CN113093312A - 一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，根据雨强及其影响因素间的逻辑关系，识别出具体的调节对象，提出有针对性的调节方案，形成一套系统的逐步寻优的降雨强度参数快速率定方法。该方法能在降雨强度调节的不确定中找到确定的调节对象，实现雨强及其空间分布的快速率定，有助于提升与降水有关实验中雨强模拟的准确性和均匀性，减少实验周期，提升实验数据的可靠性，提高实验效率。

Description

一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法

技术领域

本发明涉及降水效果的评估及优化方法，具体涉及一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法。

背景技术

在气候变化背景下，极端气象事件频发，由极端降水引起的一系列问题如城市内涝、水土流失等，成为当前研究的热点。然而，由于自然降水在时间和空间上的不确定性，导致在自然降水条件下开展实验并获取有效实验数据是非常困难的。因此，不受时间和空间限制、能够人为调控的人工模拟降雨成为研究降水特征及其相关问题的有效手段。

降雨强度是天然降雨的重要特征之一，随着极端降水事件的频发，降雨强度的变化也具有极大的不确定性，降雨强度越大，其致灾的可能性就越大，过大时甚至影响人类的财产安全和生命安全。因此，降雨强度是当今水文、农业、水土保持等相关学科的重点研究内容，也是当前人工模拟降雨的重点对象。据调查，我国当前对降雨强度的模拟更多的依赖于降水模拟装置。有些降水模拟装置没有自动率定功能，在对雨强进行率定的过程中需要投入大量的人力、时间和水电等资源。而对于有自动率定功能的降水模拟装置，通常根据雨强阈值的大小来查询系统内部设定的雨强与压力关系表来调节雨强，但由于环境变化、系统误差等因素，导致在实际实验过程中通过这样的调节方式得到的实测雨强与雨强阈值不相符。而且，在一些设计中，雨强与压力关系表限制了雨强的取值精度，当目标雨强的精度高于关系表中的雨强时，往往不能通过自动率定来实现，还是需要复杂的人工率定过程来实现。除雨强大小难以率定出理想的效果外，雨强的分布是否均匀对于实验的结果也有很大的影响。特别是在设置有对照组的模拟实验中，只有实验组与对照组的降雨条件一致，才能获得可靠有效的数据。同时，在实际操作中，人工调节降雨强度使其达到设定目标值和均匀程度，也是一件很困难的事，调节某一点上的雨强，可能会导致其他点处的雨强也随之变化，亦或是调节幅度过大或过小，都会使调节的过程变得更加艰难而漫长。因此，降雨强度大小及其分布是否均匀都是降雨强度模拟实验中亟需解决的重点和难点问题。

目前，针对以上的问题也有一些相应的对策，如在进行雨强率定时，采用水槽来承接降雨总量，然后在降雨结束后再计算降雨强度，这种方法计算得到的雨强是某一较长历时下的雨强，忽略了雨强瞬时性的特点，且在实验区域较大时，水槽的尺寸难以满足。在进行雨强均匀程度的判断时，目前常用的方法有两种，一种方式是根据获得各测点的雨强，然后将相等的值连接起来，绘制成雨强等值线图，另一种方式是以均匀系数作为判断依据，公式如下所示:

式中：K为降雨均匀系数，H_i为每个测点的降雨量，

为平均雨量，n为测点个数。此方法依据各测点数据偏离目标值的程度来评价数据分布的均匀度，是目前最常用的方法之一。但这种方法需要先求出各测点与平均值之间的差值，才能对降雨分布的均匀程度进行计算，且也只能对降雨分布的均匀程度做出判断，不能提供进一步的调节方案。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，包括如下步骤：

S1、建立试验区域下垫面的平面直角坐标系，并设定其中每个坐标点的雨强阈值和离散限度阈值；

S2、收集每个坐标点的雨强数据，根据收集到的雨强数据求取雨强平均值；

S3、判断求取的雨强平均值与雨强阈值是否相等，若是，则进入步骤S4，若不是，则根据雨强与进水流量的关系调整进水流量并返回步骤S2重新计算雨强平均值；

S4、根据步骤S3得到的雨强平均值计算雨强数据的离散系数；

S5、判断离散系数是否大于离散限度阈值，若是，则进行雨强空间分布的率定；若不是，则输出最优雨强参数。

上述方案的有益效果是，通过统计参数，逐步判断雨强及分布是否满足需求。

进一步的，所述步骤S1中建立试验区域下垫面的平面直角坐标系的方法为：

S11、以试验区域下垫面左上角为原点，以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴建立平面直角坐标系；

