一种泄洪雾化降雨立体测量装置的制作方法

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。

背景技术：

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。

此外，在测量泄洪雾化时，通常关注当地的气象条件，如风向、风速、湿度、温度和气压等，这些气象条件与泄洪雾化的降雨强度及分布范围均有密切的联系。因此，在泄洪雾化测量的同时，如何能同步测量当地的气象条件是雾化研究人员关注的另一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种能兼顾不同雾滴方向、大量程、长历时、自动记录并存储和显示雨量以及气象参数变化过程的雾化降雨测量装置，解决泄洪雾化降雨多向立体综合测量的难题，公开了一种泄洪雾化降雨立体测量装置。

技术方案：

一种泄洪雾化降雨立体测量装置，包括测量雨强的雨量筒，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；

所述集雨器安装在所述储雨腔上方，包括集雨器底板和若干等半径扇形隔板，所述隔板竖直安装在所述集雨器底板上，将所述集雨器分成若干集雨腔室；所述集雨器底板被所述隔板分隔成相应的扇形区域，每个扇形区域在圆心处开一连通孔；

所述储雨腔为圆柱形，在所述储雨腔内设有与所述集雨器的隔板相对应的竖向隔板，将所述储雨腔分隔成对应的若干储雨腔室，所述储雨腔室分别与其对应的所述集雨腔室通过所述连通孔连通；

每个所述储雨腔室底板中部均设有用于实时记录各个所述储雨腔室水深的雨量传感器，在所述储雨腔底部设有电源及控制模块，所述电源及控制模块为所述雨量传感器供电。

所述集雨器的集雨器底板的剖面为水平对称放置“V”型结构，外径为D1；所述扇形孔设在所述集雨器底板的“V”型尖端；所述扇形孔的直径为D3，

D3/D1＝0.1～0.3；所述集雨器底板上下两面由外缘到中心的坡度|i|＝0.2～1.0。

所述储雨腔内径与所述集雨器底板的直径相同；所述储雨腔外壁高出所述集雨器底板外边缘1～2cm，顶部作60°外倒角处理，边缘高出部分不作为集雨器的有效集雨面积。

所述储雨腔的储雨腔底板的直径大于所述储雨腔直径，在所述储雨腔壁面外侧的所述储雨腔底板上设置中心对称的两个雨量筒水平泡和两个指南针，所述雨量筒水平泡在安装时调平使用，所述指南针在安装时确定安装方向使用。

在所述储雨腔外侧设有气象仪，所述气象仪自动测量气象参数，包括风速、风向、气温、气压和湿度，所述气象仪安装在立杆上，所述立杆通过侧支撑固定于所述储雨腔桶壁上。

在所述储雨腔的筒壁上设有显示屏，所述显示屏与所述电源及控制模块连接，所述电源及控制模块为所述显示屏供电，并输出信息至所述显示屏进行显示；所述显示屏分为若干个子区域，用于显示时间、所述储雨腔的若干储雨腔室的雨量和所述气象仪测量的气象参数。

与所述风向的八个方位相对应，所述集雨器设置八个腔室，且所述气象仪初始方位与雨量筒放置方位一致；所述气象仪测量风向分为“东、东南、南、西南、西、西北、北、东北”八个方位。

在所述电源及控制模块内还设有定位系统，所述定位系统在建立坐标控制网内，实时记录所述雾化降雨立体测量装置的空间坐标信息，连接显示终端并保存和传输数据至数据库中。

所述雨量筒通过专用安装底座安装在观测点位置上，所述安装底座外形为圆柱体，顶面开凹槽，所述雨量筒嵌套在所述凹槽内；所述凹槽上缘凸起支撑墩，所述支撑墩上设置卡头，所述卡头卡扣在所述储雨腔底板上；所述安装底座顶部水平面设置底座水平泡，底部铰接有铰支腿，所述铰支腿通过调节铰接处的旋钮上下升降和固定。

