專(zhuān)利名稱(chēng)：一種區(qū)域降雨過(guò)程的模擬系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種區(qū)域降雨過(guò)程的模擬系統(tǒng)和方法，是一種用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和對(duì)自然生態(tài)模擬的系統(tǒng)和方法，是一種具有過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)區(qū)域降雨過(guò)程準(zhǔn)確模擬能力的人工降雨系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
大型模擬降雨系統(tǒng)一般都是由國(guó)家出資的大型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于大型防災(zāi)減災(zāi)或資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目的科學(xué)實(shí)驗(yàn)或開(kāi)發(fā)研究項(xiàng)目。如:美國(guó)ADMI公司研發(fā)的模擬降雨系統(tǒng)，以及日本筑波大學(xué)、日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所、長(zhǎng)安大學(xué)、黃河水利科學(xué)研究院、北京師范大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等國(guó)內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)所擁有的模擬降雨系統(tǒng)。這種大型系統(tǒng)也可以用于對(duì)某個(gè)特定區(qū)域可能出現(xiàn)的強(qiáng)降雨等災(zāi)害性天氣進(jìn)行模擬，以便采取措施避免或減少自然災(zāi)害對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)生活的影響。現(xiàn)有的大型模擬降雨系統(tǒng)存在兩個(gè)問(wèn)題:首先，這些模擬降雨系統(tǒng)均只能實(shí)現(xiàn)研究降雨區(qū)域內(nèi)保持相同雨強(qiáng)的降雨過(guò)程模擬。且降雨過(guò)程設(shè)定的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)前期分析，概化出特征降雨過(guò)程的雨強(qiáng)變化過(guò)程，并將該過(guò)程作為模擬降雨裝置控制降雨過(guò)程的依據(jù)。然而，由于自然降雨特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的雨強(qiáng)變化趨勢(shì)及其內(nèi)部分布具有明顯的不均一性，即同一區(qū)域在同一個(gè)降雨過(guò)程中，區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的降雨?duì)顟B(tài)并不一致。而現(xiàn)有的模擬降雨系統(tǒng)不能模擬區(qū)域內(nèi)的不一致降雨。其次，由于現(xiàn)有的氣象資料不可能收集區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的降雨?duì)顩r資料，也沒(méi)有必要這樣做，但在模擬過(guò)程中如果忽略這些點(diǎn)的降雨變化，其結(jié)果是降雨過(guò)程的模擬精確度不足，使模擬實(shí)驗(yàn)的誤差過(guò)大，不能滿(mǎn)足科學(xué)應(yīng)用的需要，嚴(yán)重的甚至?xí)a(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)論。總之，由于上述問(wèn)題，目前國(guó)際上的大型模擬降雨系統(tǒng)均不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域降雨過(guò)程的準(zhǔn)確模擬，其實(shí)驗(yàn)參數(shù)往往只能作為定性分析或粗略定量分析的參考數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種區(qū)域降雨過(guò)程的模擬系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)和方法具有對(duì)設(shè)定區(qū)域內(nèi)過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的降雨過(guò)程的生成和準(zhǔn)確模擬的能力。所述系統(tǒng)和方法利用水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)所述研究區(qū)域的降雨過(guò)程的生成進(jìn)行分析，產(chǎn)生準(zhǔn)確模擬降雨方案。所述系統(tǒng)有多個(gè)相互獨(dú)立的模擬降雨單元，各個(gè)降雨單元的模擬降雨過(guò)程可以獨(dú)立控制。通過(guò)多達(dá)上百個(gè)降雨單元的組合，在上千平方米的模擬區(qū)域的精確物理模型范圍內(nèi)，按照準(zhǔn)確模擬降雨方案，實(shí)現(xiàn)降雨的時(shí)間、空間變化過(guò)程的準(zhǔn)確模擬。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種區(qū)域降雨過(guò)程的模擬系統(tǒng)，包括:水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，所述的水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)與降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)連接，所述的降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)與降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)連接，所述的降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)與模擬降雨子系統(tǒng)連接；所述水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)包括:區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)和站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)；所述的降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)包括:區(qū)域氣候模型、站點(diǎn)資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置；所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括:水量噴灑控制裝置、供水裝置、噴灑裝置和安裝在區(qū)域物理模型上的傳感器；所述的噴灑裝置由多個(gè)安裝在模擬區(qū)域物理模型上空的噴灑單元組成，所述的噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣。