秦 鵬

（陜西省桃曲坡水庫灌溉中心,陜西 銅川 727100）

0 前言

桃曲坡水庫是一座中型水庫,主要任務(wù)是農(nóng)業(yè)灌溉,兼具城市供水與防洪功能。桃曲坡水庫灌區(qū)位于關(guān)中北部,北與銅川相鄰,西與三原相鄰,東南與東雷二期抽黃灌區(qū)相鄰。灌區(qū)設(shè)施灌溉面積為43.03 萬畝,有效灌溉面積為29.36 萬畝。灌區(qū)有9 條干渠長113.67 km,有46 條支渠長188.12 km,有1924 條斗、農(nóng)渠共長1256.8 km。近幾年,灌區(qū)使用了不同類型的中央和省級資金來更新灌區(qū)的部分水源項目、干支渠和末級渠系,而灌區(qū)項目則有了新的視角。

桃曲坡水庫灌區(qū)位于渭北干旱區(qū),降雨少,時空分布不均,加上城市工業(yè)的快速發(fā)展,導(dǎo)致水資源短缺,社會發(fā)展對水的需求不斷增加,供需矛盾日益突出。同時,對水資源的控制和精準(zhǔn)分配的要求變得越來越緊迫,但是灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率不高,嚴(yán)重的水浪費(fèi)現(xiàn)象十分普遍,現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉用水的總利用率為0.52,而發(fā)達(dá)國家水綜合利用系數(shù)為0.7,有些達(dá)到為0.8。

農(nóng)業(yè)灌溉中精確配水計量、節(jié)約用水、減少水量損失是農(nóng)灌工作中的重中之重,灌區(qū)現(xiàn)有量水設(shè)施193 座,結(jié)構(gòu)形式大部分為堰都是U形直壁槽式測量堰、U形直壁槽式堰,其中：末級渠系中量水堰多為U型直壁槽式量水堰,經(jīng)過多年實際運(yùn)行觀測和分析,灌區(qū)現(xiàn)有量水堰普遍存在測流精度低、抬高渠道水位、水頭損失偏大、建造復(fù)雜體型偏大等缺點,同時也普遍存在大流量計量準(zhǔn)確、小流量計量偏差大,不適應(yīng)灌區(qū)末級渠系測量水要求,給灌區(qū)準(zhǔn)確計量、合理配水造成了一定影響。為提高水利用率,節(jié)約寶貴水頭,提高量水精度,修建施工簡便、經(jīng)濟(jì)實用、精確的量水設(shè)施是灌區(qū)用水控制的主要手段,不僅為水量控制、水費(fèi)征收等提供主要依據(jù),而且對促進(jìn)節(jié)約用水,改進(jìn)灌溉方式也有重要意義。也是推行農(nóng)業(yè)灌溉水價改革、推廣農(nóng)民用水的必由之路,對保障國家糧食安全、維護(hù)社會穩(wěn)定、減少水事糾紛等有著十分重要的意義。

1 灌區(qū)量水堰形式及其特點

桃曲坡水庫灌區(qū)末級渠系常用的明渠量測建筑物具有結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用,精度合理,水頭低,基礎(chǔ)設(shè)施維修費(fèi)用低,操作簡單等特點,完全可以滿足要求。當(dāng)前,國內(nèi)外灌區(qū)末級渠系量測水通常使用以下類型。

Parshall槽,美國科學(xué)家Parshall于1920 年改進(jìn)了文杜里槽,并獲得了美國民用灌溉和水利保護(hù)委員會的批準(zhǔn)。該水槽的一個特點是在自由流動條件下對水進(jìn)行測量。由于其高精度和大流量測量比,特別適用于流量明顯變化的骨干渠道和分支渠道。即使水中有碎屑或沉積物,也可照常測量水。但是槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,并且施工困難。

無喉道量水槽是通過切巴歇爾槽的喉道切去而獲得的改良型槽,并且在陜西省沁、引渭等灌區(qū)地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡單,經(jīng)濟(jì),易于組裝,抗雜物強(qiáng),自由流量測量精度,但是浸入水中過多會降低精度。必須在大中型渠道上及非嚴(yán)重回水的條件下使用。量水槽上游和下游水位計位于流線可與邊界分開且具有復(fù)雜水力特性的區(qū)域,因此歐美地區(qū)不建議在渠道上進(jìn)行無喉道測流。

長喉道量水槽在1970 年代在國外研發(fā)的,是短喉道槽的改進(jìn)型,已獲得美國開發(fā)局的批準(zhǔn),并正在積極推廣和使用。它具有簡單的結(jié)構(gòu),易于構(gòu)造,水頭損失低,淹沒流出的臨界點高,成本低,測量精度高等特點。長喉槽有矩形、梯形和U形可供選擇,而梯形和U型長喉槽則適用于需要精確測量小流量的量水槽。

