15.1 叠加喷洒式降雨系统的降雨原理
喷洒式降雨系统是水从喷头以一定的初速度喷出，在空中散成不同大小的水滴降落到地面。为了使降落到地面的水滴尽可能地与天然降雨产生相同的效果，在设计喷洒式降雨装置时，应当满足不同的雨强要求，并且能够调节；在降雨所要求覆盖的面积上达到一定的降雨强度分布的均匀度要求；雨滴直径有一定的分布特征，基本符合雨滴落地时的速度或动能等，降雨装置应具有较好的稳定性和重复性[2]。
叠加喷洒式降雨系统的降雨强度控制方式为调节同时工作的喷头组数，通过不同的喷头组来实现不同的降雨强度，叠加喷洒式降雨系统设有3类8组喷头，通过调节不同的喷头组合可使其降雨强度的范围为0.2～2.8mm/min。
降雨的均匀性主要以降雨均匀系数来表示[8]，即
式中：k为降雨均匀系数；xi为测点雨强；
为各测点平均雨强；n为测点数。
根据实测天然降雨分析，一般要求设计的降雨系统的降雨均匀系数k＞0.8。而叠加喷洒式降雨系统是根据单喷头喷洒特性经过喷头分布组合形式的数值实验方法，确定出满足均匀度和单组雨强的喷头分布布置形式和参数，使得降雨均匀性大大提高，根据单喷头喷洒特性通过数值实验方法模拟得到的降雨均匀系数可达0.9以上。
雨滴动能可以用雨滴达到地面时的速度来表示，雨滴在下落过程中，受到重力、空气阻力、云层阻力等的作用，当重力与阻力相平衡时，雨滴下落的速度不再增加，即雨滴以匀速落向地面，称为雨滴的落地速度，也叫雨滴末速。
雨滴的落地速度与雨滴直径有关，文献[8]介绍了罗斯等的研究成果，结果表明，天然雨滴直径为0.1～6mm，其相应的落地速度为2～2.9m/s，90%以上雨滴所需要的降落高度为7～9m。
雨滴直径可根据面粉球法、摄影法或色斑法测定，面粉球法适应于雨滴较小、精度要求较高的实验，摄影法适用于室内试验，色斑法是历史最为悠久的一种雨滴直径测量方法[10]。色斑法测量雨滴直径的方法是基于雨滴在同一材料上形成的色斑大小与雨滴的直径成正比，在滤纸上涂刷一层曙红与滑石粉混合色料，当雨滴降落在滤纸上后能够形成色斑图案，通过测量色斑直径D，即可求出雨滴直径d。雨滴直径的计算公式为[8]
式中：d为雨滴直径，cm；D为色斑直径，cm。
雨滴速度的计算有多种方法，例如Laws雨滴速度的计算公式为[9]
式中：v为雨滴的落地速度，cm/s。
日本学者三原义秋的公式为[9]
我国常用沙玉清的雨滴速度公式，当雨滴直径d≤1.9mm时(https://www.daowen.com)
当雨滴直径d[9]＞1.9mm时
雨滴动能为[9]
式中：E为雨滴落地时的动能；m为雨滴质量。
雨滴质量为[8]
式中：ρ为水的密度，g/cm3。
最新的雨滴末速测定采用激光闪烁照相的方法，有市售的仪器，精度比较高。
叠加喷洒式降雨系统可以通过喷头安装的不同高度控制雨滴的降落速度，通过不同的喷头出口形式控制雨滴的直径，从而可以较好地控制雨滴落地时的动能。
雨滴谱是降水最基本的微物理特征量，是雨滴数浓度随雨滴尺度变化的函数。单位体积内各种大小雨滴的数量随其直径的分布称为雨滴谱，单位体积内的雨滴个数称为雨滴数浓度，也称雨滴数密度（个/m3）或雨滴尺度分布。
在非常稳定的降雨中，雨滴大小的分布（雨滴谱）非常接近一个负指数函数的形式，这个特征是Marshall和Palmer分析发现的，因此将该分布称为Marshall-Palmer分布（M-P分布）[10]，用公式表示为
式中：n（d）为雨滴谱；n0、λ为参数。
由式（15.9）可以看出，雨滴谱随雨滴直径的增大而减小，最大雨滴直径称为谱宽，一般为2～3mm，很少超过6mm。形成雨滴谱特征是雨滴生成、下落、增长、破碎、蒸发等过程的综合结果。随着云的种类、降水机制等而不同，在一次降雨中也可能有明显的变化，如阵性降水的雨滴谱一般较宽，谱密度随直径减少较缓；连续性降水雨滴谱较窄，谱密度随直径减少较陡。