一種使用上述系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域降雨過(guò)程模擬的方法，所述方法的步驟如下:
選擇區(qū)域氣候模型的步驟:用于根據(jù)要求在區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇研究區(qū)域的氣
候模型；
查找站點(diǎn)氣候資料的步驟:用于在站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)中查找所述研究區(qū)域的站點(diǎn)氣候資
料；
構(gòu)建準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案的步驟:用于根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點(diǎn)的降雨資料，構(gòu)建過(guò)去或未來(lái)某一時(shí)段的降雨過(guò)程模型，或者構(gòu)建正在進(jìn)行的降雨過(guò)程模型；將研究區(qū)域空間上的降雨過(guò)程劃分為縱橫排列的雨強(qiáng)矩陣，根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點(diǎn)的降雨資料，特別是站點(diǎn)的降雨資料，沒(méi)有站點(diǎn)降雨資料的位置應(yīng)計(jì)算插值，計(jì)算雨強(qiáng)矩陣各矩陣單元隨時(shí)間變化的降雨量和變化量以及雨滴的大小和變化量，形成準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案；
尺度轉(zhuǎn)換的步驟:用于將準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案中所述研究區(qū)域的真實(shí)尺度轉(zhuǎn)換為物理模型的模擬區(qū)域尺度，包括將雨強(qiáng)矩陣按照尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為雨強(qiáng)模擬矩陣，完成準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案；
模擬降雨的步驟:用于所述的降雨控制子系統(tǒng)將準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案中的雨強(qiáng)模擬矩陣的各個(gè)矩陣單元與噴灑單元陣中的各個(gè)噴灑單元對(duì)應(yīng)，根據(jù)準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案控制噴灑單元噴灑作業(yè)，并根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)噴灑過(guò)程是否符合準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明通過(guò)集成水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)、降雨過(guò)程生成系統(tǒng)、降雨過(guò)程控制系統(tǒng)和多個(gè)模擬降雨單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域內(nèi)過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的降雨過(guò)程的生成和模擬。能夠更好的模擬自然降雨過(guò)程，對(duì)流域產(chǎn)匯流過(guò)程、缺資料地區(qū)水文水資源研究、檢驗(yàn)和優(yōu)化水文站網(wǎng)配置、智慧流域研究等諸多領(lǐng)域具有重要的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為區(qū)域水文模擬研究和生產(chǎn)應(yīng)用提供科學(xué)工具。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述系統(tǒng)的原理示意 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一所述模擬降雨子系統(tǒng)的原理示意 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例二所述噴灑單元陣的排布示意 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例三所述噴頭的排布示意 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例四所述的遮雨棚示意 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例四所述的遮雨棚示意圖，是圖5中A點(diǎn)的放大圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一:
