泄洪雾化研究进展综述

王思莹，王才欢，陈端

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

泄洪雾化研究进展综述

王思莹，王才欢，陈端

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

高坝工程泄洪形成的泄洪雾化现象对水利枢纽的正常运行、交通安全、周围环境甚至下游岸坡稳定均可能造成危害。通过全面细致的文献调研，对我国泄洪雾化相关的研究进展进行了归纳总结，梳理了对泄洪雾化危害的认识过程，总结了对泄洪雾化形成过程的逐步了解，对比了不同模型试验和数值分析的研究成果。在对当前研究现状的认识基础上，指出今后泄洪雾化相关研究工作的开展应该注重测量技术的改进，以获得更详尽的原型和模型观测资料。此外，对泄洪雾化雾源特性的研究是今后研究的一个重要方向。

泄洪雾化;研究进展;比尺效应;模型试验;数值预测

1 研究背景

水利工程（特别是高坝工程）泄洪时，下游局部区域内常出现较大规模的降雨和雾流弥漫现象，工程界称之为泄洪雾化。泄洪雾化引起的降雨强度远远超过自然降雨中特大暴雨的雨强值，对水利枢纽的正常运行、交通安全、周围环境甚至下游岸坡的稳定均可能造成较大危害。随着我国水电事业的发展，尤其是西部开发战略的实施，越来越多高水头、大泄量、高功率的水库建于狭窄河谷之中。为解决消能防冲问题，大差动挑坎、宽尾墩、窄缝式挑坎、挑流水股碰撞等一批新型消能形式得到广泛重视和应用。事实表明，这些消能形式均能获得较好的消能效果，但其缺点之一就是可能造成更严重的雾化问题。因此，需加强对泄洪雾化特征及相关防护技术的研究。

由于国情、自然条件、经济状况的差异，国外像中国这样高水头、大流量及雾化危害严重的工程不多，因此，国外几乎没有对泄洪雾化开展系统研究，可供我国参考的工程实例和研究成果也较少。国内已建的水利枢纽，由于泄洪雾化造成工程危害及经济损失的实例为数不少，提醒设计和科研人员必须充分认识到泄洪雾化的危害性，利用原型观测、模型测量和数学计算等手段对其产生机理和影响范围进行研究，并在工程设计规划阶段就加以考虑，进行专门的防护设计研究。

本文从泄洪雾化危害的认识、雾化形成过程的研究、雾化影响范围和强度的预测、防护措施设计研究等方面全面总结我国现有的泄洪雾化相关研究成果，理清我国泄洪雾化研究发展历程，总结提炼现有研究成果，以增进对已有泄洪雾化工作内容、认识程度的了解，为下一步泄洪雾化相关研究工作的开展提供基础、指明方向，以推进相关研究的进一步开展。

2 泄洪雾化的危害

20 世纪60年代以来因泄洪雾化导致的工程事故时有发生，从而引起我国水利界的注意。80年代中后期，随着宽尾墩、窄槽式挑流戽和高低坎水舌碰撞等新型挑跌流消能工的应用，泄洪雾化问题日益突出。为解决这个问题，一些科研单位对东江［1］、鲁布革［2］、东风［3］、白山［4-6］、湾塘［7］、李家峡［8］、龙羊峡［9］、二滩［10］、江垭［11］等20几个水利水电工程的泄洪雾化情况进行了原型观测。根据原型观测的数据分析结果，总结出泄洪雾化造成的危害主要有以下几个方面:①降雨积水可能威胁电厂正常运行;②影响机电设备正常运行;③冲蚀地表、破坏植被;④影响两岸交通;⑤影响周围工作和居住环境;⑥危害岸坡稳定，诱发滑坡。

根据各工程的原型观测结果，结合泄洪雾化造成危害的形式，科研人员对泄洪雾化的影响范围进行了分级分区。当前科研界对于泄洪雾化影响区域的分级分区标准尚未达成完全一致的认识，各专家学者存在意见分歧。梁再潮［12］按照雨雾的运动形态将其分为水舌溅水区、强暴雨区、雾流降雨区和薄雾大风区4个区域。较多学者简要的划分为浓雾暴雨雨区、薄雾降雨区、淡水汽飘散区3个区域［13］。

为了给高坝泄洪雾化危害的防治提供技术支撑，科研工作者对其形成过程和致灾机理进行了一系列数值模拟和模型试验研究，探寻了泄洪雾化发生等级和范围的预测方法，并进行了相关防治技术研究。

