泄洪霧化源區(qū)降雨強度分布特性試驗研究

王思瑩，陳 端，侯冬梅

（長江科學院水力學研究所，武漢 430015）

泄洪霧化源區(qū)降雨強度分布特性試驗研究

王思瑩，陳 端，侯冬梅

（長江科學院水力學研究所，武漢 430015）

高壩工程泄洪霧化引發(fā)的強降雨及霧流對水利工程和周圍環(huán)境均產(chǎn)生較大影響。以往研究主要針對下游岸坡泄洪霧化雨強開展工作，少見對霧化源區(qū)域的研究。通過概化模型試驗，在不同水力條件下對挑流水舌落入下游水體產(chǎn)生的霧化源區(qū)域的降雨強度進行系統(tǒng)測量和分析，針對泄洪霧化霧源區(qū)雨強的平面分布特征進行了研究，確定了落水點周圍不同區(qū)域霧化源的形成原因和降雨強度平面分布規(guī)律，并對水舌落水區(qū)的區(qū)域范圍和雨強分布特征隨流量和水頭差的變化情況進行了探索。

泄洪霧化；霧化源區(qū)；水舌落水區(qū)；降雨強度

1 研究背景

隨著中國西部水電開發(fā)的發(fā)展，越來越多“高水頭、大流量”的大型水利樞紐建設于狹窄河谷中。為解決這些水利工程的消能防沖問題，設計和科研人員開發(fā)采用了一批新型的消能形式，如大差動挑坎、寬尾墩、窄縫式挑坎、挑流水股碰撞等。實踐表明，這些消能形式均能得到較好的消能效果，但可能造成更嚴重的泄洪霧化問題。已有工程運行實例表明，泄洪霧化引起的降雨強度遠遠超過自然降雨中特大暴雨的雨強值，對水利樞紐的正常運行、交通安全、周圍環(huán)境甚至下游岸坡的穩(wěn)定性均可能造成較大危害，應對其危險加以重視并在工程規(guī)劃設計過程中加以考慮，進行專門的防護設計［1－4］。

通過原型觀測、模型試驗和數(shù)值模擬等研究手段，相關(guān)科研設計單位研究了泄洪霧化造成下游岸坡的雨強等級劃分、降雨和霧化影響范圍等［5－6］，在此基礎(chǔ)上對擬建工程的泄洪霧化情況進行預測分析，并提出了不同的工程防護方案和措施［7－9］。為了提高泄洪霧化雨強和影響范圍的預測精度，以便在設計規(guī)劃中進行相關(guān)防護等級劃分并制定防護設計方案，有必要對泄洪霧化的產(chǎn)生機理進行研究?，F(xiàn)在公認泄洪霧化主要由水舌空中擴散摻氣和落水激濺產(chǎn)生，其中落水激濺又是主要來源［10－11］。由于原型觀測環(huán)境惡劣，針對泄洪水舌落入水體產(chǎn)生激濺，然后擴散形成降雨霧化的過程觀測難以實現(xiàn)，而物理模型試驗的比尺效應以及觀測手段的難度也抑制了相關(guān)研究的進展，當前對泄洪霧化形成過程的研究以數(shù)值模擬為主。學者們首先建立數(shù)學模型針對霧源水舌挑射、落水、反彈的過程進行了模擬研究。劉宣烈等［12－13］研究了空中水舌的運動特性和摻氣擴散過程，初步得到了水舌斷面含水濃度的沿程變化規(guī)律。梁再潮［14］給出了水舌運動軌跡、摻氣濃度沿程變化、濺水區(qū)域、霧流源量等參數(shù)的計算公式。然后，通過擬定不同的霧源空間分布條件，張華等［15－16］建立了水滴隨機碰濺的數(shù)學模型，對挑流和底流消能泄洪霧化的地面降雨強度分布進行了數(shù)值模擬預測。柳海濤等［17］在前人基礎(chǔ)上對水舌入水噴濺的隨機計算理論進行了研究與改進，開發(fā)了對濺水區(qū)進行時空離散，可反映水舌入水形態(tài)與噴濺過程對濺水分布影響的隨機數(shù)學模型。此外，武漢大學［18－19］、天津大學［20－21］、長江科學院［22］等單位的科研人員采用神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊綜合評判等模型，給定霧源隨機分布函數(shù)，對泄洪霧化的降雨分布和影響范圍進行了預測。

