矩形渠道矩形側(cè)堰水力特性試驗研究

盧德友，王瑩瑩，張文正，賈曉萌

（1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學院，鄭州 450011；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002）

0 引 言

灌區(qū)用水的精準計量對執(zhí)行最嚴格的水資源管理制度及農(nóng)業(yè)以需定水、以水定地、以水定產(chǎn)至關重要。我國對于灌區(qū)量水技術的研究從20 世紀50 年代開始，經(jīng)過70 a 以上的發(fā)展，量水技術和方法逐漸趨于成熟[1]。但是由于我國不同地區(qū)的灌區(qū)條件各異，存在不同的突出問題，如高含沙水的引黃灌區(qū)、坡降大的山區(qū)灌區(qū)和緩坡渠系的平原灌區(qū)，且各灌區(qū)工程類型和管理水平不一，因此，量水技術很難完全滿足規(guī)范化、標準化現(xiàn)代灌區(qū)管理工作的需求，尤其是斗渠及以下的小型渠道量水設備的配套率還比較低。

薄壁堰流水位流量關系穩(wěn)定，試驗或野外測量時經(jīng)常使用薄壁堰進行量水[2]。側(cè)堰屬于薄壁堰，其結構簡單，量水精度較高，側(cè)堰水力特性研究已經(jīng)成為很多學者的課題。目前，國內(nèi)學者對側(cè)堰的研究主要集中在側(cè)堰在水利工程中的應用[3,4]，國外對于側(cè)堰在灌溉工程中應用的研究較多。EMIROGLU 對矩形側(cè)堰的水面線、流量系數(shù)等水力特性進行研究，并對基于流量系數(shù)推導出來的流量公式與其他學者進行對比[5]。ALIREZA 對不同側(cè)壁坡度下的側(cè)堰進行試驗研究，并推導了含有佛汝德數(shù)、側(cè)堰高度和側(cè)壁坡度的流量公式[6]。前人對側(cè)堰流量系數(shù)的研究較多，基于流量系數(shù)推導出的流量公式精度較高，但大多形式比較復雜，不便于推廣應用。本文在王瑩瑩[7-9]、王佳偉[10,11]等人試驗研究的基礎上，補充分析了矩形渠道上的不同高度的矩形側(cè)堰在不同流量工況下的水面線、壅水高度、水頭損失等水力特性，推導了形式簡單、精度較高、便于操作的流量公式，以期為側(cè)堰優(yōu)化選型和在小型渠道中的實踐應用提供參考。

1 試驗布置及方案

1.1 試驗布置

試驗渠道由2 條交角為90°的矩形渠道構成，分別為主渠道和側(cè)渠道，主渠道長33.1 m、寬0.5 m、深0.6 m，為混凝土襯砌渠道，渠道綜合糙率取為0.013，渠道底坡為1/2 000；側(cè)渠道為PVC 材料制成的矩形槽，長2 m、寬0.5 m、深0.6 m。在渠道分水口處放置矩形側(cè)堰。主渠道末端下游封閉，水流全部通過側(cè)堰進入側(cè)渠道。圖1為試驗系統(tǒng)平面圖。試驗系統(tǒng)流量大小通過閥門調(diào)節(jié)，測量校核使用直角三角形薄壁堰，即三角形薄壁堰堰頂夾角為90°，流量采用式（1）計算。渠道水深測量使用SCM60型水位測針，其測量精度為±0.1 mm。

式中：Q為過堰流量，m3/s；H為三角堰堰上水頭，m。

1.2 試驗方案

根據(jù)灌區(qū)小型渠道灌溉流量范圍，本試驗流量設置6個水平，分別為15.61、19.65、21.55、28.44、34.70、40.87 L/s；矩形側(cè)堰堰寬均為50 cm，堰高設置6 個水平，分別為7.05、10.25、13.15、15.15、17.05、20.35 cm。為了獲得主渠道側(cè)堰附近水面變化情況，在側(cè)堰上、下游端30 cm 范圍內(nèi)共設置9個測流斷面。由于側(cè)堰的泄流作用，主渠道垂直水流方向的水面會向側(cè)堰傾斜，因此9個測量斷面分別在靠近側(cè)堰端（簡稱為①側(cè)）、主渠道中心線（簡稱為②側(cè)）和遠離側(cè)堰端（簡稱為③側(cè)）3 處共計27 個測點進行水深的測量[8]。各測點具體位置如圖2所示。

