CN107843715B - 一种用于泥石流试验的人工降雨模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于泥石流试验的人工降雨模拟方法，本方法采用的装置可以方便灵活的调整水箱内的压力大小，根据区域下垫面条件及降雨特征设置相应的压力，进而控制降雨类型；通过调整分水箱内部压力模拟区域点暴雨集中现象；通过关闭分水箱中的一个或多个，可以模拟大风天气下的降雨过程，也可通过重叠降雨区模拟暴风雨类型；通过计算机***输入降雨数据，通过控制器控制压力控制阀，可以准确快速的控制降雨类型；本发明中的压力控制阀可以对河水的固体颗粒和浮游植物等进行很好的过滤，节能环保，并可以延长喷头的使用寿命。

Description

一种用于泥石流试验的人工降雨模拟方法

技术领域

本发明涉及泥石流启动试验技术领域，具体是一种用于泥石流试验的人工降雨模拟装置及模拟方法。

背景技术

泥石流是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体。其具有暴发突然、搬运冲击淤埋能力强的特点，且有很大的破坏力。泥石流的性质决定了它的形成需要充足的水源，我国引发泥石流的水源主要来自暴雨，表现为当降雨量达到某一临界雨量值时就会形成灾害。所以，临界雨量的确定对研究泥石流形成机制、分析预测泥石流未来活动特点以及指导泥石流防治工程设计等方面均具有重要意义。观测和统计资料表明，单沟泥石流和区域泥石流的发生都存在一个临界雨量阈值，该阈值可根据泥石流发生的灾害历史事件和地貌、地质、地形、土壤、植被等影响因素或者试验方法予以确定。近年来, 降雨型泥石流发生雨量条件的研究以及基于降雨因素的灾害预测预报问题备受国内外诸多泥石流学者的关注, 成为近十多年来泥石流研究的一个热点问题, 众多地质灾害学者通过10min雨强，1h雨强，24h雨量，前n天有效雨量等降雨指标与泥石流***的试验和统计, 建立了一系列基于雨量和雨强的预测预报模型, 在很大程度上推动了泥石流灾害预测预报问题的解决，并为我国防灾减灾工作做出了贡献。然而, 通过现状分析, 目前所开展的基于雨量和雨强条件的泥石流预测预报工作, 仍存在一些有待进一步考虑和攻克的问题和难题。已有的泥石流预报模型多是基于统计数据建立的，泥石流多发于监测资料匮乏的偏远山区，已有的很多模型普适性无法满足防灾减灾的需要，根据下垫面条件开展泥石流启动原位试验或模型试验，进而根据下垫面条件确定各区域泥石流启动的雨量阈值，结合试验现象可以分析泥石流启动的特点、泥石流规模及堆积特征，分析泥石流成灾能力，评价潜在的影响范围，并建立泥石流启动模型，为今后泥石流预测预报提供依据。现有的泥石流启动人工降雨装置，结构设置较为单一，无法模拟区域点暴雨对泥石流启动的影响，且降雨条件无法调控，模拟降雨与实际降雨条件差异显著，导致获取的数据失真，建立的模型其精度无法满足防灾减灾需要。

在山区等偏远地区进行模拟降雨时，所用的水源多为当地的河流中的水，但河流中的水含有很多固体颗粒和浮游植物等，直接用来拟降雨，容易造成喷水装置的堵塞。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于泥石流试验的人工降雨模拟装置及模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于泥石流试验的人工降雨模拟装置，包括降雨***、雨量采集***及摄像机；降雨***包括发电机、水泵、总水箱、雨量筒、降雨支架和降雨喷头，所述发电机通过电线与水泵连接，水泵与总水箱连接，总水箱通过输水管并列连接有若干个分水箱，降雨支架上设置有降雨喷头，降雨喷头通过输水管与分水箱连接；雨量采集***包括雨量筒和数据采集仪，雨量筒通过数据采集线与数据采集仪连接，实时记录不同时刻的降雨量。