S12、在所建立的直角坐标系中建立多个单元面积相同网格，以网格中心点为该网格的坐标。

上述进一步方案的有益效果是，建立均匀的雨强采集点，保障雨强数据在试验区域内均匀分布，并便于精确定位需要调节的位点。

进一步的，其特征在于，所述步骤S2中雨强平均值的计算公式为：

其中，

为雨强平均值，P(x，y)为坐标值为(x，y)处所收集到的雨强大小，m为x轴上的网格个数，n为y轴上的网格个数。

上述进一步方案的有益效果是，获得实际雨强的平均值，判断区域实际雨强与雨强阈值的偏离程度，便于制定调节方案，以缩小实际雨强与雨强阈值的差距。

进一步的，所述步骤S3中调整进水流量的方式为：

S31、当所求取的雨强平均值大于雨强阈值时，调小进水流量；

S32、当所求取的雨强平均值小于雨强阈值时，调大进水流量。

上述进一步方案的有益效果是，明确进水流量的调节方向，制定进水流量调节方案，使实际雨强整体上接近雨强阈值目标。

进一步的，所述步骤S3中雨强与进水流量的关系表示为：

L＝a×P+b；

其中，L为进水流量，P为雨强，a和b为关系系数。

上述进一步方案的有益效果是，根据雨强与进水流量之间的逻辑关系，在明确调节方向的基础上进一步确定调节幅度，给出详细的调节方案。

进一步的，所述步骤S4中离散系数的计算公式为：

上述进一步方案的有益效果是，根据计算得到的离散系数，判断实际雨强分布的均匀程度是否满足目标需求。

进一步的，所述步骤S5中进行雨强空间分布的率定的方法为：

S51、计算每个网格的雨强与雨强阈值的差值及差值绝对值，计算方式为：

△P(x，y)＝P(x，y)-P_阈值；

|△P(x，y)|＝|P(x，y)-P_阈值|；

其中，△P(x，y)为坐标(x,y)处的雨强与雨强阈值的差值，|△P(x,y)|为坐标(x,y)处的雨强与雨强阈值的差值的绝对值；

S52、根据步骤S51的计算结果，将差值绝对值按照降序排序，并查找其大小大于差值阈值的差值绝对值所对应的位置坐标，确定需要调节的目标的坐标点；

S53、根据雨强与管道压力、喷头大小的关系，调节步骤S52中所确定的需要调节的坐标点的管道压力以及喷头大小，并返回步骤S4重新计算离散系数。

上述进一步方案的有益效果是，可以精确定位偏离程度较大的实测雨强位点，通过精准点位的调节，使实测雨强的分布满足设定雨强分布均匀程度的目标。

进一步的，S531、若|△P(x，y)|>P_zmin，则根据喷头与雨强的关系，调整对应坐标点上喷头大小；

S532、若|△P(x，y)|<P_zmin，则根据管道压力与雨强的关系，通过回水阀门调整管道压力。

其中，P_zmin为喷头调节能力下限。

上述进一步方案的有益效果是，根据实测雨强与目标雨强之间的差值与喷头调节能力下限之间的关系，明确需要调节雨强点位的调节对象。

进一步的，所述步骤S53中雨强与管道压力、喷头大小的关系表示为：

P＝f(z，l),

其中，P为降雨强度，z为喷头规格，l为管道压力。

上述进一步方案的有益效果是，根据管道压力及喷头与雨强之间的关系，可进一步明确精准点位调节对象的调节方向及幅度，制定详细的调节方案。

附图说明

图1为本发明一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法流程示意图。

图2为本发明实施例室内降水实验中雨强参数的快速率定方法实施步骤示意图。

图3为本发明实施例试验场地雨强测点坐标系示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、建立试验区域下垫面的平面直角坐标系，并设定其中每个坐标点的雨强阈值和离散限度阈值；

在本实施例里，具体包括如下步骤：

S11、以试验区域下垫面左上角为原点，以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴建立平面直角坐标系，将实验区域的下垫面视为平面坐标系，以试验区域的左上角为原点，以水平方向为X轴，以垂直方向为Y轴；

