王軍++李永業(yè)++孫西歡

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.120

摘要：為了進(jìn)一步研究渠道水力特性，完善渠道量水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水量的有效監(jiān)測控制，以D50型U渠為例，基于堰流原理，設(shè)計(jì)了一套由三角型、平頂型和復(fù)合型組合而成的便捷式測流裝置，并以流量、斷面位置等因素為變量因子，對不同工況下渠道斷面的流速、水位進(jìn)行測定分析。結(jié)果表明：測流裝置的安置會引起上游渠道水流流速和水位的分布變化；隨著測流裝置安置位置與測試斷面的距離增大，水流流速先增大后趨于穩(wěn)定，水位先下降后趨于穩(wěn)定；各斷面的水位隨著流量的增大而增大，二者呈冪函數(shù)關(guān)系或多項(xiàng)式關(guān)系，且這種關(guān)系會因測流裝置的不同而表現(xiàn)出差異；三角型測流裝置適用于小量程測流，平頂型測流裝置使用于大量程測流，復(fù)合型測流裝置的測流量程最大。該研究成果可為促進(jìn)農(nóng)田節(jié)水灌溉、優(yōu)化水利資源管理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：渠道；D50型U渠；測流裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；量測范圍；水力特性

中圖分類號： TV132+.2；TV135.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0410-04

收稿日期：2016-04-14

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：51109155、51179116）；山西省自然科學(xué)基金（編號：2015011067）。

作者簡介：王軍（1974—），男，山西文水人，博士，高級工程師，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail：sxsltwj@163.com。

通信作者：孫西歡，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)水力學(xué)的研究。E-mail：sunxihuan@tyut.edu.cn。面向當(dāng)前建設(shè)現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)的現(xiàn)實(shí)需求[1]，國內(nèi)外眾多學(xué)者在渠道流量監(jiān)測領(lǐng)域展開相關(guān)研究：馬孝義等結(jié)合工程實(shí)際指標(biāo)評測了拋物線形喉口式、直壁式和直壁式量水槽在多泥沙渠道中的測流應(yīng)用情況[2]；王竹青根據(jù)大型渠道中超聲波法的測流結(jié)果得出平整的渠道過水?dāng)嗝嬗欣谔岣邷y量精度[3]；李效賢基于實(shí)際的大型渠道測流工程應(yīng)用比測得出超聲波法測流值大于流速儀測流值且測流精度屬于同一數(shù)量級[4]；王家琪等設(shè)計(jì)了一種可與節(jié)制閘或進(jìn)水閘配套使用且具備水位流量調(diào)控功能的的調(diào)節(jié)型渠道測流裝置[5]；戚玉彬等提出了適用于小型U型渠道的拋物線形移動式量水堰板和便攜式量水槽2組量水設(shè)施的設(shè)計(jì)原理并對其適用性進(jìn)行了分析[6]。與矩形和梯形渠道相比，U型渠道在近幾年我國灌區(qū)工程改造中的推廣和應(yīng)用尤為廣泛，逐步成為斗渠以下渠道的主要斷面改造形式[7]。本研究主要提出與D50型U渠配套使用的便攜式測流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在進(jìn)一步滿足大多數(shù)灌區(qū)“斗口計(jì)量”的應(yīng)用需求。

1試驗(yàn)與測流裝置設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)U型渠道斷面見圖1，試驗(yàn)系統(tǒng)示意見圖2。試驗(yàn)過程中采用長17.0 m的正坡渠道，坡度為1/1 000，斷面左右對稱；試驗(yàn)前采用水準(zhǔn)儀和直尺進(jìn)行渠道調(diào)平和坡度校正，保證U型渠道左右水平對稱，并安置測流裝置，對將要進(jìn)行水位和流速測量的斷面位置做標(biāo)記；試驗(yàn)時在渠道既定位置安設(shè)測流裝置，離心泵動力抽水通過管道至U型渠道，渠道上游設(shè)有貯水池和穩(wěn)流裝置，以便水流較為平穩(wěn)地進(jìn)入渠道；水流最終從渠道下游流入尾水槽，并經(jīng)退水渠流入地下水庫，尾水槽中同樣設(shè)有穩(wěn)流板，以保證退水渠中的水面較為穩(wěn)定，方便退水渠中的直角三角堰[8]對流量的準(zhǔn)確測定。

