I. Предпосылки и цели проекта

Для систематического изучения комплексных механизмов воздействия различной интенсивности осадков (0-300 мм/ч) на различные сценарии, включая замедление роста сельскохозяйственных культур, эрозию берегов и склонов рек, возникновение и развитие селевых потоков, а также состояние городской дренажной инфраструктуры (например, засорение трубопроводов, затопление дорог и городское заболачивание), будет создана высокоточная, многосценарно-совместимая крупномасштабная лаборатория искусственного моделирования осадков. Эта лаборатория должна выполнять следующие основные функции:

Точное моделирование осадков: интенсивность осадков плавно регулируется в диапазоне от 0 до 300 мм/ч (точность ±5%), а размер капель и равномерность их распределения близки к естественным осадкам. Поддерживается моделирование как кратковременных сильных дождей (например, более 100 мм/ч в течение 1 часа), так и долгосрочных кумулятивных осадков (например, 30 мм/ч в течение 24 часов).

Многосценарное сопряжение: поддерживает независимое или комбинированное развертывание различных объектов, таких как зоны посадки сельскохозяйственных культур, модели защиты склонов речных насыпей, модели склонов, имитирующие селевые потоки, и миниатюрные системы городских водоотводных сетей (включая компоненты дорожного покрытия, трубопроводов и смотровых колодцев);

Динамический мониторинг опасностей: сбор данных в режиме реального времени о параметрах осадков (интенсивность, характеристики дождевых капель), реакции поверхности и конструкций (содержание влаги в почве, смещение, напряжение) и процессах развития стихийных бедствий (глубина размыва, скорость селевых потоков, глубина поверхностных вод на дорогах и расход воды в дренажной сети).

Безопасность и масштабируемость: система способна защитить оборудование в условиях экстремальных ливневых осадков и поддерживает гибкое расширение для добавления в будущем испытательных модулей (например, для моделирования циклов замерзания-оттаивания в сочетании с осадками).

II. Общая планировка лаборатории

(I) Площадь и планировка

Размер лаборатории: Рекомендуемая площадь застройки составляет ≥1000 м² (длина × ширина × высота = 50 м × 20 м × 8 м) для соответствия требованиям к планировке крупномасштабных интегрированных моделей (таких как участок городской дороги длиной 10 м, защита склона насыпи размером 5 м × 3 м и склон селевого потока длиной 15 м);

Функциональное зонирование:

Основная зона дождевых осадков (40 м × 20 м): На крыше установлена система имитации дождевых осадков, а грунт представляет собой экспериментальную платформу, несущую нагрузку (несущая способность ≥ 5 т/м²), разделенную на 4 независимые подзоны (зона сельскохозяйственных угодий, зона насыпи, зона селевых потоков и зона городского водоотведения). Каждая зона может быть отделена или соединена подвижными перегородками;

Площадка для подготовки моделей (10 м × 20 м): для подготовки и изготовления материалов для посадки сельскохозяйственных культур, моделей защиты склонов плотин/откосов селевых потоков/дренажной сети (включая хранилище грунта/гравия, смесительное оборудование и платформу для предварительного изготовления микротрубопроводов).

Зона наблюдения и контроля (10 м × 20 м): Оборудована терминалами сбора данных, высокоскоростной системой видеонаблюдения и пультом дистанционного управления, позволяющими в режиме реального времени корректировать параметры эксперимента и регистрировать процессы, связанные с аварией;

Вспомогательная зона (20 м × 20 м): включает в себя систему водоснабжения, резервуар для циркуляционной воды, диспетчерскую электроснабжения, помещение для обработки образцов и помещение для технического обслуживания оборудования.

Контроль микроклимата: температура в помещении поддерживается на уровне 15-30℃ с помощью системы кондиционирования воздуха (для адаптации к росту растений и стабильности характеристик материалов), а относительная влажность составляет ≤80% (для уменьшения влияния испарения воды); грунт имеет уклон 3° (для отвода воды с окружающей территории), и уложена водонепроницаемая стальная пластина (толщина ≥8 мм). Дренажная канава соединена с резервуаром для циркуляционной воды (коэффициент рециркуляции дождевой воды ≥80%).

III. Проектирование базовой системы

(I) Система имитации искусственных осадков

1. Состав системы

Система использует схему «консольная система орошения + интеллектуальное зональное управление», охватывающую основную зону выпадения осадков (40 м × 20 м). Несколько комплектов орошения управляются независимо друг от друга для обеспечения равномерного орошения по всей площади и имитации локальных сильных дождей.