圖2 試驗測流斷面位置及測點示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of measuring sections and points

2 試驗結果

2.1 水面線

渠道水深是量水的主要影響因素，水面線又是量水設施研究的主要影響因素，因此需要對主渠道側(cè)堰段水面線進行研究[12]。水流從主渠道進入與其垂直的側(cè)渠道時，水流流線發(fā)生急劇彎曲，水深也發(fā)生變化，由于側(cè)堰的設置，各測流斷面①、②、③側(cè)的水深不相同。為了研究側(cè)堰對主渠道水流的影響，繪制了各矩形側(cè)堰在不同流量下的側(cè)堰附近水面線。相似工況下規(guī)律相同，因此，本文僅對其中的一種工況進行分析。圖3 給出了流量Q=15.61 L/s，側(cè)堰高度h=7.05 cm 時不同堰高情況下主渠道側(cè)堰附近水面線的變化情況，橫坐標以主渠道水流流向為正方向，橫坐標0點為斷面V 所在位置，縱坐標表示渠道水深。由圖3可知，隨著水流的行進，主渠道側(cè)堰上游段水面逐漸下降，在斷面Ⅳ處下降到最低，這是因為在斷面Ⅳ之后，水流流經(jīng)側(cè)堰上游開口處，高于堰頂?shù)乃鞯靡孕筟7,10]，水流流經(jīng)側(cè)堰時，因緩流條件下主渠道流量逐漸減少，側(cè)堰段水面線逐漸上升[12]，在側(cè)堰下游段水面線逐漸趨于平穩(wěn)。在同一堰高下，①側(cè)水面線上下波動較大，②側(cè)次之，③側(cè)水面線較穩(wěn)定，受側(cè)堰的影響較小，這與前人研究的規(guī)律相同[7-11]。這說明側(cè)堰的設置對主渠道水流的影響不大，影響范圍僅限于主渠道中心線附近。

圖3 Q=15.61 L/s，h=7.05 cm時主渠道側(cè)堰附近水面線Fig.3 Flow profiles in main channel near side weirs when the discharge is 15.61 L/s and the side weir height is 7.05 cm

為了深入研究側(cè)堰對主渠道水流的影響，繪制了同一堰高不同流量和同一流量不同堰高下①側(cè)水面線，分別以堰高為7.05 cm 和流量為28.44 L/s 時為例（其他情況下規(guī)律亦同），如圖4 和圖5 所示，圖4 和圖5 的坐標設置與圖3 相同。由圖4可知，堰上水面線為壅水曲線，同一堰高下波動程度隨著流量的增大而增大。由圖5可知，同一流量下水深隨著堰高的增加而增加，水面波動程度受堰高的影響較小。

圖4 h=7.05 cm時不同流量下主渠道①側(cè)水面線Fig.4 Flow profiles in main channel of side weir with height 7.05 cm under different discharges

圖5 Q=28.44 L/s時不同堰高下主渠道①側(cè)水面線Fig.5 Flow profiles in main channel of side weir with discharge 28.44 L/s under different side weir heights

2.2 壅水高度

在渠道上修建側(cè)堰，會引起渠道上游水位壅高，造成一定范圍內(nèi)的淹沒。設定渠道通過一定流量時，放置矩形側(cè)堰前后渠道上游水深差為側(cè)堰在該流量下的壅水高度[7]。為了使灌溉水流不因為側(cè)堰的設置而溢出渠道，造成水源的浪費，需要對壅水高度進行分析。本試驗對矩形側(cè)堰在不同堰高、不同流量下的壅水高度進行計算，如圖6 所示。由圖6 可知，當流量一定時，壅水高度隨著堰高的增大而增大。在同一堰高下，當堰高為7.05 cm 和10.25 cm 時，在流量小于28.44 L/s時，壅水高度隨著流量的增加而減小，在流量大于28.44 L/s時，壅水高度隨流量的增加而增加；當堰高在13.15～20.35 cm時，壅水高度整體上隨流量的增大而減小，在流量大于28.44 L/s時，減小幅度較小，說明此時流量對壅水高度的影響較小。本試驗條件下，不同堰高的矩形側(cè)堰在不同流量下的壅水高度均在17 cm以內(nèi)，最大壅水高度為16.14 cm。