3 泄洪雾化的数值模拟

公认造成泄洪雾化的有2个主要雾源，一是水舌扩散掺气引起的，二是水舌落水激溅产生的。柴恭纯等［14］通过东江电站原型观测对比分析，陈端等［15］通过对泄洪雾化研究成果的综合分析，一致认为雾化源主要由水舌落水附近的激溅产生。

学者们首先针对雾源产生的过程进行了专门研究，观测了水舌挑射、落水、反弹的物理过程，建立了相关数学模型。天津大学的刘宣烈等［16-17］将关注点放在了水舌的空中掺气上，初步得到了水舌断面含水浓度、沿程变化与各影响参数间的关系式。梁再潮［18］建立计算模型，得出了水舌运动轨迹、水舌掺气浓度沿程变化、雾流源量、溅水区域、气流分离区、物流扩散等各种不同计算公式和方法。张华等［19］则建立了水滴随机碰溅的数学模型，应用龙格-库塔（Runge-Kutta）法和蒙特卡罗（Monte-Carlo）法，求得挑流泄洪雾化的地面降雨强度分布。此外，张华等人［8，20］还在雾源为连续线源的条件下，利用高斯扩散方程，研究了水电站底流消能泄洪水雾的扩散，结合雾雨自动转换过程、碰并过程、雾滴的凝结和蒸发过程，得到雾源下游流场的水雾浓度、温度、相对湿度和地面降水强度。柳海涛［21］在前人基础上对水舌入水喷溅的随机计算理论进行了研究与改进，开发了随机数学模型。该模型对溅水区进行时空离散，可反映水舌入水形态与喷溅过程对溅水分布的影响。

这些数学模型研究，在一定程度上增进了研究者对泄洪雾化形成过程的认识。数学模拟计算需要大量准确可靠的原型观测数据作为基础输入和结果验证。多年以来针对不同水利工程泄洪雾化情况的原型观测结果表明，泄洪雾化范围和强度与水力条件（水舌出射流速、入水速度、入水角度、入水范围、泄量、落差等）、地质条件（河谷形态、风速、风向等）和气象条件（空气湿度、温度等）都密切相关。由于泄洪雾化原型观测工作难度较大，观测条件和量测技术有限，所得数据资料往往不够系统和完整。因此，利用水工模型试验来研究泄洪雾化现象、预测泄洪雾化影响范围和强度，成为国内同行努力的方向。

4 泄洪雾化水工模型试验

南京水利科学研究院针对小湾［22］、溪洛渡［23］、向家坝［24］、乌江渡［25］等水电站;长江科学院针对江垭［26］和构皮滩［27-28］水电站;长江勘测规划设计研究院针对水布垭［29］水电站;四川大学针对某大型水利工程［30］都建立了大比尺模型，观测了雾化降雨的产生过程，进一步测量了不同区域降雨的雨滴滴谱，对下游雨强分布范围和等级进行了预测分析，为这些具体工程的泄洪雾化防护设施的拟定提供了科学依据。

但是，由于雾化属于两相流范畴，其物理过程受到的影响因素众多。按照传统水工模型的重力相似准则分析，降雨强度S的比尺Sr与模型几何比尺Lr的关系应为Sr=Lr0.5。而大量泄洪雾化水工模型试验得到的结果与之存在较大差异（见表1）。泄洪雾化模型试验的比尺效应成为泄洪雾化模型试验研究要解决的一个关键问题。

表1 部分水电站原型、模型雨强资料Table 1Prototype and model rainfall intensity of some hydropower stations

2008年，南京水利水电科学研究院采用系列比尺（1∶15∶60）的模型试验研究了向家坝水电站的泄洪雾化问题，利用类似消能工的湾塘水电站泄洪雾化原型观测成果，反馈分析了雾化的模型尺度效应，得到了雾化量的相似律。试验得出的结论是:底流消能方式水电站泄洪雾化模型按照水流韦伯数We＞500的条件确定模型比尺是合理的，雾化影响范围遵循重力相似准则，但雾化雨强量则按照L1.5r的关系换算。这说明泄洪雾化模型试验存在较明显的尺度效应，需要进一步利用原观资料或系列模型试验加以研究。