所述分水箱分别与总水箱通过输水管相连，降雨喷头通过输水管与分水箱连接，输水管上安装有压力控制阀；所述压力控制阀包括球阀体、球芯和微型发电机，球阀体的两端分别设置有左端盖和右端盖，左端盖和球阀芯之间设置有过滤网，微型发电机的微型涡轮卡接在过滤网与左端盖之间的阀体内壁上，微型发电机的电流输出端电性连接有蓄电池；球阀芯上连接有传动杆，传动杆与微电机的输出轴通过齿轮啮合连接；球阀体内设置有压力传感器，压力传感器与控制器电性连接，控制器与微调电机电性连接，控制器、微调电机均与蓄电池电性连接；左端盖与过滤网之间的球阀体下端设置有排污装置。

在偏远山区通过发电机可以连续开展试验，保证了试验的连续性，模拟长时间降雨条件下，区域土体的变化特征。所述摄像机可以记录整个试验过程，土体破坏的时间、泥石流启动时间、泥石流规模及运动特点。

所述输水管上设有压力控制阀，通过调节压力控制阀量程，模拟不同气候区域的降雨条件或模拟区域点暴雨集中现象；所述总水箱及分水箱均由不锈钢钢板焊接制成，顶部设有测定水箱内压力的压力表，调节水箱压力的排气阀，可及时调整水箱内的压力，进而调整降雨量。通过调节压力控制阀量程，可以模拟不同气候区域的降雨条件，也可以模拟区域点暴雨集中现象。本***中设有雨量筒及摄像机，通过数据采集仪可以实时记录不同时刻的降雨量，摄像机实时记录试验现象，可以结合降雨数据分析泥石流启动的模式、特点及形成机理。

所述的雨量筒布置在坡面或模型槽附近，且位于降雨区域内，可根据需要灵活安置，数据采集仪能实时准确的获取试验过程中的降雨量；由于目前的人工降雨装置无法实时记录泥石流启动过程，后续泥石流启动机理分析及雨量阈值的确定存在困难，获取的降雨数据无法与试验现象很好的结合。采用本发明的技术方案后，可真实还原各区域的降雨特点，模拟实际降雨条件下泥石流启动所需的雨量条件，结合泥石流启动的时间、规模及运动特征，分析泥石流形成机理，建立泥石流启动模型。

优选的，所述压力表及压力控制阀的量程分别为-0.1-25MPA 及0.05-0.4MPA。通过调整压力控制阀的量程来调节总水箱及分水箱的内部压力，进而控制试验所需的雨量大小。

优选的，所述分水箱的个数为四个。

优选的，所述水泵为70米扬程变频恒压水泵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种用于泥石流试验的人工降雨模拟装置，结构新颖；本发明具有以下几个方面的优点：1、本装置可以方便灵活的调整水箱内的压力大小，根据区域下垫面条件及降雨特征设置相应的压力，进而控制降雨类型；2、通过调整分水箱内部压力模拟区域点暴雨集中现象；3、通过关闭分水箱中的一个或多个，可以模拟大风天气下的降雨过程，也可通过重叠降雨区模拟暴风雨类型；4、通过计算机***输入降雨数据，通过控制器控制压力控制阀，可以准确快速的控制降雨类型；5、本发明中的压力控制阀可以对河水的固体颗粒和浮游植物等进行很好的过滤，节能环保，并可以延长喷头的使用寿命。

附图说明

图1为实施例1中用于泥石流试验的人工降雨模拟装置的结构示意图；

图2为实施例1中压力传感器的结构示意图；

图3为实施例1中俯视图；

图4为实施例1中球阀芯与传动杆连接处的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1－4所示，一种用于泥石流试验的人工降雨模拟装置，包括降雨***、雨量采集***；降雨***包括发电机1、水泵3、总水箱5、雨量筒11、降雨支架9和降雨喷头10、数据采集仪13和摄像机14；所述发电机1通过电线2与水泵3连接，水泵3与总水箱5连接，总水箱5通过输水管4并列连接有四个分水箱7，降雨支架9上设置有降雨喷头10，降雨喷头10通过输水管4与分水箱7连接；雨量采集***包括雨量筒11和数据采集仪13，雨量筒11通过数据采集线12与数据采集仪13连接，实时记录不同时刻的降雨量。