根據(jù)桃曲坡水庫灌區(qū)大部分斗農(nóng)渠道襯砌斷面均為U型渠的實際情況,灌區(qū)選用U型長喉道槽量測水,在運(yùn)用武漢大學(xué)對長喉道槽的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,對長喉槽體型進(jìn)行優(yōu)化。

2 長喉槽量水堰基本情況

（1）長喉槽量水堰的結(jié)構(gòu)形式

長喉槽量水堰由上游部分,喉部和下游擴(kuò)散部分三部分組成,長喉槽有多種形式。根據(jù)不同形式的收縮,可分為側(cè)收縮、垂直收縮以及垂直收縮三種形式。如果渠道截面是U形渠道,則有兩種基本類型：水平槽底型和槽底拱起型。

（2）長喉槽量水堰的優(yōu)點

1）流量測量精度高,且喉道的流量狀態(tài)為臨界流量時,可直接用流量計檢查流量,誤差小于5%。

2）由于喉道垂直于流向,渠道雍水低,并且在確保精確的流量測量的同時,渠道不會產(chǎn)生多余的雍水。

3）損失小并且可以估計,所需的水頭損失小并且可以準(zhǔn)確地估計。

4）過渡部分是通暢的,收縮部分和逐漸變化部分之間的過渡是緩和的,并且不易發(fā)生懸浮物堵塞的問題。

5）結(jié)構(gòu)簡單且易于控制,如果喉道尺寸與結(jié)構(gòu)圖有差異,則可根據(jù)竣工尺寸計算流量,并進(jìn)行水位和流量校正。

6）成本比較經(jīng)濟(jì),在類似的水電和邊界條件下,長喉道測水堰比其他類型的測水堰更準(zhǔn)確,更便宜。

3 長喉槽設(shè)計的基本要求

為確保長喉槽的工作條件與流量測試條件相匹配,長喉槽的設(shè)計必須符合以下基本條件：

1）槽的底板是水平的,向前的水流保持緩慢,引渠的弗洛德數(shù)為0.5 或更大,并且沒有紊動。

2）如果水頭非常低,則邊界很粗糙,液體的粘度和表面張力不會對流量方程產(chǎn)生影響。

3）喉槽的長度應(yīng)等于最大測量水頭的1 ~3 倍,以確保在關(guān)鍵部位有平行的水流。

4）入口過渡段為1∶3 或更小,出口段擴(kuò)散比為1∶4 或更小,因此可以獲得更好的流型和更少的水頭損失。

4 長喉槽的優(yōu)化設(shè)計

（1）計算原理

應(yīng)用臨界流量條件、連續(xù)性方程式和能量方程式,并考慮水頭損失和非均勻流速分布,在臨界流量條件下使用流量計算作為臨界水深。計算簡圖見圖1。

圖1 護(hù)坡斷面圖

臨界流量條件：a1v2/g=A1/B1

結(jié)合連續(xù)性方程：Q=A1V1=AcVc=const

能量方程：H1=h1+a1v12/（2g）=yc+acvc2/（2g）+ΔH1

可得到流量計算式：

式中：V1是上游部分的平均流速；Vc是控制部分的平均流速；A1是上游部分的流速；Ac是控制部分的流速,ΔH1是從1-1到c-c的水頭損失；Bc是咆哮區(qū)域的水面寬度；a1和ac是動能校正因子。

對于理想的流體,沒有考慮水頭損失和流速分布不均勻的影響。但是,理想的液體實際上并不存在。在計算實際流量時,必須考慮流過長喉道的水的水頭損失以及流速不均勻?qū)α髁繙y量的影響。通過將流速的部分不均勻系數(shù)相加來校正流速分布的不均勻性。對于流經(jīng)長喉道的水頭損失,將喉槽分為三部分,并補(bǔ)償每一部分的水頭損失。需要考慮：①從上游部分到收縮部分開始的水頭損失；②喉段部分的水頭損失；③喉段部分沿流動方向的長度損失。

從上游水頭到水頭控制部分的損失如下：

將水頭損失ΔH1和動能修正系數(shù)a分別代入流量計算公式,便得到實際流量；經(jīng)過試算,直到設(shè)定Q值滿足計算精度,最后得到的Q值為實際流量。

從上面的長喉槽的水位測量機(jī)理分析,有一個流量Q對應(yīng)于每個堰的水頭H1,當(dāng)通過流量恒定時,水頭H1根據(jù)喉槽的幾何尺寸變化而變化,隨著喉管槽變窄,堰的頭增加,反之亦然。每組固定的喉槽尺寸對應(yīng)于一組水位-流量關(guān)系曲線。因此,我們可以利用水位、流量隨喉槽幾何尺寸的變化而變化這一單值對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)行長喉槽的幾何尺寸設(shè)計。

