أولاً: خلفية المشروع وأهدافه

لدراسة آليات التأثير الشاملة لشدة هطول الأمطار المختلفة (من 0 إلى 300 ملم/ساعة) على سيناريوهات متنوعة، بما في ذلك تثبيط نمو المحاصيل، وتآكل ضفاف الأنهار والمنحدرات، وتحفيز تدفق الحطام وتطوره، وبنية الصرف الصحي الحضرية (مثل انسداد شبكة الأنابيب، وفيضانات الطرق، وتجمع المياه في المناطق الحضرية)، سيتم إنشاء مختبر محاكاة هطول أمطار اصطناعية واسع النطاق عالي الدقة ومتوافق مع سيناريوهات متعددة. ويجب أن يحقق هذا المختبر الوظائف الأساسية التالية:

محاكاة دقيقة لهطول الأمطار: يمكن تعديل شدة هطول الأمطار باستمرار من 0 إلى 300 ملم/ساعة (بدقة ±5%)، ويكون حجم قطرات المطر وتوزيعها متجانسًا وقريبًا من هطول الأمطار الطبيعي. يدعم البرنامج محاكاة هطول الأمطار الغزيرة على المدى القصير (مثل أكثر من 100 ملم/ساعة لمدة ساعة واحدة) وهطول الأمطار التراكمي على المدى الطويل (مثل 30 ملم/ساعة لمدة 24 ساعة).

اختبار اقتران السيناريوهات المتعددة: يدعم النشر المستقل أو المشترك لأشياء مختلفة مثل مناطق زراعة المحاصيل، ونماذج حماية منحدرات ضفاف الأنهار، والمنحدرات المحاكاة لتدفق الحطام، وأنظمة شبكات أنابيب الصرف الحضري المصغرة (بما في ذلك مكونات الرصف - خط الأنابيب - فتحة التفتيش)؛

مراقبة المخاطر الديناميكية: الحصول على البيانات في الوقت الحقيقي حول معلمات هطول الأمطار (الشدة، خصائص قطرات المطر)، والاستجابات السطحية والهيكلية (محتوى رطوبة التربة، الإزاحة، الإجهاد)، وعمليات تطور الكوارث (عمق التآكل، سرعة تدفق الحطام، عمق المياه السطحية للطريق، ومعدل تدفق شبكة الصرف).

السلامة وقابلية التوسع: لديه القدرة على حماية المعدات في ظل ظروف هطول الأمطار الشديدة ويدعم التوسع المرن لإضافة وحدات اختبار في المستقبل (مثل دورة التجميد والذوبان المقترنة بهطول الأمطار).

ثانياً: التصميم العام للمختبر

(أ) الموقع والتصميم

حجم المختبر: المساحة الموصى بها للمبنى ≥ 1000 متر مربع (الطول × العرض × الارتفاع = 50 متر × 20 متر × 8 متر) لتلبية متطلبات تصميم النماذج المتكاملة واسعة النطاق (مثل قسم طريق حضري بطول 10 أمتار، وحماية منحدر سد ترابي بطول 5 أمتار × 3 أمتار، ومنحدر تدفق حطام بطول 15 مترًا)؛

تقسيم المناطق الوظيفي:

منطقة هطول الأمطار الأساسية (40م × 20م): تم تركيب نظام محاكاة هطول الأمطار على السطح، والأرض عبارة عن منصة تجريبية تتحمل الضغط (قدرة تحمل ≥ 5 أطنان/م²)، مقسمة إلى 4 مناطق فرعية مستقلة (منطقة الأراضي الزراعية، منطقة السد، منطقة تدفق الحطام، ومنطقة الصرف الحضري). يمكن فصل كل منطقة أو ربطها بواسطة فواصل متحركة.

منطقة تحضير النموذج (10م × 20م): لتحضير وبناء مواد زراعة المحاصيل، وحماية منحدرات السدود/منحدرات تدفق الحطام/نماذج شبكة الصرف (بما في ذلك تخزين التربة/الحصى، ومعدات الخلط، ومنصة تصنيع الأنابيب الدقيقة).

