超大量程雨量計(jì)在泄洪霧化測量中的應(yīng)用

苗寶廣，戴曉兵

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

在水利水電工程中，當(dāng)泄水建筑物采用挑流消能方式泄洪時，挑流水舌以及水流激濺產(chǎn)生的霧化降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣象學(xué)上定義的特大暴雨強(qiáng)度(12 h 降雨量≥140 mm)；在挑流水舌的卷吸和拖曳作用下，形成強(qiáng)勁的水舌風(fēng)，水舌風(fēng)受地形條件及建筑物的約束，氣流運(yùn)動異常紊亂，方向飄忽不定。鑒于此，泄洪霧化降雨具有三大顯著特征：降雨強(qiáng)度大、降雨與地面不垂直、降雨方向多變[1]。

我國的科研工作者與工程技術(shù)人員通過工程類比、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法對泄洪霧化降雨的分布規(guī)律與影響范圍等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究[2-4]，并取得了一系列豐富的研究成果，為霧化降雨的防范和治理、樞紐建筑物的布置提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。但由于泄洪霧化降雨的產(chǎn)生和傳播是一個十分復(fù)雜的物理過程，影響因素眾多，因此對泄洪霧化降雨強(qiáng)度進(jìn)行觀測是非常必要的。為此，筆者根據(jù)泄洪霧化降雨的特點(diǎn)研制成功了用于測量泄洪霧化降雨的超大量程雨量計(jì)[5-6]。

1 超大量程雨量計(jì)的基本原理

1.1 雨量計(jì)的基本原理

超大量程雨量計(jì)的基本原理是：承雨口面積小于儲水容器水平截面面積，通過調(diào)整承雨口面積與儲水容器水平截面面積的比值，即可達(dá)到測量超高強(qiáng)度降雨的目的。當(dāng)截面面積的比值為1時，即為常規(guī)的雨量計(jì)。承雨口的形狀和面積可根據(jù)觀測需要確定，儲水容器的儲水容量可根據(jù)降雨強(qiáng)度確定。利用雨量計(jì)測量降雨強(qiáng)度的計(jì)算式為

q=V/(A0×T)或q=(A×H)/(A0×T)

(1)

式中，q為單位時間平均降雨強(qiáng)度，mm/h；V為雨水體積，mm3；A0為承雨口面積，mm2；A為儲水容器水平截面面積，mm2；H為儲水容器內(nèi)的雨水高度，mm；T為降雨歷時，h。

當(dāng)垂向承雨口斷面形狀采用圓形，儲水容器采用直徑200 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓筒時，承雨口內(nèi)徑與降雨強(qiáng)度的換算關(guān)系見表1。

表1 垂向承雨口內(nèi)徑與降雨強(qiáng)度換算關(guān)系

1.2 雨量計(jì)的基本形式

超大量程雨量計(jì)分為垂向雨量計(jì)(見圖1)和水平雨量計(jì)(見圖2)。

圖1 垂向雨量計(jì)

圖2 水平雨量計(jì)

垂向雨量計(jì)由頂蓋和儲水容器兩部分組成，頂蓋上設(shè)有垂直向上的承雨口，承雨口的面積小于儲水容器水平截面的面積。為防止雨水濺入，承雨口高于頂蓋一定的高度。在儲水容器的上部設(shè)有通氣孔，目的是為了防止因雨量過大阻塞承雨口，造成雨水不能順利進(jìn)入儲水容器中。

水平雨量計(jì)由頂蓋和儲水容器兩部分組成，在頂蓋上設(shè)有水平方向的承雨口；在與承雨口方向相反的壁面上設(shè)有風(fēng)向舵；在風(fēng)力的作用下，風(fēng)向舵帶動軸承轉(zhuǎn)動，使得承雨口始終迎向最大的降雨方向。

1.3 斜向降雨強(qiáng)度的計(jì)算方法

當(dāng)利用垂向雨量計(jì)和水平雨量計(jì)分別承接降雨時，相對斜向降雨而言，承雨口承接的雨水分別為垂直分量和水平分量。設(shè)斜向降雨強(qiáng)度為q、降雨角度為α，則垂直方向的降雨強(qiáng)度q1和水平方向的降雨強(qiáng)度q2，分別為：q1=qcosα，q2=qsinα。因此，雨量計(jì)測量斜向降雨的計(jì)算方法如下：① 分別用承雨口為垂直方向和水平方向的兩個雨量計(jì)測量降雨；② 利用式(1)分別計(jì)算垂直方向和水平方向的降雨強(qiáng)度q1、q2；③ 利用式(2)求得斜向降雨的降水角度(與垂線方向的夾角)

α=arctan(q2/q1)或α=arccot(q1/q2)

(2)

④斜向降雨強(qiáng)度為

q=q1/cosα或q=q2/sinα

(3)

通常情況下，當(dāng)降雨為垂直方向時，降雨角度α=0°，q2=0，降雨強(qiáng)度為q=q1。特殊情況下，當(dāng)降雨為水平方向時，降雨角度α=90°，q1=0，降雨強(qiáng)度為q=q2。

2 工程應(yīng)用案例

2.1 案例1

四川省某水電工程的右岸泄洪洞采用挑流消能方式。由于霧化降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于特大暴雨的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)的雨量測量儀器難以滿足要求。根據(jù)泄洪洞泄洪霧化的特點(diǎn)及實(shí)際地形條件，霧化觀測點(diǎn)分別布置在挑流水舌的下方、泄洪洞軸線方向正對面的左岸和左岸下游方向。雨量計(jì)承雨口的直徑分別為100、200 mm，放大倍數(shù)分別為16倍和4倍。由于測點(diǎn)位置不能提供水位計(jì)的工作電源，霧化降雨強(qiáng)度無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)觀測，本次觀測只能提供平均降雨強(qiáng)度，平均降雨強(qiáng)度按泄洪洞泄洪歷時2.5 h計(jì)算。