（2）幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計

1）根據(jù)明渠的橫截面尺寸和邊界條件,使用明渠均勻水流方程計算當(dāng)水道中的水深為h時的實際流量Q。

2）為減小上游觀察點位置的水位波動影響,有必要測量觀察點處的總長度足夠遠(yuǎn)離喉槽的上游收縮部分。還必須使觀察點足夠靠近喉嚨凹槽,以便可以忽略觀察點和喉嚨之間的時間、能量損失。通過綜合分析,上游觀測點距離需要增加一倍。

3）為確定上游過渡段和下游過渡段的長度,應(yīng)將水頭損失降至最低,同時流線應(yīng)相對平穩(wěn)。通常使用1∶2到1∶4。收縮率大于1∶2的流線具有較高的曲率和增加的局部損耗。如果流線比率小于1∶4,則局部損失會隨之增加,浸沒程度將相應(yīng)降低。選擇入口部分的收縮率時,采用1∶3的底部和側(cè)面收縮率。

對于出口部分,延長出口收縮部分有助于能量回收,但是如果水平部分過緩,則水頭損失將會隨之增加。該設(shè)計使用1∶6的擴(kuò)散比來完全恢復(fù)能量。

4）確定喉槽邊坡。為在喉槽中獲得更平滑的流動模式,選擇與引渠匹配的喉道坡度以減少水頭損失。

5）確定喉槽的寬度。喉槽的寬度主要由喉槽的收縮率值決定。這是確定流量的主要參數(shù)之一。首先,二分法用于確定函數(shù)值近似解之間的間隔并確定解的兩個最終值。長喉槽用于測量水量,前槽應(yīng)為開放通道,流量均勻。弗洛德數(shù)通常不應(yīng)超過0.5?？紤]到結(jié)構(gòu)的便利性,暫時設(shè)定收縮率P1下上限為0.05 m,即通道底部的寬度。通常,P1上=b1/2,找到二分法的初始值并計算出喉槽的底部寬度。

①對于只有側(cè)收縮的長喉槽,首先確定側(cè)收縮的初值,bs=（bs上+bs下）/2,收縮段水平長度為L=3bs；圓弧直徑dc=d1-2bs。

②對于即有側(cè)收縮又有底收縮的長喉槽,首先確定底坎值P1=（P1上+P1下）/2,然后上游收縮段水平長度為L=3P1；圓弧直徑dc=d1-2bs。

在確定上游收縮值之后,可以畫出喉長度La。喉嚨凹槽的精度主要由H1/La比率決定。如果0.07

6）根據(jù)確定的長喉槽的初值,計算長喉槽的流量Q設(shè)與渠道利用明渠均勻流計算的流量Q實進(jìn)行比較,是否滿足｜Q設(shè)-Q實｜≤ε（ε為計算精度）。若滿足,則該組設(shè)計參數(shù)作為最終的設(shè)計結(jié)果；否則,對結(jié)果進(jìn)行分析,若Q設(shè)>Q實,說明bs或P1、La的值偏小,應(yīng)逐漸減大,調(diào)整參數(shù)值；若Q設(shè)

計算結(jié)果見表1。

表1 長喉槽各部尺寸表 單位：m3/s；cm

5 運(yùn)行效果分析

桃曲坡水庫灌區(qū)建造了許多優(yōu)化后的長喉槽堰,例如東干渠新三斗、東干八支六斗、七斗等。在灌溉期間,調(diào)整每次測量的流量并在不同水位下使用,詳細(xì)記錄各種數(shù)據(jù),分析灌溉效果,測量渠道利用系數(shù),同時使用高精度水文儀器。然后執(zhí)行實時校準(zhǔn)和測量,以測量理論水位。分析堰的流量曲線,將其與測得的流量進(jìn)行比較,并繪制出圖2、圖3所示的曲線圖。

圖2 D80U形長喉道槽實測數(shù)據(jù)分析

圖3 D60U形長喉道槽實測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過分類分析得,如果每個量水堰都處于特征水位,則量水槽測得的流量與實際儀器測得的流量更加一致,最大誤差為9%,最小誤差為0.7%,且在數(shù)據(jù)點誤差在±5%以內(nèi)的,達(dá)到95%。在實際應(yīng)用中,這種類型的水測量堰高度精確且易于操作,并且適合灌溉區(qū)域的特性,未來的運(yùn)用將更加廣闊。

6 結(jié)語

通過對長喉道量水槽的設(shè)計原理的深入分析,科學(xué)地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,結(jié)合在桃曲坡水庫灌區(qū)的實踐運(yùn)用表明,這種量水堰具有量水測水精度較高、運(yùn)用方便、造價低廉等特點,為灌區(qū)的末級渠系灌溉配水發(fā)揮了重要作用,達(dá)到精確計量、科學(xué)分配、杜絕浪費(fèi)、節(jié)約水資源的目的,從而為灌區(qū)在現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè),提高灌溉管理水平上奠定基礎(chǔ),也為其他灌區(qū)探索末級渠系計量設(shè)施建設(shè)和深化管理提供借鑒經(jīng)驗。