S12、在所建立的直角坐标系中建立多个单元面积相同网格，以网格中心点为该网格的坐标，在实验区域地面内建立单元面积相同的网格，每个网格的中心点具有唯一对应的(x，y)值。以网格中心点处收集到的雨强数据代表对应网格的雨强值，记作P(x，y)。输入每个格点的雨强值P(x，y)、雨强阈值P_阈值及离散限度i。

S2、收集每个网格的中心点处的雨强数据，根据收集到的雨强数据求取雨强平均值；

根据步骤S1中收集到的每个单元的雨强数据P(x，y)，求平均值。假设X轴上有m个单元，Y轴上有n个单元，计算公式如下：

对比雨强的平均值

与雨强阈值P_阈值是否相符，若雨强的平均值

与雨强阈值P_阈值不等，则进入步骤S3；若雨强的平均值

与雨强阈值P_阈值相等，则直接进入步骤S4。

S3、判断求取的雨强平均值与雨强阈值是否相等，若是，则进入步骤S4，若不是，则根据雨强与进水流量的关系调整进水流量并返回步骤S2重新计算雨强平均值；

在本实施例，雨强的大小与进水流量有直接关系。在其他因素不改变的情况的，进水流量越大，雨强越大。在同一种喷头设置情景中，雨强与进水流量之间近似呈线性关系，因此，雨强与进水流量之间的关系近似表示如下：

L＝a×P+b (3)

式中，L为进水流量，P为雨强，雨强P每增加1个单位，进水流量L需要增加a个单位。根据不同喷头设置，其增加幅度也不同，具体的增加度需要根据实际的降水装置通过多次实验得到。

具体包括如下步骤，

S31、当所求取的雨强平均值大于雨强阈值时，调小进水流量；

S32、当所求取的雨强平均值小于雨强阈值时，调大进水流量；

S4、根据步骤S3得到的雨强平均值计算雨强数据的离散系数；

根据步骤S1收集到的每个单元的雨强数据P(x，y)及步骤S2的计算得到的雨强平均值

分析P(x，y)数据的离散系数C，计算公式如式(4)所示：

若C大于设定的离散程度i，则转入步骤S5；若C小于等于设定的离散程度i，则满足条件，调试终止，获得最优的雨强参数。

S5、判断离散系数是否大于离散限度阈值，若是，则进行雨强空间分布的率定；若不是，则输出最优雨强参数。

在本实施例里，具体包括如下步骤，

S51、计算每个网格的雨强与雨强阈值的差值绝对值，计算方式为：

△P(x，y)＝|P(x，y)-P_阈值| (6)

其中，△P(x，y)为网格的雨强与雨强阈值的差值。

S52、根据步骤S51的计算结果，将差值绝对值按照降序排序，并查找排名前三分之一的差值绝对值所对应的位置坐标，确定需要调节的目标的位置；

对每个格点的雨强值与雨强阈值之间的差值求绝对值得到|△P(x,y)|；将差值绝对值|△P(x,y)|按照从大到小的顺序进行排序，查找排名前三分之一的绝对值|△P(x,y)|对应的坐标值(x，y)，确定调节目标的位置。

S53、根据雨强与管道压力、喷头大小的关系，调节步骤S52中所确定的需要调节的坐标点的管道压力以及喷头大小，并返回步骤S4重新计算离散系数。

雨强与管道压力、喷头大小之间的关系可表示如下：

P＝f(z，l) (7)

式中，P为降雨强度，z为喷头规格，l为管道压力。当喷头规格z不变时，管道压力l与雨强P之间呈正逻辑：管道压力越大，雨强越大，管道压力越小，雨强越小。当管道压力l相同时，喷头规格z与雨强P之间呈正逻辑，喷头越大，雨强越大，喷头越小，雨强越小。因此在进流量和阀门保持不变的情况下，可以通过改变喷头大小来调整雨强。根据已有经验，在压力l不变的情况下，由喷头变化带来的雨强变化范围在5～100mm*h^-1，且随着压力的增加，喷头变化带来的雨强变化的程度增大。喷头变化导致的具体的雨强变化幅度需要根据具体的降水装置进行实验得到。