所述发电机1为3kw汽油发电机（220V380v单相三相3/5/6/千瓦8Kw多燃料款发电机）；水泵3为70米扬程变频恒压水泵；所述总水箱5的尺寸为1.5m×0.8m×0.6m，分水箱7的尺寸为0.6m×0.4m×0.3m；降雨支架9由中空的不锈钢管加工制成，支架的高度为3.5m。降雨喷头10的规格有5mm、7mm、9mm、11mm、13mm 和15mm 等6 种，可以模拟从小雨到***雨的雨强；设计喷头间距为4米左右，每对喷头的有效均匀降雨区域长约5m宽约4m，降雨区面积约为20m²。雨量筒11的测量口径为200mm，外形尺寸为210mm×780mm，摄像机14为Canon/佳能LEGRIA HF R76 数码摄像机高清无线家用DV摄像机。

所述分水箱7为四个，分别与总水箱5通过输水管4相连，降雨支架9和降雨喷头10也各有四个，降雨喷头10分别通过输水管4与分水箱7连接，输水管4上均安装有压力控制阀8。所述压力控制阀8包括球阀体801、球阀芯812和微型发电机，球阀体801的两端分别设置有左端盖802和右端盖803，左端盖802和球阀芯812之间设置有过滤网805，微型发电机的微型涡轮804卡接在过滤网805与左端盖802之间的球阀体801内壁上，微型发电机的电流输出端电性连接有蓄电池809；球芯812上连接有传动杆811，传动杆811与微调电机810的输出轴通过齿轮啮合连接；球阀体801内设置有压力传感器808，压力传感器808与控制器806电性连接，控制器806与微调电机810电性连接，控制器806、微调电机810均与蓄电池809电性连接；左端盖802与过滤网805之间的球阀体801下端设置有排污装置（排污管）807。

在不同的区域开展原位试验时，根据当地的气象资料，确定该区域的降雨类型，据此通过调整总水箱5内的水压控制实际的降雨量。若区域存在点暴雨集中现象，通过调节分水箱7的压力，可以控制四个降雨喷头10的降雨量，进而可以较真实的模拟实际降雨情况。水泵3具有较高的扬程，可以满足总水箱5及分水箱7的压力需要，当压力稳定后，水泵3自动变频，保持水箱内的压力为稳定值，最大限度降低了对降雨过程的影响。

所述总水箱5及分水箱7上均安装有压力表6及排气阀16，可以通过排气阀16微调水箱内压力，避免因压力波动过大对试验造成影响。在试验过程中可以通过关闭降雨喷头10中的一个或两个，来模拟大风天气下的降雨过程。

所述压力表6及压力控制阀8的量程分别为-0.1-25MPA 及0.05-0.4MPA。通过调整压力控制阀的量程来调节总水箱及分水箱的内部压力，进而控制试验所需的雨量大小。

本发明中的压力控制阀8的球阀体的左端盖与进水端相连，水流通过带动微型涡轮进行发电，并储存在蓄电池中，蓄电池为微调电机和控制器提供电力；通过比较输入的降雨数据和阀体内的水流压力，控制器控通过微调电机控制压力控制阀的开合大小；水流的杂物通过过滤网进行过滤，积累到一定时间后通过排污装置排出。

所述电线2为软电线，在野外开展原位试验或模型试验时，便于现场布置，为确保安全，在电线2外侧套有绝缘套环；输水管4为高压橡胶水管，压力控制阀8与输水管4连接处用密封胶带处理，防止漏水。

所述降雨支架9可以灵活移动，便于控制降雨区面积；降雨喷头10有六个尺寸可以选择，能更方便的模拟同一降雨过程中出现的不同降雨类型；摄像机14可以通过调焦，捕捉试验过中坡面土体的实时动态变化过程，结合雨量筒采集的降雨数据，分析土体破坏机理。摄像机14可以记录坡面及坡体内部的径流情况，结合坡体的蠕滑变形及坡面土体破坏情况，分析泥石流启动过程、模式及机理。

所述雨量筒11可以监测整个试验过程中的雨量条件，结合四川省中小流域暴雨洪水手册（1984版，四川省水利电力厅编），可以推算泥石流启动的临界雨量，建立区域泥石流雨量阈值。

