超大量程雨量计在泄洪雾化测量中的应用

苗宝广，戴晓兵

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

在水利水电工程中，当泄水建筑物采用挑流消能方式泄洪时，挑流水舌以及水流激溅产生的雾化降雨强度远远高于气象学上定义的特大暴雨强度(12 h 降雨量≥140 mm)；在挑流水舌的卷吸和拖曳作用下，形成强劲的水舌风，水舌风受地形条件及建筑物的约束，气流运动异常紊乱，方向飘忽不定。鉴于此，泄洪雾化降雨具有三大显着特征：降雨强度大、降雨与地面不垂直、降雨方向多变[1]。

我国的科研工作者与工程技术人员通过工程类比、模型试验及数值模拟方法对泄洪雾化降雨的分布规律与影响范围等进行了深入系统的研究[2-4]，并取得了一系列丰富的研究成果，为雾化降雨的防范和治理、枢纽建筑物的布置提供了设计依据。但由于泄洪雾化降雨的产生和传播是一个十分复杂的物理过程，影响因素众多，因此对泄洪雾化降雨强度进行观测是非常必要的。为此，笔者根据泄洪雾化降雨的特点研制成功了用于测量泄洪雾化降雨的超大量程雨量计[5-6]。

1 超大量程雨量计的基本原理

1.1 雨量计的基本原理

超大量程雨量计的基本原理是：承雨口面积小于储水容器水平截面面积，通过调整承雨口面积与储水容器水平截面面积的比值，即可达到测量超高强度降雨的目的。当截面面积的比值为1时，即为常规的雨量计。承雨口的形状和面积可根据观测需要确定，储水容器的储水容量可根据降雨强度确定。利用雨量计测量降雨强度的计算式为

q=V/(A0×T)或q=(A×H)/(A0×T)

(1)

式中，q为单位时间平均降雨强度，mm/h；V为雨水体积，mm3；A0为承雨口面积，mm2；A为储水容器水平截面面积，mm2；H为储水容器内的雨水高度，mm；T为降雨历时，h。

当垂向承雨口断面形状采用圆形，储水容器采用直径200 mm的标准圆筒时，承雨口内径与降雨强度的换算关系见表1。

表1 垂向承雨口内径与降雨强度换算关系

1.2 雨量计的基本形式

超大量程雨量计分为垂向雨量计(见图1)和水平雨量计(见图2)。

图1 垂向雨量计

图2 水平雨量计

垂向雨量计由顶盖和储水容器两部分组成，顶盖上设有垂直向上的承雨口，承雨口的面积小于储水容器水平截面的面积。为防止雨水溅入，承雨口高于顶盖一定的高度。在储水容器的上部设有通气孔，目的是为了防止因雨量过大阻塞承雨口，造成雨水不能顺利进入储水容器中。

水平雨量计由顶盖和储水容器两部分组成，在顶盖上设有水平方向的承雨口；在与承雨口方向相反的壁面上设有风向舵；在风力的作用下，风向舵带动轴承转动，使得承雨口始终迎向最大的降雨方向。

1.3 斜向降雨强度的计算方法

当利用垂向雨量计和水平雨量计分别承接降雨时，相对斜向降雨而言，承雨口承接的雨水分别为垂直分量和水平分量。设斜向降雨强度为q、降雨角度为α，则垂直方向的降雨强度q1和水平方向的降雨强度q2，分别为：q1=qcosα，q2=qsinα。因此，雨量计测量斜向降雨的计算方法如下：① 分别用承雨口为垂直方向和水平方向的两个雨量计测量降雨；② 利用式(1)分别计算垂直方向和水平方向的降雨强度q1、q2；③ 利用式(2)求得斜向降雨的降水角度(与垂线方向的夹角)

α=arctan(q2/q1)或α=arccot(q1/q2)

(2)

④斜向降雨强度为

q=q1/cosα或q=q2/sinα

(3)

通常情况下，当降雨为垂直方向时，降雨角度α=0°，q2=0，降雨强度为q=q1。特殊情况下，当降雨为水平方向时，降雨角度α=90°，q1=0，降雨强度为q=q2。

