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野外大型便攜式人工模擬降雨器

說明:
野外大型便攜式人工模擬降雨器,是應(yīng)交流所設(shè)計所成，整體解決方案有二大部分組成分為：管路系統(tǒng)方案、降雨模擬系統(tǒng)方案。二大部分組成后全部實現(xiàn)降雨實驗的整個過程.以下是分項解釋:

管路系統(tǒng)方案：是指整個實驗區(qū)內(nèi)架有管路系統(tǒng)。即降雨所走的水路系統(tǒng).整個管路系統(tǒng)除接頭外,均為不銹鋼制造,管路系統(tǒng)形成后,可以使得有效降雨面積在6-100平米任意拼接,成長方型架構(gòu).建議降雨面積成長方型5*20米標(biāo)準(zhǔn)徑流場構(gòu)制。
降雨模擬系統(tǒng)方案：是指在實驗區(qū)建成降雨區(qū)，降雨區(qū)為了有效的保證達(dá)了下墊面的實驗得以完成，有效降雨面為5*20米，總100平米，降雨高度為4米。

(一).總則: ２
(二）.管路系統(tǒng)方案 ４
一、前言 ４
二、空間布局 ５
1. 管道布置圖 ５
2.噴頭布置圖 ６
3.管路布置拓樸圖 ７
4.管路系統(tǒng)組成框圖 ８
(三).降雨模擬系統(tǒng)方案 ９
一、閉環(huán)反饋逼近控制算法 ９
二.現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置： １２
三、降雨自動控制系統(tǒng)硬件原理 １３
四.控制系統(tǒng)軟件原理： １４
五.技術(shù)指標(biāo) １６
(四)、系統(tǒng)參數(shù) １６
一.主要技術(shù)指標(biāo) １６
二.系統(tǒng)組成 １７
三.系統(tǒng)功能 １８
四.使用說明 ２０
五.注意事項 ２１
六.控制臺系統(tǒng)測控組成圖： ２２
（五）、技術(shù)服務(wù) ２３
一、控制設(shè)計： ２３
二、噴頭的選擇 ２４
三、水泵揚程計算： ２６

  (一).總則:

  人工模擬降雨系統(tǒng)工程,是應(yīng)交流所設(shè)計所成，整體解決方案有二大部分組成分為：管路系統(tǒng)方案、降雨模擬系統(tǒng)方案。二大部分組成后全部實現(xiàn)降雨實驗的整個過程.以下是分項解釋:
 
管路系統(tǒng)方案：是指整個實驗區(qū)內(nèi)架有管路系統(tǒng)。即降雨所走的水路系統(tǒng).整個管路系統(tǒng)除接頭外,均為不銹鋼制造,管路系統(tǒng)形成后,可以使得有效降雨面積在6-100平米任意拼接,成長方型架構(gòu).建議降雨面積成長方型5*20米標(biāo)準(zhǔn)徑流場構(gòu)制。
降雨模擬系統(tǒng)方案：是指在實驗區(qū)建成降雨區(qū)，降雨區(qū)為了有效的保證達(dá)了下墊面的實驗得以完成，有效降雨面為5*20米，總100平米，降雨高度為4米。整個降雨可以達(dá)到模擬人工降雨的效果，詳見人工降雨模擬方案。

 
 3、總總體技術(shù)指標(biāo)如下：
 1）、有效降雨面積：6-100m
 2）、降雨高度：    4m
 3）、雨強連續(xù)變化范圍：20～150mm/h
 4）、降雨均勻度系數(shù)： 大于0.84
 5）、雨滴大小調(diào)控范圍：1.7～2.8mm
 6）、降雨調(diào)節(jié)：7mm/h
 7、柜式控制臺，液晶顯示數(shù)據(jù)及雨強值和雨強曲線
 8、顯示板同時表式顯示，所有按鍵均為方便式按鍵

 
 
(二）.管路系統(tǒng)方案

一、前言
 為使該系統(tǒng)模擬的降雨與自然降雨物理性能相似，采用世界上生產(chǎn)模擬雨滴噴頭的美國SPAYING SYSTEMS CO公司生產(chǎn)的FULLJET旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭模擬降雨，本系統(tǒng)擬采用我公司研制開發(fā)的，已裝備于眾多實驗室，為南林大，中國海洋大學(xué)，浙江水利廳、格力空調(diào)等單位的制作，已形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行的雨滴系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是符合國際標(biāo)準(zhǔn)的雨滴。系統(tǒng)運行5年來，已為國內(nèi)外水土保持機構(gòu)模擬降雨2千余次，接待國家領(lǐng)導(dǎo)參觀視察數(shù)十次，每次降雨圓滿、準(zhǔn)確，目前已成為土壤侵蝕模擬降雨設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),后期為南京林業(yè)大學(xué),貴州大學(xué),浙江水利廳等單位的降雨實驗中,得到了的驗證.
 

 二、空間布局
1. 管道布置圖

 說明:如上圖所示：依據(jù)降雨面積5*20米，高度4米現(xiàn)場要求，設(shè)計如上，主供水管采用中部平衡供水，噴頭供水管采用10組5米長的3個不同規(guī)格疊加的供水管路，管道分為一個層面,形成降雨區(qū).降雨投影面積在水面疊加交叉均勻，從而形成的降雨效果。降雨雨強為20-150之間。

2.噴頭布置圖

     為噴頭，  為噴頭疊加位置   為降雨有效區(qū)

注：所有管路系統(tǒng)均為活接式的，可以任意的拼接，所有接頭均為活接式的?？梢越映雒娣e為6-100平米。

3.管路布置拓樸圖
 

4.管路系統(tǒng)組成框圖
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　開關(guān)閥（３）
　　　　　　　　　　過濾器　　　　　　　　　　　　頂部供水管路
　　　分水器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　噴頭

降雨供水側(cè)管

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
流量調(diào)解閥

　　　　　　　　　壓力變送器                                雨量計
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   

　　　　　　　　　　　蓄水池

　　　　　　　　　　水泵

說明:  頂部降雨噴頭采用FULLJET１／８，２／８，３／８Ｇ３種規(guī)格的噴頭組合降雨，從而形成從小到大的雨強連續(xù)可調(diào)，雨滴形態(tài)，降雨均勻度與自然降雨相似的人工自動模擬降雨，可進(jìn)行20――150ｍｍ／ｈ的各種雨強模擬降雨，均勻度大于0.84，開關(guān)閥以前以后均為不銹鋼質(zhì)管材.
       
