灌區(qū)小型梯形渠道圓直形量水槽試驗(yàn)

戚玉彬 張?jiān)略? 賀光華 王昆

摘 要：為了緩解灌區(qū)小型梯形渠道量水設(shè)施短缺的問題，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的圓直形量水槽。通過π定理推導(dǎo)量水槽流量的函數(shù)關(guān)系式，在3條梯形渠道上選用5種收縮比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了圓直形量水槽的量水性能指標(biāo)。結(jié)果表明：基于π定理和灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的流量公式平均相對(duì)誤差為2.32%;對(duì)于坡度大于1/300的梯形渠道，量水槽收縮比小于0.5時(shí)，槽前弗勞德數(shù)可以滿足測(cè)流要求;量水槽壅水高度在18.8 cm以下，不影響渠道的正常運(yùn)行;圓直形量水槽可以在灌區(qū)小型梯形渠道上進(jìn)行測(cè)流。

關(guān)鍵詞：小型梯形渠道;圓直形量水槽;量水試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S274.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.030

引用格式：戚玉彬，張?jiān)略疲R光華，等.灌區(qū)小型梯形渠道圓直形量水槽試驗(yàn)[J].人民黃河，2021，43（10）：154-156，160.

Abstract： In order to alleviate the shortage of water measuring facilities for small trapezoidal channels in irrigation areas， a simple circular straight measuring flume was designed. Based on the π theorem， the functional relationship of the discharge formula of measuring flume was deduced. Five types of contraction ratios were used in three small trapezoidal channels for field test in irrigation areas. The water measurement performance index of circular straight measuring flume was analyzed. The results show that the average relative error of flow formula based on π theorem and field test in irrigation area is 2.32%. For trapezoidal channels with a slope greater than 1/300， Froude number in front of measuring flume can meet the requirement of flow measurement when the contraction ratio of measuring flume is less than 0.5. The backwater height of the measuring flume is below 18.8 cm， which can not affect the normal operation of the channel. The circular straight measuring flume can be used to measure flow in small trapezoidal channels of irrigation area.

Key words： small trapezoidal channel; circular straight measuring flume; test of water measurement

灌區(qū)量水是準(zhǔn)確調(diào)整農(nóng)業(yè)用水、實(shí)施灌溉計(jì)劃和管理用水的必要措施，也是灌區(qū)管理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。梯形渠道水力性能優(yōu)良，易施工和管理，目前仍是灌區(qū)廣泛應(yīng)用的末級(jí)渠道形式[3]。國內(nèi)外學(xué)者提出的梯形渠道量水設(shè)施主要有圓柱形[4-7]、弧形[8]、機(jī)翼形[9]、梯形喉口[10-12]等量水槽，大多以模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬的形式進(jìn)行研究，并未在灌區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、檢驗(yàn)量水效果。目前灌區(qū)梯形渠道應(yīng)用較多的量水設(shè)施仍然是巴歇爾槽和梯形堰。巴歇爾量水槽常用于干、支渠的梯形渠道量水，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在末級(jí)渠系的小型梯形渠道上很難精確修筑。梯形量水堰常用于灌區(qū)末級(jí)渠系梯形渠道量水，但其堰高高于渠底，堰前極易沉積雜物而使量水精度降低，并且梯形量水堰使用時(shí)，需要另外修建一段梯形渠道與之配套，增加了施工工序和造價(jià)。針對(duì)灌區(qū)末級(jí)渠系中小型梯形渠道的量水現(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)了一種可直接建造在小型梯形渠道上的簡(jiǎn)易圓直形量水槽，并在灌區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析研究圓直形量水槽的量水性能指標(biāo)，檢驗(yàn)其在灌區(qū)小型梯形渠道實(shí)際應(yīng)用的可行性，以期為灌區(qū)小型梯形渠道提供一種簡(jiǎn)易實(shí)用的量水設(shè)備。