2009年，南科院又根据乌江渡水电站泄洪雾化的原型观测资料，进行了1∶35∶60∶80∶100系列比尺的模型试验研究，分析了水流Re和We数对泄洪雾化雨强的影响，给出了泄洪雾化雨强的模型试验值与原型观测结果之间的相似关系，论证了雾化降雨影响区域的几何相似。研究结果表明，当模型中水流表面韦伯数超过500、并且水流流速不小于6.0 m/s时，模型与原型雨强比尺与几何比尺的关系为Sr=Lr1.53。该系列模型试验的研究成果较大推动了泄洪雾化物理模型的研究，也在一些工程中得到了实际应用。但是二滩等工程的原型观测结果表明，物理模型的研究成果与工程实际仍有所差别，需进行进一步研究。

长江科学院专门开展了江垭水电站泄洪雾化的原型观测和1∶80物理模型试验研究工作。除原型、模型降雨强度相似关系外，还研究了模型各测点降雨的雨滴滴谱组成。研究结果表明，雨滴基本由“粒径较小、数量众多”的优频雨滴和“粒径较大、数量较少”的优势雨滴组成。其中优频雨滴出现的频度几乎占整个雨滴组成的95%，但由于粒径小，单个优频雨滴对雨强的贡献很小，其运动除重力和水舌风作用之外，还受到表面张力和空气浮力等因素的影响。优势雨滴出现频度虽低，但由于粒径大，对测点雨强的贡献也不低，其运动主要受重力和水舌风的影响。研究者认为这两种雨滴应该满足不同的模型律，所以降雨雨强的模型律应该是二者的线性组合。该项试验研究分析拟合得到泄洪雾化的降雨强度模型律为:式中:Rp为模型换算至原型的雨强;Rmf和Rmg分别是优频和优势雨滴的雨强。该项研究成果得到了专家们“具有较高理论价值和较大应用前景”的评价。

为了对以上研究成果做进一步的论证和完善，长江科学院［31］建立了1∶40∶50∶60系列比尺的泄洪雾化概化模型，对雨滴滴谱和雨强的模型相似律进行了进一步的研究和分析。该课题的研究成果验证了已有成果的基础上，进一步体现了降雨分区的特点。试验成果表明，按照不同降雨特点和受力情况可将大坝下游的雾化范围划分为抛洒降雨区、溅水溅雨区和雾流降雨区3个区。其中抛洒降雨区的雨强模型律为Rp=Rmg×Lr1.553;溅水降雨区的雨强模型律为Rp=Rmf×Lr1.653+Rmg×Lr1.196;雾流降雨区雨强模型律为R=R×L1.636。

至此，通过科研工作者的不懈努力，泄洪雾化模型试验的相似律研究取得了较大进展，利用模型试验预测工程泄洪雾化影响范围和强度的可靠性也得到了大力提高。

5 泄洪雾化影响范围和强度预测

随着模型相似律研究的逐步进展，可以利用水工模型试验对工程泄洪雾化的影响范围和强度进行预测。另一方面，随着计算机技术和数值计算方法的高速发展，科研工作者利用已有原型观测和模型试验数据，采用模糊预测、神经网络等分析方法，建立了各影响因素与雾化范围和强度的关系，以便对泄洪雾化影响范围和降雨强度进行预测分析。

早期科研工作者在对已建工程的泄洪雾化原型观测资料进行收集、归纳、总结的基础上，发现泄洪雾化纵向边界与泄流流量、水舌平均入水流速及入水角之间存在良好的相关关系，基于量纲分析方法建立了估算泄洪雾化降雨纵向边界的经验关系式。基于不同工程泄洪雾化观测资料的分析，各水利科研单位的研究者［32-34］都提出了泄洪雾化影响纵向范围、横向范围以及降雨强度等和各影响因素的关系公式。武汉大学梁再潮和刘士和教授［12，35-36］等人主要分析了雾化水流溅水区的特性，建立数学模型对水舌运动特性、掺气散列射流、水滴抛射运动轨迹和水滴与水面碰撞过程等进行数值计算分析，实现了对溅水范围影响范围和雾源量的估算。天津大学戴丽荣［37］在泄洪雾化机理研究的基础上，建立了挑流泄洪雾化神经网络模型，并用网络模型预测出拉西瓦水电站不同水位和泄量下的雾化影响范围。彭新民［38］同样以神经网络模型为基础，模拟了漫湾水电站的泄洪雾化。长江科学院［39］则采用江垭大坝泄洪雾化降雨的原型观测资料，对前人提出的模糊综合评判模式作了进一步的分析验证、改进。