數(shù)學模擬計算需要大量準確可靠的觀測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)輸入和結(jié)果驗證。武漢大學劉士和教授課題組利用水泵產(chǎn)生的高速水流與水面碰撞形成霧源，對霧化水流的降雨雨滴粒徑和強度進行了試驗觀測，結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，對霧化水流濺拋雨滴進行了專門研究［23－24］。但至今為止，針對泄洪霧化霧源區(qū)域的相關(guān)研究仍不多見，本文采用物理模型試驗，專門針對水舌落水區(qū)域附近的霧化源降雨強度進行測量分析，給出了落水區(qū)四周雨強的分布規(guī)律，可給泄洪霧化的數(shù)值模擬預測提供進一步參考依據(jù)。

2 試驗布置

本試驗在泄洪霧化概化模型上進行。該模型規(guī)模為20 m×3 m×6 m（長×寬×高）。其中泄水建筑物采用有機玻璃制作，體型依據(jù)某水利工程表孔設計。整個泄水建筑物長2．3 m，高1．7 m，寬0．3 m，安裝高程為2．9～4．6 m。上游水庫由高水箱模擬，下游水池規(guī)模為8 m×2．6 m×1．6 m（長×寬×高），水池下游設量水堰測量過流流量。圖1為整個模型布置的示意圖。

圖1 泄洪霧化模型布置示意圖Fig．1 Layout of the flood discharge atom ization model

如圖1所示，模型坐標系統(tǒng)以建筑物出口中點在地平平面的投影為原點，以水舌主流方向為y方向，水平面內(nèi)垂直y方向為x方向，重力方向為z方向，各坐標軸正向如圖所示。試驗中利用稱重法測量了不同水流條件下，下游水池水面以上10 cm左右平面內(nèi)x∈［－1．3 m，1．3 m］，y∈［1 m，7 m］范圍內(nèi)的霧化源區(qū)雨強分布。本試驗測量區(qū)域與以往科研工作者對各水利工程泄洪霧化降雨試驗中的測量區(qū)域有本質(zhì)區(qū)別：以往工作主要是為了預測水利工程泄洪引起的降雨和霧化對岸坡及周圍環(huán)境的影響程度，因此其測試區(qū)域主要為工程下游左右兩岸的岸坡，離水舌落水點有一定距離；本文試驗主要關(guān)注水舌落水產(chǎn)生的泄洪霧化霧源區(qū)降雨強度分布，測量區(qū)域集中在水舌落點周圍的水面上。

水舌入水拋灑和濺起的雨滴采用自制雨量器測排接收。該雨量器測排由直線布置的23個雨量筒和支撐框架構(gòu)成，相鄰量筒中心間距為100 mm。雨量筒由PVC管和有機玻璃精加工而成，內(nèi)直徑D為37 mm、皮重約40 g左右，經(jīng)測試所有雨量筒在試驗全程不漏水。雨量接收過程采用秒表計時，測量時段隨接收點降雨強度而變化，一般在40～300 s范圍內(nèi)。接收雨滴前后的雨量筒質(zhì)量采用高精度電子天平（精度0．1 mg）稱重，測量時保證雨量筒外表面無水。各測量點降雨強度的計算公式如下：

式中：q（x，y）表示坐標（x，y）處的泄洪霧化降雨雨強（mm／h）；wi（x，y）和wt（x，y）分別表示接取降雨前后雨量筒及其中所盛水體的總質(zhì)量（g）；ρ＝10－3g／mm3，表示水的密度；S＝πD2／4是雨量筒的有效接水面積（mm2）；T為雨量筒盛水時間（s）。

表1列出了各組次試驗的水力條件，其中水頭表示泄水表孔堰上水頭的高度，與流量相對應。水頭落差定義為建筑物出口與下游水池中水面的高差，對應水舌落入水體的流速。試驗中測量了表1所示的不同流量和水頭落差條件下，水舌落入下游水體的過程中，在沿程及落水點四周形成的拋灑和激濺水量，測量分析結(jié)果見第3節(jié)。

