王思瑩，王才歡，陳端

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

泄洪霧化研究進展綜述

王思瑩，王才歡，陳端

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

高壩工程泄洪形成的泄洪霧化現(xiàn)象對水利樞紐的正常運行、交通安全、周圍環(huán)境甚至下游岸坡穩(wěn)定均可能造成危害。通過全面細致的文獻調研，對我國泄洪霧化相關的研究進展進行了歸納總結，梳理了對泄洪霧化危害的認識過程，總結了對泄洪霧化形成過程的逐步了解，對比了不同模型試驗和數(shù)值分析的研究成果。在對當前研究現(xiàn)狀的認識基礎上，指出今后泄洪霧化相關研究工作的開展應該注重測量技術的改進，以獲得更詳盡的原型和模型觀測資料。此外，對泄洪霧化霧源特性的研究是今后研究的一個重要方向。

泄洪霧化;研究進展;比尺效應;模型試驗;數(shù)值預測

1 研究背景

水利工程（特別是高壩工程）泄洪時，下游局部區(qū)域內常出現(xiàn)較大規(guī)模的降雨和霧流彌漫現(xiàn)象，工程界稱之為泄洪霧化。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)定均可能造成較大危害。隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，尤其是西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施，越來越多高水頭、大泄量、高功率的水庫建于狹窄河谷之中。為解決消能防沖問題，大差動挑坎、寬尾墩、窄縫式挑坎、挑流水股碰撞等一批新型消能形式得到廣泛重視和應用。事實表明，這些消能形式均能獲得較好的消能效果，但其缺點之一就是可能造成更嚴重的霧化問題。因此，需加強對泄洪霧化特征及相關防護技術的研究。

由于國情、自然條件、經(jīng)濟狀況的差異，國外像中國這樣高水頭、大流量及霧化危害嚴重的工程不多，因此，國外幾乎沒有對泄洪霧化開展系統(tǒng)研究，可供我國參考的工程實例和研究成果也較少。國內已建的水利樞紐，由于泄洪霧化造成工程危害及經(jīng)濟損失的實例為數(shù)不少，提醒設計和科研人員必須充分認識到泄洪霧化的危害性，利用原型觀測、模型測量和數(shù)學計算等手段對其產生機理和影響范圍進行研究，并在工程設計規(guī)劃階段就加以考慮，進行專門的防護設計研究。

本文從泄洪霧化危害的認識、霧化形成過程的研究、霧化影響范圍和強度的預測、防護措施設計研究等方面全面總結我國現(xiàn)有的泄洪霧化相關研究成果，理清我國泄洪霧化研究發(fā)展歷程，總結提煉現(xiàn)有研究成果，以增進對已有泄洪霧化工作內容、認識程度的了解，為下一步泄洪霧化相關研究工作的開展提供基礎、指明方向，以推進相關研究的進一步開展。

2 泄洪霧化的危害

20 世紀60年代以來因泄洪霧化導致的工程事故時有發(fā)生，從而引起我國水利界的注意。80年代中后期，隨著寬尾墩、窄槽式挑流戽和高低坎水舌碰撞等新型挑跌流消能工的應用，泄洪霧化問題日益突出。為解決這個問題，一些科研單位對東江［1］、魯布革［2］、東風［3］、白山［4-6］、灣塘［7］、李家峽［8］、龍羊峽［9］、二灘［10］、江埡［11］等20幾個水利水電工程的泄洪霧化情況進行了原型觀測。根據(jù)原型觀測的數(shù)據(jù)分析結果，總結出泄洪霧化造成的危害主要有以下幾個方面:①降雨積水可能威脅電廠正常運行;②影響機電設備正常運行;③沖蝕地表、破壞植被;④影響兩岸交通;⑤影響周圍工作和居住環(huán)境;⑥危害岸坡穩(wěn)定，誘發(fā)滑坡。

根據(jù)各工程的原型觀測結果，結合泄洪霧化造成危害的形式，科研人員對泄洪霧化的影響范圍進行了分級分區(qū)。當前科研界對于泄洪霧化影響區(qū)域的分級分區(qū)標準尚未達成完全一致的認識，各專家學者存在意見分歧。梁再潮［12］按照雨霧的運動形態(tài)將其分為水舌濺水區(qū)、強暴雨區(qū)、霧流降雨區(qū)和薄霧大風區(qū)4個區(qū)域。較多學者簡要的劃分為濃霧暴雨雨區(qū)、薄霧降雨區(qū)、淡水汽飄散區(qū)3個區(qū)域［13］。