(三).降雨模擬系統(tǒng)方案
一、閉環(huán)反饋逼近控制算法
 本設(shè)計方案采用1套新的配裝式高靈敏度雨量計，獲得降雨現(xiàn)場實時動態(tài)實際降雨強度值，以此實際降雨強度平均值為反饋控制信號與實驗設(shè)定雨強比照，結(jié)合新型反饋調(diào)控算法在整個降雨期反復(fù)無窮逼近設(shè)定的雨強值。這樣即可自動得到真實、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的降雨過程?？刂品椒ǖ牧鞒炭驁D如下：

評價：此方案以現(xiàn)場實際實時動態(tài)雨強為反饋控制信號，可實時監(jiān)控實驗區(qū)各監(jiān)測點的雨強分布及平均值，不但可省略實驗前的人工率定過程，而且實驗過程中可隨時得知當(dāng)時雨強值，人工手動操作可隨時干預(yù)降雨控制過程。
 新型閉環(huán)反饋逼近控制算法：為準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的進(jìn)行降雨過程控制，本項目采用閉環(huán)反饋控制算法?？刂扑惴椋菏紫龋鶕?jù)資料，流量調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動電流與閥門的開啟位置為線性關(guān)系，而閥門的開啟位置又與雨強為線性關(guān)系。其次假設(shè)；
實驗要求雨強為Y0，
現(xiàn)場無線自計雨量計的當(dāng)前實際雨強平均值，簡稱當(dāng)前雨強為Yx，
其相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前位置的驅(qū)動電流值，簡稱當(dāng)前驅(qū)動電流為Ix，
流量調(diào)節(jié)閥流量變化值相應(yīng)的驅(qū)動電流變化值為Imax，
流量調(diào)節(jié)閥流量變化值相應(yīng)的雨強變化為Ymax，
Y0相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流為Ix0。
則應(yīng)有如下公式成立
 （Yx- Y0）/Ymax=（Ix- Ix0）/Imax
 Ix0= Ix -Imax*（Yx- Y0）/Ymax
求得設(shè)定（目標(biāo)）雨強相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流推算值為Ix0。以分十步逐步逼近設(shè)定雨強計算，則在流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)步長為：
（Ix- Ix0）/10
當(dāng)完成此步長調(diào)節(jié)，并經(jīng)消除系統(tǒng)滯后延時后再以當(dāng)時應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前位置的驅(qū)動電流值為Ix反復(fù)重復(fù)上述調(diào)節(jié)過程直至降雨結(jié)束。算法子程序軟件流程框圖為：

  圖. 閉環(huán)反饋逼近控制算法框
評價：  這種新型閉環(huán)反饋逼近控制算法可在任意降雨控制狀態(tài)下啟動控制算法，即可在自動控制與手動操作之間隨時任意切換。在考慮調(diào)控貫性的情況下，Ix- Ix0= Imax*（Yx- Y0）/Ymax，當(dāng)前雨強Yx與實驗要求雨強Y0差異較大時，流量調(diào)節(jié)閥逼近實驗要求雨強Y0的調(diào)節(jié)步長（Ix- Ix0）/10也大，下次再以新的當(dāng)前雨強Yx逼近實驗要求雨強Y0，當(dāng)Yx與Y0越接近，反復(fù)逼近調(diào)節(jié)步長越越小，這樣不但調(diào)控速度快而且Y0控制平穩(wěn)。

二.現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置：
依據(jù)管路結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置布局圖如下：
                                                             
 
圖中V1為流量調(diào)節(jié)閥，P1為壓力傳感器，Z1為雨量計，K1、K2、K3開關(guān)閥。下噴區(qū)分別由3套不同大小的噴頭管路系統(tǒng)組合疊加而成。它支持三種工作模式：
純手動控制模式：參考控制臺顯示管道壓力，通過手動調(diào)節(jié)控制臺上的旋紐控制不同雨強。
計算機監(jiān)測模式：通過手動調(diào)節(jié)控制臺上的旋紐控制不同雨強，同時計算機顯示當(dāng)前降雨強度，管道壓力、閥門狀態(tài)等。
計算機控制模式：設(shè)置降雨曲線后，由計算機調(diào)控、顯示全部降雨過程。
評價：  該方法采用的傳感器/執(zhí)行器為目前主流器動調(diào)節(jié)器件，質(zhì)量成熟可靠，此方案使用傳感數(shù)量較少，可直接適合于各種降雨控制系統(tǒng)。

三、降雨自動控制系統(tǒng)硬件原理
 該降雨自動控制系統(tǒng)為全計算機自動控制?？蓮漠?dāng)前點閉環(huán)反饋逼近控自動控制降雨過程。所有傳感器/執(zhí)行器與控制器間均為即插即用方式。降雨自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下：

評價：采用主流傳感器及工控技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量及理論原理可靠，硬件系統(tǒng)具有普遍自適應(yīng)功能，全部傳感器在數(shù)量內(nèi)可任意插拔選擇。數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、驅(qū)動采用一小型工控機專門完成，與控制PC機串口通訊，這樣一旦控制PC機染毒或損壞，任意更換一臺PC機，安裝控制軟件后即可控制降雨。

