I.Antecedentes y objetivos del proyecto

Para estudiar sistemáticamente los mecanismos integrales de impacto de diferentes intensidades de lluvia(0-300 mm/h)en diversos escenarios,incluyendo la inhibición del crecimiento de cultivos,la erosión de taludes y terraplenes fluviales,la activación y evolución de flujos de escombros,y la infraestructura de drenaje urbano(como el bloqueo de la red de tuberías,las inundaciones de carreteras y el anegamiento urbano),se construiráun laboratorio de simulación de lluvia artificial a gran escala,de alta precisión y compatible con múltiples escenarios.Este laboratorio debe cumplir las siguientes funciones principales:

Simulación precisa de lluvia:la intensidad de la lluvia se puede ajustar continuamente de 0 a 300 mm/h(precisión±5%),y el tamaño de las gotas de lluvia y la uniformidad de distribución son cercanos a la lluvia natural.Admite la simulación de fuertes lluvias a corto plazo(como más de 100 mm/h durante 1 hora)y lluvias acumuladas a largo plazo(como 30 mm/h durante 24 horas).

Prueba de acoplamiento multiescenario:Permite el despliegue independiente o combinado de diferentes objetos,comoáreas de cultivo,modelos de protección de taludes de terraplenes fluviales,taludes simulados de flujo de escombros y sistemas en miniatura de redes de tuberías de drenaje urbano(incluidos componentes de pavimento,tubería y pozo de registro).

Monitoreo dinámico de riesgos:Adquisición en tiempo real de datos sobre parámetros de lluvia(intensidad,características de las gotas),respuestas superficiales y estructurales(contenido de humedad del suelo,desplazamiento,tensión)y procesos de evolución de desastres(profundidad de socavación,velocidad del flujo de escombros,profundidad del agua superficial de la carretera y caudal de la red de drenaje).

Seguridad y escalabilidad:Permite proteger el equipo en condiciones de lluvia extrema y admite una expansión flexible para la futura incorporación de módulos de prueba(como la lluvia acoplada al ciclo de congelación-descongelación).

II.Diseño general del laboratorio

(I)Emplazamiento y distribución

Tamaño del laboratorio:Elárea de construcción recomendada es≥1000 m²(largo×ancho×alto=50 m×20 m×8 m)para cumplir con los requisitos de diseño de los modelos integrados a gran escala(como un tramo de vía urbana de 10 m de longitud,una protección de talud de terraplén de 5 m×3 m y un talud de flujo de escombros de 15 m de longitud).

Zonificación Funcional:

Zona de Pluviometría Central(40 m×20 m):Se instala un sistema de simulación de lluvia en la cubierta,y el suelo actúa como plataforma experimental de presión(capacidad de carga≥5 t/m²),dividida en cuatro subzonas independientes(zona de tierras agrícolas,zona de terraplén,zona de flujo de escombros y zona de drenaje urbano).Cada zona puede separarse o conectarse mediante tabiques móviles.

Área de preparación de modelos(10 m×20 m):Para la preparación y construcción de materiales para la siembra de cultivos,protección de taludes de presas,taludes de flujo de escombros y modelos de redes de drenaje(incluyendo almacenamiento de suelo/grava,equipo de mezcla y plataforma de prefabricación de microtuberías).

Área de observación y control(10 m×20 m):Equipada con terminales de adquisición de datos,un sistema de cámaras de alta velocidad y una consola de control remoto,permite el ajuste en tiempo real de parámetros experimentales y el registro de desastres.

Área auxiliar(20 m×20 m):Incluye un sistema de suministro de agua,un tanque de agua circulante,una sala de control de energía,una sala de procesamiento de muestras y un espacio para el mantenimiento de equipos.

Control ambiental:La temperatura interior se mantiene entre 15 y 30°C mediante el sistema de aire acondicionado(para adaptarse al crecimiento del cultivo y la estabilidad del rendimiento del material)y la humedad relativa es≤80%(para reducir la interferencia de la evaporación del agua);el terreno tiene una inclinación de 3°(para drenar elárea circundante)y se coloca una placa de acero impermeable(espesor≥8 mm).La zanja de drenaje estáconectada a un tanque de agua circulante(tasa de reciclaje de agua de lluvia≥80%).

III.Diseño del Sistema Central

(I)Sistema de Simulación de Lluvia Artificial

1.Composición del Sistema

El sistema adopta un esquema de"matriz de aspersores en voladizo+control inteligente de zonas"que cubre elárea central de lluvia(40 m×20 m).Múltiples conjuntos de aspersores se controlan de forma independiente para lograr uniformidad en toda elárea y simular lluvias locales de alta intensidad.