為了給高壩泄洪霧化危害的防治提供技術支撐，科研工作者對其形成過程和致災機理進行了一系列數(shù)值模擬和模型試驗研究，探尋了泄洪霧化發(fā)生等級和范圍的預測方法，并進行了相關防治技術研究。

3 泄洪霧化的數(shù)值模擬

公認造成泄洪霧化的有2個主要霧源，一是水舌擴散摻氣引起的，二是水舌落水激濺產生的。柴恭純等［14］通過東江電站原型觀測對比分析，陳端等［15］通過對泄洪霧化研究成果的綜合分析，一致認為霧化源主要由水舌落水附近的激濺產生。

學者們首先針對霧源產生的過程進行了專門研究，觀測了水舌挑射、落水、反彈的物理過程，建立了相關數(shù)學模型。天津大學的劉宣烈等［16-17］將關注點放在了水舌的空中摻氣上，初步得到了水舌斷面含水濃度、沿程變化與各影響參數(shù)間的關系式。梁再潮［18］建立計算模型，得出了水舌運動軌跡、水舌摻氣濃度沿程變化、霧流源量、濺水區(qū)域、氣流分離區(qū)、物流擴散等各種不同計算公式和方法。張華等［19］則建立了水滴隨機碰濺的數(shù)學模型，應用龍格-庫塔（Runge-Kutta）法和蒙特卡羅（Monte-Carlo）法，求得挑流泄洪霧化的地面降雨強度分布。此外，張華等人［8，20］還在霧源為連續(xù)線源的條件下，利用高斯擴散方程，研究了水電站底流消能泄洪水霧的擴散，結合霧雨自動轉換過程、碰并過程、霧滴的凝結和蒸發(fā)過程，得到霧源下游流場的水霧濃度、溫度、相對濕度和地面降水強度。柳海濤［21］在前人基礎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)了隨機數(shù)學模型。該模型對濺水區(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的影響。

這些數(shù)學模型研究，在一定程度上增進了研究者對泄洪霧化形成過程的認識。數(shù)學模擬計算需要大量準確可靠的原型觀測數(shù)據(jù)作為基礎輸入和結果驗證。多年以來針對不同水利工程泄洪霧化情況的原型觀測結果表明，泄洪霧化范圍和強度與水力條件（水舌出射流速、入水速度、入水角度、入水范圍、泄量、落差等）、地質條件（河谷形態(tài)、風速、風向等）和氣象條件（空氣濕度、溫度等）都密切相關。由于泄洪霧化原型觀測工作難度較大，觀測條件和量測技術有限，所得數(shù)據(jù)資料往往不夠系統(tǒng)和完整。因此，利用水工模型試驗來研究泄洪霧化現(xiàn)象、預測泄洪霧化影響范圍和強度，成為國內同行努力的方向。

4 泄洪霧化水工模型試驗

南京水利科學研究院針對小灣［22］、溪洛渡［23］、向家壩［24］、烏江渡［25］等水電站;長江科學院針對江埡［26］和構皮灘［27-28］水電站;長江勘測規(guī)劃設計研究院針對水布埡［29］水電站;四川大學針對某大型水利工程［30］都建立了大比尺模型，觀測了霧化降雨的產生過程，進一步測量了不同區(qū)域降雨的雨滴滴譜，對下游雨強分布范圍和等級進行了預測分析，為這些具體工程的泄洪霧化防護設施的擬定提供了科學依據(jù)。

但是，由于霧化屬于兩相流范疇，其物理過程受到的影響因素眾多。按照傳統(tǒng)水工模型的重力相似準則分析，降雨強度S的比尺Sr與模型幾何比尺Lr的關系應為Sr=Lr0.5。而大量泄洪霧化水工模型試驗得到的結果與之存在較大差異（見表1）。泄洪霧化模型試驗的比尺效應成為泄洪霧化模型試驗研究要解決的一個關鍵問題。

表1 部分水電站原型、模型雨強資料Table 1Prototype and model rainfall intensity of some hydropower stations

2008年，南京水利水電科學研究院采用系列比尺（1∶15∶60）的模型試驗研究了向家壩水電站的泄洪霧化問題，利用類似消能工的灣塘水電站泄洪霧化原型觀測成果，反饋分析了霧化的模型尺度效應，得到了霧化量的相似律。試驗得出的結論是:底流消能方式水電站泄洪霧化模型按照水流韋伯數(shù)We＞500的條件確定模型比尺是合理的，霧化影響范圍遵循重力相似準則，但霧化雨強量則按照L1.5r的關系換算。這說明泄洪霧化模型試驗存在較明顯的尺度效應，需要進一步利用原觀資料或系列模型試驗加以研究。