منطقة المراقبة والتحكم (10م × 20م): مُجهزة بمحطات جمع البيانات، ونظام كاميرات عالي السرعة، ووحدة تحكم عن بُعد، تدعم التعديل الفوري لمعايير التجربة وتسجيل أحداث الكوارث.

المنطقة المساعدة (20م × 20م): تشمل نظام إمداد المياه، وخزان مياه متداول، وغرفة تحكم بالطاقة، وغرفة معالجة العينات، ومساحة لصيانة المعدات.

التحكم البيئي: تُحافظ على درجة الحرارة الداخلية بين 15 و30 درجة مئوية بواسطة نظام تكييف الهواء (لتلائم نمو المحاصيل واستقرار أداء المواد)، والرطوبة النسبية ≤ 80% (لتقليل تأثير تبخر المياه)؛ الأرض مائلة بزاوية 3 درجات (لتصريف المياه من المنطقة المحيطة)، ومُغطاة بلوح فولاذي مقاوم للماء (بسماكة ≥ 8 مم). خندق التصريف متصل بخزان مياه متداول (معدل إعادة تدوير مياه الأمطار ≥ 80%).

ثالثًا: تصميم النظام الأساسي

(أ) نظام محاكاة الأمطار الاصطناعية

١. مكونات النظام

يعتمد النظام على نظام "مصفوفة رشاشات معلقة + تحكم ذكي بالمناطق"، ويغطي منطقة هطول الأمطار الرئيسية (٤٠ مترًا × ٢٠ مترًا). يتم التحكم في مجموعات متعددة من الرشاشات بشكل مستقل لتحقيق توزيع متجانس للأمطار في جميع أنحاء المنطقة ومحاكاة هطول الأمطار المحلي عالي الكثافة.

نوع الفوهة: اختر مزيجًا من الفوهات "الكسرية + الدوارة" (مثل سلسلة NT من Spraying Systems، الولايات المتحدة الأمريكية، أو الفوهات البيونية عالية الدقة المحلية). من خلال ضبط قطر فتحة الفوهة (0.5-1.2 مم)، وضغط الماء (0.1-1.5 ميجا باسكال)، وزاوية الميل (0-90 درجة)، يمكنك محاكاة حجم قطرات المطر (0.5-5 مم)، والسرعة النهائية (1-9 م/ث)، وتجانس توزيع الأمطار الطبيعية.

التصميم: تم ترتيب الرشاشات في مصفوفة (بمسافة 2-3 أمتار، وارتفاع 5-7 أمتار من الأرض)، مقسمة إلى 8 مناطق تحكم مستقلة (5 أمتار × 5 أمتار لكل منطقة). كل منطقة مزودة بأنبوب فرعي مستقل لإمداد المياه وصمام تنظيم كهربائي، يدعم هطول الأمطار الغزيرة في منطقة واحدة (على سبيل المثال، 100 ملم/ساعة محليًا) وهطول الأمطار المنسق عبر المنطقة بأكملها (على سبيل المثال، 50 ملم/ساعة عبر المنطقة بأكملها).

خط أنابيب إمداد المياه: خط الأنابيب الرئيسي (DN150) + خط الأنابيب الفرعي (DN100/DN50)، مصنوع من مادة UPVC المقاومة للتآكل أو الفولاذ المقاوم للصدأ، ومجهز بمستشعر ضغط (دقة ±0.5% من النطاق الكامل)، وصمام تنظيم التدفق (دقة ±1%)، ومقياس تدفق (نطاق 0-50 م³/ساعة، دقة ±1%).

