5，6 min。每次降雨結束后，用量筒逐一測量集雨瓶中雨水的體積，經過計算得到單噴頭及多噴頭組合方案下的多組測點降雨數據。

1.3 數據計算分析

降雨強度計算公式為：

(1)

式中：I為降雨強度(mm/h)；v為集雨瓶中雨水體積(ml)；S瓶口為集雨瓶瓶口表面積(cm2)；t為降雨歷時(h)。

降雨面積是收集到雨的所有測點所代表的面積總和：

民事訴訟審前準備程序，是指在法院受理案件之后到正式開庭審理之前，為明確案件爭點及確定訴訟資料以交付正式開庭審理，當事人和法院等訴訟主體按照一定的時間順序、方式和手續進行的訴訟活動以及相互關系的總和。〔1〕

(2)

式中：S為降雨面積(m2)；s為一個集雨瓶代表的面積(cm2)；n為收集到雨的測點數量。本試驗中一個集雨瓶代表的面積為11 cm×15 cm=165 cm2。

圖1 單噴頭降雨時集雨瓶擺放位置示意圖

圖2 多噴頭降雨時集雨瓶擺放位置示意圖

繪制降雨強度等值線是利用Surfer軟件，以測點間距離為坐標系統，利用克里金法插值降雨強度等值線。

降雨強度誤差計算如下：

(3)

式中：ω為2.5 m與4 m高度下降雨強度的誤差；I2.5m為2.5 m高度下的降雨強度(mm/h)；I4m為4 m高度下的降雨強度(mm/h)。

降雨均勻性是評價人工降雨機性能的一個重要指標。均勻系數計算[2]如下：

(4)

2 結果與分析

2.1 單噴頭不同高度及降雨強度對降雨面積的影響

Veejet80150單噴頭降雨面積隨高度變化見圖3，由圖可知，當噴頭高度從2 m增加到6 m，降雨面積由4.7 m2增加到12.1 m2。當高度小于4 m時，單噴頭降雨面積略小于6.6 m2，此時，噴頭噴灑面積接近該噴頭及相鄰其他8個噴頭正下方所覆蓋的范圍；4 m高度時，降雨面積約為6.6 m2，噴頭噴灑面積覆蓋該噴頭及相鄰其他8個噴頭正下方所覆蓋的范圍；高度大于4 m時降雨面積繼續增加，噴頭噴灑面積越過該噴頭及相鄰其他8個噴頭正下方所覆蓋的范圍。

圖3 單噴頭降雨面積隨高度變化

圖4 單噴頭降雨面積隨降雨強度變化

2.2 單噴頭不同高度對中心點降雨強度的影響

以噴頭正下方的測點為中心選擇3×3個測點，計算降雨強度平均值，以此作為單噴頭降雨時的中心點降雨強度，其隨高度的變化見圖5。由圖可知，單噴頭降雨的中心點降雨強度隨高度的增加而減小，在4 m高度后，中心點降雨強度變化大幅度減緩。

2.3 單噴頭不同高度降雨強度的空間分布

降雨強度等值線圖可以清晰直觀地表達降雨強度的空間分布。由圖6看出，降雨面積隨高度的增加明顯增加，中心點降雨強度隨高度增加顯著減小，降雨范圍為矩形。與圓形或橢圓形分布相比，矩形分布的優點主要在于可通過多噴頭疊加擴大降雨面積，但不會影響降雨強度的均勻性。在2.5 m高度時，降雨范圍在垂直噴頭擺動方向約為3 m，剛好為左右兩臺降雨機間的距離；在噴頭擺動方向約為2.2 m，為同臺降雨機前后噴頭間的距離，當噴頭高度大于2.5 m，降雨面積超出上述范圍，因此，2.5 m高度可滿足本降雨裝置配置的要求。

圖5 單噴頭中心點降雨強度隨高度變化

圖6 單噴頭不同高度降雨強度空間分布

2.4 多噴頭組合的降雨強度及空間均勻性

由表1可知，2.5 m與4 m高度降雨強度的誤差很小。對2.5 m和4 m高度降雨強度進行單因素方差分析，檢驗兩者間的顯著性，結果顯示，在95%的置信水平下，兩個高度的降雨強度間不存在顯著性差異。

表1 不同高度的降雨強度 mm/h

有研究表明，當降雨均勻系數達到0.80以上時認為該降雨機符合均勻性要求[17]。由表2可知，噴頭高度為2.5 m時，降雨機均勻系數在0.88～0.90范圍內；噴頭高度為4 m時，降雨機均勻系數在0.94～0.95范圍內。均勻系數隨高度的增加而增加，且2.5 m和4 m高度的均勻系數均滿足人工降雨機的基本要求，4 m高度下的均勻性更好。

表2 不同高度各降雨強度的降雨均勻系數

3 結 論

人工模擬降雨機是土壤侵蝕、土壤入滲和降雨產流等研究的有效工具，噴頭是降雨機性能優劣的關鍵，噴頭特性率定對噴頭的選擇和降雨機的研發具有重要意義。根據對改進后的槽式人工模擬降雨機進行單噴頭及多噴頭組合的試驗，得到Veejet80150噴頭特性、該降雨機的實測降雨強度以及空間分布的相關參數，主要結論如下。

(1) Veejet80150單噴頭降雨面積隨高度的增加而增加，與降雨強度無關；(2) 單噴頭中心點降雨強度隨高度增加而減小，并從中心點向外呈規律性減小，便于多噴頭組合，獲得空間均勻降雨；(3) 多噴頭組合降雨時，噴頭高度為2.5 m時，降雨機均勻系數在0.88～0.90范圍內；噴頭高度為4 m時，降雨機均勻系數在0.94～0.95范圍內，該降雨機均勻性好，噴頭高度大于2.5 m時可滿足試驗要求。