一、项目背景与目标

为系统研究不同降雨强度（0-300mm/h）对农作物生长抑制、河流堤坝护坡侵蚀破坏、泥石流触发与演进、城市排水管线设施（如管网堵塞、路面积水、内涝形成）等多场景的综合影响机制，建设一座高精度、多场景兼容的大型人工模拟降雨试验室。该试验室需实现以下核心功能：

精准降雨模拟：降雨强度0-300mm/h连续可调（精度±5%），雨滴粒径、分布均匀度接近自然降雨，支持短时强降雨（如100mm/h以上持续1小时）与长期累积降雨（如30mm/h持续24小时）模拟；

多场景耦合试验：支持农作物种植区、河流堤坝护坡模型、泥石流模拟坡体、城市排水管网微缩系统（含路面-管网-检查井）等不同对象的独立或组合部署；

动态灾害监测：实时采集降雨参数（强度、雨滴特性）、地表/结构响应（土壤含水率、位移、应力）、灾害演化过程（冲刷深度、泥石流流速、路面积水深度、管网流量）等数据；

安全与扩展性：具备极端降雨条件下的设备防护能力，支持未来新增试验模块（如冻融循环耦合降雨）的灵活扩展。

二、试验室总体设计

（一）场地与布局

试验室规模：建筑面积建议≥1000㎡（长×宽×高=50m×20m×8m），满足大尺度综合模型（如10m长城市道路段、5m×3m堤坝护坡、15m长泥石流坡体）布置需求；

功能分区：

核心降雨区（40m×20m）：顶部安装模拟降雨系统，地面为可承压实验平台（承载力≥5t/m²），划分为4个独立子区域（农田区、堤坝区、泥石流区、城市排水区），各区可通过活动隔断分隔或联动；

模型制备区（10m×20m）：用于农作物种植、堤坝护坡/泥石流坡体/排水管网模型的材料准备与搭建（含土壤/碎石存储、搅拌设备、微型管网预制台）；

观测控制区（10m×20m）：设置数据采集终端、高速摄像系统、远程控制台，支持试验参数实时调整与灾害过程记录；

辅助区（20m×20m）：包括供水系统、循环水箱、电力控制室、样品处理间及设备维护空间。

环境控制：通过空调系统维持室内温度15-30℃（适应农作物生长及材料性能稳定）、相对湿度≤80%（减少水分蒸发干扰）；地面整体倾斜3°（向四周排水沟），铺设防渗漏钢板（厚度≥8mm），排水沟连接循环水箱（回收雨水重复利用率≥80%）。

三、核心系统设计

（一）人工模拟降雨系统

1.系统组成

采用“悬臂式喷头阵列+智能分区调控”方案，覆盖核心降雨区（40m×20m），通过多组喷头独立控制实现全域均匀性与局部高强度模拟。

喷头类型：选用“折射式+旋转式”组合喷头（如美国Spraying Systems公司NT系列或国产高精度仿生喷头），通过调整喷头孔径（0.5-1.2mm）、水压（0.1-1.5MPa）及俯仰角（0-90°），模拟自然降雨的雨滴粒径（0.5-5mm）、终速（1-9m/s）及分布均匀性；

布局方式：喷头按矩阵排列（间距2-3m，离地高度5-7m），分为8个独立控制区（每区5m×5m），每个区配置独立供水支管与电动调节阀，支持单区高强度降雨（如局部100mm/h）与全域协同降雨（如全域50mm/h）；

供水管路：主管道（DN150）+分支管道（DN100/DN50），采用耐腐蚀UPVC或不锈钢材质，配备压力传感器（精度±0.5%FS）、流量调节阀（精度±1%）及流量计（量程0-50m³/h，精度±1%）。

2.降雨强度与均匀性控制

调节范围：0-300mm/h（连续可调），分档精度：10mm/h（0-100mm/h）、5mm/h（100-200mm/h）、1mm/h（200-300mm/h）；