2. التحكم في شدة هطول الأمطار وانتظامها

نطاق الضبط: 0-300 مم/ساعة (قابل للتعديل المستمر)، دقة النطاق: 10 مم/ساعة (0-100 مم/ساعة)، 5 مم/ساعة (100-200 مم/ساعة)، 1 مم/ساعة (200-300 مم/ساعة)؛

ضمان التوزيع المتجانس: تم تحسين تصميم نظام الرش باستخدام محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) (لضمان أن يكون الانحراف الكلي لهطول الأمطار ≤ ±5%)، ويتم ضبط معلمات الرش لكل منطقة ديناميكيًا من خلال دمج بيانات التغذية الراجعة من مقاييس المطر الآنية (مرتبة على شكل شبكة بمسافة 3 × 3 أمتار، بإجمالي 16 مقياسًا) (مثل ضبط زاوية الرش بدقة في منطقة الحافة لتعويض تأثيرات الحواف).

الأوضاع الخاصة: دعم "محاكاة مركز العاصفة المطرية" (تصل المنطقة المحلية 3م × 3م إلى 300 مم/ساعة، وتتناقص تدريجياً إلى 50 مم/ساعة في المنطقة المحيطة) و"محاكاة هطول الأمطار المتدرج" (على سبيل المثال، التناقص تدريجياً من 10 مم/ساعة في أحد طرفي منطقة الاختبار إلى 200 مم/ساعة في الطرف الآخر لدراسة تأثير اتجاه الجريان السطحي).

3. محاكاة خصائص قطرات المطر

توزيع حجم الجسيمات: من خلال تغيير قطر فتحة الفوهة (مطر خفيف: 0.5-1 مم؛ مطر متوسط: 1-2 مم؛ مطر غزير: 2-5 مم) أو تركيب فوهات بأقطار فتحات مختلفة، تتم مطابقة خصائص طيف قطرات المطر للأمطار الطبيعية (على سبيل المثال، يهيمن على المطر الخفيف الجسيمات الصغيرة، بينما يحتوي المطر الغزير على تأثيرات جسيمات كبيرة).

مطابقة السرعة النهائية: من خلال ضبط ارتفاع الفوهة وضغط الماء، يتم جعل السرعة النهائية لقطرات المطر قريبة من القيمة الطبيعية (السرعة النهائية للأمطار الخفيفة هي 1-3 م/ث، والسرعة النهائية للأمطار الغزيرة هي 4-9 م/ث)، مما يعزز واقعية محاكاة تآكل التربة والتأثير الهيكلي.

(II) وحدة التجارب المترابطة متعددة السيناريوهات

1. وحدة محاكاة المحاصيل

تصميم منطقة الزراعة: أحواض زراعة متحركة (1 متر × 0.5 متر × 0.3 متر، مصنوعة من مادة PVC، 20 مجموعة إجمالاً)، مملوءة بتربة تجريبية (طينية/رملية طينية، مُجهزة وفقًا لتربة الأراضي الزراعية الفعلية)، مزروعة بمحاصيل نموذجية (مثل القمح، شتلات الذرة أو نباتات محاكاة مشابهة جدًا)، مما يدعم إجراء تجارب مقارنة مع تغطية نباتية مختلفة (0-100%).

التكيف البيئي: الجزء العلوي مزود بشبكة تظليل قابلة للتعديل (لمحاكاة الطقس المشمس والغيوم)، والجزء السفلي مزود بأنابيب ري بالتنقيط (للحفاظ على الرطوبة الأساسية لنظام الجذور وتجنب تأثير العوامل غير المطرية). مصابيح محاكاة الإضاءة (دورة إضاءة قابلة للتعديل) اختيارية.

2. وحدة محاكاة حماية منحدرات ضفاف الأنهار

هيكل النموذج: نموذج قابل للتخصيص لحماية المنحدرات من الخرسانة/النسيج الأرضي (3م × 2م × 1.5م، ميل قابل للتعديل من 15° إلى 75°)، مزود داخليًا بمقاييس ضغط التربة (نطاق 0-500 كيلو باسكال)، ومقاييس ضغط مياه المسام (نطاق 0-100 كيلو باسكال)، ومستشعرات الإزاحة (دقة ±0.1 مم)، ومقاييس الإجهاد (لمراقبة إجهاد المنحدر)؛

توافق المواد: يدعم مواد السد الحقيقية (مثل الحصى وخليط الطين) أو مواد مماثلة (مخلوطة وفقًا لمعايير مثل قوة القص ومعامل النفاذية)، مع وجود حوض تجميع المياه عند قاعدة المنحدر (لجمع الرواسب المتآكلة وقياس التآكل).