本實(shí)施例是一種區(qū)域降雨過(guò)程的模擬系統(tǒng)，如圖1所示。本實(shí)施例包括:水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，所述的水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)與降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)連接，所述的降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)與降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)連接，所述的降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)與模擬降雨子系統(tǒng)連接，所述的降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)與安裝在區(qū)域物理模型上的多個(gè)雨量傳感器連接(限于做圖的限制，圖1中僅繪制了 10個(gè)雨量傳感器，在實(shí)際中每個(gè)噴灑單元都應(yīng)當(dāng)至少有一到兩個(gè)雨量傳感器)。降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)可以是通用計(jì)算機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等具有控制和處理能力計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所述水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)包括:區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)和站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)。所述的降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)包括:區(qū)域氣候模型、站點(diǎn)資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置。所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括:供水裝置、噴灑裝置；所述的噴灑裝置由多個(gè)安裝在模擬區(qū)域物理模型上空的噴灑單元組成，所述的噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣(圖1中繪制了一個(gè)10X10的噴灑單元陣，實(shí)際中可以有更多或少于這個(gè)數(shù)量的噴灑單元陣)。所述區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存了區(qū)域氣候模型運(yùn)行所需的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的來(lái)源主要是依據(jù)所采用的氣候模式維護(hù)網(wǎng)站專(zhuān)有數(shù)據(jù)庫(kù)建立的服務(wù)于指定區(qū)域自然降水模擬的數(shù)據(jù)庫(kù)。區(qū)域氣候模型是一種數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，這種模式的堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)在于依據(jù)大氣運(yùn)動(dòng)的普遍物理規(guī)律對(duì)區(qū)域天氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬，能夠提供比較全面的大氣要素?cái)?shù)據(jù)。但是由于大氣運(yùn)動(dòng)異常復(fù)雜，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式只能是大氣運(yùn)動(dòng)方程組的一種簡(jiǎn)化，其預(yù)報(bào)結(jié)果仍然存在誤差。盡管如此，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)作為區(qū)域定量降雨預(yù)報(bào)的一種先進(jìn)方法，已經(jīng)受到科學(xué)界的充分重視和研究，RegCM, T213L31、麗5以及WRF等數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式已經(jīng)在科學(xué)研究和實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用。在氣候數(shù)據(jù)庫(kù)的驅(qū)動(dòng)下不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)去、現(xiàn)在的區(qū)域降雨過(guò)程模擬，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)降雨過(guò)程的模擬預(yù)報(bào)。水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)可以是帶有服務(wù)器的大型存儲(chǔ)器，也可以是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以是通用計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器。本實(shí)施例所述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式可以選用中國(guó)國(guó)家氣象中心T213L31模式和HALFS模式、日本模式(JMA/GSM)、德國(guó)模式(DWD/GRE)、美國(guó)環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)及美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)的MM5和WRF模式等。其中，WRF模式(Weather Research andForecasting Model)的研究和應(yīng)用前景最為突出。WRF是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)中小尺度氣象處、國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)環(huán)境模擬中心、預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(FSL)的預(yù)報(bào)研究處和奧克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴分析預(yù)報(bào)中心(CAPS)四單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種統(tǒng)一的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，由美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家海洋大氣局(NOAA)共同支持。該模式的開(kāi)發(fā)計(jì)劃于1997年開(kāi)始建立，2000年發(fā)布第一版，并在此后多次發(fā)布改進(jìn)版本。