所述雨量传感器为自记压力传感器或电容式水位传感器。

一种泄洪雾化降雨立体测量，包括步骤：

(1)根据泄洪雾化影响最大范围，利用已有的坐标系统或新建坐标系统，建立测控区域内的坐标信息网，并采用已知点验证所建坐标系统的准确性；

(2)在泄洪雾化降雨影响范围内预选可能的观测点位，对观测点位预处理，具备所述泄洪雾化降雨立体测量装置的安装条件；

(3)将所述泄洪雾化降雨立体测量装置安装至观测点位上，并测试所述泄洪雾化降雨立体测量装置的各项功能，设置数据采集频率，测试数据显示和运行状态，保证仪器正常运行；

(4)记录实际泄洪开始时间、结束时间、方位标号及坐标位置数据，中间有泄洪条件变化及时记录相应操作时间；并远程观察所述泄洪雾化降雨立体测量装置，判断其运行状态，如有异常及时记录相关时间；

(5)若所述泄洪雾化降雨立体测量装置需要测量多个位置，前一测点测量完毕后进行移站；记录时间节点后，倒置清空所述泄洪雾化降雨立体测量装置的储雨腔室内收集的雨水，并安装到下一站点，安装步骤同(2)、(3)、(4)；

(6)泄洪结束后，取出所述泄洪雾化降雨立体测量装置并导出采集数据，结合测量时相关记录进行数据处理和分析，此处定义综合平均雨强为：

I＝∑R/Sh；

其中，Sh为所述隔板形成的外轮廓的表面积，R为每个所述储雨腔室雨量， R＝Sb×h，Sb为每个所述储雨腔室底面净面积，h为各所述储雨腔室的水深h。

有益效果：

本发明提出的一种泄洪雾化降雨立体测量装置及方法具有以下有益效果：

(1)本发明收集与水平面不同角度的降雨，包括从竖直到水平方向的降雨，即降雨方向与水平面的夹角从0度到90度，可以得到综合降雨强度，而不是单独某个方向(水平或竖直)的分量。

(2)本发明分多个不同方位分别统计降雨强度，可以得到降雨强度在不同方位的分配比重。

(3)本发明在测量雨强分布时，同步测量风向风速等气象资料，同步的降雨资料与风向风速等气象资料关系密切，对分析泄洪水力条件、水舌风等气象条件与雾化降雨强度及其分布之间的响应关系具有重大的意义。

(4)本发明采用自计式传感器，可以得到实时的降雨量过程和变化规律，实时记录、显示和存储不同方位雨量数据，自动化程度高，数据信息更加丰富，而不仅仅是平均雨强结果。

(5)仪器中设置定位系统，实时观测和定位本发明装置的位置信息，测点变换无需预先获取观测点坐标，克服无法准确估计雨雾范围(即布置测点范围和位置)的弊端；另一方面，采用高精度定位系统，可以实时反馈本发明装置的运行状态，判断仪器装置是否发生倾倒或位移。

附图说明

图1为本发明提出的泄洪雾化降雨立体测量装置的正视图。

图2为本发明提出的泄洪雾化降雨立体测量装置的俯视图。

图3为本发明提出的泄洪雾化降雨立体测量装置的专用安装底座正视图。

图4为本发明提出的泄洪雾化降雨立体测量装置的专用安装底座俯视图。

图中，1-集雨器、2-隔板、3-集雨器底板、4-连通孔、5-储雨腔、6-桶壁、7- 储雨腔底板、8-雨量传感器、9-电源及控制模块、10-底盖、11-显示屏、12-雨量筒水平泡、13-指南针、14-气象仪、15-立杆、16-侧支撑、17-定位系统；18-雨量筒；19-安装底座；20-支撑墩；21-卡头；22-支腿；23-调节旋钮；24-底座水平泡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1和图2分别为本发明提出的泄洪雾化降雨立体测量装置的雨量筒和气象仪正视图和俯视图，图3和图4分别为安装底座正视图和俯视图。如图所示，本发明提出的泄洪雾化降雨立体测量装置包括雨量筒18、气象仪14和安装底座19。所述雨量筒18包括集雨器1、集雨器底板3、储雨腔5、雨量传感器8、电源及控制模块9、显示屏11、雨量筒水平泡12、指南针13和定位系统17；所述安装底座19包括支撑墩20、卡头21、支腿22、调节旋钮23和底座水平泡24。

