[发明专利]一种泄洪雾化降雨立体测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种泄洪雾化降雨立体测量装置及方法，包括雨量筒、气象仪和安装底座，所述雨量筒包括集雨器、储雨腔、雨量传感器、电源及控制模块、显示屏、雨量筒水平泡、指南针和定位系统；安装底座包括支撑墩、卡头、支腿、调节旋钮和底座水平泡。本发明收集与水平面不同角度(0°～90°)的降雨，分不同方位分别统计降雨强度；测量雨强分布时，同步测量风向风速等气象资料；采用自计式传感器，可以得到实时降雨量过程；仪器中设置定位系统，实时观测和定位雨量筒的位置信息，测点变换无需预设观测点，克服测点位置变化无法预估的弊端。该系统实时监测、记录和显示观测结果，测试项同步，自动化程度高。

技术领域

本发明属于水利水电工程水力学试验和量测技术领域，具体涉及一种水电站泄洪引起的雾化降雨立体测量装置及方法。

技术背景

泄洪雾化是指在水电工程泄水建筑物泄流过程中，枢纽下游局部区域内所产生的降雨和雾流现象。随着世界坝工建设的不断发展，一大批高坝和超高坝陆续兴建，这些高坝工程具有高水头、大流量和窄峡谷等特点，多采用挑流的泄洪消能方式，泄洪雾化问题日益突出，成为近年来水电工程非常关注的一项新课题。泄洪雾化影响预报方法研究是当前亟待解决的技术难题。在大量的实际工程中，通过大比尺泄洪雾化物理模型试验、现场观测、反馈试验以及数值模拟的研究方法，研究泄洪雾化影响范围和降雨强度等，分析其对重要防护对象(如电站尾水平台、电站启闭机房、高压电线、开关站、两岸公路、附近村庄以及下游岸坡等)的影响，并给出防护措施；在基础理论研究中，多数研究对雾化形成机理、泄洪雾化强度及影响范围与泄洪水力学参数之间的关系、雾流流态划分、雨强分级及标准、雾源衰减规律等。其中，泄洪雾化测试方法是影响实际工程设计、研究精度和深度的一个非常重要的因素，如何准确、方便、及时的获取雾化降雨强度及分布意义重大。

根据雾流流态常把雾化形态定性地分为浓雾区、薄雾区和毛毛雨区。目前，常用的定量观测方法主要有：滴谱法和雨量计法。这两种方法均为点测量方法，预先设置监测点位置，在恒定泄洪条件下测量观测点的雨强，多点测量可得到雾化降雨强度的空间分布，预测泄洪雾化影响范围。就两种方法而言，当雨强较小时，一般采用滴谱法测量；当雨强较大时，宜采用自记雨量计或特制雨量筒进行测量。现有的自记雨量计多用于水文降雨观测，采用翻斗原理计数，换算出雨强参数，这种雨量计一般为桶状，上口接收竖直降雨，属于一维的测量方法，适于无风或风较小的自然降雨测量。特制的雨量桶包括单向、双向和三向接收雨雾的方式，单向方式一般类似于自记雨量计，主要接收竖向的降雨；双向方式设置两个垂直方向的接收口，一个竖向，一个水平，分别接收正交的两个方向的降雨量，然后矢量合成；三向方式设置三个正交的接收口，一个竖向，另外两个在水平面内正交，分别接收正交的三个方向的降雨量，然后矢量合成。也有研究人员将雾化降雨收集方向与风向关联起来，提出一种随着风向水平转动的雨量筒，同样设置两个接收口，一个竖向，另一个对准来风方向。这种分量测量然后合成的方法，看似合理，但是理论上仍然后局限性，如只能接收单一方向的雨滴，虽然采用分量合成的方法，但是考究起来就会发现，这种雨量的采集并不满足矢量合成的原理。

在实际应用中，雾化降雨和雾流飘移过程是一个具有三维特征的复杂的水汽两相流问题，模拟和预报十分困难。泄洪引起的雾化降雨现象与自然降雨区别很大，以挑流泄洪雾化为例，雾源主要有两项，即水舌在空中运动所形成的雾化和水舌入水激溅所产生的雾化，在水舌风的带动下，向四周扩散和飘移，形成局部区域降雨。因此，从方向上看，雾化降雨的来雨方向呈辐射状，对于雾化影响区的测点，会随机出现竖向、横向、甚至有从底部向上空飘移的“降雨”；从雨强上看，泄洪雾化降雨强度常常远大于自然降雨的特大暴雨雨强。而在自然降雨中，在较小的风速条件下，主要为竖向降雨，在大风条件下，雨滴降落才会呈现倾斜一定角度。因此，常规水文气象中观测自然降雨的测量仪器在雾化降雨测量中很难直接使用，即使是现有的为测量泄洪雾化特殊研制的多向测量方法也体现出一定的局限性。应实际工程应用和科学研究需要，亟待解决现有泄洪雾化降雨测量方法的技术难题。