目前最新版為V3.4.1,于2012年8月16日免費(fèi)對(duì)外發(fā)布。WRF模式分為ARW(Advanced ResearchWRF)和NMM (Nonhydrostatic Mesoscale Model)兩種，即研究用和業(yè)務(wù)用兩種形式,分別由NCEP和NCAR進(jìn)行管理維護(hù)。本實(shí)施例所述的站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)的資料內(nèi)容主要由雨量站、水文站、氣象站等的自然環(huán)境觀測(cè)站點(diǎn)所收集的資料構(gòu)成。其數(shù)據(jù)來(lái)源可以是水文年鑒、國(guó)家級(jí)的氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、以及自有觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)等。本實(shí)施例所述的降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)預(yù)測(cè)以及設(shè)定的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間降雨過(guò)程的模擬，得出需要的模擬降雨過(guò)程(本實(shí)施例所述的研究區(qū)域指的是實(shí)際地面真實(shí)尺度的被研究區(qū)域，簡(jiǎn)稱(chēng)為研究區(qū)域，經(jīng)過(guò)尺度轉(zhuǎn)換后與物理模型尺度一個(gè)的區(qū)域稱(chēng)為模擬區(qū)域)。通過(guò)對(duì)站點(diǎn)資料的分析并利用站點(diǎn)資料修正和補(bǔ)充區(qū)域氣候模型中的空白或誤差。降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)可以普通PC，也可以是服務(wù)器、工作站等小型或中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。站點(diǎn)資料通常情況下比區(qū)域氣候模型更加精確和直接，但由于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和自然地理?xiàng)l件等原因，站點(diǎn)的位置分布、布設(shè)時(shí)間等往往難以直接滿(mǎn)足研究區(qū)域降雨過(guò)程模擬的需要。在研究區(qū)域站點(diǎn)數(shù)據(jù)較為充足的情況下，為使密集程度均勻，本實(shí)施例設(shè)置了站點(diǎn)資料插值裝置。站點(diǎn)資料插值裝置是利用泰森多邊形法、距離平方反比法、克里金插值法對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，從而再現(xiàn)指定區(qū)域指定時(shí)間內(nèi)自然降雨過(guò)程。自然降雨過(guò)程的模擬還需要將研究區(qū)域劃分為與模擬區(qū)域相同的縱橫網(wǎng)格的區(qū)域單元，形成雨強(qiáng)模擬矩陣，這樣才能在不同的矩陣單元產(chǎn)生不同的雨強(qiáng)變化，模擬在同一時(shí)間的不同空間或者不同時(shí)間的同一空間的雨強(qiáng)變化。尺度轉(zhuǎn)換裝置是利用尺度轉(zhuǎn)換方法將區(qū)域氣候模型或經(jīng)過(guò)插值處理的研究區(qū)域在指定時(shí)間段的降雨過(guò)程轉(zhuǎn)換為模擬降雨子系統(tǒng)的降雨過(guò)程控制文件的模塊。換句話(huà)說(shuō)就是將實(shí)際尺度的研究區(qū)域的降雨過(guò)程縮小為物理模型尺度的模擬區(qū)域內(nèi)的模擬降雨過(guò)程。這一過(guò)程不是簡(jiǎn)單的區(qū)域尺寸按比例縮小，一方面要依據(jù)不同的研究目的和試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行區(qū)域降雨參數(shù)的尺度轉(zhuǎn)換。尺度轉(zhuǎn)換具體內(nèi)容為以系統(tǒng)噴灑單元的噴頭壓力-雨強(qiáng)-雨滴譜關(guān)系為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域降雨過(guò)程轉(zhuǎn)換為模擬降雨系統(tǒng)控制參數(shù)，這些控制參數(shù)按照試驗(yàn)需求的不同，可以包括雨強(qiáng)、雨量、降雨時(shí)間、雨滴動(dòng)能、雨滴譜構(gòu)成等。另一方面要經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算，精細(xì)的簡(jiǎn)化，盡可能的減小在比例轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)原始數(shù)據(jù)的修改誤差，最大程度的模擬實(shí)際尺度的降雨過(guò)程。經(jīng)過(guò)尺度縮小和修正后，尺度轉(zhuǎn)換裝置將模擬區(qū)域的模擬降雨過(guò)程轉(zhuǎn)換為降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)所需要的降雨過(guò)程控制文件。降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)依據(jù)降雨過(guò)程控制文件，對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)噴灑單元陣進(jìn)行雨強(qiáng)變化控制，模擬研究區(qū)域內(nèi)的雨能變化和雨滴譜變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)某一時(shí)間段的降雨過(guò)程的模擬。所述的降雨過(guò)程控制文件將模擬區(qū)域內(nèi)的雨強(qiáng)變化分配在各個(gè)與噴灑單元對(duì)應(yīng)的雨強(qiáng)模擬矩陣中，然后將雨強(qiáng)變化矩陣中的單元要素與噴灑單元陣中的各個(gè)噴灑單元對(duì)應(yīng)，再計(jì)算各個(gè)噴灑單元隨時(shí)間變化的噴灑量，包括雨滴譜和雨能隨時(shí)間的變化量，再將各個(gè)噴灑單元的噴灑量記錄在降雨過(guò)程控制文件中。降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)可采用中央分步式控制方式，也可以采用直接控制方法。所述的直接控制方式就是降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)直接對(duì)模擬降雨子系統(tǒng)的各個(gè)噴灑單元進(jìn)行控制。