Tipo de boquilla:Seleccione una combinación de boquillas refractoras y giratorias(como la serie NT de Spraying Systems,EE.UU.,o boquillas biónicas nacionales de alta precisión).Ajustando el diámetro del orificio de la boquilla(0,5-1,2 mm),la presión del agua(0,1-1,5 MPa)y elángulo de inclinación(0-90°),se simula el tamaño de las gotas de lluvia(0,5-5 mm),la velocidad final(1-9 m/s)y la uniformidad de la distribución de la lluvia natural.

Disposición:Los aspersores están dispuestos en una matriz(con una separación de 2-3 m y una altura de 5-7 m desde el suelo),divididos en 8 zonas de control independientes(5 m×5 m por zona).Cada zona estáequipada con una tubería de suministro de agua independiente y una válvula reguladora eléctrica,lo que permite una lluvia de alta intensidad en una sola zona(por ejemplo,100 mm/h local)y una lluvia coordinada en toda elárea(por ejemplo,50 mm/h en toda elárea).

Tubería de suministro de agua:tubería principal(DN150)+tubería de derivación(DN100/DN50),hecha de UPVC resistente a la corrosión o acero inoxidable,equipada con sensor de presión(precisión±0,5%FS),válvula reguladora de flujo(precisión±1%)y medidor de flujo(rango 0-50 m³/h,precisión±1%).

2.Control de Intensidad y Uniformidad de la Pluviometría

Rango de Ajuste:0-300 mm/h(ajustable continuamente),Precisión del Rango:10 mm/h(0-100 mm/h),5 mm/h(100-200 mm/h),1 mm/h(200-300 mm/h).

Garantía de Uniformidad:La disposición de los aspersores se optimiza mediante simulación CFD(lo que garantiza que la desviación general de la pluviometría sea≤±5%),y los parámetros de los aspersores de cada zona se ajustan dinámicamente combinando los datos de retroalimentación de los pluviómetros en tiempo real(dispuestos en cuadrículas con una separación de 3 m×3 m,un total de 16 pluviómetros)(por ejemplo,ajustando elángulo del aspersor en la zona de borde para compensar los efectos de borde).

Modos especiales:Admite"Simulación de centro de tormenta"(elárea local de 3 m×3 m alcanza 300 mm/h y disminuye gradualmente a 50 mm/h en elárea circundante)y"Simulación de lluvia en gradiente"(por ejemplo,disminuye gradualmente de 10 mm/h en un extremo delárea de prueba a 200 mm/h en el otro extremo para estudiar el impacto de la dirección de escorrentía).

3.Simulación de las características de las gotas de lluvia

Distribución del tamaño de las partículas:Al modificar el diámetro del orificio de la boquilla(lluvia ligera:0,5-1 mm;lluvia moderada:1-2 mm;lluvia intensa:2-5 mm)o superponer boquillas con diferentes diámetros de orificio,se adaptan las características del espectro de las gotas de lluvia a la lluvia natural(por ejemplo,la lluvia ligera se caracteriza por el predominio de partículas pequeñas,mientras que la lluvia intensa contiene impactos de partículas grandes).

Adaptación de la velocidad final:Al ajustar la altura de la boquilla y la presión del agua,la velocidad final de las gotas de lluvia se aproxima al valor natural(la velocidad final de la lluvia ligera es de 1-3 m/s y la velocidad final de la lluvia intensa es de 4-9 m/s),lo que aumenta el realismo de la simulación de la erosión del suelo y el impacto estructural.

(II)Módulo Experimental Acoplado Multiescenario

1.Módulo de Simulación de Cultivos

Diseño delÁrea de Siembra:Canaletas de siembra móviles(1 m×0,5 m×0,3 m,material de PVC,20 juegos en total),rellenas con suelo experimental(arcilloso/arenoso,preparado según el suelo real de la tierra de cultivo),plantadas con cultivos típicos(como trigo,plántulas de maíz o vegetación simulada muy similar),que permiten realizar experimentos comparativos con diferente cobertura vegetal(0-100%).

Adaptación ambiental:La parte superior estáequipada con una malla de sombreo ajustable(que simula un clima soleado y nublado),y la parte inferior cuenta con tuberías de riego por goteo(para mantener la humedad básica del sistema radicular y evitar la interferencia de factores no relacionados con la lluvia).Las lámparas de simulación de luz(ciclo de luz ajustable)son opcionales.

2.Módulo de Simulación de Protección de Taludes de Terraplén Fluvial

Estructura del Modelo:Modelo personalizable de protección de taludes de hormigón/geotextil(3 m×2 m×1,5 m,pendiente ajustable de 15°a 75°),equipado internamente con medidores de presión de tierra(rango de 0 a 500 kPa),medidores de presión de agua intersticial(rango de 0 a 100 kPa),sensores de desplazamiento(precisión±0,1 mm)y galgas extensométricas(para monitorear la tensión del talud).

