野外便携式人工模拟降雨系统的研制与应用

摘 要：人工模拟降雨系统适用于需要人工模拟降雨并且控制降雨雨强和降雨时间等的各种试验场合。本课题研究了一种野外便携式人工模拟降雨系统，与国内外中小型野外人工降雨模拟装置相比，具有先进、稳定、降雨面积大、降雨雨强变化范围广、经济效果好等特点，是一种较理想的人工模拟降雨装置。

关键词：降雨系统；人工模拟；设计与应用  

　　在大学和科研院所的实验室，需要进行水土流失实验来提供水土保持规范的科学依据，以及定量的评价土壤侵蚀等工作。以往这方面的工作，是用设立野外径流小区，进行定位观测，这是一种耗时费力的方法，难以取得规律性的有效数据。如果使用野外人工模拟降雨装置，就可克服上述缺点，大大缩短试验周期，加速土壤侵蚀规律研究的过程。我们参考前人的有关工作基础和资料，研究设计了一套野外便携式人工模拟降雨系统并投入了应用。

　　模拟降雨装置控制系统采用闭环自动控制技术，配备以高灵敏雨量计和多参量数据采集器，监控终端实际降雨参数，调节控制整个降雨过程，并可实时在线显示模拟降雨的动态变化及曲线。这样既对模拟降雨现场测量结果有直接参考意义，又便于很快调节雨强弱程度至实验要求值，有效克服了从水源到喷头各个环节的损耗和阻力造成的误差，根据对装置主要降雨特性的测定结果来看，所模拟主要降雨特性如雨滴粒径、降雨动能等与天然降雨基本相似。

　　1 野外便携式人工模拟降雨系统框架的设计与构成

　　野外便携式人工模拟降雨系统框架部件主要包括：首部枢纽、尾部管网、降雨区框架三部分。

本系统可分为家用电和动力电两种模式：

（1）家用电模式，由两台小型水泵组成，通过活结与水箱底部供水口连接，需要紧固，防止漏水。先开启一台水泵（如有更大的流量需求可酌情增开另一台水泵），回水阀先开启至最大，然后缓慢关闭回水阀来控制尾部供水压力和流量，以达到试验需要的降雨雨强。一般喷头的额定工作压力控制在200 KPa左右，不要超过300KPa。

（2）动力电模式，通过控制器启动大型水泵，变频恒压供水。

　　1.2 系统尾部管网组成

　　系统尾部管网由若干组喷头组成，喷头为活接口，喷头可根据试验需要进行任意调换。具体喷头参数如下表所示。

　　1.3 降雨区框架

　　本系统降雨区框架由轻型铝合金材料制成，结构简单，易于安装拆卸，采用多个功能完备的小模块，通过快速连接部件，手工很快即可装配完成，野外试验很好携带，适应各种野外不同地形条件。在不用时可以散装保存，携带方便；使用时可根据需要组装为5×5或5×10米降雨模拟场，降雨时间及管路选择可自动进行。

　　2 自动控制系统的设置

降雨自动控制系统是自行开发的，用于模拟降雨试验雨量的测量和降雨雨强的控制。系统可将雨量计的模拟信号转换为数字量以数字形式显示当前雨量。

自动控制系统参数和技术指标如下：

（1）雨量筒承雨口内径：Φ200mm；

（2）雨量筒分辨力：0.5mm；

（3）雨量计工作电压：DC5V；

（4）主控制器工作电压：AC 220V、50Hz；

（5）显示屏工作电压：DC 24V；

（6）信号采集器工作电压：DC 24V；

（7）传感器通讯方式：手动、有线、无线；

（8）各板卡间通讯方式：RS485；

（9）上位机与下位机通讯方式：RS232；

（10）降雨区阀门控制：4～20mA DC。

　　2.1 主控制器的设置

（1）将电源线缆、压力传感器线缆、电动阀线缆以及16路雨量计线缆分别连接上。

（2）打开电源开关，降雨系统显示屏点亮，进入模式选择界面，可以通过上下按键移动光标来分别选择有线模式、无线模式和手动模式，并按中间键进行确认。

（3）手动、有线、无线模式的选择。

　　选择手动模式，进入手动模式界面，选择“确认”进入实时数据界面，选择“返回”进入模式选择界面。在“雨强”设置中通过上下按键选择数值大小，通过左右按键选择数值位数。在“时间”设置中通过上下按键选择数值大小，通过左右按键选择数值位数。若要进入有线和无线模式，只需选择对应菜单即可进入相应的模式界面，其他操作同上。