表1 試驗水力條件Table 1 Hydraulic conditions in the test

3 研究結(jié)果

以典型工況（流量Q＝64．52 L／s，水頭差dH＝2．05 m）為例，分析挑流水舌在落水過程中在不同區(qū)域形成的泄洪霧化源的降雨強度分布情況。在該水力條件下，試驗觀測得到挑流水舌外緣挑距約為3．8 m，內(nèi)緣挑距約為3．1 m，水舌落水橫向范圍約0．7 m。根據(jù)測量結(jié)果計算得到落水區(qū)域周圍的雨強分布如圖2所示，圖中顏色表征雨強的大小等級。

從圖2中可以看出，泄洪霧化源雨強等值線基本呈下游寬、上游窄的“梨形”分布。降雨強度明顯高于以往在兩岸邊坡測得的降雨強度（以往模型試驗測得最大雨強一般為10～20 mm／h）。本試驗中緊靠水舌落水區(qū)兩側(cè)及上游可能出現(xiàn)500 mm／h以上的超大雨強，這可能是部分水舌散列水體直接落入雨量筒所致，存在一定的隨機性；500 mm／h以下的雨強分布范圍重復性較好。本試驗條件下，100～500mm／h的雨強主要發(fā)生在縱向2．5～4．6 m，上游橫向0．9 m，下游橫向0．6 m的范圍內(nèi)，是霧源的主要激濺區(qū)域；以此為中心，雨強隨著區(qū)域逐漸向外圍擴大而逐級減小。

圖3中的（a），（b），（c）分別給出了落水點上游、下游以及兩側(cè)的雨強分布曲線。

圖2 落水區(qū)附近降雨強度分布圖（Q＝64．52 L／s，d H＝2．05 m）Fig．2 Rainfall intensity distribution around the nappe drop area（Q＝64．52 L／s，d H＝2．05 m）

圖3 落水區(qū)附近的雨強分布曲線Fig．3 Curves of rainfall intensity distribution around the nappe drop area

從圖3（a）中可以看出，在水舌落水點的上游，由于水舌在空中運動過程中，主體水舌兩側(cè)有散列水滴拋灑掉落，在其底下形成拋灑霧化源，由此在每個測量斷面形成2個降雨強度的峰值。雖然拋灑的雨滴顆粒粒徑大，但其數(shù)量較少。在水舌落水區(qū)上游0．5 m斷面處形成的雨強極值大小為300 mm／h左右。離落水區(qū)越遠，拋灑雨強急劇減少。

圖3（b）顯示的是落水點下游區(qū)域的降雨強度分布情況。該區(qū)域的降雨主要是水舌落入水體激濺反彈產(chǎn)生的，雨滴顆粒粒徑小，密度高，在水舌下游1 m范圍內(nèi)降雨強度極值較大。從該圖中可以看出，落水點下游的雨強在水舌中心線兩側(cè)呈對稱分布。試驗測得水舌外緣落水點下游0．5 m左右的斷面形成最大雨強為600 mm／h左右。隨著測量點逐漸遠離落水區(qū)域，霧源逐漸減少，降雨強度逐漸降低。本文試驗結(jié)果與參考文獻［23－24］中得到的落水區(qū)下游降雨強度沿縱向和橫向的變化規(guī)律基本一致，只是本實驗中雨強沿縱向沒有先增大的過程。對比結(jié)果表明，文獻［23－24］中所述試驗測量時量筒全部置于水池之外，量筒開口與池內(nèi)水面在同一水平面上，其測量的降雨為水舌激濺后越過水池壁被量筒接收到的降雨。而本試驗測量量筒全部置于水池中水面以上約10 cm平面內(nèi)，測量的是水舌激濺反彈到該平面的降雨。量筒測量平面高度及測量范圍的差別導致了結(jié)果的不同。

圖3（c）顯示的是落水區(qū)兩側(cè)區(qū)域的降雨強度分布情況。該區(qū)域的霧化源同時有水舌裂散產(chǎn)生的拋灑霧源和水舌落入水體激濺反彈產(chǎn)生的激濺霧源。試驗測量結(jié)果顯示，在水舌兩側(cè)0．3 m范圍內(nèi)雨強極值較大。從圖中可以看出，水舌落水區(qū)兩側(cè)的雨強基本呈由前向后逐漸增加的趨勢，最大強度值出現(xiàn)在水舌外緣落水點附近。