Тип форсунки: Выберите комбинацию «преломляющих + вращающихся» форсунок (например, серию NT от Spraying Systems, США, или отечественные высокоточные бионические форсунки). Регулируя диаметр сопла (0,5-1,2 мм), давление воды (0,1-1,5 МПа) и угол наклона (0-90°), имитируйте размер капель дождя (0,5-5 мм), конечную скорость (1-9 м/с) и равномерность распределения естественных осадков.

Схема расположения: Дождеватели расположены в виде матрицы (расстояние между ними 2-3 м, высота от земли 5-7 м), разделенной на 8 независимых зон управления (5 м × 5 м на зону). Каждая зона оборудована отдельным водопроводным патрубком и электрическим регулирующим клапаном, обеспечивающим подачу интенсивных осадков в пределах одной зоны (например, локально 100 мм/ч) и скоординированную подачу осадков по всей территории (например, 50 мм/ч по всей территории).

Водопроводный трубопровод: основной трубопровод (DN150) + ответвления (DN100/DN50), изготовленные из коррозионностойкого ПВХ или нержавеющей стали, оснащенные датчиком давления (точность ±0,5% от полной шкалы), регулирующим клапаном расхода (точность ±1%) и расходомером (диапазон 0-50 м³/ч, точность ±1%).

2. Контроль интенсивности и равномерности осадков.

Диапазон регулировки: 0-300 мм/ч (плавная регулировка), точность диапазона: 10 мм/ч (0-100 мм/ч), 5 мм/ч (100-200 мм/ч), 1 мм/ч (200-300 мм/ч);

Обеспечение равномерности: расположение дождевальных установок оптимизировано с помощью моделирования CFD (обеспечивая, чтобы общее отклонение количества осадков составляло ≤±5%), а параметры дождевальных установок в каждой зоне динамически корректируются путем объединения данных обратной связи от дождемеров, расположенных в режиме реального времени (сетчатая система с шагом 3 м × 3 м, всего 16 датчиков) (например, точная настройка угла орошения в краевой зоне для компенсации краевых эффектов).

Специальные режимы: Поддержка «Моделирования центра ливневого дождя» (локальная зона 3 м × 3 м достигает скорости 300 мм/ч, постепенно снижаясь до 50 мм/ч в окружающей области) и «Моделирования градиентного стока» (например, постепенное снижение скорости от 10 мм/ч на одном конце тестовой зоны до 200 мм/ч на другом конце для изучения влияния направления стока).

3. Моделирование характеристик дождевых капель

Распределение частиц по размерам: Изменяя диаметр отверстия форсунки (небольшой дождь: 0,5-1 мм; умеренный дождь: 1-2 мм; сильный дождь: 2-5 мм) или накладывая друг на друга форсунки с разными диаметрами отверстий, можно добиться соответствия спектральных характеристик дождевых капель, характерных для естественных осадков (например, при небольшом дожде преобладают мелкие частицы, тогда как при сильном дожде наблюдается скопление крупных частиц).

Согласование конечной скорости: Путем регулирования высоты сопла и давления воды конечная скорость дождевых капель приближается к естественному значению (конечная скорость легкого дождя составляет 1-3 м/с, а конечная скорость сильного дождя — 4-9 м/с), что повышает реалистичность моделирования эрозии почвы и воздействия на конструкции.

(II) Модуль сопряженного многосценарного эксперимента

1. Модуль моделирования урожая

Проектирование посадочной площадки: Передвижные посадочные лотки (1 м × 0,5 м × 0,3 м, ПВХ, всего 20 комплектов), заполненные экспериментальной почвой (глинистая/песчаная суглинистая, подготовленная в соответствии с реальными сельскохозяйственными почвами), засаженные типичными культурами (такими как пшеница, рассада кукурузы или очень похожие имитирующие растительность), что позволяет проводить сравнительные эксперименты с различным растительным покровом (0-100%);

Адаптация к условиям окружающей среды: верхняя часть растения оборудована регулируемой затеняющей сеткой (имитирующей солнечную и облачную погоду), а нижняя часть оснащена трубами капельного орошения (для поддержания основной влажности корневой системы и предотвращения воздействия факторов, не связанных с осадками). Лампы для имитации освещения (с регулируемым световым циклом) предлагаются в качестве опции.

2. Модуль моделирования защиты склонов речных насыпей

Структура модели: Настраиваемая модель защиты склона из бетона/геотекстиля (3 м × 2 м × 1,5 м, угол наклона регулируется от 15° до 75°), внутри которой установлены датчики давления грунта (диапазон 0-500 кПа), датчики порового давления воды (диапазон 0-100 кПа), датчики смещения (точность ±0,1 мм) и тензометрические датчики (для контроля напряжения на склоне);

Совместимость с материалами: Поддерживает реальные материалы для насыпей (такие как гравий, глинистая смесь) или аналогичные материалы (смешанные в соответствии с такими параметрами, как прочность на сдвиг и коэффициент проницаемости), с водосборным желобом у основания склона (для сбора эродированных отложений и измерения эрозии).