3. وحدة محاكاة تدفق الحطام

هيكل المنحدر: منحدر قابل للتعديل (20°-50°) من خليط التربة والصخور (15م × 3م × 2م)، مملوء بالحصى المكسر (حجم الحبيبات 5-20 سم)، والطين، والماء (لمحاكاة التشبع). يوجد خزان لتخزين المياه أعلى المنحدر (لمحاكاة تشبع التربة بتسرب مياه الأمطار).

جهاز التشغيل: يحاكي الانهيارات الطينية الناتجة عن الزلازل/الأمطار الغزيرة عن طريق فتح البوابة السفلية فجأة (لمحاكاة بدء الانهيار الأرضي) أو عن طريق اهتزاز طاولة الاهتزاز (تردد 0-50 هرتز، سعة قابلة للتعديل).

مراقبة التدفق: يتم تركيب كاميرات عالية السرعة (معدل الإطارات ≥ 1000 إطار في الثانية) وأجهزة تحديد المدى بالليزر عند قاعدة المنحدر (لمراقبة سرعة جبهة تدفق الحطام)، ويتم نشر مقاييس سرعة التدفق (فوق الصوتية / الكهرومغناطيسية) وكاميرات قياس حجم التراكم (رؤية ليلية بالأشعة تحت الحمراء) في القناة لتسجيل تطور تدفق الحطام.

٤. وحدة محاكاة مرافق شبكة تصريف المياه الحضرية

نظام أنابيب مصغر: تم بناء نموذج مصغر لشبكة أنابيب تصريف مياه الطرق الحضرية (١٠م × ٥م × ١م) بمقياس ١:١٠ أو ١:٥، ويشمل:

طبقة الطريق: سطح طريق مُحاكى من الخرسانة الإسفلتية النفاذة/غير النفاذة (بسماكة ٥-١٠ سم)، بميول مختلفة (١٪-٥٪) لمحاكاة الميل العرضي للطرق الحقيقية؛

هيكل الأنابيب: أنابيب تصريف مصنوعة من مادة PVC/HDPE (قطر ١٠٠-٣٠٠ مم، بمقياس يتناسب مع النسب الفعلية)، متصلة بآبار تفتيش (لمحاكاة الانسداد والفيضان)، ومصارف مياه الأمطار (لتجميع مياه الأمطار المتدفقة من الطرق).

المرافق المساعدة: أحجار الرصيف، وشبكات تصريف مياه الأمطار (لمحاكاة اعتراض الحطام)، وطبقة محاكاة مستوى المياه الجوفية (للتحكم في تسرب المياه الجوفية)؛

محاور المراقبة: عمق المياه السطحية على الطريق (قياس فوري باستخدام مجسات ليزرية)، ومعدل تدفق شبكة الصرف (باستخدام مقاييس تدفق كهرومغناطيسية بدقة ±0.5%)، وسرعة التدفق داخل الأنابيب (باستخدام مقاييس سرعة دوبلر فوق الصوتية)، وحالات فيضان فتحات التفتيش (مسجلة بواسطة كاميرات عالية الدقة).

(III) نظام الرصد الديناميكي وجمع البيانات

1. رصد معايير هطول الأمطار

شبكة مقاييس المطر: تم ترتيب شبكة 8×8 (64 خلية إجمالاً) في منطقة التجربة. يتميز كل مقياس مطر بنطاق قياس من 0 إلى 500 مم/ساعة ودقة ±2%، مما يوفر بيانات فورية عن شدة هطول الأمطار في كل نقطة.