綜上所述，與以往對下游岸坡降雨強度的觀測不同，本文著重關(guān)注了挑流水舌落入下游水體的過程中產(chǎn)生的泄洪霧化源區(qū)域的降雨強度分布規(guī)律，以增進對泄洪霧化的認識，為進一步的預測研究提供依據(jù)。觀測結(jié)果表明，落水區(qū)附近的降雨強度平面分布有規(guī)律可循。在落水區(qū)上游橫向斷面雨強呈雙峰分布，下游橫向斷面雨強呈單峰對稱分布，兩側(cè)縱向斷面呈從上游往下游單調(diào)遞增的趨勢。

表2列出了不同試驗條件下的挑流水舌落水區(qū)域參數(shù)。

表2 不同試驗工況下挑流水舌落水區(qū)參數(shù)Table 2 Parameters of the nappe drop area under different hydraulic conditions

隨著流量和水頭落差的增大，挑流水舌所攜帶的能量增大，其水舌紊亂程度以及與下游水體的撞擊激烈程度也增大，因此誘發(fā)的泄洪霧化霧源區(qū)降雨強度更大。從表2中可以看出，在試驗條件范圍內(nèi)，流量和水頭差越大，挑流水舌的內(nèi)外緣挑距越大。落水區(qū)長度和寬度隨流量的增加有所增加，落水區(qū)長度隨水頭差增加稍有增長，但是落水區(qū)寬度隨水頭差的變化幅度不明顯。

霧化源區(qū)域降雨強度平面分布的分析結(jié)果表明，不同試驗條件下水舌落水區(qū)上、下游以及兩側(cè)的降雨強度分布規(guī)律基本一致，只是最大雨強數(shù)值和分布曲線的變化曲率有所不同。雨強分布與流量、水頭差以及水舌入水角等參數(shù)的定量關(guān)系有待進一步試驗數(shù)據(jù)的補充和驗證。

4 結(jié) 論

本文介紹了泄洪霧化霧源區(qū)降雨強度平面分布特性的模型試驗測量結(jié)果，主要結(jié)論如下：

（1）挑流水舌落入下游水體過程中產(chǎn)生的霧源區(qū)降雨強度，以水舌落水點為中心呈對稱分布，數(shù)值由內(nèi)向外逐漸減小。

（2）落水區(qū)上游的霧化源主要由水舌兩側(cè)散列水滴拋灑形成，降雨強度在橫向斷面內(nèi)呈雙峰分布；落水區(qū)下游的霧化源主要由水舌與水體激濺反彈產(chǎn)生，降雨強度在橫向斷面內(nèi)呈單峰對稱分布；落水區(qū)域兩側(cè)同時有水舌裂散產(chǎn)生的拋灑霧化源和水舌落入水體激濺反彈產(chǎn)生的激濺霧化源，形成的雨強基本沿縱向呈單調(diào)遞增的分布趨勢。

（3）試驗流量和水頭差越大，落水區(qū)范圍和霧化源的強度越大。落水區(qū)四周的雨強分布規(guī)律基本保持一致，只是峰值大小和分布曲線的變化曲率有所不同。

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（編輯：劉運飛）

Experimental Research on the Rainfall Intensity in the Source Area of Flood Discharge Atom ization

WANG Si ying，CHEN Duan，HOU Dong mei
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430015，China）

The heavy rainfall and mist flow induced by flood discharge atomization of high dam projects have nega tive effecton the hydropower projectand its surrounding environment．Previous researcheswere focused on the rain fall intensity distribution on the downstream banks，while the source area of the atomization is still not well re vealed．Through generalized hydraulicmodel tests，the rainfall intensity in the atomization source in the progress of a deflecting flow nappe dropping in the downstream water weremeasured under different hydraulic conditions．The horizontal distribution was analyzed，and the causes of atomization sources and rainfall intensity distribution in the upstream，downstream and side regions around the nappe drop location were determined．The variations of nappe drop location and rainfall intensity distribution along with the change of water flow and head difference were also preliminarily investigated．

flood discharge atomization；atomization source area；nappe drop area；rainfall intensity

TV135．2；X45

A

1001－5485（2013）08－0070－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．016

2013，30（08）：70－74

2013－04－19；

2013－06－03

國家自然科學基金青年基金項目（51109012）；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201101005）

王思瑩（1983－），女，江西樟樹人，高級工程師，博士，主要從事水工水力學、流體力學的研究，（電話）027－82829863（電子信箱）thing＠ustc．edu。