所述集雨器1安装在所述储雨腔5上方，所述集雨器1为集雨的入口，包括集雨器底板3和若干等半径扇形隔板2，所述隔板2竖直安装在所述集雨器底板 3上，将所述集雨器1分成若干集雨腔室，所述隔板2形成一个半球状的外轮廓，所述外轮廓的表面积为Sh；所述集雨器1可以接收八个不同方向不同角度的降雨，包括竖直降雨(90°)和水平(0°)降雨以及介于两者之间任意角度的降雨；八个集雨腔室分别对应八个方位，包括“东-东南-南-西南-西-西北-北-东北”(如图2所示)；所述集雨器1的直径D1为20cm，厚度为2mm；所述集雨器1的集雨器底板3被集雨器隔板等分为八块扇形面板，在所述扇形面板靠圆心处开扇形的连通孔4，所述连通孔4直径D3＝4cm；为了一方面使得正向放置时集雨器1 收集的雨水可自流进入下方的储雨腔5，另一方面倒置时储雨腔5的雨水可自流出，所述集雨器底板3设置为水平放置的“V”型结构，上下面坡度对称设置。在本发明中，D3/D1＝0.1～0.3，所述集雨器底板3的坡度|i|取0.2～0.5；进一步地，所述集雨器底板3坡度绝对值在本实施例取|i|＝0.3。

在本发明中，所述集雨器1所用材料为疏水性材料，雨雾打落或凝结在所述集雨器1腔室面板上并在重力作用下滑落至所述集雨器1的底板，然后经所述集雨器1的底板通过所述扇形连通孔4自流入所述集雨器1下方的所述储雨腔5。

所述储雨腔5采用圆柱形桶身，桶身直径与所述集雨器1直径相同，为D1，本实施例取D1＝20cm，所述储雨腔5顶部与所述集雨器底板3相连；对应地，在所述储雨腔5内设有八块竖向隔板，贯通至储雨腔底板7，亦将所述储雨腔5分割为与所述集雨腔室对应的八块扇形区域，称之为储雨腔室。所述储雨腔5内径亦取D1，所述隔板厚度为2mm；八个所述储雨腔室分别与所述集雨器1的八个所述集雨腔室通过所述连通孔4连通，每个所述储雨腔室底面净面积记为Sb，每个所述储雨腔室雨量计算公式为R＝Sb×h，h为各所述储雨腔室的水深h；所述储雨腔5的桶身高度在本实施例中设置为60cm，若雨强过大，可以定做增加所述储雨腔5的桶身高度以满足要求，亦可制作成可变高度的储雨腔5。

进一步地，为了进一步保证所述集雨器1各集雨腔室收集的降雨不外流，所述储雨腔外壁高出所述集雨器底板外边缘1～2cm，顶部作60°外倒角处理，边缘高出部分不作为集雨器的有效集雨面积。

所述雨量传感器8在本实施例为自记压力传感器，量程设置为0～1m水柱，分别安装于所述储雨腔5的八个储雨腔室的底板中部，可以记录各个腔室的实时水深h。所述电源及控制模块9为所述雨量传感器供电，并控制、显示和存储所采集数据。在所述电源及控制模块9内还设有无线通讯模块，所述无线通讯模块与检测服务器连接，并将本发明的雾化降雨立体测量装置所测量的各方位的降雨信息、气象信息、定位信息发送至后台的监控服务器上，从而实现了实时远程监控观测点各方位雨量数据，并进行实时记录、显示和存储。

所述储雨腔5的储雨腔底板7凸出所述储雨腔5外侧，所述储雨腔底板7 直径为D2，在所述储雨腔底板7上中心对称的四个方位分别设置有两个雨量筒水平泡12和两个指南针13，分别用以安装时仪器调平和方向确定用。

为了同步测量气象风速、风向、湿度、温度和气压等气象参数条件，在雨量筒外侧设置有气象仪14，所述气象仪14安装在立杆15上，所述立杆15通过侧支撑16固定于所述储雨腔5上，并与所述电源及控制模块9连接，所述电源及控制模块9为所述气象仪14供电，可以在测量降雨强度的同时测量风向、风速、湿度、温度和气压等指标，实时记录、存储并通过显示屏11显示气象参数指标 (本实施例显示屏子区域：I-风速和风向，显示屏子区域J-湿度、温度和气压)。所述气象仪14的安装高度为H2。