مقياس طيف قطرات المطر: تم استخدام وحدتين (واحدة تغطي الأراضي الزراعية والأخرى تغطي المناطق الحضرية) لقياس توزيع قطر قطرات المطر (0.2-8 مم)، والسرعة النهائية، والتركيز، للتحقق من دقة محاكاة خصائص قطرات المطر.

٢. رصد استجابة العينة الخاضعة للاختبار

معايير التربة/البنية:

منطقة المحصول: محتوى رطوبة سطح الأوراق (مستشعر الأشعة تحت الحمراء)، محتوى رطوبة التربة حول الجذور (مقياس انعكاس المجال الزمني TDR، دقة ±٢٪)، زاوية ميل النبات (مقياس الميل)؛

منطقة حماية منحدر السد الترابي: ضغط التربة (نطاق ٠-١٠٠٠ كيلو باسكال)، ضغط ماء المسام (نطاق ٠-٢٠٠ كيلو باسكال)، الإزاحة (دقة ±٠.٠١ مم)، عرض الشقوق (مقياس المسافة بالليزر)؛

منطقة تدفق الحطام: تسارع المنحدر (مقياس الزلازل)، إزاحة الانزلاق (مقياس إزاحة GNSS)، كثافة تدفق الحطام (مقياس كثافة أشعة جاما)؛

منطقة تصريف المياه الحضرية: عمق المياه السطحية على الطريق (0-30 سم، دقة ±1 مم)، معدل تدفق شبكة الأنابيب (0-50 لتر/ثانية، دقة ±0.5%)، ضغط الأنابيب الداخلي (0-200 كيلو باسكال)، مستوى فتحة التفتيش (مقياس مستوى بالموجات فوق الصوتية)؛

تسجيل عملية الكارثة:

كاميرات عالية السرعة (4-6 كاميرات، تغطي المناطق الرئيسية مثل تآكل الأراضي الزراعية، وانهيار المنحدرات، وتطور تدفق الحطام، وتراكم المياه السطحية على الطريق، دقة ≥1920×1080، معدل الإطارات 100-1000 إطار/ثانية)؛

ماسح ليزري ثلاثي الأبعاد (يمسح شكل المنحدر/الأراضي الزراعية/خطوط الأنابيب قبل وبعد كل اختبار، بدقة ±1 مم)؛

مراقبة فيديو (تغطية كاملة، تسجيل عملية الاختبار بأكملها).

3. منصة إدارة البيانات

تستخدم المنصة وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) صناعية (مثل Siemens S7-1500) وحاسوبًا صناعيًا، حيث تدمج جميع إشارات المستشعرات وتنقلها إلى الخادم عبر بروتوكول Modbus/TCP.

تعرض المنصة منحنيات شدة هطول الأمطار في الوقت الفعلي ورسومًا بيانية ديناميكية لمعايير الرصد (مثل تغيرات منسوب المياه على سطح الطريق بمرور الوقت واتجاهات انحدار المنحدرات). كما تدعم المنصة تتبع البيانات التاريخية، وتحليل الارتباط متعدد المعايير (مثل العلاقة بين شدة هطول الأمطار ووقت فيضان الأنابيب)، والتنبؤ بالعتبات بمساعدة الذكاء الاصطناعي (مثل احتمالية حدوث فيضانات حضرية عند شدة هطول أمطار معينة).

(رابعًا) الأنظمة المساعدة

نظام إمداد المياه:

مصدر المياه: مياه الصنبور البلدية مُدمجة مع خزان مياه مُعاد تدويره (سعة 80 مترًا مكعبًا)، مُجهز بمرشحات متعددة المراحل (لإزالة الشوائب التي يبلغ حجمها 1 ميكرومتر أو أكبر)، ووحدة تعقيم بالأشعة فوق البنفسجية، ونظام لتليين المياه لمنع الترسبات وانسداد الفوهات.

مضخات المياه: مضخات طرد مركزي متغيرة التردد (معدل التدفق 30 مترًا مكعبًا/ساعة أو أكثر، والارتفاع 100 متر أو أكثر)، مع ضبط تلقائي للتدفق بناءً على شدة هطول الأمطار؛ ومضخات احتياطية (معدل التدفق 20 مترًا مكعبًا/ساعة أو أكثر) لضمان التشغيل المستمر.