3. Модуль моделирования селевых потоков

Конструкция склона: Регулируемый склон (20°-50°) из смеси грунта и камня (15 м × 3 м × 2 м), заполненный щебнем (размер частиц 5-20 см), глиной и водой (имитирующей насыщение). В верхней части склона установлен резервуар для хранения воды (имитирующий насыщение дождевой водой за счет инфильтрации).

Запуск устройства: имитирует оползни, вызванные землетрясениями/сильными дождями, путем внезапного открытия нижней затворной рамы (имитация начала оползня) или возбуждения вибрационным столом (частота 0-50 Гц, регулируемая амплитуда);

Мониторинг потока: Высокоскоростные камеры (частота кадров ≥ 1000 кадров в секунду) и лазерные дальномеры установлены у подножия склона (для мониторинга скорости фронта селевого потока), а измерители скорости потока (ультразвуковые/электромагнитные) и камеры для измерения объема накопления (инфракрасные камеры ночного видения) размещены в русле для регистрации развития селевого потока.

4. Модуль моделирования городских канализационных трубопроводов

Миниатюрная трубопроводная система: Создается миниатюрная модель городской дорожно-канализационной сети (10 м × 5 м × 1 м) в масштабе 1:10 или 1:5, включающая:

Дорожный слой: Проницаемое/непроницаемое асфальтобетонное покрытие, имитирующее дорожное покрытие (толщина 5-10 см), с различными уклонами (1-5%) для имитации поперечного уклона реальных дорог;

Конструкция трубопровода: дренажные трубы из ПВХ/ПЭВП (диаметр 100-300 мм, масштабированные в соответствии с фактическими пропорциями), соединенные со смотровыми колодцами (имитирующими засор и перелив) и ливневыми стоками (собирающими сток с дорог);

Вспомогательные сооружения: бордюрные камни, решетки ливневой канализации (имитирующие перехват мусора) и слой моделирования уровня грунтовых вод (контролирующий инфильтрацию грунтовых вод);

Основные направления мониторинга: глубина воды на поверхности дороги (измерение в реальном времени с помощью лазерных нивелиров), расход воды в дренажной сети (электромагнитные расходомеры с точностью ±0,5%), скорость потока внутри труб (ультразвуковые доплеровские измерители скорости) и условия перелива из канализационных люков (регистрируются камерами высокого разрешения).

(III) Система динамического мониторинга и сбора данных

1. Мониторинг параметров осадков

Сетка дождемеров: на экспериментальной площадке расположена сетка 8×8 (всего 64 ячейки). Каждый дождемер имеет диапазон измерения 0-500 мм/ч и точность ±2%, обеспечивая обратную связь в реальном времени об интенсивности осадков в каждой точке.

Спектрометр дождевых капель: Для измерения распределения диаметров дождевых капель (0,2-8 мм), конечной скорости и концентрации, а также для проверки эффекта моделирования характеристик дождевых капель, используются два устройства (одно для сельскохозяйственных угодий, другое для городских районов).

2. Мониторинг реакции испытуемого

Параметры почвы/структуры:

Зона выращивания: Влажность поверхности листьев (инфракрасный датчик), влажность корней (рефлектометр временной области TDR, точность ±2%), угол наклона растений (инклинометр);

Зона защиты откоса насыпи: Давление грунта (диапазон 0-1000 кПа), поровое давление воды (диапазон 0-200 кПа), смещение (точность ±0,01 мм), ширина трещин (лазерный дальномер);

Зона селевого потока: ускорение склона (сейсмограф), смещение скольжения (GNSS-измеритель смещения), плотность селевого потока (гамма-денситометр);

Городская водосборная площадь: глубина воды на поверхности дороги (0-30 см, точность ±1 мм), расход воды в трубопроводной сети (0-50 л/с, точность ±0,5%), внутреннее давление в трубах (0-200 кПа), уровень в смотровом колодце (ультразвуковой уровнемер);

Запись процесса ликвидации последствий стихийного бедствия:

Высокоскоростные камеры (4-6 устройств, охватывающие ключевые области, такие как эрозия сельскохозяйственных угодий, обрушение склонов, развитие селевых потоков и скопление воды на поверхности дорог, разрешение ≥1920×1080, частота кадров 100-1000 кадров в секунду);

3D лазерный сканер (сканирует морфологию склонов/сельскохозяйственных угодий/трубопроводов до и после каждого испытания с точностью ±1 мм);

Видеонаблюдение (полное покрытие, запись всего процесса тестирования).