2009年，南科院又根據(jù)烏江渡水電站泄洪霧化的原型觀測資料，進行了1∶35∶60∶80∶100系列比尺的模型試驗研究，分析了水流Re和We數(shù)對泄洪霧化雨強的影響，給出了泄洪霧化雨強的模型試驗值與原型觀測結果之間的相似關系，論證了霧化降雨影響區(qū)域的幾何相似。研究結果表明，當模型中水流表面韋伯數(shù)超過500、并且水流流速不小于6.0 m/s時，模型與原型雨強比尺與幾何比尺的關系為Sr=Lr1.53。該系列模型試驗的研究成果較大推動了泄洪霧化物理模型的研究，也在一些工程中得到了實際應用。但是二灘等工程的原型觀測結果表明，物理模型的研究成果與工程實際仍有所差別，需進行進一步研究。

長江科學院專門開展了江埡水電站泄洪霧化的原型觀測和1∶80物理模型試驗研究工作。除原型、模型降雨強度相似關系外，還研究了模型各測點降雨的雨滴滴譜組成。研究結果表明，雨滴基本由“粒徑較小、數(shù)量眾多”的優(yōu)頻雨滴和“粒徑較大、數(shù)量較少”的優(yōu)勢雨滴組成。其中優(yōu)頻雨滴出現(xiàn)的頻度幾乎占整個雨滴組成的95%，但由于粒徑小，單個優(yōu)頻雨滴對雨強的貢獻很小，其運動除重力和水舌風作用之外，還受到表面張力和空氣浮力等因素的影響。優(yōu)勢雨滴出現(xiàn)頻度雖低，但由于粒徑大，對測點雨強的貢獻也不低，其運動主要受重力和水舌風的影響。研究者認為這兩種雨滴應該滿足不同的模型律，所以降雨雨強的模型律應該是二者的線性組合。該項試驗研究分析擬合得到泄洪霧化的降雨強度模型律為:式中:Rp為模型換算至原型的雨強;Rmf和Rmg分別是優(yōu)頻和優(yōu)勢雨滴的雨強。該項研究成果得到了專家們“具有較高理論價值和較大應用前景”的評價。

為了對以上研究成果做進一步的論證和完善，長江科學院［31］建立了1∶40∶50∶60系列比尺的泄洪霧化概化模型，對雨滴滴譜和雨強的模型相似律進行了進一步的研究和分析。該課題的研究成果驗證了已有成果的基礎上，進一步體現(xiàn)了降雨分區(qū)的特點。試驗成果表明，按照不同降雨特點和受力情況可將大壩下游的霧化范圍劃分為拋灑降雨區(qū)、濺水濺雨區(qū)和霧流降雨區(qū)3個區(qū)。其中拋灑降雨區(qū)的雨強模型律為Rp=Rmg×Lr1.553;濺水降雨區(qū)的雨強模型律為Rp=Rmf×Lr1.653+Rmg×Lr1.196;霧流降雨區(qū)雨強模型律為R=R×L1.636。

至此，通過科研工作者的不懈努力，泄洪霧化模型試驗的相似律研究取得了較大進展，利用模型試驗預測工程泄洪霧化影響范圍和強度的可靠性也得到了大力提高。

5 泄洪霧化影響范圍和強度預測

隨著模型相似律研究的逐步進展，可以利用水工模型試驗對工程泄洪霧化的影響范圍和強度進行預測。另一方面，隨著計算機技術和數(shù)值計算方法的高速發(fā)展，科研工作者利用已有原型觀測和模型試驗數(shù)據(jù)，采用模糊預測、神經(jīng)網(wǎng)絡等分析方法，建立了各影響因素與霧化范圍和強度的關系，以便對泄洪霧化影響范圍和降雨強度進行預測分析。