1 試驗(yàn)情況

1.1 圓直形量水槽

圓直形量水槽設(shè)計(jì)為無喉量水槽，由1/4圓曲線形式的收縮段和直線形式的擴(kuò)散段組成。量水槽采用預(yù)制的鋼模板，直接建造在梯形渠道內(nèi)，不需要破除原有渠道，施工簡(jiǎn)單。收縮段的圓曲線控制方程為

x2+y2= B2（1）

式中：B=（B2-Bc）/2，其中B2為渠上口寬、Bc為喉口寬。

圓直形量水槽的構(gòu)造形式見圖1，B1為渠底寬。

1.2 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)地點(diǎn)為某灌區(qū)的3條小型梯形渠道。梯形渠道通過分水閘直接連接在干渠上，分水閘起到調(diào)配水的作用。分水閘后建有一段匹配梯形量水堰的過渡段渠道。梯形量水堰按《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造，并定期進(jìn)行校準(zhǔn)。梯形量水堰的堰口下底寬0.5 m，水尺精度為0.001 m。為保證試驗(yàn)水流的穩(wěn)定性，圓直形量水槽位于梯形量水堰之后的一段距離。在圓直形量水槽前1 m和槽后5 m處，分別設(shè)置上游、下游水尺，用于觀測(cè)圓直形量水槽的上游、下游水深。水尺用測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確標(biāo)記在梯形渠道內(nèi)壁上，上游、下游水尺精度均為0.001 m。

1.3 圓直形量水槽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)圓直形量水槽時(shí)，依據(jù)渠道比降先初選收縮比。由于當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)位于山前沖積扇平原，地面坡度較大，梯形渠道的比降以1/300～1/100之間居多，本試驗(yàn)中選取的梯形渠道比降均大于1/300。

將圓直形量水槽喉口斷面面積與梯形渠道斷面面積的比值作為量水槽的收縮比。為使量水槽既能形成臨界水流，又能最大程度減少上游壅水，并參考收縮比的適宜選擇范圍[6]，本試驗(yàn)共選擇5種收縮比。

收縮比選定后，根據(jù)收縮比計(jì)算得到喉口寬度和量水槽寬度。為便于運(yùn)輸和減少工程量，量水槽槽長(zhǎng)設(shè)計(jì)為量水槽寬度的4～5倍。圓直形量水槽和梯形渠道試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

2 流量公式

2.1 理論推導(dǎo)

圓直形量水槽的流量公式可用π定理來推導(dǎo)。設(shè)梯形渠道流量為Q，量水槽槽前水深為h，量水槽喉口寬度為Bc，梯形渠道上口寬度為B2，重力加速度為g，動(dòng)力黏滯系數(shù)為μ，根據(jù)量綱分析可寫出如下的函數(shù)式：

綜上，利用π定理推導(dǎo)得到圓直形量水槽流量的隱函數(shù)關(guān)系式。通過田間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可進(jìn)一步確定圓直形量水槽的流量公式。

2.2 流量公式

灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共計(jì)得到數(shù)據(jù)429組，代入式（13），結(jié)果見圖2。相對(duì)水深h/Bc與相對(duì)流量Q/（B2.5c·g0.5）相關(guān)關(guān)系良好，R2=0.993。通過進(jìn)一步擬合分析，冪函數(shù)的指數(shù)為1.376，系數(shù)為0.742，最終得到梯形渠道圓直形量水槽流量公式為

根據(jù)試驗(yàn)條件，式（14）適用于糙率系數(shù)為0.017、流量為0.08～0.19 m3/s、比降大于1/300的小型梯形渠道。

3 量水性能指標(biāo)分析

3.1 量水精度分析

將式（14）計(jì)算結(jié)果作為計(jì)算流量，與梯形量水堰的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比，見表2。式（14）所得的計(jì)算流量平均相對(duì)誤差僅為2.32%。因此，通過π定理和灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的圓直形量水槽流量公式可以滿足灌區(qū)量水精度要求。