2 工程应用案例

2.1 案例1

四川省某水电工程的右岸泄洪洞采用挑流消能方式。由于雾化降雨强度远远高于特大暴雨的强度标准，常规的雨量测量仪器难以满足要求。根据泄洪洞泄洪雾化的特点及实际地形条件，雾化观测点分别布置在挑流水舌的下方、泄洪洞轴线方向正对面的左岸和左岸下游方向。雨量计承雨口的直径分别为100、200 mm，放大倍数分别为16倍和4倍。由于测点位置不能提供水位计的工作电源，雾化降雨强度无法实现动态观测，本次观测只能提供平均降雨强度，平均降雨强度按泄洪洞泄洪历时2.5 h计算。

泄洪洞泄洪时观测到，挑流水舌在出口处呈现出乳白色泡沫状，水舌表面破碎、掺气充分。挑流水舌射入河道，与河道内的水体碰撞后产生强烈的激溅，水舌破碎并弹射至空中，在水舌卷吸作用形成的水舌风的推动下，雾雨顺着左岸山坡向上爬升，同时，雾雨向下游河道扩散，并在距离泄洪洞出口650 m处形成中等强度的降雨，挑流水舌泄洪雾化见图3。

图3 泄洪洞泄洪雾化

泄洪雾化观测成果表明：泄洪洞中心线的延长线上，距离泄洪洞出口472 m处，实测垂向雨量计储水容器的水深为85 mm，放大倍数为16，换算后平均降雨强度为544 mm/h，现场照片见图4。

图4 垂向雨量计现场照片

2.2 案例2

广西壮族自治区某水电工程的表孔溢洪道采用挑流消能方式。该工程下游河道开阔，两岸岸坡相对平缓，非高山峡谷河道，泄洪雾化影响范围相对较小，雾化降雨在坝下1 000 m范围以内。由于雨量计的布设是在表孔泄洪运行期间进行的，因此观测点的布置受到了雾化降雨的影响以及道路交通条件的限制。泄洪雾化测点布置见表2及图5，现场雨量计照片见图6。

表2 泄洪雾化测点布置

图5 泄洪雾化测点布置

图6 现场雨量计照片

本次泄洪雾化观测时长约6 h。左岸道路雾化观测进行了二次数据测读。第一次测读垂向雨量计水深23 mm，水平雨量计水深27 mm；第二次测读垂向雨量计水深182 mm，水平雨量计水深212 mm。计算得到：垂直向降雨强度456 mm/h，水平向降雨强度533 mm/h，泄洪雾化降雨强度702 mm/h，降雨方向与水平面夹角为41°。

右岸道路上游测点垂向雨量计测读水深16 mm，水平雨量计水深135 mm；下游测点测读的垂向雨量计水深55 mm，水平雨量计水深68 mm。分别计算得到：上游观测点垂直向降雨强度34 mm/h，水平向降雨强度90 mm/h，泄洪雾化降雨强度96 mm/h，降雨方向与水平面夹角为20°；下游观测点垂直向降雨强度83 mm/h，水平向降雨强度102 mm/h，泄洪雾化降雨强度131 mm/h，降雨夹角为39°。由于尾水平台区域的雾化降雨强度较弱，基本属于毛毛雨(小雨)的降雨等级，雨量计内无明显的水体积存。

泄洪雾化观测成果表明，左岸强降雨区为坝下200 ～400 m，最大降雨强度702 mm/h，降雨方向与水平面夹角为41°。右岸强降雨区为坝下200～600 m，最大降雨强度131 mm/h，降雨夹角为39°。泄洪雾化降雨量远远大于特大暴雨等级(24 h降雨量≥250 mm，或12 h降雨量≥140 mm)。

3 结 语

本文结合国家发明专利“用于测量超高强度降雨的雨量器及用该雨量器测量的方法”和一项实用新型专利“一种测量斜向降雨量的雨量计”，介绍了一种用于测量泄洪雾化超高强度降雨的超大量程雨量计以及计算斜向降雨的方法。其基本特征是承雨口面积小于储水容器水平截面面积，通过调整承雨口面积与储水容器水平截面面积的比值，达到测量超高强度降雨的目的；利用垂向雨量计测量垂直方向的降雨，利用可转动的承雨口始终迎向最大降雨方向的水平雨量计测量水平降雨，达到测量最大斜向降雨的目的，并能准确获取降雨角度。两个工程应用中的实测成果充分证明，新型雨量计克服了传统雨量计难以测量超高强度降雨和斜向降雨的不足，完全达到了预期的目的，能够为深入研究泄洪雾化的分布规律及影响范围提供更为完善的降雨参数。