本发明所涉及的未说明部分，如微型发电机、控制器等，均为现有技术中的常规技术手段，此处不再赘述。

本发明的工作原理是：依据区域的降雨特点，确定试验过程中所需的降雨类型，依据降雨类型设置输水管4及压力表的量程。试验开始前，通过调控总水箱5内的压力，通过雨量筒11记录不同的压力对应的降雨量。若区域存在点暴雨集中或长时间大风降雨天气，可以通过调节分水箱7内的压力进行控制。也可以将各降雨支架的降雨区进行重叠，模拟暴风雨模式下的降雨过程。该装置应用于野外原位试验或模型试验时，要确保降雨***打开的同时，打开雨量采集仪降雨量及摄像机，以记录整个试验过程中，坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及破坏启动形成泥石流的时间。

用于泥石流试验的人工降雨模拟装置的测试方法：

步骤一：在野外选择合适坡面，用罗盘测量坡面的坡度，并测定坡面土体的密度、前期含水量；试验前取土样，测定土体的颗粒组成特征；

步骤二：划定试验区面积，布置降雨支架，根据试验区坡面尺寸，均匀布置降雨支架，保证降雨均匀；

步骤三：在降雨区布置雨量筒，记录试验各阶段的雨量，在坡面外侧布置摄像机，记录坡面土体的变化情况；

步骤四：连接发电机与水泵，并通过输水管把水泵、总水箱、分水箱及降雨支架相连，调整喷头方向；

步骤五：布置好仪器后，同时打开降雨***、雨量采集***及摄像机，开始试验；

步骤六：试验过程中记录10分钟雨量，根据试验测得的10分钟雨量，依据四川省中小流域洪水计算手册推算不同下垫面启动形成泥石流的1小时临界降雨量。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种用于泥石流试验的人工降雨模拟方法，其特征在于采用人工降雨模拟装置进行模拟，所述人工降雨模拟装置包括降雨***、雨量采集***；降雨***包括发电机、水泵、总水箱、多个降雨支架、多个降雨喷头和多个分水箱，所述发电机通过电线与水泵连接，水泵与总水箱连接，总水箱通过多个分水箱进水管与各分水箱连接，各降雨喷头通过分水箱出水管与各分水箱连接；降雨喷头设置在降雨支架上，各分水箱进水管和分水箱出水管均设置有压力控制阀；所述总水箱和分水箱上均设置有压力表和排气阀；雨量采集***包括雨量筒和数据采集仪，雨量筒通过数据采集线与数据采集仪连接；所述压力控制阀包括球阀体、球阀芯和微型发电机，球阀体的两端分别设置有左端盖和右端盖，左端盖和球阀芯之间设置有过滤网，微型发电机的微型涡轮卡接在过滤网与左端盖之间的阀体内壁上，微型发电机的电流输出端电性连接有蓄电池；球阀芯上连接有传动杆，传动杆与微调电机的输出轴通过齿轮啮合连接；球阀体内设置有压力传感器，压力传感器与控制器电性连接，控制器与微调电机电性连接；左端盖与过滤网之间的球阀体下端设置有排污装置；

所述模拟方法包括以下步骤：

步骤一：在野外选择合适坡面，用罗盘测量坡面的坡度，并测定坡面土体的密度、前期含水量；试验前取土样，测定土体的颗粒组成特征；

步骤二：划定试验区面积，布置降雨支架，根据试验区坡面尺寸，均匀布置降雨支架，保证降雨均匀；

步骤三：在降雨区布置雨量筒，记录试验各阶段的雨量，在坡面外侧布置摄像机，记录坡面土体的变化情况；

步骤四：连接发电机与水泵，并通过输水管把水泵、总水箱、分水箱及降雨支架相连，调整喷头方向；

步骤五：布置好模拟装置后，同时打开降雨***、雨量采集***，开始试验。

2.如权利要求1所述用于泥石流试验的人工降雨模拟方法，其特征在于：通过调节压力控制阀量程，模拟不同气候区域的降雨条件或模拟区域点暴雨集中现象；所述总水箱及分水箱均由不锈钢钢板焊接制成。

3.如权利要求2所述用于泥石流试验的人工降雨模拟方法，其特征在于：所述压力表及压力控制阀的量程分别为-0.1-25MPa 及0.05-0.4MPa。

4.如权利要求1所述用于泥石流试验的人工降雨模拟方法，其特征在于：所述分水箱的个数为四个。

5.如权利要求1所述用于泥石流试验的人工降雨模拟方法，其特征在于：所述水泵为70米扬程变频恒压水泵。

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