1.2測流裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測流裝置采用聚氯乙烯（PVC）塑料，用云石膠黏合在渠道中固定；安置過程中必須保證測流裝置輪廓與U型渠道斷面形狀完全重合，左右頂點(diǎn)高程相同；三角型測流裝置、平頂型測流裝置和復(fù)合型測流裝置的形狀尺寸見圖3。

1.3測試方案

試驗(yàn)中，在U型渠道確定位置（距離渠道進(jìn)口10 m處）依次對三角測流裝置、平頂測流裝置和復(fù)合測流裝置進(jìn)行安置并對不同工況下的水流特性進(jìn)行測量。三角測流裝置情況分別在Q=5、15、25、35、45 m3/h的流量下進(jìn)行測量，平頂測流裝置情況分別在Q=15、45、75、105、135 m3/h的流量下進(jìn)行測量，復(fù)合測流裝置情況分別在Q=5、15、25、75、105、135 m3/h 的流量下進(jìn)行測量，其中流量靠退水渠中的直角三角形堰確定。將U型渠道測流裝置上游距其50、270、490、710、930 cm的斷面確定為測量斷面， 在上述的情況下對這5

個斷面中心線上的水位和如圖4所示的斷面測點(diǎn)（表1）流速進(jìn)行測量，其中用直尺測量水位，用LGY-Ⅱ型智能流速儀測量流速。

2結(jié)果與分析

2.1測流裝置上游渠道水流的沿程速度分布特征

由圖5分析可得：在安設(shè)測流裝置之后，對于特定流量特定測點(diǎn)位置的流速數(shù)據(jù)，隨著與測流裝置距離的增加，流速呈現(xiàn)出一種先增大、繼而保持一段穩(wěn)定狀態(tài)、最后再有所減小的趨勢。因?yàn)樗袦y點(diǎn)的流速數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出這樣的趨勢，可以說斷面平均流速沿程變化的規(guī)律就是如此。具體來看，流速在前3個斷面會逐漸變大，4#斷面與3#斷面的流速基本沒有差異或略有增大，而在5#斷面，流速會有較為明顯的減小。由于5#斷面與U型渠道的進(jìn)口處相距較近，而進(jìn)口處斷面的突變會對流態(tài)造成一定程度的影響，所以在測量5#斷面的流速時，數(shù)據(jù)有時并不穩(wěn)定，可能會造成誤差，與總結(jié)的規(guī)律會有所差別。這種現(xiàn)象不難解釋，順?biāo)鞣较?，水在正坡的渠道中流動，水位會有所降低，但在本試?yàn)中，由于測流裝置的存在，上游附近的一段距離內(nèi)水被壅高，水位反而有所增加。在流量一定渠道斷面不變的情況下，水位的降低或升高會導(dǎo)致過水?dāng)嗝鏈p小或增大的變化，從而使流速有了變大或變小的趨勢。在測流裝置形狀確定的情況下，固定斷面的流速會隨著流量的增大而增大。而通過3種測流裝置情況下圖像的比較，可以看出其形狀會影響上游斷面的流速大小，其規(guī)律為：復(fù)合測流裝置情況下的流速比三角測流裝置情況下的小，但比平頂測流裝置情況下的大。

2.2測流裝置上游渠道水流的沿程水位分布特征

由圖6可知：對于任何一種測流裝置，在流量確定的情況下，隨著上游斷面與測流裝置距離的增加，水位先下降，在一段穩(wěn)定的狀態(tài)之后又有所上升。因?yàn)闇y流裝置的存在，上游1#～3#斷面的水位被壅高，直到4#斷面處，水位才基本保持穩(wěn)定，可以說，測流裝置對上游水位的影響一直持續(xù)到4#斷面。

2.3基于水位流量關(guān)系的測流裝置測流原理分析

不同測流裝置的沿程水位分布圖不僅能反映沿程水位變化的趨勢，還能進(jìn)一步反映確定斷面的水位流量關(guān)系，即在斷面位置確定的情況下，水位隨著流量的增大而上升。以不同測流裝置前4個斷面為例繪制圖7，并擬合出定量的關(guān)系式。在擬合上述水位流量關(guān)系曲線時，分別用多項(xiàng)式擬合、指數(shù)函數(shù)擬合、冪函數(shù)擬合等方式進(jìn)行了嘗試，其中冪函數(shù)擬合非常精確，r2接近1，圖像的趨勢較為合理，且各斷面的水位流量關(guān)系式也很接近。