四.控制系統(tǒng)軟件原理：
 該系統(tǒng)采用全開放式中文菜單操作軟件系統(tǒng)，現(xiàn)場選擇參數(shù)、系統(tǒng)滯后校正延時、流量調(diào)節(jié)閥/自計雨量計特性參數(shù)、降雨過程曲線等可在降雨過程中隨時重新修正。該軟件具有系統(tǒng)調(diào)試子菜單，它只在人工調(diào)節(jié)極值雨強Ymax時顯示流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流極值Imax，可方便得到閉環(huán)反饋逼近控制算法參數(shù)。該軟件還具有可顯示各個雨量計、平均值，設(shè)定值的過程曲線、實時監(jiān)測結(jié)果數(shù)顯，設(shè)定參數(shù)輔助提示，異常情況關(guān)泵、結(jié)果文本輸出等功能。流程框圖如下：

圖流程框圖

評價： 該系統(tǒng)軟件采用全開放式設(shè)計，開關(guān)狀態(tài)、降雨區(qū)設(shè)置、雨量計設(shè)置等現(xiàn)場參數(shù)可依據(jù)實際情況自由設(shè)置，以適應(yīng)于各種不同降雨區(qū)。現(xiàn)場條件參數(shù)、測量結(jié)果實時數(shù)顯，過程曲線顯示。軟件可在任意情況下轉(zhuǎn)入自動控制狀態(tài)，即手動控制可任意中斷插入控制過程。實驗結(jié)果可多種方式文本輸出。

五.技術(shù)指標(biāo)
可直接使用于任何降雨區(qū)控制。
調(diào)節(jié)時間<30S。
穩(wěn)態(tài)誤差<5%。
控制降雨雨強變化范圍20---150mm/h。
連續(xù)降雨時間99999秒。
 (四)、系統(tǒng)參數(shù)
一.主要技術(shù)指標(biāo)

 本系統(tǒng)主要用于模擬降雨實驗，雨量的測量和降雨雨強的控制。系統(tǒng)可將雨量計的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以數(shù)字形式顯示當(dāng)前雨量。
 系統(tǒng)適用于模擬降雨等環(huán)境實驗室。                  

1、雨量筒承雨口內(nèi)徑：                     Φ200
2、雨量筒分辨力：                         0.5mm
3、雨量計工作電壓：                       DC5V
4、主控制器工作電壓：                     AC220V  50Hz
5、顯示屏工作電壓：                       DC24V
6、信號采集器工作電壓：                   DC24V
7、傳感器通訊方式：                       有線
8、各板卡間通訊方式：                     RS485
9、上位機與下位機通訊方式：               RS232
10、降雨區(qū)閥門控制：                      4~20mA DC
 二.系統(tǒng)組成

   本系統(tǒng)由主控制器、信號采集器、計算機組成。
   主控制器的組成：主控制器外部由機箱，總電源開關(guān)，顯示屏電源開關(guān)，水泵、下噴1—3區(qū)選擇開關(guān)，自動手動選擇開關(guān),壓力表組成。
 主控制器內(nèi)部由開關(guān)電源，電源板，壓力控制板，開度控制板，自動關(guān)泵控制板，繼電器組接線端子組成。
 信號采集器由主控板，信號接收板，顯示板，外控板組成。 

成套設(shè)備：
   主控制器                                      1臺
   數(shù)據(jù)采集器                                    1臺
   雨量計                                        1只
   電源線                                        1根
   串口線                                        1根

三.系統(tǒng)功能

   主控制器的主要功能：
用數(shù)字量顯示現(xiàn)場管道的壓力及降雨區(qū)閥門的開度。
手動調(diào)節(jié)降雨區(qū)閥門的開度。
手動及自動控制的選擇。
水泵.開、關(guān)。
下噴1—3區(qū)閥門的選擇。
自動控制水泵。
信號采集器的主要功能：
1、組織協(xié)調(diào)各板卡之間的通訊，數(shù)據(jù)經(jīng)處理上傳給計算機。
2、將接收到的雨強計的開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
上位機軟件部分的主要功能：
232參數(shù)鍵，是用來選擇計算機端口、波特率、及字節(jié)寬度等。
接收數(shù)據(jù)鍵，按此鍵進(jìn)入自動控制界面。
查詢鍵，是用來調(diào)出以前的實驗記錄數(shù)據(jù)。
閥門標(biāo)定鍵，用來選擇及標(biāo)定降雨1、2、3區(qū)各閥門的參數(shù)。
導(dǎo)入文件鍵，可將以前保存的數(shù)據(jù)文件調(diào)出。
導(dǎo)出文件鍵，可將本次實驗的數(shù)據(jù)文件保存到預(yù)想的路徑。
打印鍵，可直接打印本次實驗的雨強曲線圖。
退出鍵，結(jié)束實驗時按此鍵退出。
啟動鍵，一切準(zhǔn)備就緒后，按此鍵啟動軟件。
運行鍵，按運行鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入自動工作狀態(tài)。
結(jié)束鍵，實驗過程中如要中斷實驗可按此鍵。
設(shè)定采樣總時間，在此處可輸入需要降雨的時間，時間以秒為單位。
設(shè)定數(shù)據(jù)采樣周期，可設(shè)定數(shù)據(jù)采樣所間隔的時間（采樣周期一般不小于20秒）。
設(shè)定期望降雨雨強，自動控制部分會計算出4個雨量筒的平均雨強，并和設(shè)定的期望雨強做比較自動調(diào)節(jié)降雨區(qū)閥門的開度。
倒計時，顯示剩余的降雨時間。
接收指示，顯示數(shù)據(jù)接收的狀態(tài)。
人工閥門選擇，選擇已標(biāo)定的要使用的閥門。
開度控制選擇，用來選擇降雨區(qū)。
設(shè)定調(diào)整周期，自動控制時調(diào)整閥門開度的周期（調(diào)整周期一般不小于20秒）。
人工調(diào)整幅度，在對自動開度調(diào)節(jié)不滿意時，可人工輸入自己的開度。
自動步長，是指自動控制時每次調(diào)節(jié)開度的百分比，步長越大每次調(diào)節(jié)的開度越大。
雨強曲線圖，用5種顏色分別表示4個雨量筒的雨強和平均雨強。
四.使用說明

