機(jī)翼形量水槽在不同渠道結(jié)構(gòu)型式中的應(yīng)用分析

程玉明

(宣城市宣州區(qū)溪口鎮(zhèn)人民政府，安徽 宣城 242000)

農(nóng)田水利及灌區(qū)節(jié)水技術(shù)對(duì)于節(jié)約水資源，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，灌溉量水便是灌溉用水管理中最重要的一環(huán)[1]。由于我國(guó)各灌區(qū)的條件相差較大，渠道型式多樣，很難形成統(tǒng)一的量水設(shè)施，而目前已有的量水設(shè)施只能針對(duì)特定地區(qū)的灌溉量水要求，不能滿足我國(guó)灌區(qū)量水技術(shù)的規(guī)?；?、智能化發(fā)展。因此，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式渠道的灌溉量水技術(shù)的適用性分析就顯得尤為重要[2-4]。

王滇紅等[5]基于層次分析法，對(duì)小型灌區(qū)量水設(shè)備的選型問(wèn)題進(jìn)行探討，并給出了梯形斷面量水設(shè)施的優(yōu)先順序?yàn)椋悍至髁克?jì)、圓柱形量水槽、量水檻、矩形無(wú)喉段量水槽和巴歇爾量水槽；弋昭媛[6]對(duì)渠道無(wú)喉道量水槽水力計(jì)算方法和測(cè)流原理進(jìn)行了分析，對(duì)于灌區(qū)流量智能監(jiān)測(cè)具有重要作用；劉鴻濤等[7]對(duì)機(jī)翼柱形量水槽進(jìn)行了模型試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示該量水槽具有很好的節(jié)水效果。劉朗、孫斌等則分別針對(duì)梯形、U形和矩形渠道的機(jī)翼形量水槽的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，從理論上對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式的渠道量水效果進(jìn)行了分析[8-13]。

本文基于上述研究成果，以模型試驗(yàn)為依托，對(duì)機(jī)翼形量水槽在矩形、梯形和U形渠道中的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究成果可為機(jī)翼形量水技術(shù)在農(nóng)田水利及灌區(qū)不同條件下應(yīng)用提供借鑒。

1 模型試驗(yàn)概況

機(jī)翼形量水槽通過(guò)收縮型槽壁將水流束窄產(chǎn)生臨界流，使流量與上游水頭構(gòu)成一定的穩(wěn)定函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到測(cè)流的目的。本文對(duì)常見(jiàn)的3種渠道結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行機(jī)翼形量水槽的適用性評(píng)價(jià)分析。其中，U形渠道的半徑為15cm，渠深40cm，中心角為152°；矩形渠道的渠深為30cm、渠寬60cm；梯形渠道底寬為30cm、頂寬為94.4cm，邊坡高為1.0m。典型的機(jī)翼形量水槽結(jié)構(gòu)和模型布置見(jiàn)圖1。根據(jù)理論和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同渠道結(jié)構(gòu)型式下量水槽參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)表1。

圖1 典型的機(jī)翼形量水槽結(jié)構(gòu)和模型布置

表1 量水槽參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果模型

2.1 量水精度分析

由圖2室內(nèi)模型試驗(yàn)得到的實(shí)際流量與量水槽測(cè)算流量的對(duì)比關(guān)系可以看出：無(wú)論是U形、矩形還是梯形渠道，機(jī)翼形量水槽的測(cè)算流量值與實(shí)際流量值之間誤差均較小，絕對(duì)平均誤差值分別為4.2%、4.0%和4.4%?？梢?jiàn)，機(jī)翼形量水槽在各種渠道結(jié)構(gòu)型式中的量水精度均較高，具有廣泛的適用性。

圖2 量水精度對(duì)比

2.2 臨界淹沒(méi)度分析

選取流量為40L/s時(shí)不同工況組情況下的臨界淹沒(méi)度進(jìn)行對(duì)比分析，從圖3中可以觀察到：對(duì)于U形渠道，機(jī)翼形量水槽的臨界淹沒(méi)度最大可以達(dá)到0.92，對(duì)應(yīng)的喉口寬為15cm、收縮比為0.444、底坎高度為2.0cm(即U型斷面第一種工況)。對(duì)于矩形渠道，機(jī)翼形量水槽的臨界淹沒(méi)度最大值為0.90，對(duì)應(yīng)的工況為喉口寬28.8cm、收縮比為0.432、底坎高為3.0cm(即矩形斷面第一種工況)。對(duì)于梯形渠道，機(jī)翼形量水槽的臨界淹沒(méi)度最大值為0.89，對(duì)應(yīng)的工況為喉口寬35.0cm、收縮比0.518、無(wú)底坎形式(即梯形斷面第五種工況)。U形渠道和矩形渠道在同等流量下，有底坎的機(jī)翼形量水槽臨界淹沒(méi)度大于無(wú)底坎的淹沒(méi)度。梯形渠道，有無(wú)底坎對(duì)于量水槽淹沒(méi)度的影響較小，但隨著收縮比和喉口寬的增大，呈先增加后減小的趨勢(shì)，即存在一個(gè)最佳收縮比。臨界淹沒(méi)度值越大，表明槽道上下游水位差越大，能夠保證在槽道下游水位對(duì)上游水位產(chǎn)生影響前，有足夠的變化空間使水流進(jìn)行自我調(diào)整，從而減小或者規(guī)避下游水流對(duì)上游的影響，從而使機(jī)翼形量水槽的測(cè)量精度更高。