3. Платформа управления данными

Используя промышленный ПЛК (например, Siemens S7-1500) и промышленный компьютер, платформа интегрирует все сигналы датчиков и передает их на сервер по протоколу Modbus/TCP.

Он отображает кривые интенсивности осадков в реальном времени и динамические графики параметров мониторинга (таких как изменения уровня воды на дорожном покрытии с течением времени и тенденции смещения склонов). Он поддерживает отслеживание исторических данных, многопараметрический корреляционный анализ (например, взаимосвязь между интенсивностью осадков и временем перелива трубопровода) и прогнозирование пороговых значений с помощью ИИ (например, вероятность городского затопления при определенной интенсивности осадков).

(IV) Вспомогательные системы

Система водоснабжения:

Источник воды: муниципальная водопроводная вода в сочетании с резервуаром для рециркуляционной воды (объем: 80 м³), оснащенным многоступенчатыми фильтрами (удаляющими примеси ≥1 мкм), блоком ультрафиолетовой дезинфекции и системой умягчения воды для предотвращения образования накипи и засорения форсунок.

Водяные насосы: центробежные насосы с регулируемой частотой вращения (расход ≥ 30 м³/ч, напор ≥ 100 м) с автоматической регулировкой расхода в зависимости от интенсивности осадков; резервные насосы (расход ≥ 20 м³/ч) для обеспечения непрерывной работы.

Контроль уровня подпиточной воды: Уровень воды в резервуаре поддерживается датчиками уровня, а дренажные каналы подключены к резервуару с рециркуляционной водой для повторного использования фильтрованной воды.

Система электропитания: двухканальная конфигурация (центральное электроснабжение + источник бесперебойного питания, мощность ≥150 кВА). Критически важное оборудование (например, ПЛК, датчики и высокоскоростные камеры) оснащено резервными батареями, обеспечивающими ≥3 часов работы.

Защита от аварий: Вокруг испытательного полигона установлено защитное ограждение (высотой 1,5 м). В условиях сильных дождей система автоматически отключает электропитание и активирует дренажные насосы (расход ≥ 80 м³/ч). Панель управления оснащена кнопкой аварийной остановки, дистанционным аварийным торможением, а также звуковой и визуальной сигнализацией.

IV. Технические параметры

V. План реализации и бюджет (пример)

(I) Цикл реализации

Этап проектирования (1,5 месяца): уточнение требований, оптимизация компоновки в различных сценариях и доработка чертежей;

Закупка оборудования (2,5 месяца): изготовление на заказ спринклерных головок, датчиков, водяных насосов, миниатюрных трубопроводных материалов и т. д.;

Монтаж и ввод в эксплуатацию (3 месяца): прокладка трубопроводов, системная интеграция и калибровка параметров (включая проверку равномерности выпадения осадков);

Приемочные испытания (1 месяц): проверка прочности в полном диапазоне и испытания в различных сценариях (например, сильный дождь + городское наводнение + эрозия насыпи).

(II) Бюджетная смета (справочная)

VI. Инновации и ценность применения

Технологический прогресс: Достижение лидирующих в стране показателей непрерывного регулируемого выпадения осадков в диапазоне 0-300 мм/ч, а также проведение испытаний в различных сценариях (сельское хозяйство/водопользование/городское строительство) с характеристиками и равномерностью выпадения капель, соответствующими международному уровню;

Комплексное исследование стихийных бедствий: впервые в нем интегрировано моделирование всей цепочки «естественные осадки – поверхностная эрозия – разрушение инженерных сооружений – городское наводнение», что обеспечивает научную основу для всестороннего предотвращения и смягчения последствий стихийных бедствий в экстремальных климатических условиях;

Прикладная инженерная ценность: она напрямую способствует оптимизации стандартов проектирования плотин, оценке пропускной способности городских водоотводных сетей, выбору сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к наводнениям, и разработке пороговых значений раннего предупреждения о селевых потоках, тем самым способствуя созданию «устойчивых городов» и «умного сельского хозяйства».

Подготовлено: компанией Hebei Tianqixingzi Inspection Equipment Co., Ltd. – Тяньцзянским научно-исследовательским институтом технологий.

(Примечание: Соотношение параметров конфигурации модуля и подробная информация о параметрах могут быть скорректированы в соответствии с конкретной областью применения (например, с учетом городских наводнений или защиты плотин).)