基于水動力學(xué)原理在大型灌區(qū)取水渠系糙率計算中的應(yīng)用

那海珍

(大連云康科技有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引 言

阜新地區(qū)位于遼寧的西部，屬于水資源十分短缺的區(qū)域，近些年來，隨著大型灌區(qū)的建設(shè)，阜新地區(qū)的水資源量得到一定程度的補充，水資源供需矛盾得到一定程度的緩解[1]。大型灌區(qū)取水渠系工程設(shè)計的重點在于取水能力，而糙率是取水能力設(shè)計的重要指標(biāo)[2]。近些年來，對于大型灌區(qū)渠系取水能力計算取得一定研究成果，這其中大都采用基于恒定流的方法進行渠系取水能力的計算，而對于大型灌區(qū)而言，其由于受到進水口閘門起閉的影響，水流流態(tài)總體為非恒定流，即水量和水位隨著進水口閘門起閉總體為動態(tài)變化的，因此采用基于恒定流的方法進行渠系取水能力計算存在一定的局限性，一般誤差相對較高。當(dāng)前，在一些地區(qū)大型灌區(qū)工程設(shè)計中逐步采用基于非恒定流的渠系取水能力的計算，計算結(jié)果均表明要好于傳統(tǒng)基于恒定流的計算方法。但水動力學(xué)方法在阜新地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此文章以阜新地區(qū)的大型灌區(qū)為具體實例，結(jié)合水動力學(xué)方法對其渠系取水能力進行計算，從而分析水動力學(xué)方法在阜新地區(qū)大型灌區(qū)渠系取水能力計算的適用性，也可拓展該方法在阜新地區(qū)渠系取水能力設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 研究方法

基于水動力學(xué)原理構(gòu)建大型灌區(qū)取水渠系糙率計算，通過設(shè)置上下監(jiān)測斷面對模型的上下邊界水位流量進行設(shè)置，模型能量平衡計算方程為：

(1)

式中：Q為斷面流量，m3/s；Z為斷面水位，m；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；x和μ為輸水隧洞水平和橫向方向距離，m；g為重力加速度，m3/s；t為時段計算步長，h；α為流速系數(shù)；Sf為水力學(xué)坡比，‰；B為斷面水面寬度，m。文章采用Preissman四點加權(quán)差分方程對構(gòu)建的水動力學(xué)模型進行求解，求解方程為：

(2)

式中：θ為加權(quán)系數(shù)；f為水位計算值，m和流量計算值，m3/s。

2 工程實例分析

2.1 試驗斷面布設(shè)和計算邊界的設(shè)定

采用水動力學(xué)方法的關(guān)鍵在于上下邊界的確定，文章上下邊界為斷面水位-流量關(guān)系，因此需要對上下游邊界進行水位、流量的觀測，試驗中共設(shè)置3個斷面，每個斷面均進行水位、流量數(shù)據(jù)的測定，各斷面之間的間距相同，均為50m。主要采用座型多普勒測流儀進行水位-流量關(guān)系的測定。為了降低泥沙淤積對流量測定的影響，在距離地面高度為10cm的位置放置水位-流量關(guān)系的監(jiān)測儀器，采用U型鋼板對儀器下部進行加固防護，此外為減低漂浮物對儀器影響，加長處理U型板的保護范圍，對迎水側(cè)進行密封處理[3-5]。

2.2 水位-流量測定結(jié)果

通過對不同閘門開啟高度下的水位-流量進行觀測，不同斷面在不同閘門開啟高度下的水位和流量觀測結(jié)果見表1和表2。

表1 邊界水位監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 邊界流量監(jiān)測數(shù)據(jù)

文章以輸水隧洞的上、中、下3個斷面的水位-流量作為水動力學(xué)計算的邊界條件，從各監(jiān)測斷面的水位變化可看出，不同時間大型灌區(qū)渠系取水能力計算的水位變幅總體在0.5m的范圍內(nèi)，且受到閘門起閉的影響，取水渠系內(nèi)部水流水位變化隨著時間變化較大，呈現(xiàn)較為明顯的非恒定流變化，從上、中、下3個斷面水位變化可看出，從上到下其水位沿程逐步減小[6-8]。從各邊界斷面的流量監(jiān)測結(jié)果可看出，在相同水位下上斷面流量要高于下斷面流量，這主要是受到取水渠系沿程水量損失的影響。從各邊界斷面的流量監(jiān)測結(jié)果可看出，隨著閘門起閉高度的變化，各監(jiān)測斷面流量隨著閘門起閉高度的影響，流量總體呈現(xiàn)動態(tài)變化，但流量動態(tài)變化的幅度較小，這主要是因為大型灌區(qū)河道渠系通過近些年的綜合治理，其沿程水量損失有所減少，使得其流量變化幅度有所降低[9-11]。

2.3 渠系糙率的推求計算

結(jié)合渠系上、中、下游3個斷面的水位-流量監(jiān)測數(shù)據(jù)對其不同水位條件下的流量、水深進行糙率的計算，并和大型灌區(qū)的的設(shè)計糙率進行對比分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 大型灌區(qū)取水渠系糙率計算結(jié)果

從計算的各取水時間實測流量可看出，阜新地區(qū)大型灌區(qū)的取水流量總體較小，采用建立好的水動力學(xué)方法結(jié)合上、中、下游3個邊界水位流量關(guān)系對不同水深和流量條件下的糙率進行了計算，通過計算結(jié)果表明研究大型灌區(qū)的取水渠系的糙率值低于0.01，和實際糙率之間的吻合度較高，計算糙率和設(shè)計糙率之間的總體誤差可保持在10%以內(nèi)?？梢姴捎盟畡恿W(xué)方法計算的大型灌區(qū)取水渠系的糙率值可有效滿足糙率的計算精度要求，這主要是因為水動力學(xué)方法是基于非恒定流建立的計算模型，符合大型灌區(qū)受閘門起閉影響下的水流流量和水位變化較大，為非恒定流，因此相比于傳統(tǒng)采用基于恒定流的計算方法很難滿足其糙率的準(zhǔn)確計算[12-14]。

2.4 合理性分析

在不同取水時間下阜新地區(qū)大型灌區(qū)取水渠系糙率計算的基礎(chǔ)上，采用比測試驗分析的方式對大型灌區(qū)的糙率計算結(jié)果進行合理性分析，分析結(jié)果見表4所示。

表4 大型灌區(qū)取水渠系糙率計算合理性分析結(jié)果

從合理性分析結(jié)果可看出，采用水動力學(xué)方法對大型灌區(qū)渠系糙率進行計算，并采用計算的糙率進行流量的反推，結(jié)合渠系實測流量和推求的流量進行誤差分析，從誤差分析來確定文章計算的大型灌區(qū)渠系河道糙率的合理性，從分析結(jié)果可看出，推求的渠系流量和實測流量之間的誤差低于5%，具有較好的精度，因此文章計算的糙率具有合理性。

3 結(jié) 論

1)演技渠系各監(jiān)測斷面流量隨著閘門起閉高度的影響，流量總體呈現(xiàn)動態(tài)變化，但流量動態(tài)變化的幅度較小，這主要是因為大型灌區(qū)河道渠系通過近些年的綜合治理，其沿程水量損失有所減少，使得其流量變化幅度有所降低。

2)基于非恒定流建立的計算模型，符合大型灌區(qū)受閘門起閉影響下的水流流量和水位變化較大，為非恒定流，因此相比于傳統(tǒng)采用基于恒定流的計算方法很難滿足其糙率的準(zhǔn)確計算。