圖3 臨界淹沒(méi)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 弗勞德數(shù)分析

從圖4不同流量、不同工況下各渠道結(jié)構(gòu)型式的弗勞德數(shù)變化情況中可看出：

a. U形渠道中，無(wú)底坎時(shí)，收縮比越大，相同流量時(shí)，弗勞德數(shù)越大。隨著流量的增加，弗勞德數(shù)逐漸減小，這是因?yàn)閁形渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e不是與水深成線性關(guān)系。收縮比不宜過(guò)小，也不宜過(guò)大，取弗勞德數(shù)不大于0.5為標(biāo)準(zhǔn)，從圖4(a)中可看到，U形渠道的上限收縮比應(yīng)不大于0.588。

圖4 弗勞德數(shù)測(cè)試結(jié)果

b.矩形渠道中，弗勞德數(shù)隨收縮比增加而略微增大，且無(wú)底坎時(shí)更大。隨流量的增加，弗勞德數(shù)基本保持不變，這是因?yàn)榫匦吻赖牟矍八鞲悠椒€(wěn)，水面波動(dòng)更小，因而測(cè)量精度更高，計(jì)算誤差更小。

c.梯形渠道中，隨流量增加，弗勞德數(shù)逐漸減小，收縮比越大，弗勞德數(shù)越大，建議梯形渠道的收縮比上限應(yīng)小于等于0.585。

2.4 壅水高度分析

由于機(jī)翼形量水槽的存在，使得渠道收縮，勢(shì)必會(huì)在上游形成壅水，對(duì)不同渠道在不同工況下的壅水高度進(jìn)行了分析，見(jiàn)圖5。結(jié)果表明：壅水高度越高，需要的渠道越深，灌溉時(shí)間越長(zhǎng)，且會(huì)產(chǎn)生淤積，增加蒸發(fā)面積，不利于灌區(qū)灌溉。隨流量的增加，壅水高度逐漸增大。對(duì)于U形渠道，壅水高度的增幅逐漸減小，收縮比越大，壅水高度越小，以壅水高度不超過(guò)10cm為標(biāo)準(zhǔn)，建議U形渠道的收縮比不小于0.460。對(duì)于矩形渠道，壅水高度變化趨勢(shì)與U形渠道類似，在試驗(yàn)收縮比下均沒(méi)有超過(guò)10cm，但仍建議其值不小于0.432，底坎對(duì)于壅水高度的影響較小。對(duì)于梯形渠道，同等流量下，收縮比越大，壅水高度越小，且隨流量基本呈線性增加，并建議收縮比不小于0.372。

圖5 壅水高度測(cè)試結(jié)果

3 綜合評(píng)價(jià)分析

通過(guò)以上對(duì)U形、矩形和梯形3種渠道下機(jī)翼形量水槽各項(xiàng)水力特性的分析可以看出：在3種渠道結(jié)構(gòu)型式下，機(jī)翼形量水槽的量水精度均較高，可為灌區(qū)提供良好的節(jié)水灌溉管理服務(wù)。3種渠道的機(jī)翼形量水槽的臨界淹沒(méi)度均較大，在控制好收縮比、喉口寬等因素下，最大臨界淹沒(méi)度分別達(dá)到0.92、0.90和0.89，說(shuō)明3種渠道機(jī)翼形量水槽在平原區(qū)灌區(qū)均比較適用。而矩形渠道與U形渠道和梯形渠道相比，其上游水面流速更加平穩(wěn)，波動(dòng)更小，流速分布較均勻，故而弗勞德數(shù)較小且穩(wěn)定。

U形渠道、矩形渠道以及梯形渠道的收縮比下限建議值分別為0.460、0.432和0.372，能保證上游用水高度在10cm以下。

4 結(jié) 論

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)機(jī)翼形量水槽在U形渠道、矩形渠道和梯形渠道的適用性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論：從量水精度、臨界淹沒(méi)度、弗勞德數(shù)以及上游壅水高度等多項(xiàng)因素分析結(jié)果來(lái)講，認(rèn)為機(jī)翼形量水槽在各種渠道結(jié)構(gòu)型式中均能滿足灌區(qū)要求。矩形渠道相對(duì)其他兩種渠道，其上游水面更加平穩(wěn)，更適宜在平原地區(qū)使用。

因此機(jī)翼形量水槽可在山區(qū)農(nóng)田及灌區(qū)大力推廣，但應(yīng)重點(diǎn)注意渠道收縮比的設(shè)計(jì)控制問(wèn)題。