نظام التحكم في مياه التغذية: يتم الحفاظ على مستوى المياه في الخزان بواسطة حساسات، بينما تتصل قنوات التصريف بخزان إعادة تدوير المياه لإعادة استخدامها بعد ترشيحها.

نظام الإمداد بالطاقة: نظام إمداد طاقة مزدوج (كهرباء البلدية + وحدة تزويد طاقة غير منقطعة، سعة ≥ 150 كيلو فولت أمبير). تم تجهيز المعدات الحيوية (مثل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، والحساسات، وكاميرات التصوير عالية السرعة) ببطاريات احتياطية توفر ≥ 3 ساعات من التشغيل.

الحماية والسلامة: تم تركيب سياج واقٍ (بارتفاع 1.5 متر) حول منطقة الاختبار. في حالات هطول الأمطار الغزيرة، يقوم النظام تلقائيًا بفصل الطاقة وتشغيل مضخات التصريف (بمعدل تدفق ≥ 80 متر مكعب/ساعة). تم تجهيز وحدة التحكم بزر إيقاف طارئ، ونظام فرملة طارئة عن بُعد، ووظائف إنذار صوتي ومرئي.

رابعاً: المعايير الفنية

خامساً: خطة التنفيذ والميزانية (مثال)

(أ) دورة التنفيذ

مرحلة التصميم (شهر ونصف): تحسين المتطلبات، وتحسين تخطيط النظام وفقًا لسيناريوهات متعددة، وتحسين الرسومات؛

شراء المعدات (شهران ونصف): إنتاج رؤوس الرشاشات، وأجهزة الاستشعار، ومضخات المياه، ومواد شبكة الأنابيب المصغرة، وغيرها حسب الطلب؛

التركيب والتشغيل (ثلاثة أشهر): مدّ خطوط الأنابيب، وتكامل النظام، ومعايرة المعايير (بما في ذلك التحقق من انتظام هطول الأمطار).

اختبار القبول (شهر واحد): التحقق من قوة التحمل في نطاق واسع واختبارات الربط بين سيناريوهات متعددة (مثل: الأمطار الغزيرة + الفيضانات الحضرية + تآكل السدود).

(٢) تقدير الميزانية (مرجعي)

سادساً: الابتكار وقيمة التطبيق

التقدم التكنولوجي: تحقيق إنجاز رائد محلياً في مجال هطول الأمطار القابل للتعديل المستمر عبر النطاق الكامل من 0 إلى 300 ملم/ساعة + اختبار مقترن متعدد السيناريوهات (الزراعة / الحفاظ على المياه / البناء الحضري)، مع خصائص قطرات المطر وتجانسها التي تصل إلى المستوى الدولي؛

البحث المتكامل في الكوارث: لأول مرة، يدمج محاكاة السلسلة الكاملة من "الأمطار الطبيعية - تآكل السطح - انهيار الهياكل الهندسية - الفيضانات الحضرية"، مما يوفر أساسًا علميًا للوقاية الشاملة من الكوارث والتخفيف من آثارها في ظل الظروف المناخية القاسية؛

القيمة التطبيقية الهندسية: فهي تدعم بشكل مباشر تحسين معايير تصميم السدود، وتقييم قدرة شبكة الصرف الحضري، واختيار أصناف المحاصيل المقاومة للفيضانات، وصياغة عتبات الإنذار المبكر لتدفق الحطام، وبالتالي تساهم في بناء "مدن مرنة" و"زراعة ذكية".

تم الإعداد بواسطة: Hebei Tianqixingzi Inspection Equipment Co., Ltd. – معهد بحوث تكنولوجيا Tianjian

(ملاحظة: يمكن تعديل نسبة تكوين الوحدة وتفاصيل المعلمات وفقًا لتركيز التطبيق المحدد، مثل التركيز على الفيضانات الحضرية أو حماية السدود.)