泄洪洞泄洪時觀測到，挑流水舌在出口處呈現(xiàn)出乳白色泡沫狀，水舌表面破碎、摻氣充分。挑流水舌射入河道，與河道內(nèi)的水體碰撞后產(chǎn)生強(qiáng)烈的激濺，水舌破碎并彈射至空中，在水舌卷吸作用形成的水舌風(fēng)的推動下，霧雨順著左岸山坡向上爬升，同時，霧雨向下游河道擴(kuò)散，并在距離泄洪洞出口650 m處形成中等強(qiáng)度的降雨，挑流水舌泄洪霧化見圖3。

圖3 泄洪洞泄洪霧化

泄洪霧化觀測成果表明：泄洪洞中心線的延長線上，距離泄洪洞出口472 m處，實(shí)測垂向雨量計(jì)儲水容器的水深為85 mm，放大倍數(shù)為16，換算后平均降雨強(qiáng)度為544 mm/h，現(xiàn)場照片見圖4。

圖4 垂向雨量計(jì)現(xiàn)場照片

2.2 案例2

廣西壯族自治區(qū)某水電工程的表孔溢洪道采用挑流消能方式。該工程下游河道開闊，兩岸岸坡相對平緩，非高山峽谷河道，泄洪霧化影響范圍相對較小，霧化降雨在壩下1 000 m范圍以內(nèi)。由于雨量計(jì)的布設(shè)是在表孔泄洪運(yùn)行期間進(jìn)行的，因此觀測點(diǎn)的布置受到了霧化降雨的影響以及道路交通條件的限制。泄洪霧化測點(diǎn)布置見表2及圖5，現(xiàn)場雨量計(jì)照片見圖6。

表2 泄洪霧化測點(diǎn)布置

圖5 泄洪霧化測點(diǎn)布置

圖6 現(xiàn)場雨量計(jì)照片

本次泄洪霧化觀測時長約6 h。左岸道路霧化觀測進(jìn)行了二次數(shù)據(jù)測讀。第一次測讀垂向雨量計(jì)水深23 mm，水平雨量計(jì)水深27 mm；第二次測讀垂向雨量計(jì)水深182 mm，水平雨量計(jì)水深212 mm。計(jì)算得到：垂直向降雨強(qiáng)度456 mm/h，水平向降雨強(qiáng)度533 mm/h，泄洪霧化降雨強(qiáng)度702 mm/h，降雨方向與水平面夾角為41°。

右岸道路上游測點(diǎn)垂向雨量計(jì)測讀水深16 mm，水平雨量計(jì)水深135 mm；下游測點(diǎn)測讀的垂向雨量計(jì)水深55 mm，水平雨量計(jì)水深68 mm。分別計(jì)算得到：上游觀測點(diǎn)垂直向降雨強(qiáng)度34 mm/h，水平向降雨強(qiáng)度90 mm/h，泄洪霧化降雨強(qiáng)度96 mm/h，降雨方向與水平面夾角為20°；下游觀測點(diǎn)垂直向降雨強(qiáng)度83 mm/h，水平向降雨強(qiáng)度102 mm/h，泄洪霧化降雨強(qiáng)度131 mm/h，降雨夾角為39°。由于尾水平臺區(qū)域的霧化降雨強(qiáng)度較弱，基本屬于毛毛雨(小雨)的降雨等級，雨量計(jì)內(nèi)無明顯的水體積存。

泄洪霧化觀測成果表明，左岸強(qiáng)降雨區(qū)為壩下200 ～400 m，最大降雨強(qiáng)度702 mm/h，降雨方向與水平面夾角為41°。右岸強(qiáng)降雨區(qū)為壩下200～600 m，最大降雨強(qiáng)度131 mm/h，降雨夾角為39°。泄洪霧化降雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于特大暴雨等級(24 h降雨量≥250 mm，或12 h降雨量≥140 mm)。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合國家發(fā)明專利“用于測量超高強(qiáng)度降雨的雨量器及用該雨量器測量的方法”和一項(xiàng)實(shí)用新型專利“一種測量斜向降雨量的雨量計(jì)”，介紹了一種用于測量泄洪霧化超高強(qiáng)度降雨的超大量程雨量計(jì)以及計(jì)算斜向降雨的方法。其基本特征是承雨口面積小于儲水容器水平截面面積，通過調(diào)整承雨口面積與儲水容器水平截面面積的比值，達(dá)到測量超高強(qiáng)度降雨的目的；利用垂向雨量計(jì)測量垂直方向的降雨，利用可轉(zhuǎn)動的承雨口始終迎向最大降雨方向的水平雨量計(jì)測量水平降雨，達(dá)到測量最大斜向降雨的目的，并能準(zhǔn)確獲取降雨角度。兩個工程應(yīng)用中的實(shí)測成果充分證明，新型雨量計(jì)克服了傳統(tǒng)雨量計(jì)難以測量超高強(qiáng)度降雨和斜向降雨的不足，完全達(dá)到了預(yù)期的目的，能夠?yàn)樯钊胙芯啃购殪F化的分布規(guī)律及影響范圍提供更為完善的降雨參數(shù)。