调节步骤S52中所确定的需要调节的坐标点的管道压力以及喷头大小的方式为：

S531、若|△P(x，y)|>P_zmin，则根据喷头与雨强的关系，调整对应坐标点上喷头大小；具体而言，若|△P(x，y)|>5，则根据喷头与压强之间的关系，调整这些坐标对应点的喷头大小，若△P(x，y)大于0，则调小喷头；若△P(x，y)小于0，则调大喷头。小中大喷头之间的切换规律是，当管道压力越大时，较大喷头之间切换得到的变幅越大，如当管道压力为80kpa时，小换中及中换大，其雨强均增加15mm*h^-1，但是当管道压力为100kpa时，小换中，雨强均增加15mm*h^-1，中换大，其雨强均增加18mm*h^-1。因此，可根据△P(x，y)的绝对值|△P(x，y)|的大小，设定优先调节对象，当|△P(x，y)|大于某设定阈值时，优先调节较大喷头，当|△P(x,y)|小于设定阈值时，优先调节较小喷头。该定值需要根据实际的降水装置通过具体的实验分析得到。

S532、若|△P(x，y)|<P_zmin，则根据管道压力与雨强的关系，通过回水阀门调整管道压力。若|△P(x，y)|<5，调整喷头不一定能满足降水分布离散限度的要求，因此，需要微调回水阀门来实现对雨强的进一步调节。

其中，P_zmin为喷头调节能力下限，在本实施例中设定为5。

调节完成后，进入步骤S4，计算离散系数C，若满足离散系数C值目标，则终止调整；若不满足，则循环步骤S4和S5，直至离散系数C值在离散限度i范围内为止，输出最优的雨强参数。

具体的实施步骤参见图2.

实验验证

以某实际实验基地为例，开展基于室内降水实验中雨强参数的快速率定方法实践。

确定目标雨强及离散限度，并建立输入雨强坐标系。

本案例设定的目标雨强为80mm*h^-1，离散限度为0.15。

本案例的实验场地的坐标系构建如图3所示。

图中每个点P(x,y)为每个降水小区的几何中心，对应点的雨强值代表该区域内的降雨强度。

雨强大小的初步率定。

根据建立的坐标系，获得的每个区域的压强值如表1所示，

表1雨强大小判断及调整方案

本案例中，根据已有实验经验，当进水流量单位为L*h^-1，雨强单位为mm*h^-1时，公式(3)中a的取值范围为1～10，也即雨强每增加1个单位，进水流量需要增加1～10个单位。初始喷头大小不同，其可调节的幅度也不同，根据已有经验，在本案例中，小喷头雨强的可调节范围为10～40mm*h^-1，中喷头雨强的可调节范围为20～60mm*h^-1，大喷头雨强的可调节范围为30～100mm*h^-1。本案例使用中、大组合喷头，a≈1.5，即调整1个单位的雨强，需要增加约1.5个单位的流量。

根据公式(2)计算得到该系列雨强的平均值为78，小于目标雨强。因此需要调整进流量，根据雨强与进流量之间的关系，需要增大约2个单位的流量。在EXCEL中输入初始雨强数据，通过EXCEL中内置的AVERAGE函数、IF逻辑运算和已设定好的计算方法△L＝1.5*△P，给出进流量的调整方向及幅度，如表1所示。

进水流量增大后，得到每个区域的压强值如表2所示。根据公式(2)计算加大进水流量后的压强平均值为80，与目标压强相等。因此，可以进行下一步骤雨强空间分布离散程度的判断与率定。此过程在EXCEL中的实现如表2所示。

表2调大流量后的雨强大小判断

雨强空间分布离散程度的判断。

根据公式(3)计算表2中雨强数据系列的离散系数C值，计算得到C＝0.23，而离散限度为0.15，此时，离散系数大于离散限度i，不满足设定目标，因此转入下一步骤。

雨强空间分布的率定。

根据表2中的雨强数据系列，按照公式(3)计算得到各格点实测雨强与平均值的差值△P(x,y)及其绝对值|△P(x,y)|。

将△P(x,y)的绝对值|△P(x,y)|按从大到小的顺序进行排序，找到排序前三分之一的值对应的坐标值并突出显示，绝对值|△P(x,y)|排名前三分之一分别为(1,1)、(3,1)、(3,2)、(3,3)、(4,1)、(4,3)，对于△P(x,y)大于0的坐标点(3,1)、(3,2)、(3,3)调小喷头，而对于△P(x,y)小于0的坐标点(1,1)、(4,1)、(4,3)，调大喷头。在本案例中，确定调节喷头对象所依据的定值是20，由此，得到对于|△P(x,y)|>20，调节对象为大喷头，|△P(x,y)|<20，调节对象为小喷头。