由圖7可以看出：測流裝置形狀的不同所造成的水位流量關(guān)系擬合函數(shù)之間的差異是很大的，其中復(fù)合測流裝置和三角測流裝置用冪函數(shù)擬合較為合適，而平頂測流裝置用多項(xiàng)式擬合更好。從1#斷面到4#斷面，這種差別幾乎沒有改變，可見測流裝置的形狀對渠道上游斷面水位流量關(guān)系的影響是較大的，也可以說對上游水流水力特性的影響是較大的，這種影響在一段較長的距離內(nèi)都很明顯。

本研究還探討了不同測流裝置的堰上水頭與流量的擬合關(guān)系式，以便在實(shí)際中容易測出水位的情況下，直接計(jì)算出流量的數(shù)值，為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和水資源利用管理提供更多的理論支撐。堰上水頭為堰頂?shù)纳嫌嗡娉鲅唔數(shù)母叨?，一般以H表示，試驗(yàn)中，1#斷面距離測流裝置為50 cm，可以將1#斷面中心線水位與堰頂高度之差作為堰上水頭，進(jìn)而討論不同測流裝置情況下堰上水頭與流量的關(guān)系。對于復(fù)合測流裝置，堰上水頭與流量的關(guān)系會因水位是否超過其頂部而異，所以擬合出的關(guān)系式應(yīng)該有2個，根據(jù)圖3-c中所示的測流裝置形狀尺寸，1#斷面水位低于21.3 cm時為第1種情況（圖3-C左），1#斷面水位高于21.3 cm時為第2種情況（圖3-C右），由于流量數(shù)據(jù)較少會影響二者關(guān)系的擬合效果，所以試驗(yàn)中加測幾組堰上水頭與流量的數(shù)據(jù)，具體情況如圖8所示。

由圖8可見：三角測流裝置情況下的擬合式為Q=0.021 2H2.815 3，平頂測流裝置情況下的擬合Q=3.016 2H1.581 3，復(fù)合測流裝置水位未淹沒裝置頂端情況下的擬合式為Q=0.040 6H2.617 3，水位淹沒裝置頂端情況下的擬合式為Q=0.021 2H2.743。該擬合公式可以較好地指導(dǎo)此套測流裝置在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

3結(jié)論

在安設(shè)測流裝置之后，在流量確定的情況下，隨著與測流裝置距離的增加，流速數(shù)據(jù)會呈現(xiàn)出先增、繼而穩(wěn)定、后減的趨勢。具體來看，流速在前3個斷面會逐漸變大，4#斷面與 3# 斷面的流速基本沒有差異或略有增大，而在5#斷面，流速會有較為明顯的減少。

在測流裝置形狀確定的情況下，上游固定斷面的流速會隨著流量的增大而增大。并且，復(fù)合測流裝置情況下的上游流速比三角測流裝置情況下的小，但比平頂測流裝置情況下的大。對于任何一種測流裝置，在流量確定的情況下，隨著上游斷面與測流裝置距離的增加，水位先下降，在一段穩(wěn)定的狀態(tài)之后又有所上升。

為了在實(shí)際中更好地應(yīng)用有關(guān)理論，分別擬合了不同測流裝置情況下的堰上水頭與流量的關(guān)系式，以便在實(shí)際中容易測出水位的情況下，直接計(jì)算出流量的數(shù)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞雙恩，左曉霞，趙偉. 我國灌區(qū)量水現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 節(jié)水灌溉，2004（4）：35-37.

[2]馬孝義，王文娥，呂宏興，等. U形渠道量水槽的性能分析與篩選研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（4）：44-49.

[3]王竹青. 超聲波流量計(jì)在大型渠道測流中的應(yīng)用[J]. 節(jié)水灌溉，2007（2）：63-64， 66.

[4]李效賢. 大型渠道超聲波法與流速儀法測流比對試驗(yàn)[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2006（8）：107-108， 112.

[5]戚玉彬，張?jiān)略?，羅江海. 小型U形渠道適宜量水設(shè)備淺析[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2007（12）：71-73.

[6]王家琪，呂宏興，周美林，等. 過流調(diào)控型渠道測流裝置試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2015，34（9）：24-27.

[7]紀(jì)淑慶. U型渠在農(nóng)業(yè)供水末級渠系中的推廣應(yīng)用[J]. 河南水利與南水北調(diào)，2009（12）：26-34.

[8]吳持恭. 水力學(xué)[M]. 2版.北京：高等教育出版社，1987.