苗寶廣，戴曉兵

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

在水利水電工程中，當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)生的霧化降雨強度遠遠高于氣象學上定義的特大暴雨強度(12 h 降雨量≥140 mm)；在挑流水舌的卷吸和拖曳作用下，形成強勁的水舌風，水舌風受地形條件及建筑物的約束，氣流運動異常紊亂，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度進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研制成功了用于測量泄洪霧化降雨的超大量程雨量計[5-6]。

1 超大量程雨量計的基本原理

1.1 雨量計的基本原理

超大量程雨量計的基本原理是：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，即可達到測量超高強度降雨的目的。當截面面積的比值為1時，即為常規(guī)的雨量計。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)降雨強度確定。利用雨量計測量降雨強度的計算式為

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的標準圓筒時，承雨口內(nèi)徑與降雨強度的換算關(guān)系見表1。

表1 垂向承雨口內(nèi)徑與降雨強度換算關(guān)系

1.2 雨量計的基本形式

超大量程雨量計分為垂向雨量計(見圖1)和水平雨量計(見圖2)。

圖1 垂向雨量計

圖2 水平雨量計

垂向雨量計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入儲水容器中。

水平雨量計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)有風向舵；在風力的作用下，風向舵帶動軸承轉(zhuǎn)動，使得承雨口始終迎向最大的降雨方向。

1.3 斜向降雨強度的計算方法

當利用垂向雨量計和水平雨量計分別承接降雨時，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)斜向降雨強度為q、降雨角度為α，則垂直方向的降雨強度q1和水平方向的降雨強度q2，分別為：q1=qcosα，q2=qsinα。因此，雨量計測量斜向降雨的計算方法如下：① 分別用承雨口為垂直方向和水平方向的兩個雨量計測量降雨；② 利用式(1)分別計算垂直方向和水平方向的降雨強度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斜向降雨強度為

q=q1/cosα或q=q2/sinα

(3)

通常情況下，當降雨為垂直方向時，降雨角度α=0°，q2=0，降雨強度為q=q1。特殊情況下，當降雨為水平方向時，降雨角度α=90°，q1=0，降雨強度為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。由于霧化降雨強度遠遠高于特大暴雨的強度標準，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及實際地形條件，霧化觀測點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。由于測點位置不能提供水位計的工作電源，霧化降雨強度無法實現(xiàn)動態(tài)觀測，本次觀測只能提供平均降雨強度，平均降雨強度按泄洪洞泄洪歷時2.5 h計算。

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，霧雨向下游河道擴散，并在距離泄洪洞出口650 m處形成中等強度的降雨，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，實測垂向雨量計儲水容器的水深為85 mm，放大倍數(shù)為16，換算后平均降雨強度為544 mm/h，現(xiàn)場照片見圖4。

圖4 垂向雨量計現(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)。由于雨量計的布設(shè)是在表孔泄洪運行期間進行的，因此觀測點的布置受到了霧化降雨的影響以及道路交通條件的限制。泄洪霧化測點布置見表2及圖5，現(xiàn)場雨量計照片見圖6。

表2 泄洪霧化測點布置

圖5 泄洪霧化測點布置

圖6 現(xiàn)場雨量計照片

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

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

泄洪霧化觀測成果表明，左岸強降雨區(qū)為壩下200 ～400 m，最大降雨強度702 mm/h，降雨方向與水平面夾角為41°。右岸強降雨區(qū)為壩下200～600 m，最大降雨強度131 mm/h，降雨夾角為39°。泄洪霧化降雨量遠遠大于特大暴雨等級(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“用于測量超高強度降雨的雨量器及用該雨量器測量的方法”和一項實用新型專利“一種測量斜向降雨量的雨量計”，介紹了一種用于測量泄洪霧化超高強度降雨的超大量程雨量計以及計算斜向降雨的方法。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，達到測量超高強度降雨的目的；利用垂向雨量計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測量水平降雨，達到測量最大斜向降雨的目的，并能準確獲取降雨角度。兩個工程應(yīng)用中的實測成果充分證明，新型雨量計克服了傳統(tǒng)雨量計難以測量超高強度降雨和斜向降雨的不足，完全達到了預(yù)期的目的，能夠為深入研究泄洪霧化的分布規(guī)律及影響范圍提供更為完善的降雨參數(shù)。