Compatibilidad de Materiales:Admite materiales de terraplén reales(como grava,mezcla de arcilla)o materiales similares(mezclados según parámetros como la resistencia al corte y el coeficiente de permeabilidad),con un canal de recolección de agua en la base del talud(para recolectar sedimentos erosionados y medir la erosión).

3.Módulo de Simulación de Flujo de Detritos

Estructura de la Pendiente:Pendiente ajustable(20°-50°)de mezcla de suelo y roca(15 m×3 m×2 m),rellena de piedra triturada(tamaño de partícula de 5-20 cm),arcilla y agua(simulando la saturación).Un tanque de almacenamiento de agua se instala en la parte superior de la pendiente(simulando la saturación por infiltración de lluvia).

Dispositivo de activación:Simula deslizamientos de lodo provocados por terremotos o fuertes lluvias mediante la apertura repentina de la compuerta inferior(simulando el inicio del deslizamiento)o mediante la excitación de la mesa vibratoria(frecuencia de 0-50 Hz,amplitud ajustable).

Monitoreo de flujo:Se instalan cámaras de alta velocidad(velocidad de cuadro≥1000 fps)y telémetros láser en la base de la pendiente(para monitorear la velocidad del frente del flujo de escombros),y se despliegan medidores de velocidad de flujo(ultrasónicos/electromagnéticos)y cámaras de medición de volumen de acumulación(visión nocturna infrarroja)en el canal para registrar la evolución del flujo de escombros.

4.Módulo de Simulación de Instalaciones de Drenaje Urbano

Sistema de Tuberías en Miniatura:Se construye un modelo en miniatura de la red de tuberías de drenaje urbano(10 m×5 m×1 m)a escala 1:10 o 1:5.Incluye:

Capa de Carretera:Superficie simulada de hormigón asfáltico permeable/impermeable(espesor de 5-10 cm),con diferentes pendientes(1%-5%)para simular la pendiente transversal de carreteras reales.

Estructura de la tubería:Tuberías de drenaje de PVC/HDPE(diámetro de 100-300 mm,dimensionadas según las dimensiones reales),conectadas a pozos de inspección(que simulan obstrucciones y desbordamientos)y desagües pluviales(que recogen la escorrentía de la carretera).

Instalaciones auxiliares:Bordillos,rejillas de desagüe pluvial(que simulan la interceptación de escombros)y una capa de simulación del nivel freático(que controla la infiltración de aguas subterráneas).

Enfoque de monitoreo:Profundidad del agua en la superficie de la carretera(medición en tiempo real usando sensores de nivel láser),caudal de la red de drenaje(caudalímetros electromagnéticos con±0,5%de precisión),velocidad del flujo de tuberías internas(medidores de velocidad Doppler ultrasónicos)y condiciones de desbordamiento de pozos de registro(registradas por cámaras de alta definición).

(III)Sistema de Monitoreo Dinámico y Adquisición de Datos

1.Monitoreo de Parámetros de Pluviometría

Pluviómetro:Se dispone una cuadrícula de 8x8(64 cuadrículas en total)en elárea experimental.Cada pluviómetro tiene un rango de medición de 0 a 500 mm/h y una precisión de±2%,lo que proporciona información en tiempo real sobre la intensidad de la lluvia en cada punto.

Espectrómetro de gotas de lluvia:Se utilizan dos unidades(una para zonas agrícolas y otra para zonas urbanas)para medir la distribución del diámetro de las gotas de lluvia(0,2-8 mm),la velocidad terminal y la concentración,verificando asíel efecto de simulación de las características de las gotas.

2.Monitoreo de la respuesta del sujeto de prueba

Parámetros del suelo/estructura:

Área de cultivo:Contenido de humedad superficial de las hojas(sensor infrarrojo),contenido de humedad del suelo radicular(reflectómetro de dominio temporal TDR,precisión±2%),ángulo de inclinación de la planta(inclinómetro);

Zona de protección de taludes:Presión del terreno(rango 0-1000 kPa),presión intersticial(rango 0-200 kPa),desplazamiento(precisión±0,01 mm),ancho de grieta(telémetro láser);

Zona de flujo de escombros:Aceleración de taludes(sismógrafo),desplazamiento por deslizamiento(medidor de desplazamiento GNSS),densidad de flujo de escombros(densitómetro de rayos gamma);

Área de drenaje urbano:Profundidad del agua superficial de la carretera(0-30 cm,precisión±1 mm),caudal de la red de tuberías(0-50 l/s,precisión±0,5%),presión interna de las tuberías(0-200 kPa),nivel de pozo(medidor de nivel ultrasónico);

Grabación de desastres:

Cámaras de alta velocidad(4-6 unidades,que cubrenáreas clave como erosión de tierras agrícolas,derrumbes de taludes,flujos de escombros y acumulación de agua en la superficie de la carretera,con resolución≥1920×1080 y velocidad de fotogramas de 100-1000 fps);

Escáner láser 3D(escanea la morfología de pendientes,tierras agrícolas y tuberías antes y después de cada prueba,con una precisión de±1 mm);

Videovigilancia(cobertura total,grabando todo el proceso de prueba).