3.2 槽前弗勞德數(shù)分析

要保證測(cè)流的準(zhǔn)確性，就必須控制槽前弗勞德數(shù)的大小，量水規(guī)范要求槽前弗勞德數(shù)小于0.5[13]。圖3為圓直形量水槽各收縮比在不同流量時(shí)弗勞德數(shù)的變化情況。由圖3可知，弗勞德數(shù)受量水槽收縮比的影響大，流量不變時(shí)，收縮比越大弗勞德數(shù)也越大。在本試驗(yàn)中弗勞德數(shù)的變化范圍是0.41～0.66，當(dāng)梯形渠道比降大于1/300、收縮比小于0.5時(shí)，可以滿足量水規(guī)范中對(duì)弗勞德數(shù)的要求。

3.3 槽前壅水高度分析

實(shí)際應(yīng)用中，量水槽相當(dāng)于阻水建筑物，在量水槽前段產(chǎn)生壅水，導(dǎo)致槽前水位壅高[14]。渠道上游水深與下游水深之差即為壅水高度。由圖4可知，流量變大時(shí)，壅水高度也隨之變大。收縮比增大時(shí)，壅水高度卻在減小。本試驗(yàn)中，收縮比為0.49～0.67時(shí)，壅水高度均小于18.8 cm，未出現(xiàn)槽前渠水溢出。

4 結(jié) 語

基于π定理和灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的圓直形量水槽流量公式，可以滿足灌區(qū)小型梯形渠道的量水精度要求。弗勞德數(shù)受收縮比影響大，對(duì)于比降大于1/300的梯形渠道，收縮比小于0.5時(shí)，弗勞德數(shù)可以滿足測(cè)流要求。在收縮比為0.49～0.67的范圍內(nèi)，圓直形量水槽的壅水高度均小于18.8 cm，不影響渠道的正常運(yùn)行。因此，圓直形量水槽可以在灌區(qū)小型梯形渠道上進(jìn)行測(cè)流。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫西歡，馬娟娟，周義仁.灌區(qū)量水技術(shù)及其自動(dòng)化[M].北京：中國水利水電出版社，2014：1-11.

[2] 栗克國，孟祥杰，李志飛，等.一種軌道式渠道自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].人民黃河，2018，40（7）：150-156.

[3] 呂宏興，裴國霞，楊玲霞.水力學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2011：237-238.

[4] 蔡勇，李同春，吉慶豐，等.梯形渠道圓柱形量水槽的試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2005（8）：63-66.

[5] 吉慶豐，袁曉淵，葛蘊(yùn)，等.梯形渠道圓柱形量水槽水力特性數(shù)值模擬[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2012，31（2）：59-61.

[6] 劉嘉美，王文娥，胡笑濤，等.梯形渠道圓柱形（帶尾翼）量水槽試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2013，32（6）：23-26.

[7] DAVIS S. Simple Flow Measurement Devices for Open Channels[R]. Las Cruces： New Mexico State University，2016：6-30.

[8] 于國豐，趙鳳偉，姜英震，等.梯形渠道移動(dòng)式弧形量水槽的試驗(yàn)研究[C]//中國水利學(xué)會(huì).中國水利學(xué)會(huì)2008學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上冊(cè)）.北京：中國水利水電出版社，2008：177-180.

[9] 潘志寶，呂宏興，張曉斐，等.梯形渠道機(jī)翼形量水槽試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（12）：97-100.

[10] 冉聃頡，王文娥，胡笑濤，等.梯形喉口無喉道量水槽水力性能分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2018，29（2）：236-244.

[11] 冉聃頡，王文娥，胡笑濤.梯形喉口無喉道量水槽設(shè)計(jì)及其水力性能模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（15）：177-183.

[12] RAN Danjie， WANG Wene， HU Xiaotao. Three-Dimensional Numerical Simulation of Flow in Trap Ezoidal Cutthroat Flumes Based on FLOW-3D[J]. Frontiers of Agricultural Science and Engineering， 2018， 5（2）： 168-176.

[13] 中華人民共和國水利部.灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范：GB/T 21303—2017 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：26-34.

[14] 美國內(nèi)政部墾務(wù)局.量水手冊(cè)[M].北京：中國水利水電出版社，2011：127-128.

【責(zé)任編輯 許立新】