均匀性保障：通过CFD仿真优化喷头布局（确保全场雨量偏差≤±5%），结合实时雨量计（网格化布置，间距3m×3m，共16个）反馈数据，动态调整各分区喷头参数（如边缘区喷头角度微调补偿边缘效应）；

特殊模式：支持“暴雨中心模拟”（局部3m×3m区域达300mm/h，周边渐变至50mm/h）、“梯度降雨模拟”（如从试验区一端10mm/h渐变至另一端200mm/h，研究径流方向影响）。

3.雨滴特性模拟

粒径分布：通过更换喷头孔径（小雨：0.5-1mm；中雨：1-2mm；暴雨：2-5mm）或叠加不同孔径喷头，匹配自然降雨的雨滴谱特征（如小雨以小粒径为主，暴雨含大粒径冲击）；

终速匹配：通过调节喷头高度与水压，使雨滴落地速度接近自然值（小雨终速1-3m/s，暴雨终速4-9m/s），增强对土壤侵蚀、结构冲击的模拟真实性。

（二）多场景耦合试验模块

1.农作物模拟模块

种植区设计：可移动式种植槽（尺寸1m×0.5m×0.3m，材质PVC，共20组），填充试验土壤（黏土/砂壤土，按实际农田土质配制），种植典型作物（如小麦、玉米幼苗或高相似度仿真植被），支持不同植被覆盖度（0-100%）对比试验；

环境适配：顶部设置可调节遮阳网（模拟阴晴天气），底部铺设渗灌管（维持根系基础水分，避免非降雨因素干扰），可选配光照模拟灯（调节光周期）。

2.河流堤坝护坡模拟模块

模型结构：可定制化混凝土/土工布护坡模型（尺寸3m×2m×1.5m，坡度15°-75°可调），内部埋设土压力计（量程0-500kPa）、孔隙水压力计（量程0-100kPa）、位移传感器（精度±0.1mm）及应变片（监测护坡结构应力）；

材料适配：支持真实堤坝材料（如砂砾石、黏土混合土）或相似材料（按抗剪强度、渗透系数等参数配比），坡脚设置集水槽（收集冲刷泥沙，测量侵蚀量）。

3.泥石流模拟模块

坡体构造：可调节坡度（20°-50°）的土石混合坡体（尺寸15m×3m×2m），填充碎石（粒径5-20cm）、黏土及水（模拟饱和状态），坡顶设置蓄水池（模拟降雨入渗饱和）；

触发装置：通过底部闸门突然开启（模拟滑坡体启动）或振动台激励（频率0-50Hz，振幅可调），模拟地震/强降雨触发的泥石流；

流动监测：坡脚设置高速摄像机（帧率≥1000fps）、激光测距仪（监测泥石流前锋速度），沟道内布置流速仪（超声波/电磁式）、堆积体体积测量摄像头（红外夜视），记录泥石流演进过程。