降雨前，先將雨量筒放置在需要測量雨強的位置，并打開雨量計電源開關(guān)。
打開主控制器電源，并打開顯示屏電源，將要選擇降雨區(qū)的閥門開度控制撥到自動。
進(jìn)入計算機控制軟件界面，選擇閥門標(biāo)定，設(shè)定好要使用的閥門并保存。然后選擇數(shù)據(jù)接收，進(jìn)入自動控制軟件界面。
鍵入本次實驗數(shù)據(jù)要保存的文件名，選擇好已標(biāo)定的閥門、降雨區(qū)，設(shè)定本次實驗的時間、期望雨強，設(shè)置好采樣周期、調(diào)整周期、自動步長等。
啟動并運行上位機軟件，這時系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)。
倒計時開始顯示剩余降雨時間，接收指示顯示接收狀態(tài)。
壓力表和開度表分別顯示降雨區(qū)的管道壓力和閥門開度。
計算機會根據(jù)當(dāng)前的平均雨強和設(shè)定的期望雨強做比較，當(dāng)平均雨強大于期望雨強時，系統(tǒng)自動關(guān)小降雨區(qū)閥門開度，反之，則開大降雨區(qū)閥門開度。
當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束時，系統(tǒng)會自動關(guān)掉水泵。
如果將主控制器上的開度控制選擇在手動控制方式，降雨區(qū)開度則不受自動控制的調(diào)節(jié)。
如在實驗過程中，想終止實驗，可按結(jié)束鍵，這時系統(tǒng)仍然會自動關(guān)閉水泵。
實驗結(jié)束后，應(yīng)先退出上位機軟件，然后再關(guān)閉顯示屏電源和主控制器電源，后關(guān)閉個雨量計電源。

五.注意事項

放置雨量筒時，應(yīng)水平放置。
如果接收不到某個雨量計的數(shù)據(jù)，應(yīng)檢查這個雨量計的電源是否打開或電池是否有電。
上位機軟件數(shù)據(jù)接收不正常時，應(yīng)檢查主控制器電源是否打開，或者232通訊線是否松動。
實驗結(jié)束后，應(yīng)將4個雨量計的電源關(guān)閉，防止電池電量耗盡。

六.控制臺系統(tǒng)測控組成圖：

（五）、技術(shù)服務(wù)
一、控制設(shè)計：

采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，支持系統(tǒng)實時時鐘
采用240x128點陣LCD顯示，菜單化設(shè)計。
支持全中文1、2級字庫。
預(yù)留1M 字節(jié)存儲空間。
采用12位PVC組合功能鍵設(shè)計。
支持RS232或RS485通訊模式。
12 BIT AD輸入采集壓力變送器的輸入
12 BIT DA輸出控制流量調(diào)節(jié)閥的開口度。
8路光耦輸入用于采集雨量計的輸入。
7路繼電器輸出用于控制噴頭的開關(guān)。
一路繼電器輸出用于控制水泵的開關(guān)。
PID控制算法設(shè)計。
預(yù)留大屏顯示器接口。

注：先生產(chǎn)好所有的管路，再率定數(shù)據(jù)，對應(yīng)的雨強下，對應(yīng)的壓力值，再有壓力值，顯示出所對應(yīng)的雨強值。
二、噴頭的選擇

1、噴頭流量的選擇
 以噴頭流量計算（流量計算）：
 1#噴頭：0.192m3/h                 2#噴頭：0.255m3/h
 3#噴頭：0.455m3/h                 4#噴頭：0.639m3/h
 以300mm/h雨強計算流量：
  1#噴頭：0.238m3/h                 2#噴頭：0.316m3/h
 3#噴頭：0.562m3/h                 4#噴頭：0.792m3/h
 兩種情況比較選擇以300mm/h雨強作為計算流量時的噴頭流量
2、環(huán)網(wǎng)計算閉合差的選擇：
 環(huán)網(wǎng)計算水頭損失閉合差取0.05m；
管徑計算公式：
                            （1）
d—輸、配水管道直徑，mm；
Q—輸、配水管道設(shè)計流量，m3/h；
V—管道內(nèi)經(jīng)濟流速，m/s
1.1下噴區(qū)典型設(shè)計
 下噴第四噴區(qū)環(huán)網(wǎng)節(jié)點圖見圖一，通過分析可以知道：該管網(wǎng)部分管段屬于沿程泄流管段以1-2段為例，該管段上共有四個出水口間距2.163m；因此該管段需要按照沿程泄流管段來計算。
 程泄流管的水頭損失通常用下式計算：
               ΔHt=F·hf
 F=                 (2)
式中：ΔHt—沿程泄流管段摩阻損失，m；
 F —多口系數(shù)；
 hf —無旁側(cè)出流式的摩阻損失，m；
 N —出口數(shù)；
 m —流量指數(shù)；
 x —進(jìn)口端至個出水口的距離與孔口間距之比；
上式中hf是用計算，其中
                               （3）
式中：  S—管道的比阻率；
         n—管道的糙率；
         C—謝才系數(shù)；其他符號意義同前；
 為了便于施工，考慮盡可能的選用同一種管徑，因此進(jìn)水的管段1-2，1-5選用同一種管徑，管網(wǎng)中其余的管段選用同一種管段。
三、水泵揚程計算：
計算公式：
：水泵吸水高度
水泵壓水高度
水泵揚程
吸水管與出水管內(nèi)的總水頭損失
不利點處所需水頭
下噴區(qū)：
  為1m水頭，為23.3m水頭，為1.819m水頭, 為25m水泵揚程Hb為51.2m，所以可以選擇揚程為8m的水泵。
下噴式水泵流量的確定：