3.Plataforma de Gestión de Datos

Utilizando un PLC de grado industrial(como Siemens S7-1500)y una computadora industrial,la plataforma integra todas las señales de los sensores y las transmite al servidor mediante el protocolo Modbus/TCP.

Muestra curvas de intensidad de lluvia en tiempo real y gráficos dinámicos de los parámetros de monitoreo(como los cambios en el nivel de agua en la superficie de la carretera a lo largo del tiempo y las tendencias de desplazamiento de pendientes).Admite el seguimiento de datos históricos,el análisis de correlación multiparamétrica(como la relación entre la intensidad de la lluvia y el tiempo de desbordamiento de las tuberías)y la predicción de umbrales asistida por IA(como la probabilidad de inundación urbana con una intensidad de lluvia determinada).

(IV)Sistemas Auxiliares

Sistema de Abastecimiento de Agua:

Fuente de Agua:Agua corriente municipal combinada con un tanque de recirculación(capacidad:80 m³),equipado con filtros multietapa(que eliminan impurezas≥1μm),una unidad de desinfección ultravioleta y un sistema de descalcificación para prevenir la formación de incrustaciones y la obstrucción de las boquillas.

Bombas de agua:Bombas centrífugas de frecuencia variable(caudal≥30 m³/h,altura≥100 m),con ajuste automático del caudal según la intensidad de la lluvia;bombas de reserva(caudal≥20 m³/h)para garantizar un funcionamiento continuo.

Control de agua de reposición:El nivel del agua del tanque se mantiene mediante sensores de nivel,mientras que los canales de drenaje están conectados al tanque de recirculación para su reutilización filtrada.

Sistema de alimentación:Configuración de doble fuente de alimentación(energía municipal+sistema de alimentación ininterrumpida SAI,capacidad≥150 kVA).Los equipos críticos(p.ej.,PLC,sensores y cámaras de alta velocidad)están equipados con baterías de respaldo que proporcionan≥3 horas de funcionamiento.

Protección de seguridad:Se ha instalado una valla protectora(de 1,5 m de altura)alrededor delárea de prueba.En condiciones de lluvia extrema,el sistema corta automáticamente la alimentación y activa las bombas de drenaje(caudal≥80 m³/h).La consola de control estáequipada con un botón de parada de emergencia,frenado de emergencia remoto y alarmas sonoras y visuales.

IV.Parámetros técnicos

V.Plan de Implementación y Presupuesto(Ejemplo)

(I)Ciclo de Implementación

Fase de Diseño(1,5 meses):Refinamiento de requisitos,optimización del diseño multiescenario y refinamiento de planos.

Adquisición de Equipos(2,5 meses):Producción personalizada de cabezales de aspersores,sensores,bombas de agua,materiales para redes de tuberías en miniatura,etc.

Instalación y Puesta en Marcha(3 meses):Tendido de tuberías,integración del sistema y calibración de parámetros(incluida la verificación de la uniformidad de la lluvia).

Pruebas de Aceptación(1 mes):Verificación de resistencia de rango completo y pruebas de acoplamiento multiescenario(p.ej.,lluvias intensas+inundaciones urbanas+erosión de terraplenes).

(II)Estimación presupuestaria(referencia)

VI.Innovación y valor de la aplicación

Avance tecnológico:logro líder a nivel nacional de lluvia ajustable continua en todo el rango de 0-300 mm/h+pruebas combinadas en múltiples escenarios(agricultura/conservación de agua/construcción urbana),con características de gotas de lluvia y uniformidad que alcanzan el nivel internacional;

Investigación integrada de desastres:por primera vez,integra la simulación de toda la cadena de"lluvia natural-erosión superficial-falla de estructura de ingeniería-inundación urbana",proporcionando una base científica para la prevención y mitigación integral de desastres en condiciones climáticas extremas;

Valor de aplicación en ingeniería:Contribuye directamente a la optimización de los estándares de diseño de presas,la evaluación de la capacidad de la red de drenaje urbano,la selección de variedades de cultivos resistentes a inundaciones y la formulación de umbrales de alerta temprana para flujos de detritos,contribuyendo asía la construcción de ciudades resilientes y una agricultura inteligente.

Preparado por:Hebei Tianqixingzi Inspection Equipment Co.,Ltd.-Instituto de Investigación Tecnológica de Tianjian

(Nota:La relación de configuración del módulo y los detalles de los parámetros se pueden ajustar según el enfoque de la aplicación específica(por ejemplo,centrarse en inundaciones urbanas o protección de represas).)