以上过程利用EXCEL中的STDEVP函数、AVERAGE函数及三次嵌套IF逻辑判断实现，计算结果如表3(续表2)所示，

表3雨强空间分布离散程度判断及调整方案

调整喷头后，重新测定雨强，得到各格点的雨强值如表4所示，重返步骤(4)，判断雨强空间分布的离散程度，根据公式(4)计算得到雨强数据系列的离散系数C值，计算得到C＝0.12，在离散限度0.15范围内，满足设定目标，结束调试，获得降雨最佳状态。在EXCEL中的计算过程如表4所示，最终输出为“满足离散限度要求，结束率定”。

表4调整喷头后的离散程度判断

在本案例中，将率定后的雨强数据按照常用的均匀度计算方法，根据公式(1)计算得到的均匀度为0.89，该数值大于现一般降水设置的均匀度0.8，表明在满足离散限度为0.15范围内时，通过本方法能得到更好的降水均匀度。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立试验区域下垫面的平面直角坐标系，并设定其中每个坐标点的雨强阈值和离散限度阈值；

S2、收集每个坐标点的雨强数据，根据收集到的雨强数据求取雨强平均值；

S3、判断求取的雨强平均值与雨强阈值是否相等，若是，则进入步骤S4，若不是，则根据雨强与进水流量的关系调整进水流量并返回步骤S2重新计算雨强平均值；

S4、根据步骤S3得到的雨强平均值计算雨强数据的离散系数；

S5、判断离散系数是否大于离散限度阈值，若是，则进行雨强空间分布的率定；若不是，则输出最优雨强参数。

2.根据权利要求1所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S1中建立试验区域下垫面的平面直角坐标系的方法为：

S11、以试验区域下垫面左上角为原点，以水平方向为X轴，垂直方向为Y轴建立平面直角坐标系；

S12、在所建立的直角坐标系中建立多个单元面积相同网格，以网格中心点为该网格的坐标。

3.根据权利要求2所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S2中雨强平均值的计算公式为：

其中，

为雨强平均值，P(x,y)为坐标值为(x,y)处所收集到的雨强大小，m为x轴上的网格个数，n为y轴上的网格个数。

4.根据权利要求3所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S3中调整进水流量的方式为：

S31、当所求取的雨强平均值大于雨强阈值时，调小进水流量；

S32、当所求取的雨强平均值小于雨强阈值时，调大进水流量。

5.根据权利要求4所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S3中雨强与进水流量的关系表示为：

L＝a×P+b；

其中，L为进水流量，P为雨强，a和b为关系系数。

6.根据权利要求5所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S4中离散系数的计算公式为：

7.根据权利要求6所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S5中进行雨强空间分布的率定的方法为：

S51、计算每个网格的雨强与雨强阈值的差值及差值绝对值，计算方式为：

△P(x,y)＝P(x,y)-P_阈值；

|△P(x,y)|＝|P(x,y)-P_阈值|；

其中，△P(x,y)为坐标(x,y)处的雨强与雨强阈值的差值，|△P(x,y)|为坐标(x,y)处的雨强与雨强阈值的差值的绝对值；

S52、根据步骤S51的计算结果，将差值绝对值按照降序排序，并查找其大小大于差值阈值的差值绝对值所对应的位置坐标，确定需要调节的目标的坐标点；

S53、根据雨强与管道压力、喷头大小的关系，调节步骤S52中所确定的需要调节的坐标点的管道压力以及喷头大小，并返回步骤S4重新计算离散系数。

8.根据权利要求7所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S53具体为：

S531、若|△P(x,y)|>P_zmin，则根据喷头与雨强的关系，调整对应坐标点上喷头大小；

S532、若|△P(x,y)|<P_zmin，则根据管道压力与雨强的关系，通过回水阀门调整管道压力。

其中，P_zmin为喷头调节能力下限。

9.根据权利要求8所述的室内降水实验中雨强参数的快速率定方法，其特征在于，所述步骤S53中雨强与管道压力、喷头大小的关系表示为：

P＝f(z，l)；

其中，P为降雨强度，z为喷头大小，l为管道压力。

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