4.城市排水管线设施模拟模块

微缩管网系统：按1:10或1:5比例搭建城市道路-排水管网微缩模型（尺寸10m×5m×1m），包含：

路面层：透水/不透水沥青混凝土模拟路面（厚度5-10cm），表面设置不同坡度（1%-5%）模拟真实道路横坡；

管网结构：PVC/HDPE材质的排水管道（管径100-300mm，按实际比例缩放），连接检查井（模拟堵塞与过流）、雨水口（收集路面径流）；

附属设施：路缘石、雨水篦子（模拟杂物拦截）、地下水位模拟层（控制地下水渗入量）；

监测重点：路面积水深度（通过激光水位计实时测量）、管网流量（电磁流量计，精度±0.5%）、管道内部流速（超声波多普勒流速仪）、检查井溢流情况（高清摄像头记录）。

（三）动态监测与数据采集系统

1.降雨参数监测

雨量计网格：试验区内布置8×8网格（共64个），每个雨量计测量范围0-500mm/h，精度±2%，实时反馈各点降雨强度；

雨滴谱仪：2台（分别覆盖农田区与城市区），测量雨滴直径分布（0.2-8mm）、终速及浓度，验证雨滴特性模拟效果。

2.试验对象响应监测

土壤/结构参数：

农作物区：叶面含水率（红外传感器）、根系土壤含水率（TDR时域反射仪，精度±2%）、植株倾斜角度（倾角仪）；

堤坝护坡区：土压力（量程0-1000kPa）、孔隙水压力（量程0-200kPa）、位移（精度±0.01mm）、裂缝宽度（激光测距仪）；

泥石流区：坡体加速度（地震仪）、滑动位移（GNSS位移计）、泥石流密度（γ射线密度仪）；

城市排水区：路面积水深度（0-30cm，精度±1mm）、管网流量（0-50L/s，精度±0.5%）、管道内部压力（0-200kPa）、检查井液位（超声波液位计）；

灾害过程记录：

高速摄像（4-6台，覆盖农田冲刷、护坡坍塌、泥石流演进、路面积水等关键区域，分辨率≥1920×1080，帧率100-1000fps）；

三维激光扫描仪（每场试验前后扫描坡体/农田/管网形态，精度±1mm）；

视频监控（全域覆盖，记录试验全过程）。

3.数据管理平台

采用工业级PLC（如西门子S7-1500）+工控机，集成所有传感器信号，通过Modbus/TCP协议传输至服务器；

实时显示降雨强度曲线、监测参数动态图（如路面积水随时间变化、护坡位移趋势），支持历史数据回溯、多参数关联分析（如降雨强度-管网溢流时间关系）及AI辅助阈值预测（如某降雨强度下内涝发生的概率）。

（四）辅助系统

供水系统：

水源：市政自来水+循环水箱（容积80m³），配备多级过滤器（去除杂质≥1μm）、紫外线消毒装置及水质软化设备（防止结垢堵塞喷头）；

水泵：变频离心泵（流量≥30m³/h，扬程≥100m），根据降雨强度自动调节流量，备用泵（流量≥20m³/h）保障连续运行；

补水控制：通过液位传感器维持水箱水位稳定，排水沟连接循环水箱（过滤后重复利用）。

供电系统：双回路电源（市电+UPS不间断电源，容量≥150kVA），关键设备（如PLC、传感器、高速摄像）配置备用电池（续航≥3h）；

安全防护：试验区周边设置防护栏（高度1.5m），极端降雨时自动断电并启动排水泵（流量≥80m³/h）；操作台配备急停按钮、远程紧急制动及声光报警功能。

四、技术参数指标

五、实施计划与预算（示例）

（一）实施周期

设计阶段（1.5个月）：需求细化、多场景布局优化、图纸深化；

设备采购（2.5个月）：喷头、传感器、水泵、微缩管网材料等定制生产；

安装调试（3个月）：管路铺设、系统集成、参数校准（含雨量均匀性验证）；

验收测试（1个月）：全强度范围验证、多场景耦合试验（如暴雨+城市内涝+堤坝冲刷）。

（二）预算估算（参考）

六、创新性与应用价值

技术先进性：国内领先实现0-300mm/h全量程连续可调降雨+多场景（农业/水利/城建）耦合试验，雨滴特性与均匀性达到国际同类水平；

综合灾害研究：首次集成“自然降雨-地表侵蚀-工程结构破坏-城市内涝”全链条模拟，为极端气候下的综合防灾减灾提供科学依据；

工程应用价值：直接支撑堤坝设计标准优化、城市排水管网容量评估、农作物耐涝品种筛选及泥石流预警阈值制定，助力“韧性城市”“智慧农业”建设。

编制单位：鬼谷子论坛资料库手机版-天检技术研究所

（注：可根据具体应用重点（如侧重城市内涝或堤坝防护）调整模块配置比例与参数细节。）