 下噴區(qū)干管流量在兩個下噴區(qū)同時工作時產(chǎn)生，流量為27.767，考慮到損耗，泵的流量為30m3/h。

野外大型便攜式人工模擬降雨器

說明:
野外大型便攜式人工模擬降雨器,是應(yīng)交流所設(shè)計所成，整體解決方案有二大部分組成分為：管路系統(tǒng)方案、降雨模擬系統(tǒng)方案。二大部分組成后全部實現(xiàn)降雨實驗的整個過程.以下是分項解釋:

管路系統(tǒng)方案：是指整個實驗區(qū)內(nèi)架有管路系統(tǒng)。即降雨所走的水路系統(tǒng).整個管路系統(tǒng)除接頭外,均為不銹鋼制造,管路系統(tǒng)形成后,可以使得有效降雨面積在6-100平米任意拼接,成長方型架構(gòu).建議降雨面積成長方型5*20米標(biāo)準(zhǔn)徑流場構(gòu)制。
降雨模擬系統(tǒng)方案：是指在實驗區(qū)建成降雨區(qū)，降雨區(qū)為了有效的保證達(dá)了下墊面的實驗得以完成，有效降雨面為5*20米，總100平米，降雨高度為4米。

(一).總則: ２
(二）.管路系統(tǒng)方案 ４
一、前言 ４
二、空間布局 ５
1. 管道布置圖 ５
2.噴頭布置圖 ６
3.管路布置拓樸圖 ７
4.管路系統(tǒng)組成框圖 ８
(三).降雨模擬系統(tǒng)方案 ９
一、閉環(huán)反饋逼近控制算法 ９
二.現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置： １２
三、降雨自動控制系統(tǒng)硬件原理 １３
四.控制系統(tǒng)軟件原理： １４
五.技術(shù)指標(biāo) １６
(四)、系統(tǒng)參數(shù) １６
一.主要技術(shù)指標(biāo) １６
二.系統(tǒng)組成 １７
三.系統(tǒng)功能 １８
四.使用說明 ２０
五.注意事項 ２１
六.控制臺系統(tǒng)測控組成圖： ２２
（五）、技術(shù)服務(wù) ２３
一、控制設(shè)計： ２３
二、噴頭的選擇 ２４
三、水泵揚程計算： ２６

  (一).總則:

  人工模擬降雨系統(tǒng)工程,是應(yīng)交流所設(shè)計所成，整體解決方案有二大部分組成分為：管路系統(tǒng)方案、降雨模擬系統(tǒng)方案。二大部分組成后全部實現(xiàn)降雨實驗的整個過程.以下是分項解釋:
 
管路系統(tǒng)方案：是指整個實驗區(qū)內(nèi)架有管路系統(tǒng)。即降雨所走的水路系統(tǒng).整個管路系統(tǒng)除接頭外,均為不銹鋼制造,管路系統(tǒng)形成后,可以使得有效降雨面積在6-100平米任意拼接,成長方型架構(gòu).建議降雨面積成長方型5*20米標(biāo)準(zhǔn)徑流場構(gòu)制。
降雨模擬系統(tǒng)方案：是指在實驗區(qū)建成降雨區(qū)，降雨區(qū)為了有效的保證達(dá)了下墊面的實驗得以完成，有效降雨面為5*20米，總100平米，降雨高度為4米。整個降雨可以達(dá)到模擬人工降雨的效果，詳見人工降雨模擬方案。

 
 3、總總體技術(shù)指標(biāo)如下：
 1）、有效降雨面積：6-100m
 2）、降雨高度：    4m
 3）、雨強連續(xù)變化范圍：20～150mm/h
 4）、降雨均勻度系數(shù)： 大于0.84
 5）、雨滴大小調(diào)控范圍：1.7～2.8mm
 6）、降雨調(diào)節(jié)：7mm/h
 7、柜式控制臺，液晶顯示數(shù)據(jù)及雨強值和雨強曲線
 8、顯示板同時表式顯示，所有按鍵均為方便式按鍵

 
 
(二）.管路系統(tǒng)方案

一、前言
 為使該系統(tǒng)模擬的降雨與自然降雨物理性能相似，采用世界上生產(chǎn)模擬雨滴噴頭的美國SPAYING SYSTEMS CO公司生產(chǎn)的FULLJET旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭模擬降雨，本系統(tǒng)擬采用我公司研制開發(fā)的，已裝備于眾多實驗室，為南林大，中國海洋大學(xué)，浙江水利廳、格力空調(diào)等單位的制作，已形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行的雨滴系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是符合國際標(biāo)準(zhǔn)的雨滴。系統(tǒng)運行5年來，已為國內(nèi)外水土保持機構(gòu)模擬降雨2千余次，接待國家領(lǐng)導(dǎo)參觀視察數(shù)十次，每次降雨圓滿、準(zhǔn)確，目前已成為土壤侵蝕模擬降雨設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),后期為南京林業(yè)大學(xué),貴州大學(xué),浙江水利廳等單位的降雨實驗中,得到了的驗證.
 

 二、空間布局
1. 管道布置圖

 說明:如上圖所示：依據(jù)降雨面積5*20米，高度4米現(xiàn)場要求，設(shè)計如上，主供水管采用中部平衡供水，噴頭供水管采用10組5米長的3個不同規(guī)格疊加的供水管路，管道分為一個層面,形成降雨區(qū).降雨投影面積在水面疊加交叉均勻，從而形成的降雨效果。降雨雨強為20-150之間。

2.噴頭布置圖

     為噴頭，  為噴頭疊加位置   為降雨有效區(qū)

注：所有管路系統(tǒng)均為活接式的，可以任意的拼接，所有接頭均為活接式的?？梢越映雒娣e為6-100平米。

3.管路布置拓樸圖
 

4.管路系統(tǒng)組成框圖
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　開關(guān)閥（３）
　　　　　　　　　　過濾器　　　　　　　　　　　　頂部供水管路
　　　分水器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　噴頭

降雨供水側(cè)管

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
流量調(diào)解閥

　　　　　　　　　壓力變送器                                雨量計
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   

　　　　　　　　　　　蓄水池

　　　　　　　　　　水泵

說明:  頂部降雨噴頭采用FULLJET１／８，２／８，３／８Ｇ３種規(guī)格的噴頭組合降雨，從而形成從小到大的雨強連續(xù)可調(diào)，雨滴形態(tài)，降雨均勻度與自然降雨相似的人工自動模擬降雨，可進(jìn)行20――150ｍｍ／ｈ的各種雨強模擬降雨，均勻度大于0.84，開關(guān)閥以前以后均為不銹鋼質(zhì)管材.
       