而中央分布式控制方式則是設(shè)立中央控制中心，在中央控制中心自動(dòng)調(diào)控噴灑單元陣中上百個(gè)噴灑單元子系統(tǒng)的所有電器調(diào)控部件，即由中央控制器向各個(gè)子系統(tǒng)控制器下達(dá)指令，再由子系統(tǒng)控制器執(zhí)行操作。降雨過(guò)程可以由手動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)監(jiān)控狀態(tài)下的手動(dòng)操作和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制3種方式，以滿(mǎn)足不同的控制需要。能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)噴灑單元所覆蓋的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男^(qū)中的降雨過(guò)程曲線(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制與現(xiàn)實(shí)及降雨歷史數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與下載。中央控制中心可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示降雨模擬過(guò)程，并能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與下載，自動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)量并記錄降雨過(guò)程的雨滴譜和雨能。降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)可以是通用計(jì)算機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等具有控制和處理能力計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括供水裝置、噴灑裝置1，如圖2所示(圖2中虛線(xiàn)框住的部分表示一個(gè)噴灑單元，由于做圖的限制，圖3中畫(huà)出了一個(gè)噴灑單元的三個(gè)噴頭)。供水裝置由儲(chǔ)水池3、水泵4和管路6組成，配有流量調(diào)節(jié)閥2壓力傳感器5，以及控制各個(gè)噴頭的開(kāi)關(guān)閥7，供給噴灑裝置充足的水量。供水裝置還可以包含有循環(huán)過(guò)濾裝置，使噴灑后的水流經(jīng)過(guò)過(guò)濾后回到儲(chǔ)水池中繼續(xù)使用，以節(jié)約資源。噴灑裝置主要由許多個(gè)噴灑單元組成。噴灑單元的個(gè)數(shù)一般有上百個(gè)甚至上千個(gè)。其數(shù)量的多少根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制造成本和精度確定。因?yàn)閲姙卧怯布?，設(shè)備一旦安裝就位，其噴灑單元的數(shù)量就固定了，無(wú)法更改。噴灑單元越多則實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度越高，但成本也越高，反之噴灑單元的數(shù)量越少則精度越低，成本也降低。噴灑單元陣中各個(gè)噴灑單元可以按照縱橫對(duì)齊的矩陣排列，也可以采用菱形的交錯(cuò)排列。矩陣排列的優(yōu)點(diǎn)是:各個(gè)噴灑單元可以與雨強(qiáng)變化矩陣中的矩陣單元要素一一對(duì)應(yīng)，十分方便。噴灑單元的菱形交錯(cuò)排列可以獲得較均勻的降雨模擬。噴灑單元由噴頭組組成。在實(shí)驗(yàn)中不但要模擬雨量的大小，還要模擬雨滴的大小，即所述的雨滴譜，因此，需要有各種不同的規(guī)格的噴頭組成噴頭組模擬各種大小不同的雨滴。噴頭組一般由兩到五個(gè)噴頭組成，每個(gè)噴頭可以在水壓變化的情況下噴出一定范圍內(nèi)的雨滴，各個(gè)噴頭噴出大小不同范圍的雨滴，形成完整的雨滴譜。同時(shí)每個(gè)噴頭所噴灑的面積也不同，這樣可以根據(jù)需要使多個(gè)噴頭組的噴灑面積重疊，增加同一面積內(nèi)的噴灑量和噴灑均勻度。噴頭可以先用各種具有噴出水滴的噴頭，例如:花園使用的噴頭、噴灌使用的噴頭等。噴頭的選用應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足均勻可靠，防銹防堵，低維護(hù)等要求，重要的在于選用在模擬降雨過(guò)程中能均勻、穩(wěn)定的噴灑，與自然降雨相似。在物理模型上要安裝檢測(cè)雨量的傳感器，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量噴灑單元所噴出的模擬降雨雨量值以此反饋調(diào)控噴灑量，使降雨模型設(shè)定值與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際降雨(噴灑)值一致。傳感器可以是各種雨量計(jì)，精確的監(jiān)測(cè)雨量。本實(shí)施例所述的噴灑單元陣即可以安裝在露天也可以安裝在專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)大廳中。噴灑單元陣的下方通常要設(shè)置模擬區(qū)域的物理模型。物理模型是根據(jù)模擬區(qū)域的地形、地貌、植被、土壤、地下水等狀況按比例縮小而制作的實(shí)體模型，可以模擬該地區(qū)對(duì)各種雨量的反應(yīng)狀況。物理模型是硬件，一旦制作成型就無(wú)法改變，其尺寸是固定的，將影響尺度轉(zhuǎn)換裝置將研究區(qū)域的尺度轉(zhuǎn)換為模擬區(qū)域的尺度的轉(zhuǎn)換計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)大廳中可以安裝與降雨控制子系統(tǒng)連接的大屏幕顯示器，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示降雨試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際降雨值分布及相關(guān)信息，以便試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)參考。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的降雨過(guò)程變化曲線(xiàn)及降雨歷史數(shù)據(jù)可以作為數(shù)據(jù)記錄下來(lái)以備進(jìn)行分析研究。