泄洪雾化源区降雨强度分布特性试验研究

王思莹，陈 端，侯冬梅

（长江科学院水力学研究所，武汉 430015）

泄洪雾化源区降雨强度分布特性试验研究

王思莹，陈 端，侯冬梅

（长江科学院水力学研究所，武汉 430015）

高坝工程泄洪雾化引发的强降雨及雾流对水利工程和周围环境均产生较大影响。以往研究主要针对下游岸坡泄洪雾化雨强开展工作，少见对雾化源区域的研究。通过概化模型试验，在不同水力条件下对挑流水舌落入下游水体产生的雾化源区域的降雨强度进行系统测量和分析，针对泄洪雾化雾源区雨强的平面分布特征进行了研究，确定了落水点周围不同区域雾化源的形成原因和降雨强度平面分布规律，并对水舌落水区的区域范围和雨强分布特征随流量和水头差的变化情况进行了探索。

泄洪雾化；雾化源区；水舌落水区；降雨强度

1 研究背景

随着中国西部水电开发的发展，越来越多“高水头、大流量”的大型水利枢纽建设于狭窄河谷中。为解决这些水利工程的消能防冲问题，设计和科研人员开发采用了一批新型的消能形式，如大差动挑坎、宽尾墩、窄缝式挑坎、挑流水股碰撞等。实践表明，这些消能形式均能得到较好的消能效果，但可能造成更严重的泄洪雾化问题。已有工程运行实例表明，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性均可能造成较大危害，应对其危险加以重视并在工程规划设计过程中加以考虑，进行专门的防护设计［1－4］。

通过原型观测、模型试验和数值模拟等研究手段，相关科研设计单位研究了泄洪雾化造成下游岸坡的雨强等级划分、降雨和雾化影响范围等［5－6］，在此基础上对拟建工程的泄洪雾化情况进行预测分析，并提出了不同的工程防护方案和措施［7－9］。为了提高泄洪雾化雨强和影响范围的预测精度，以便在设计规划中进行相关防护等级划分并制定防护设计方案，有必要对泄洪雾化的产生机理进行研究。现在公认泄洪雾化主要由水舌空中扩散掺气和落水激溅产生，其中落水激溅又是主要来源［10－11］。由于原型观测环境恶劣，针对泄洪水舌落入水体产生激溅，然后扩散形成降雨雾化的过程观测难以实现，而物理模型试验的比尺效应以及观测手段的难度也抑制了相关研究的进展，当前对泄洪雾化形成过程的研究以数值模拟为主。学者们首先建立数学模型针对雾源水舌挑射、落水、反弹的过程进行了模拟研究。刘宣烈等［12－13］研究了空中水舌的运动特性和掺气扩散过程，初步得到了水舌断面含水浓度的沿程变化规律。梁再潮［14］给出了水舌运动轨迹、掺气浓度沿程变化、溅水区域、雾流源量等参数的计算公式。然后，通过拟定不同的雾源空间分布条件，张华等［15－16］建立了水滴随机碰溅的数学模型，对挑流和底流消能泄洪雾化的地面降雨强度分布进行了数值模拟预测。柳海涛等［17］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影响的随机数学模型。此外，武汉大学［18－19］、天津大学［20－21］、长江科学院［22］等单位的科研人员采用神经网络和模糊综合评判等模型，给定雾源随机分布函数，对泄洪雾化的降雨分布和影响范围进行了预测。

数学模拟计算需要大量准确可靠的观测数据作为基础输入和结果验证。武汉大学刘士和教授课题组利用水泵产生的高速水流与水面碰撞形成雾源，对雾化水流的降雨雨滴粒径和强度进行了试验观测，结合数值计算结果，对雾化水流溅抛雨滴进行了专门研究［23－24］。但至今为止，针对泄洪雾化雾源区域的相关研究仍不多见，本文采用物理模型试验，专门针对水舌落水区域附近的雾化源降雨强度进行测量分析，给出了落水区四周雨强的分布规律，可给泄洪雾化的数值模拟预测提供进一步参考依据。

2 试验布置

本试验在泄洪雾化概化模型上进行。该模型规模为20 m×3 m×6 m（长×宽×高）。其中泄水建筑物采用有机玻璃制作，体型依据某水利工程表孔设计。整个泄水建筑物长2．3 m，高1．7 m，宽0．3 m，安装高程为2．9～4．6 m。上游水库由高水箱模拟，下游水池规模为8 m×2．6 m×1．6 m（长×宽×高），水池下游设量水堰测量过流流量。图1为整个模型布置的示意图。