这些预测公式给后续建设工程泄洪雾化影响范围和降雨强度的预测提供了参考。文献［40］、［41］利用已有研究成果对我国乌东德水电站、老挝南塔河等拟建水电枢纽的泄洪雾化影响范围分级分区进行了预测，为拟定工程防护措施提供了科学依据。

6 泄洪雾化的防护措施

针对泄洪雾化可能产生的危害，根据泄洪雾化的影响范围和强度预测结果，设计和科研单位进行了不同防护措施的研究。

1999年，黄河水利委员会勘测设计研究院［42］就报道了小浪底工程的泄洪雾化影响和防护情况:根据泄洪建筑物的不同位置和作用，结合泄洪雾化的影响程度，分区分级进行防护，以确保建筑物安全运行。白山水电站［43］的泄洪雾化研究和防护经历了长期的过程，科研单位先后在1983、1986、1991、1995、2007年对其泄洪雾化产生危害情况进行了原型观测，并进行了一系列（1∶35，1∶100）的模型试验研究，不断更新设计思路，制定减轻雾化源、改善雾化危害情况的工程措施和范围。长江勘测规划设计研究院［44-45］参照有关工程经验，结合对应模型试验研究成果，先后制定了构皮滩、水布垭电站的泄洪雾化分级分区防护措施。

薛联芳［46］对减免泄洪雾化的工程措施研究成果进行了综合评述。近些年，泄洪雾化对岸坡稳定的影响越来越受到重视，科研界针对降雨对滑坡的影响开展了深入研究［47-48］。随着研究的逐步深入，一些基础性科学问题也相应开展，促进了对泄洪雾化问题的认识。

7 未来研究方向

我国通过近30年的泄洪雾化相关研究，对雾化现象的认识逐步深入，对其主要雾源、影响范围分级分区有了较为明确的界定，对雾化相关影响因素也有了较深入的认识。但由于泄洪雾化问题的复杂性，原型观测的测量资料还相对欠缺、模型试验的相似律还有待进一步验证、数值模拟各种影响因素的考虑也有待改进。为了对泄洪雾化现象有更清晰准确的认识，为相关工程防护提供依据，达到防灾减灾的目的，相关研究工作还任重而道远。作者认为今后的研究工作应该关注以下两点。

（1）测试技术的改进:一方面，由于泄洪雾化原型观测环境恶劣，原始数据的获取受到限制，有必要引进和开发先进测试技术，增加原型资料的获得途径，为后续研究提供参考。另一方面，泄洪雾化模型试验的量测技术也有待进一步改进，以增加数据的测量精度和可靠性。因此，有必要加强泄洪雾化测试技术的相关研究，着重开发可在各种环境下可操作性强、精度高的测量雾滴滴谱、降雨强度的先进仪器。

（2）针对雾源量的研究:水舌入水激溅产生雾源是泄洪雾化的关键，雾源量的空间分布和雨滴滴谱决定了下游泄洪雾化降雨的分布情况。雾源量分布也是泄洪雾化数值模拟计算中的重要输入条件，是决定模拟结果准确度的关键因素。因此，有必要针对雾源量开展专门研究。最近长江科学院相关研究项目已经立项并开始相关工作，拟利用三维高速摄影技术对水舌落水、碰撞、形成雾源的过程进行观测分析。

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（编辑:王慰）

Advances in Research on Flood Discharge Atomization

WANG Si-ying，WANG Cai-huan，CHEN Duan
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Flood discharge atomization of high dam projects will have possible negative impact on the hydropower station operation，traffic safety，surrounding environment，and even the stability of the downstream bank slope.Researchers have done much work in this regard，and meanwhile there is still much work to do because of its significance and complexity.This paper presents a full scale review on current study on this issue，summarizes the cognition on its damage，the forming mechanism of the atomization，and the comparison of different experimental and numerical research results.It’s proposed that two aspects should be focused on in the future study:first，advanced measuring equipment and methods should be imported and invented to obtain more particular and accurate information;second，properties of the atomization source should be paid more attention to.

flood discharge atomization;research progress;scale effect;model test;numerical forecast

TV135.2，X45

A

1001-5485（2013）07-0053-06

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.07.0112013，30（07）:53-58，63

2012-06-05;

2012-07-16

国家自然科学基金青年基金项目（51109012）;水利部公益性行业科研专项经费项目（201101005）

王思莹（1983-），女，江西樟树人，博士，主要从事水工水力学及流体力学的研究，（电话）027-82829863（电子信箱）thing@ ustc.edu。