由于水流流動(dòng)的滯后性，當(dāng)開(kāi)始模擬降雨和停止模擬降雨的時(shí)候，水流不會(huì)立刻停止，總是有一些不符合要求的水流出現(xiàn)。為使降雨模擬十分精確，可以在噴灑單元陣和物理模型之間設(shè)置可以快速收放折疊的遮雨槽。遮雨槽打開(kāi)的時(shí)候，遮擋在噴灑單元與物理模型之間，使噴灑單元噴出的水流不會(huì)噴在物理模型上，遮雨槽折疊收起的時(shí)候不影響噴灑單元噴出的水流噴灑在物理模型上。在開(kāi)始模擬降雨之前，先打開(kāi)遮雨槽，然后啟動(dòng)噴灑單元進(jìn)行噴灑，這時(shí)噴灑單元噴灑出的水流不會(huì)噴灑在物理模型上，而是順著遮雨槽流回儲(chǔ)水池。當(dāng)噴灑的水流達(dá)到設(shè)定的要求后，再折疊收起遮雨槽，使噴灑單元對(duì)物理模型進(jìn)行噴灑，模擬降雨過(guò)程開(kāi)始。當(dāng)模擬降雨結(jié)束的時(shí)候，首先打開(kāi)遮雨槽，遮擋噴灑單元噴出的水流，模擬降雨過(guò)程的結(jié)束。這樣利用遮雨槽的打開(kāi)和折疊收起，可以精確的模擬降雨過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束。實(shí)施例二:
本實(shí)施例是實(shí)施例一改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于噴灑單元陣的細(xì)化。本實(shí)施例噴灑單元陣中，相鄰的四個(gè)噴灑單元成菱形排列，噴灑單元陣整體成縱橫交錯(cuò)排列，如圖3所示。本實(shí)施例所述噴灑單元陣的排列是一種橫排對(duì)齊，而縱排交錯(cuò)排列，或者是縱排對(duì)齊，橫排交錯(cuò)排列的形式(圖3是縱排對(duì)齊，橫排交錯(cuò)排列的形式)。圖中實(shí)線(xiàn)小圓圈表示噴灑單元，大虛線(xiàn)圓圈表示一個(gè)噴灑單元的噴灑范圍，相鄰的四個(gè)噴灑單元形成菱形，如圖3左上角的粗點(diǎn)劃線(xiàn)框所示。相鄰的幾個(gè)噴灑單元的噴灑范圍互相重疊，整體上在中間形成均勻的噴灑區(qū)域，如圖3中用粗實(shí)線(xiàn)框住的部分。實(shí)施例三:
本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于噴灑單元的細(xì)化，如圖4所示。本實(shí)施例所述的噴灑單元由大102、中103和小101三種規(guī)格的噴頭圍成一個(gè)等邊三角形，組成一個(gè)三個(gè)噴頭的噴灑單元。本實(shí)施例所述的三個(gè)噴頭可以噴出不同大小的雨滴，組成完整的雨滴譜，可以模擬各種自然的降雨過(guò)程。等邊三角形的排布是為了三個(gè)噴頭的噴灑區(qū)域相互重疊，并且不互相干擾。噴灑時(shí)可以根據(jù)需要開(kāi)啟一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)噴頭，形成不同的雨強(qiáng)和雨滴譜。實(shí)施例四:
本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于噴頭的細(xì)化。本實(shí)施例所述的噴頭可以選擇垂直螺旋下噴式噴頭。這是一種水出口帶有旋轉(zhuǎn)葉片的噴頭。當(dāng)水從出水口噴出時(shí)，由于壓力和重力的作用，沖擊出水口上的葉片，葉片旋轉(zhuǎn)，將水流打散，形成水滴，模擬降雨的水滴。實(shí)施例五:
本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例的細(xì)化，如圖5、6所示。本實(shí)施例所述的噴灑單元陣10的下方設(shè)有自動(dòng)遮雨槽9。本實(shí)施例所述的自動(dòng)遮雨槽設(shè)置在物理模型8和噴灑單元之間，如圖5所示。自動(dòng)遮雨槽是一個(gè)成條形的槽，圖6表示的是槽的橫截面形狀，可以折疊收放，圖6中虛線(xiàn)表示的是槽折疊收起的狀態(tài)，實(shí)線(xiàn)表示的是槽打開(kāi)的狀態(tài)。槽的打開(kāi)和收起可以用電機(jī)帶動(dòng)，打開(kāi)和收起應(yīng)當(dāng)盡可能的快，以便盡量模擬真實(shí)降雨的起始或結(jié)束。由于做圖的限制，圖中只能畫(huà)出兩折疊槽，實(shí)際中可以有多個(gè)折疊槽。實(shí)施例六:
本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于雨量傳感器的細(xì)化，本實(shí)施例所述的雨量傳感器是無(wú)線(xiàn)自動(dòng)雨量計(jì)。實(shí)施例七:
本實(shí)施例是一種使用上述實(shí)施例所述系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域降雨過(guò)程模擬的方法，所述方法的步驟如下:
選擇區(qū)域氣候模型的步驟:用于根據(jù)要求在區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇研究區(qū)域的氣候模型。正確選擇氣候模型十分重要，其要點(diǎn)是模型必須足夠精確，但還要符合成本的要求，以及依據(jù)模型的區(qū)域適應(yīng)性和已有的用于校核的數(shù)據(jù)情況。首先，根據(jù)已有的研究進(jìn)行模型的可獲取性及區(qū)域適應(yīng)性分析。選取易于獲得完整代碼的區(qū)域氣候模型，并分析其物理過(guò)程參數(shù)化方案是否適應(yīng)研究區(qū)域的氣象特點(diǎn)及模擬要求。其次，根據(jù)已有的研究進(jìn)行模型的模擬能力及實(shí)用性分析。選取模型原理先進(jìn)、模擬效果良好且計(jì)算速度達(dá)標(biāo)的區(qū)域氣候模型，并根據(jù)站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的實(shí)測(cè)降雨過(guò)程對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行反復(fù)率定，從而保證模型的模擬精度。查找站點(diǎn)氣候資料的步驟:用于在站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)中查找所述研究區(qū)域的站點(diǎn)氣候資料。根據(jù)研究時(shí)段和研究區(qū)域選擇站點(diǎn)的氣象資料，包括降雨、氣溫、風(fēng)速及濕度等，并將氣象要素賦值到每個(gè)時(shí)刻，用以明確觀測(cè)到的氣象過(guò)程。