图1 泄洪雾化模型布置示意图Fig．1 Layout of the flood discharge atom ization model

如图1所示，模型坐标系统以建筑物出口中点在地平平面的投影为原点，以水舌主流方向为y方向，水平面内垂直y方向为x方向，重力方向为z方向，各坐标轴正向如图所示。试验中利用称重法测量了不同水流条件下，下游水池水面以上10 cm左右平面内x∈［－1．3 m，1．3 m］，y∈［1 m，7 m］范围内的雾化源区雨强分布。本试验测量区域与以往科研工作者对各水利工程泄洪雾化降雨试验中的测量区域有本质区别：以往工作主要是为了预测水利工程泄洪引起的降雨和雾化对岸坡及周围环境的影响程度，因此其测试区域主要为工程下游左右两岸的岸坡，离水舌落水点有一定距离；本文试验主要关注水舌落水产生的泄洪雾化雾源区降雨强度分布，测量区域集中在水舌落点周围的水面上。

水舌入水抛洒和溅起的雨滴采用自制雨量器测排接收。该雨量器测排由直线布置的23个雨量筒和支撑框架构成，相邻量筒中心间距为100 mm。雨量筒由PVC管和有机玻璃精加工而成，内直径D为37 mm、皮重约40 g左右，经测试所有雨量筒在试验全程不漏水。雨量接收过程采用秒表计时，测量时段随接收点降雨强度而变化，一般在40～300 s范围内。接收雨滴前后的雨量筒质量采用高精度电子天平（精度0．1 mg）称重，测量时保证雨量筒外表面无水。各测量点降雨强度的计算公式如下：

式中：q（x，y）表示坐标（x，y）处的泄洪雾化降雨雨强（mm／h）；wi（x，y）和wt（x，y）分别表示接取降雨前后雨量筒及其中所盛水体的总质量（g）；ρ＝10－3g／mm3，表示水的密度；S＝πD2／4是雨量筒的有效接水面积（mm2）；T为雨量筒盛水时间（s）。

表1列出了各组次试验的水力条件，其中水头表示泄水表孔堰上水头的高度，与流量相对应。水头落差定义为建筑物出口与下游水池中水面的高差，对应水舌落入水体的流速。试验中测量了表1所示的不同流量和水头落差条件下，水舌落入下游水体的过程中，在沿程及落水点四周形成的抛洒和激溅水量，测量分析结果见第3节。

表1 试验水力条件Table 1 Hydraulic conditions in the test

3 研究结果

以典型工况（流量Q＝64．52 L／s，水头差dH＝2．05 m）为例，分析挑流水舌在落水过程中在不同区域形成的泄洪雾化源的降雨强度分布情况。在该水力条件下，试验观测得到挑流水舌外缘挑距约为3．8 m，内缘挑距约为3．1 m，水舌落水横向范围约0．7 m。根据测量结果计算得到落水区域周围的雨强分布如图2所示，图中颜色表征雨强的大小等级。

从图2中可以看出，泄洪雾化源雨强等值线基本呈下游宽、上游窄的“梨形”分布。降雨强度明显高于以往在两岸边坡测得的降雨强度（以往模型试验测得最大雨强一般为10～20 mm／h）。本试验中紧靠水舌落水区两侧及上游可能出现500 mm／h以上的超大雨强，这可能是部分水舌散列水体直接落入雨量筒所致，存在一定的随机性；500 mm／h以下的雨强分布范围重复性较好。本试验条件下，100～500mm／h的雨强主要发生在纵向2．5～4．6 m，上游横向0．9 m，下游横向0．6 m的范围内，是雾源的主要激溅区域；以此为中心，雨强随着区域逐渐向外围扩大而逐级减小。

图3中的（a），（b），（c）分别给出了落水点上游、下游以及两侧的雨强分布曲线。

图2 落水区附近降雨强度分布图（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）

图3 落水区附近的雨强分布曲线Fig．3 Curves of rainfall intensity distribution around the nappe drop area