(三).降雨模擬系統(tǒng)方案
一、閉環(huán)反饋逼近控制算法
 本設(shè)計方案采用1套新的配裝式高靈敏度雨量計，獲得降雨現(xiàn)場實時動態(tài)實際降雨強度值，以此實際降雨強度平均值為反饋控制信號與實驗設(shè)定雨強比照，結(jié)合新型反饋調(diào)控算法在整個降雨期反復(fù)無窮逼近設(shè)定的雨強值。這樣即可自動得到真實、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的降雨過程?？刂品椒ǖ牧鞒炭驁D如下：

評價：此方案以現(xiàn)場實際實時動態(tài)雨強為反饋控制信號，可實時監(jiān)控實驗區(qū)各監(jiān)測點的雨強分布及平均值，不但可省略實驗前的人工率定過程，而且實驗過程中可隨時得知當(dāng)時雨強值，人工手動操作可隨時干預(yù)降雨控制過程。
 新型閉環(huán)反饋逼近控制算法：為準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的進(jìn)行降雨過程控制，本項目采用閉環(huán)反饋控制算法?？刂扑惴椋菏紫?，根據(jù)資料，流量調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動電流與閥門的開啟位置為線性關(guān)系，而閥門的開啟位置又與雨強為線性關(guān)系。其次假設(shè)；
實驗要求雨強為Y0，
現(xiàn)場無線自計雨量計的當(dāng)前實際雨強平均值，簡稱當(dāng)前雨強為Yx，
其相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前位置的驅(qū)動電流值，簡稱當(dāng)前驅(qū)動電流為Ix，
流量調(diào)節(jié)閥流量變化值相應(yīng)的驅(qū)動電流變化值為Imax，
流量調(diào)節(jié)閥流量變化值相應(yīng)的雨強變化為Ymax，
Y0相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流為Ix0。
則應(yīng)有如下公式成立
 （Yx- Y0）/Ymax=（Ix- Ix0）/Imax
 Ix0= Ix -Imax*（Yx- Y0）/Ymax
求得設(shè)定（目標(biāo)）雨強相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流推算值為Ix0。以分十步逐步逼近設(shè)定雨強計算，則在流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)步長為：
（Ix- Ix0）/10
當(dāng)完成此步長調(diào)節(jié)，并經(jīng)消除系統(tǒng)滯后延時后再以當(dāng)時應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前位置的驅(qū)動電流值為Ix反復(fù)重復(fù)上述調(diào)節(jié)過程直至降雨結(jié)束。算法子程序軟件流程框圖為：

  圖. 閉環(huán)反饋逼近控制算法框
評價：  這種新型閉環(huán)反饋逼近控制算法可在任意降雨控制狀態(tài)下啟動控制算法，即可在自動控制與手動操作之間隨時任意切換。在考慮調(diào)控貫性的情況下，Ix- Ix0= Imax*（Yx- Y0）/Ymax，當(dāng)前雨強Yx與實驗要求雨強Y0差異較大時，流量調(diào)節(jié)閥逼近實驗要求雨強Y0的調(diào)節(jié)步長（Ix- Ix0）/10也大，下次再以新的當(dāng)前雨強Yx逼近實驗要求雨強Y0，當(dāng)Yx與Y0越接近，反復(fù)逼近調(diào)節(jié)步長越越小，這樣不但調(diào)控速度快而且Y0控制平穩(wěn)。

二.現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置：
依據(jù)管路結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置布局圖如下：
                                                             
 
圖中V1為流量調(diào)節(jié)閥，P1為壓力傳感器，Z1為雨量計，K1、K2、K3開關(guān)閥。下噴區(qū)分別由3套不同大小的噴頭管路系統(tǒng)組合疊加而成。它支持三種工作模式：
純手動控制模式：參考控制臺顯示管道壓力，通過手動調(diào)節(jié)控制臺上的旋紐控制不同雨強。
計算機監(jiān)測模式：通過手動調(diào)節(jié)控制臺上的旋紐控制不同雨強，同時計算機顯示當(dāng)前降雨強度，管道壓力、閥門狀態(tài)等。
計算機控制模式：設(shè)置降雨曲線后，由計算機調(diào)控、顯示全部降雨過程。
評價：  該方法采用的傳感器/執(zhí)行器為目前主流器動調(diào)節(jié)器件，質(zhì)量成熟可靠，此方案使用傳感數(shù)量較少，可直接適合于各種降雨控制系統(tǒng)。

三、降雨自動控制系統(tǒng)硬件原理
 該降雨自動控制系統(tǒng)為全計算機自動控制?？蓮漠?dāng)前點閉環(huán)反饋逼近控自動控制降雨過程。所有傳感器/執(zhí)行器與控制器間均為即插即用方式。降雨自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下：

評價：采用主流傳感器及工控技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量及理論原理可靠，硬件系統(tǒng)具有普遍自適應(yīng)功能，全部傳感器在數(shù)量內(nèi)可任意插拔選擇。數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、驅(qū)動采用一小型工控機專門完成，與控制PC機串口通訊，這樣一旦控制PC機染毒或損壞，任意更換一臺PC機，安裝控制軟件后即可控制降雨。