　　2.2 有线模式下PC用户界面的设置

　　在计算机上双击“野外人工降雨系统.exe”文件，程序开始运行。选择合适的串口号和波特率，点击“连接”按钮，系统将打开串口，与远端进行通讯。

　　设置好降雨强度和降雨时间后，点击“设置”按钮即可设置相应参数，点击“开始降雨”按钮，系统通过有线通讯模式控制远端控制器，执行降雨功能。界面上会通过曲线和列表框的形式描绘出实时的降雨强度。点击“停止降雨”按钮，系统执行停止降雨功能。

　　在降雨状态下，点击“开始存储”按钮，系统开始执行存储记录的功能；点击“结束存储”按钮，系统停止存储记录。

　　2.3 无线模式下降雨系统手持终端的设置

（1）降雨系统手持终端按键功能。面板上包括一组五维方向键，一个切换键、一个电源键和三个功能键F1、F2、F3。五维方向键用于移动焦点，选择不同的部件，其中的“确定”键用于执行相应按钮的功能。“切换”键模拟键盘上的TAB功能，也可以用于移动焦点。“电源”键用于控制设备供电的通与断。

（2）开机操作。在电池装入且电量充足的情况下，长按“电源”键，设备加电开始工作，操作系统启动。为了保证通讯功能正常，一定要确保将天线安装在降雨系统手持终端上。

（3）降雨系统无线手持终端操作。使用前，需要确保设备通讯正常。系统启动后，进入“我的设备”，打开“Disk”文件夹，运行程序‘降雨系统’。

　　参数设置完成后，点击“开始降雨”按钮，选择“是”，设备通过无线模块控制远端控制器执行降雨功能。在降雨状态下，点击“停止降雨”按钮，选择“是”，设备通过无线模块控制远端控制器执行停止降雨功能。

　　点击“实时采集”按钮，此时如果正在降雨且收到了数据，界面上会通过曲线描绘出雨强。在收到数据的情况下，点击开始存储”按钮，选择“是”开始存储数据。在执行存储的状态下，点击“结束存储”按钮，选择“是”结束存储数据。

　　3 系统使用、维护与保养

　　3.1 系统使用注意事项

（1）系统开启前，一定要检查各阀的开启和关闭情况，严禁尾部所有阀门关闭，否则会使管道中压力过大而爆破。

（2）每次使用都要检查首、尾部压力表是否在正常使用压力上，不在要及时调整和处理。

（3）入冬后一定要将管道中的水放净，以免冬季不用时冻坏管道和其它零部件。

（4）严禁锐器接触管道及喷头，避免不必要的损坏。

（5）经常检查喷头喷水情况，喷头堵塞时用反冲洗或其它方法排除不了时，需拆卸该喷头，仔细清洗或者更换喷头。

（6）每隔一定时间检查过滤器滤网，及时去除其污物，以免压差过大损坏管件。

　　3.2 水泵的维护保养

（1）启动前应检查泵转动是否均匀，不能有卡住、异声等不正常现象。

（2）水泵起动后在规定转速下三分钟未出水，应停机检查。

（3）水泵在运行中，如发现不正常现象（杂音、出水量下降等）应立即停机。

　　4 结语

　　本套野外便携式人工模拟降雨系统是在充分吸纳借鉴当前国内外同类设备先进工艺基础上，结合现代新技术的发展趋势，大胆进行了技术创新而设计制作的。结构上具有多喷头、多单元组合式的特点，喷头出水孔径较大，雨滴直径大小分布与天然降雨相似。喷头处辅以往返摆动的机械装置，可增加散水面积和均匀度，将降雨强度控制在实用的雨强弱范围内。经在不同林地、草地、农地、果园、荒坡、侵蚀沟等地方应用，测得的水土保持效果与天然降雨下其他方法测得的效果基本相同，数据精确可靠，是开展水土流失规律研究的一种较先进实用的测试装置。系统应用前景广阔，具有很强的实用性和推广性。

　　参考文献：

　　[1]刘震.人工模拟降雨系统总体设计[J].水利水电技术，1998.

　　[2]郑宏伟.一种新型人工模拟降雨实验装置的研制[J].实验技术与管理，2005.

　　[3]周奇.变雨强人工模拟降雨自动控制系统设计与试验[J].排灌机械工程学报，2012.

　　[4]周跃.Kust03_1型人工模拟降雨实验装置的设计与率定[J].昆明理工大学学报（理工版），2008.

　　作者曹越　　南京化工职业技术学院信息技术系