从图3（a）中可以看出，在水舌落水点的上游，由于水舌在空中运动过程中，主体水舌两侧有散列水滴抛洒掉落，在其底下形成抛洒雾化源，由此在每个测量断面形成2个降雨强度的峰值。虽然抛洒的雨滴颗粒粒径大，但其数量较少。在水舌落水区上游0．5 m断面处形成的雨强极值大小为300 mm／h左右。离落水区越远，抛洒雨强急剧减少。

图3（b）显示的是落水点下游区域的降雨强度分布情况。该区域的降雨主要是水舌落入水体激溅反弹产生的，雨滴颗粒粒径小，密度高，在水舌下游1 m范围内降雨强度极值较大。从该图中可以看出，落水点下游的雨强在水舌中心线两侧呈对称分布。试验测得水舌外缘落水点下游0．5 m左右的断面形成最大雨强为600 mm／h左右。随着测量点逐渐远离落水区域，雾源逐渐减少，降雨强度逐渐降低。本文试验结果与参考文献［23－24］中得到的落水区下游降雨强度沿纵向和横向的变化规律基本一致，只是本实验中雨强沿纵向没有先增大的过程。对比结果表明，文献［23－24］中所述试验测量时量筒全部置于水池之外，量筒开口与池内水面在同一水平面上，其测量的降雨为水舌激溅后越过水池壁被量筒接收到的降雨。而本试验测量量筒全部置于水池中水面以上约10 cm平面内，测量的是水舌激溅反弹到该平面的降雨。量筒测量平面高度及测量范围的差别导致了结果的不同。

图3（c）显示的是落水区两侧区域的降雨强度分布情况。该区域的雾化源同时有水舌裂散产生的抛洒雾源和水舌落入水体激溅反弹产生的激溅雾源。试验测量结果显示，在水舌两侧0．3 m范围内雨强极值较大。从图中可以看出，水舌落水区两侧的雨强基本呈由前向后逐渐增加的趋势，最大强度值出现在水舌外缘落水点附近。

综上所述，与以往对下游岸坡降雨强度的观测不同，本文着重关注了挑流水舌落入下游水体的过程中产生的泄洪雾化源区域的降雨强度分布规律，以增进对泄洪雾化的认识，为进一步的预测研究提供依据。观测结果表明，落水区附近的降雨强度平面分布有规律可循。在落水区上游横向断面雨强呈双峰分布，下游横向断面雨强呈单峰对称分布，两侧纵向断面呈从上游往下游单调递增的趋势。

表2列出了不同试验条件下的挑流水舌落水区域参数。

表2 不同试验工况下挑流水舌落水区参数Table 2 Parameters of the nappe drop area under different hydraulic conditions

随着流量和水头落差的增大，挑流水舌所携带的能量增大，其水舌紊乱程度以及与下游水体的撞击激烈程度也增大，因此诱发的泄洪雾化雾源区降雨强度更大。从表2中可以看出，在试验条件范围内，流量和水头差越大，挑流水舌的内外缘挑距越大。落水区长度和宽度随流量的增加有所增加，落水区长度随水头差增加稍有增长，但是落水区宽度随水头差的变化幅度不明显。

雾化源区域降雨强度平面分布的分析结果表明，不同试验条件下水舌落水区上、下游以及两侧的降雨强度分布规律基本一致，只是最大雨强数值和分布曲线的变化曲率有所不同。雨强分布与流量、水头差以及水舌入水角等参数的定量关系有待进一步试验数据的补充和验证。

4 结 论

本文介绍了泄洪雾化雾源区降雨强度平面分布特性的模型试验测量结果，主要结论如下：

（1）挑流水舌落入下游水体过程中产生的雾源区降雨强度，以水舌落水点为中心呈对称分布，数值由内向外逐渐减小。

（2）落水区上游的雾化源主要由水舌两侧散列水滴抛洒形成，降雨强度在横向断面内呈双峰分布；落水区下游的雾化源主要由水舌与水体激溅反弹产生，降雨强度在横向断面内呈单峰对称分布；落水区域两侧同时有水舌裂散产生的抛洒雾化源和水舌落入水体激溅反弹产生的激溅雾化源，形成的雨强基本沿纵向呈单调递增的分布趋势。

（3）试验流量和水头差越大，落水区范围和雾化源的强度越大。落水区四周的雨强分布规律基本保持一致，只是峰值大小和分布曲线的变化曲率有所不同。

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（编辑：刘运飞）

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

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，高级工程师，博士，主要从事水工水力学、流体力学的研究，（电话）027－82829863（电子信箱）thing＠ustc．edu。