四.控制系統(tǒng)軟件原理：
 該系統(tǒng)采用全開放式中文菜單操作軟件系統(tǒng)，現(xiàn)場選擇參數(shù)、系統(tǒng)滯后校正延時、流量調(diào)節(jié)閥/自計雨量計特性參數(shù)、降雨過程曲線等可在降雨過程中隨時重新修正。該軟件具有系統(tǒng)調(diào)試子菜單，它只在人工調(diào)節(jié)極值雨強Ymax時顯示流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流極值Imax，可方便得到閉環(huán)反饋逼近控制算法參數(shù)。該軟件還具有可顯示各個雨量計、平均值，設(shè)定值的過程曲線、實時監(jiān)測結(jié)果數(shù)顯，設(shè)定參數(shù)輔助提示，異常情況關(guān)泵、結(jié)果文本輸出等功能。流程框圖如下：

圖流程框圖

評價： 該系統(tǒng)軟件采用全開放式設(shè)計，開關(guān)狀態(tài)、降雨區(qū)設(shè)置、雨量計設(shè)置等現(xiàn)場參數(shù)可依據(jù)實際情況自由設(shè)置，以適應(yīng)于各種不同降雨區(qū)?，F(xiàn)場條件參數(shù)、測量結(jié)果實時數(shù)顯，過程曲線顯示。軟件可在任意情況下轉(zhuǎn)入自動控制狀態(tài)，即手動控制可任意中斷插入控制過程。實驗結(jié)果可多種方式文本輸出。

五.技術(shù)指標(biāo)
可直接使用于任何降雨區(qū)控制。
調(diào)節(jié)時間<30S。
穩(wěn)態(tài)誤差<5%。
控制降雨雨強變化范圍20---150mm/h。
連續(xù)降雨時間99999秒。
 (四)、系統(tǒng)參數(shù)
一.主要技術(shù)指標(biāo)

 本系統(tǒng)主要用于模擬降雨實驗，雨量的測量和降雨雨強的控制。系統(tǒng)可將雨量計的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以數(shù)字形式顯示當(dāng)前雨量。
 系統(tǒng)適用于模擬降雨等環(huán)境實驗室。                  

1、雨量筒承雨口內(nèi)徑：                     Φ200
2、雨量筒分辨力：                         0.5mm
3、雨量計工作電壓：                       DC5V
4、主控制器工作電壓：                     AC220V  50Hz
5、顯示屏工作電壓：                       DC24V
6、信號采集器工作電壓：                   DC24V
7、傳感器通訊方式：                       有線
8、各板卡間通訊方式：                     RS485
9、上位機與下位機通訊方式：               RS232
10、降雨區(qū)閥門控制：                      4~20mA DC
 二.系統(tǒng)組成

   本系統(tǒng)由主控制器、信號采集器、計算機組成。
   主控制器的組成：主控制器外部由機箱，總電源開關(guān)，顯示屏電源開關(guān)，水泵、下噴1—3區(qū)選擇開關(guān)，自動手動選擇開關(guān),壓力表組成。
 主控制器內(nèi)部由開關(guān)電源，電源板，壓力控制板，開度控制板，自動關(guān)泵控制板，繼電器組接線端子組成。
 信號采集器由主控板，信號接收板，顯示板，外控板組成。 

成套設(shè)備：
   主控制器                                      1臺
   數(shù)據(jù)采集器                                    1臺
   雨量計                                        1只
   電源線                                        1根
   串口線                                        1根

三.系統(tǒng)功能

   主控制器的主要功能：
用數(shù)字量顯示現(xiàn)場管道的壓力及降雨區(qū)閥門的開度。
手動調(diào)節(jié)降雨區(qū)閥門的開度。
手動及自動控制的選擇。
水泵.開、關(guān)。
下噴1—3區(qū)閥門的選擇。
自動控制水泵。
信號采集器的主要功能：
1、組織協(xié)調(diào)各板卡之間的通訊，數(shù)據(jù)經(jīng)處理上傳給計算機。
2、將接收到的雨強計的開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
上位機軟件部分的主要功能：
232參數(shù)鍵，是用來選擇計算機端口、波特率、及字節(jié)寬度等。
接收數(shù)據(jù)鍵，按此鍵進(jìn)入自動控制界面。
查詢鍵，是用來調(diào)出以前的實驗記錄數(shù)據(jù)。
閥門標(biāo)定鍵，用來選擇及標(biāo)定降雨1、2、3區(qū)各閥門的參數(shù)。
導(dǎo)入文件鍵，可將以前保存的數(shù)據(jù)文件調(diào)出。
導(dǎo)出文件鍵，可將本次實驗的數(shù)據(jù)文件保存到預(yù)想的路徑。
打印鍵，可直接打印本次實驗的雨強曲線圖。
退出鍵，結(jié)束實驗時按此鍵退出。
啟動鍵，一切準(zhǔn)備就緒后，按此鍵啟動軟件。
運行鍵，按運行鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入自動工作狀態(tài)。
結(jié)束鍵，實驗過程中如要中斷實驗可按此鍵。
設(shè)定采樣總時間，在此處可輸入需要降雨的時間，時間以秒為單位。
設(shè)定數(shù)據(jù)采樣周期，可設(shè)定數(shù)據(jù)采樣所間隔的時間（采樣周期一般不小于20秒）。
設(shè)定期望降雨雨強，自動控制部分會計算出4個雨量筒的平均雨強，并和設(shè)定的期望雨強做比較自動調(diào)節(jié)降雨區(qū)閥門的開度。
倒計時，顯示剩余的降雨時間。
接收指示，顯示數(shù)據(jù)接收的狀態(tài)。
人工閥門選擇，選擇已標(biāo)定的要使用的閥門。
開度控制選擇，用來選擇降雨區(qū)。
設(shè)定調(diào)整周期，自動控制時調(diào)整閥門開度的周期（調(diào)整周期一般不小于20秒）。
人工調(diào)整幅度，在對自動開度調(diào)節(jié)不滿意時，可人工輸入自己的開度。
自動步長，是指自動控制時每次調(diào)節(jié)開度的百分比，步長越大每次調(diào)節(jié)的開度越大。
雨強曲線圖，用5種顏色分別表示4個雨量筒的雨強和平均雨強。
四.使用說明