所述显示屏11嵌在所述储雨腔5的筒壁6上，通过电路与所述电源及控制模块9连通，所述显示屏11分为十个子区域，分别为A、B、C、D、E、F、G、 H、I、J区域，其中八个A-B-C-D-E-F-G-H区域分别独立显示所述储雨腔的八个储雨腔室的雨量(对应方位：A-东北，B东，C-东南，D-南，E-西南，F-西，G- 西北，H-北)，另外I、J区域显示气象参数。

所述电源及控制模块9位于所述储雨腔5最底部，分别与所述雨量传感器8 及所述显示屏11连通，并为所述雨量传感器8及所述显示屏11供电；所述电源及控制模块9还具有控制、采集、存储和实时显示测量结果的功能，电路设置于所述储雨腔5的筒壁6内，此区域为密封防水区，在所述储雨腔5底部安装有底盖10，底盖10可以打开，用于此仪器调试和安装时使用。

所述定位系统17设置于雨量筒底部所述电源及控制模块9内，在建立坐标控制网内，可以实时反馈其空间坐标信息，同时实时记录和反馈本发明雾化降雨立体测量装置的运行状态，判断其是否发生倾倒或位移；所述定位系统17连接显示终端并保存和传输数据至数据库。

在本发明中，所述雨量传感器8还可以采用电容式水位传感器，原理与波高仪类似，在所述储雨腔的每个腔室中设置电阻丝，两端分别固定于储雨腔的底板和顶板，竖直拉紧放置，电路回路设置于桶壁，由所述电源和控制模块供电和控制。并可采用无线接收模式，远程采集雨量数据。

所述雨量筒18通过安装底座19安装在观测点位置上，所述安装底座19外形为圆柱体，顶面开凹槽，所述雨量筒18嵌套在所述凹槽内；在所述凹槽上缘凸起支撑墩20，所述支撑墩20上设置卡头21，所述卡头21可以卡扣在所述储雨腔底板7上，可以自动锁死固定所述储雨腔底板7，用以固定雨量筒18；所述安装底座19顶部水平面设置有底座水平泡24，底部铰接有铰支腿22，所述铰支腿22可以通过调节铰接处的旋钮上下升降和固定。

具体使用方法或步骤为：

(1)建立测控区域坐标信息网：估计泄洪雾化影响最大范围，利用已有的坐标系统或新建坐标系统，建立测控区域内的坐标信息网，并采用已知点验证所建坐标系统的准确性，在满足精度要求下，设置定位系统，可以显示和记录本发明雾化降雨立体测量装置的空间位置坐标信息。

(2)预选观测点位，设置观测底座平台：在泄洪雾化降雨影响范围内预选可能的观测点位，对观测点位预处理并安装专用底座，调平并固定专用安装底座，具备本发明雾化降雨立体测量装置的安装条件。

(3)安装测试：将本发明的雾化降雨立体测量装置的雨量筒安装到专用底座前安装电源，并测试显示、记录和控制等功能，功能正常后安装到专用底座；具体安装方法为：首先将雨量筒放置到专用底座上，检查雨量筒水平气泡，若不水平则调平；其次根据指南针指向确定实际方位，找出正北位置，雨量筒显示屏背风放置，便于观测，此时找出A-H方位中最接近正北方向的标号，并微调雨量筒方向使得此标号的储雨腔室正对正北方向，记下此编号即为正北方向；再次固定雨量筒，初始化气象仪的方位，使得气象仪此时初始风向方位也与实际方位保持一致，并用雨量筒方位进行检验；最后仪器显示、记录调试，设置数据采集频率，测试数据显示和运行状态，保证仪器正常运行。

(4)测量并记录：记录实际泄洪开始时间、结束时间、方位标号及坐标位置数据，中间有泄洪条件变化及时记录相应操作时间；及时监视反馈数据，并采用望远镜等观察本发明的泄洪雾化降雨立体测量装置，判断其运行状态，如有异常及时记录相关时间，便于数据分析和解释。

(5)移站(多点测量时)：若本发明雾化降雨立体测量装置需要测量多个位置，前一测点测量完毕后需要移站。记录时间节点后，倒置清空储雨腔室内收集的雨水；并及时安装到下一站点，安装步骤同(2)、(3)、(4)。在有定位系统条件下，安装测点不需要预设。

(6)数据导出和处理分析：泄洪结束后，取出本发明雾化降雨立体测量装置并导出采集数据，结合测量时相关记录进行数据处理和分析，此处定义综合平均雨强为：I＝∑R/Sh。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。