構(gòu)建準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案的步驟:用于根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點(diǎn)的降雨資料，構(gòu)建過(guò)去或未來(lái)某一時(shí)段的降雨過(guò)程模型，或者構(gòu)建正在進(jìn)行的降雨過(guò)程模型；將研究區(qū)域空間上的降雨過(guò)程劃分為縱橫排列的雨強(qiáng)矩陣，根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點(diǎn)的降雨資料，特別是站點(diǎn)的降雨資料，沒(méi)有站點(diǎn)降雨資料的位置應(yīng)計(jì)算插值，計(jì)算雨強(qiáng)矩陣各矩陣單元隨時(shí)間變化的降雨量和變化量以及雨滴的大小和變化量，形成準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案。對(duì)于具有較完整站點(diǎn)降雨資料的研究區(qū)域和時(shí)段，優(yōu)先使用站點(diǎn)的降雨資料，對(duì)研究區(qū)域?qū)?yīng)的雨強(qiáng)矩陣的單元進(jìn)行插值計(jì)算；對(duì)于無(wú)實(shí)測(cè)站點(diǎn)降雨資料或者站點(diǎn)降雨資料不全的模擬區(qū)域和時(shí)段，采用氣候模擬對(duì)應(yīng)時(shí)段模擬區(qū)域的降雨情況，并插值到對(duì)應(yīng)的雨強(qiáng)矩陣單元上。尺度轉(zhuǎn)換的步驟:用于將準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案中所述研究區(qū)域的真實(shí)尺度轉(zhuǎn)換為物理模型的模擬區(qū)域尺度，包括將雨強(qiáng)矩陣按照尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為雨強(qiáng)模擬矩陣，完成準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案。尺度轉(zhuǎn)換是在實(shí)際降雨過(guò)程還原的基礎(chǔ)上，按照具體的試驗(yàn)?zāi)康拇_定模擬降雨系統(tǒng)降雨過(guò)程控制文件的過(guò)程。進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換主要考慮的準(zhǔn)則有:能量準(zhǔn)則、水量準(zhǔn)則等。轉(zhuǎn)換主要是通過(guò)模型尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)及其系數(shù)調(diào)整進(jìn)行確定。如研究降雨過(guò)程中伴隨的土壤侵蝕與地表物質(zhì)輸移，由于土壤剝離和物質(zhì)輸移主要受雨滴能量影響，這是主要考慮降雨過(guò)程中單位面積上的降雨能 量的相似分布；如研究缺資料地區(qū)水文過(guò)程時(shí)，需要得到指定頻率降雨條件下，研究區(qū)域產(chǎn)匯流過(guò)程，這時(shí)主要考慮的是產(chǎn)匯流過(guò)程中指定河段的水位變化過(guò)程，主要考慮降雨時(shí)段內(nèi)降水量的相似分布。依據(jù)不同的研究目的和試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行區(qū)域降雨參數(shù)的尺度轉(zhuǎn)換，即根據(jù)不同研究目的設(shè)置不同的尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。尺度轉(zhuǎn)換具體內(nèi)容為以系統(tǒng)噴灑單元的噴頭壓力-雨強(qiáng)-雨滴譜關(guān)系為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域降雨過(guò)程轉(zhuǎn)換為模擬降雨系統(tǒng)控制參數(shù)，這些控制參數(shù)按照試驗(yàn)需求的不同，可以包括雨強(qiáng)、雨量、降雨時(shí)間、雨滴動(dòng)能、雨滴譜構(gòu)成等。在空間上，首先需要根據(jù)模擬區(qū)域與研究區(qū)域的幾何尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)對(duì)模擬降雨面積進(jìn)行比例尺轉(zhuǎn)換:
權(quán)利要求
1.一種區(qū)域降雨過(guò)程的模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括:水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)所述的水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)與降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)連接，所述的降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)與降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)連接，所述的降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)與模擬降雨子系統(tǒng)連接；所述水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)包括:區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)和站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)；所述的降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)包括:區(qū)域氣候模型、站點(diǎn)資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置；所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括:水量噴灑控制裝置、供水裝置、噴灑裝置和安裝在區(qū)域物理模型上的傳感器；所述的噴灑裝置由多個(gè)安裝在模擬區(qū)域物理模型上空的噴灑單元組成，所述的噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴灑單元陣中，相鄰的四個(gè)噴灑單元成菱形排列，噴灑單元陣整體成縱橫交錯(cuò)排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴灑單元由大中小三種規(guī)格的噴頭圍成一個(gè)等邊三角形三個(gè)噴頭組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴頭是垂直螺旋下噴式噴頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴灑單元陣的下方設(shè)有自動(dòng)遮雨槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的雨量傳感器是無(wú)線(xiàn)自動(dòng)雨量計(jì)。