早期科研工作者在對已建工程的泄洪霧化原型觀測資料進行收集、歸納、總結的基礎上，發(fā)現(xiàn)泄洪霧化縱向邊界與泄流流量、水舌平均入水流速及入水角之間存在良好的相關關系，基于量綱分析方法建立了估算泄洪霧化降雨縱向邊界的經(jīng)驗關系式?；诓煌こ绦购殪F化觀測資料的分析，各水利科研單位的研究者［32-34］都提出了泄洪霧化影響縱向范圍、橫向范圍以及降雨強度等和各影響因素的關系公式。武漢大學梁再潮和劉士和教授［12，35-36］等人主要分析了霧化水流濺水區(qū)的特性，建立數(shù)學模型對水舌運動特性、摻氣散列射流、水滴拋射運動軌跡和水滴與水面碰撞過程等進行數(shù)值計算分析，實現(xiàn)了對濺水范圍影響范圍和霧源量的估算。天津大學戴麗榮［37］在泄洪霧化機理研究的基礎上，建立了挑流泄洪霧化神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并用網(wǎng)絡模型預測出拉西瓦水電站不同水位和泄量下的霧化影響范圍。彭新民［38］同樣以神經(jīng)網(wǎng)絡模型為基礎，模擬了漫灣水電站的泄洪霧化。長江科學院［39］則采用江埡大壩泄洪霧化降雨的原型觀測資料，對前人提出的模糊綜合評判模式作了進一步的分析驗證、改進。

這些預測公式給后續(xù)建設工程泄洪霧化影響范圍和降雨強度的預測提供了參考。文獻［40］、［41］利用已有研究成果對我國烏東德水電站、老撾南塔河等擬建水電樞紐的泄洪霧化影響范圍分級分區(qū)進行了預測，為擬定工程防護措施提供了科學依據(jù)。

6 泄洪霧化的防護措施

針對泄洪霧化可能產生的危害，根據(jù)泄洪霧化的影響范圍和強度預測結果，設計和科研單位進行了不同防護措施的研究。

1999年，黃河水利委員會勘測設計研究院［42］就報道了小浪底工程的泄洪霧化影響和防護情況:根據(jù)泄洪建筑物的不同位置和作用，結合泄洪霧化的影響程度，分區(qū)分級進行防護，以確保建筑物安全運行。白山水電站［43］的泄洪霧化研究和防護經(jīng)歷了長期的過程，科研單位先后在1983、1986、1991、1995、2007年對其泄洪霧化產生危害情況進行了原型觀測，并進行了一系列（1∶35，1∶100）的模型試驗研究，不斷更新設計思路，制定減輕霧化源、改善霧化危害情況的工程措施和范圍。長江勘測規(guī)劃設計研究院［44-45］參照有關工程經(jīng)驗，結合對應模型試驗研究成果，先后制定了構皮灘、水布埡電站的泄洪霧化分級分區(qū)防護措施。

薛聯(lián)芳［46］對減免泄洪霧化的工程措施研究成果進行了綜合評述。近些年，泄洪霧化對岸坡穩(wěn)定的影響越來越受到重視，科研界針對降雨對滑坡的影響開展了深入研究［47-48］。隨著研究的逐步深入，一些基礎性科學問題也相應開展，促進了對泄洪霧化問題的認識。

7 未來研究方向

我國通過近30年的泄洪霧化相關研究，對霧化現(xiàn)象的認識逐步深入，對其主要霧源、影響范圍分級分區(qū)有了較為明確的界定，對霧化相關影響因素也有了較深入的認識。但由于泄洪霧化問題的復雜性，原型觀測的測量資料還相對欠缺、模型試驗的相似律還有待進一步驗證、數(shù)值模擬各種影響因素的考慮也有待改進。為了對泄洪霧化現(xiàn)象有更清晰準確的認識，為相關工程防護提供依據(jù)，達到防災減災的目的，相關研究工作還任重而道遠。作者認為今后的研究工作應該關注以下兩點。

（1）測試技術的改進:一方面，由于泄洪霧化原型觀測環(huán)境惡劣，原始數(shù)據(jù)的獲取受到限制，有必要引進和開發(fā)先進測試技術，增加原型資料的獲得途徑，為后續(xù)研究提供參考。另一方面，泄洪霧化模型試驗的量測技術也有待進一步改進，以增加數(shù)據(jù)的測量精度和可靠性。因此，有必要加強泄洪霧化測試技術的相關研究，著重開發(fā)可在各種環(huán)境下可操作性強、精度高的測量霧滴滴譜、降雨強度的先進儀器。

（2）針對霧源量的研究:水舌入水激濺產生霧源是泄洪霧化的關鍵，霧源量的空間分布和雨滴滴譜決定了下游泄洪霧化降雨的分布情況。霧源量分布也是泄洪霧化數(shù)值模擬計算中的重要輸入條件，是決定模擬結果準確度的關鍵因素。因此，有必要針對霧源量開展專門研究。最近長江科學院相關研究項目已經(jīng)立項并開始相關工作，擬利用三維高速攝影技術對水舌落水、碰撞、形成霧源的過程進行觀測分析。

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（編輯: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

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，博士，主要從事水工水力學及流體力學的研究，（電話）027-82829863（電子信箱）thing@ ustc.edu。