降雨前，先將雨量筒放置在需要測量雨強的位置，并打開雨量計電源開關(guān)。
打開主控制器電源，并打開顯示屏電源，將要選擇降雨區(qū)的閥門開度控制撥到自動。
進(jìn)入計算機控制軟件界面，選擇閥門標(biāo)定，設(shè)定好要使用的閥門并保存。然后選擇數(shù)據(jù)接收，進(jìn)入自動控制軟件界面。
鍵入本次實驗數(shù)據(jù)要保存的文件名，選擇好已標(biāo)定的閥門、降雨區(qū)，設(shè)定本次實驗的時間、期望雨強，設(shè)置好采樣周期、調(diào)整周期、自動步長等。
啟動并運行上位機軟件，這時系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)。
倒計時開始顯示剩余降雨時間，接收指示顯示接收狀態(tài)。
壓力表和開度表分別顯示降雨區(qū)的管道壓力和閥門開度。
計算機會根據(jù)當(dāng)前的平均雨強和設(shè)定的期望雨強做比較，當(dāng)平均雨強大于期望雨強時，系統(tǒng)自動關(guān)小降雨區(qū)閥門開度，反之，則開大降雨區(qū)閥門開度。
當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束時，系統(tǒng)會自動關(guān)掉水泵。
如果將主控制器上的開度控制選擇在手動控制方式，降雨區(qū)開度則不受自動控制的調(diào)節(jié)。
如在實驗過程中，想終止實驗，可按結(jié)束鍵，這時系統(tǒng)仍然會自動關(guān)閉水泵。
實驗結(jié)束后，應(yīng)先退出上位機軟件，然后再關(guān)閉顯示屏電源和主控制器電源，后關(guān)閉個雨量計電源。

五.注意事項

放置雨量筒時，應(yīng)水平放置。
如果接收不到某個雨量計的數(shù)據(jù)，應(yīng)檢查這個雨量計的電源是否打開或電池是否有電。
上位機軟件數(shù)據(jù)接收不正常時，應(yīng)檢查主控制器電源是否打開，或者232通訊線是否松動。
實驗結(jié)束后，應(yīng)將4個雨量計的電源關(guān)閉，防止電池電量耗盡。

六.控制臺系統(tǒng)測控組成圖：

（五）、技術(shù)服務(wù)
一、控制設(shè)計：

采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，支持系統(tǒng)實時時鐘
采用240x128點陣LCD顯示，菜單化設(shè)計。
支持全中文1、2級字庫。
預(yù)留1M 字節(jié)存儲空間。
采用12位PVC組合功能鍵設(shè)計。
支持RS232或RS485通訊模式。
12 BIT AD輸入采集壓力變送器的輸入
12 BIT DA輸出控制流量調(diào)節(jié)閥的開口度。
8路光耦輸入用于采集雨量計的輸入。
7路繼電器輸出用于控制噴頭的開關(guān)。
一路繼電器輸出用于控制水泵的開關(guān)。
PID控制算法設(shè)計。
預(yù)留大屏顯示器接口。

注：先生產(chǎn)好所有的管路，再率定數(shù)據(jù)，對應(yīng)的雨強下，對應(yīng)的壓力值，再有壓力值，顯示出所對應(yīng)的雨強值。
二、噴頭的選擇

1、噴頭流量的選擇
 以噴頭流量計算（流量計算）：
 1#噴頭：0.192m3/h                 2#噴頭：0.255m3/h
 3#噴頭：0.455m3/h                 4#噴頭：0.639m3/h
 以300mm/h雨強計算流量：
  1#噴頭：0.238m3/h                 2#噴頭：0.316m3/h
 3#噴頭：0.562m3/h                 4#噴頭：0.792m3/h
 兩種情況比較選擇以300mm/h雨強作為計算流量時的噴頭流量
2、環(huán)網(wǎng)計算閉合差的選擇：
 環(huán)網(wǎng)計算水頭損失閉合差取0.05m；
管徑計算公式：
                            （1）
d—輸、配水管道直徑，mm；
Q—輸、配水管道設(shè)計流量，m3/h；
V—管道內(nèi)經(jīng)濟流速，m/s
1.1下噴區(qū)典型設(shè)計
 下噴第四噴區(qū)環(huán)網(wǎng)節(jié)點圖見圖一，通過分析可以知道：該管網(wǎng)部分管段屬于沿程泄流管段以1-2段為例，該管段上共有四個出水口間距2.163m；因此該管段需要按照沿程泄流管段來計算。
 程泄流管的水頭損失通常用下式計算：
               ΔHt=F·hf
 F=                 (2)
式中：ΔHt—沿程泄流管段摩阻損失，m；
 F —多口系數(shù)；
 hf —無旁側(cè)出流式的摩阻損失，m；
 N —出口數(shù)；
 m —流量指數(shù)；
 x —進(jìn)口端至個出水口的距離與孔口間距之比；
上式中hf是用計算，其中
                               （3）
式中：  S—管道的比阻率；
         n—管道的糙率；
         C—謝才系數(shù)；其他符號意義同前；
 為了便于施工，考慮盡可能的選用同一種管徑，因此進(jìn)水的管段1-2，1-5選用同一種管徑，管網(wǎng)中其余的管段選用同一種管段。
三、水泵揚程計算：
計算公式：
：水泵吸水高度
水泵壓水高度
水泵揚程
吸水管與出水管內(nèi)的總水頭損失
不利點處所需水頭
下噴區(qū)：
  為1m水頭，為23.3m水頭，為1.819m水頭, 為25m水泵揚程Hb為51.2m，所以可以選擇揚程為8m的水泵。
下噴式水泵流量的確定：

 下噴區(qū)干管流量在兩個下噴區(qū)同時工作時產(chǎn)生，流量為27.767，考慮到損耗，泵的流量為30m3/h。