7.一種使用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域降雨過(guò)程模擬的方法，所述方法的步驟如下: 選擇區(qū)域氣候模型的步驟:用于根據(jù)要求在區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇模擬區(qū)域的氣候模型； 查找站點(diǎn)氣候資料的步驟:用于在站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)中查找所述模擬區(qū)域的站點(diǎn)氣候資料； 其特征在于: 構(gòu)建準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案的步驟:用于根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點(diǎn)的降雨資料，構(gòu)建過(guò)去或未來(lái)某一時(shí)段的降雨過(guò)程模型，或者構(gòu)建正在進(jìn)行的降雨過(guò)程模型；將研究區(qū)域空間上的降雨過(guò)程劃分為縱橫排列的雨強(qiáng)矩陣，根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點(diǎn)的降雨資料，特別是站點(diǎn)的降雨資料，沒(méi)有站點(diǎn)降雨資料的位置應(yīng)計(jì)算插值，計(jì)算雨強(qiáng)矩陣各矩陣單元隨時(shí)間變化的降雨量和變化量以及雨滴的大小和變化量，形成準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案； 尺度轉(zhuǎn)換的步驟:用于將準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程初步方案中所述研究區(qū)域的真實(shí)尺度轉(zhuǎn)換為物理模型的模擬區(qū)域尺度，包括將雨強(qiáng)矩陣按照尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為雨強(qiáng)模擬矩陣，完成準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案； 模擬降雨的步驟:用于所述的降雨控制子系統(tǒng)將準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案中的雨強(qiáng)模擬矩陣的各個(gè)矩陣單元與噴灑單元陣中的各個(gè)噴灑單元對(duì)應(yīng)，根據(jù)準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案控制噴灑單元噴灑作業(yè)，并根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)噴灑過(guò)程是否符合準(zhǔn)確模擬降雨過(guò)程方案。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述的尺度轉(zhuǎn)換的步驟中，對(duì)于單一地形的物理模型試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)空間尺度轉(zhuǎn)換后取得的降雨過(guò)程直接用于模擬降雨過(guò)程。
9.根據(jù)權(quán)利要求 7所述的方法，其特征在于，所述的尺度轉(zhuǎn)換的步驟中，對(duì)于研究流域產(chǎn)匯流過(guò)程物理模型試驗(yàn)，所述的尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)為:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種區(qū)域降雨過(guò)程的模擬系統(tǒng)，包括水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)、降雨過(guò)程生成子系統(tǒng)、降雨過(guò)程控制子系統(tǒng)、模擬降雨子系統(tǒng)。還包括區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫(kù)和站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)；區(qū)域氣候模型、站點(diǎn)資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置；水量噴灑控制裝置、供水裝置、噴灑裝置和安裝在區(qū)域物理模型上的傳感器；噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣。本發(fā)明通過(guò)集成水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)、降雨過(guò)程生成系統(tǒng)、降雨過(guò)程控制系統(tǒng)和多個(gè)模擬降雨單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域內(nèi)過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的降雨過(guò)程的生成和模擬。能夠更好的模擬自然降雨過(guò)程，對(duì)流域產(chǎn)匯流過(guò)程、缺資料地區(qū)水文水資源研究、檢驗(yàn)和優(yōu)化水文站網(wǎng)配置、智慧流域研究等諸多領(lǐng)域具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。為區(qū)域水文模擬研究和應(yīng)用提供科學(xué)工具。
文檔編號(hào)B05B12/00GK103143465SQ20131005832
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者龔家國(guó), 王浩, 秦大庸, 賈仰文, 郝春灃, 劉家宏, 楊貴羽, 冶運(yùn)濤, 丁相毅 申請(qǐng)人:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院