圖6 不同堰高下壅水高度隨流量的變化Fig.6 Variation of percentage of backwater height with discharges under different side weir heights

2.3 水頭損失

由于液體具有黏滯性，所以在流動過程中會為了克服各液層之間的摩擦阻力而做功，引起其機械能的損失，即水頭損失[13]。量水設施在進行量水時都會產(chǎn)生一定的水頭損失，進而導致灌溉效率降低，增加工程成本[14]，因此研究量水設施時需對水頭損失進行分析。水頭損失根據(jù)液流邊界的形狀大小沿程變化與否和主流是否脫離邊壁或形成旋渦分為沿程水頭損失和局部水頭損失[13]。對于本試驗，水流順主渠道流動，沿程形狀大小不變，流經(jīng)側(cè)堰時產(chǎn)生分流，在主渠道側(cè)堰下游產(chǎn)生漩渦，液層之間的摩擦和水質(zhì)點間的碰撞加劇，進而產(chǎn)生水頭損失。因此在側(cè)堰流中的沿程水頭損失與局部水頭損失相比較小，可忽略不計[15,16]。在水頭損失計算中，本試驗選取的控制斷面為主渠道中側(cè)堰的上游端斷面和側(cè)渠道中的下游斷面，基準面為渠道底部所在的水平面。

基于不同流量下各矩形側(cè)堰試驗數(shù)據(jù)計算水頭損失，進而得到水頭損失占上游總水頭的百分比與流量之間的關系，如圖7 所示。由圖7 可知，相同流量下，水頭損失百分比隨堰高的增加而增加；同一堰高下，水頭損失百分比隨流量的增大而減小。當堰高為7.05、10.25、13.15、15.15、17.05 和20.35 cm 時，水頭損失占上游總水頭百分比的平均值分別為35.7%、43.7%、50.6%、55.3%、60.6%和65.5%，矩形側(cè)堰的水頭損失相比于大多槽類量水設施的水頭損失較大[17,18]。

圖7 不同堰高下水頭損失百分比隨流量的變化Fig.7 Variation of percentage of head loss with discharges under different side weir heights

2.4 矩形側(cè)堰流量經(jīng)驗公式

通過對試驗數(shù)據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn)，流量Q與堰上水頭h1有明顯的函數(shù)關系，如圖8所示。

圖8 流量與堰上水頭的關系Fig.8 Relationship between discharge and weir head

利用試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，獲得各堰高下流量Q與堰上水頭h1的關系式如表1所示。通過各關系式所得計算和實測流量的對比如圖9 所示。由圖9 可知，計算和實測流量的數(shù)據(jù)對比均在5%以內(nèi)；由表1 可知，各公式最大相對誤差絕對值為4.98%，最大平均相對誤差絕對值為4.27%，滿足GB/T 21303—2017GB《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中對于量水精度不大于5%的要求[19]。

表1 各堰高下流量Q與堰上水頭h1的關系式Tab.1 Relationship between discharge and weir head under different side weir heights

3 結 論

本文對矩形渠道中6 種不同高度的矩形側(cè)堰在6 種不同流量下進行清水試驗，并用三角堰進行流量校核，通過對試驗所得數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結論。

（1）獲得了不同工況下主渠道側(cè)堰附近水面線，因緩流條件下側(cè)堰段主渠道流量逐漸減少，水面線均為壅水線，主渠道靠近側(cè)堰一側(cè)的水面受側(cè)堰的影響波動較大。

（2）矩形側(cè)堰的水頭損失占上游總水頭的35.7%～65.5%，水頭損失較高，此性能指標劣于槽類量水設施。

（3）獲得的流量公式最大相對誤差為4.98%，滿足GB/T 21303—2017GB《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中對于量水精度不大于5%的要求。采用矩形側(cè)堰量水時只需測得側(cè)堰上游端水深即可獲得過堰流量，具有簡單、便捷、成本低廉且精準度較高的優(yōu)點，便于在田間具有固定斷面的硬化農(nóng)渠（溝）、毛渠（溝）中應用和推廣。

（4）影響矩形側(cè)堰水力特性的因素還有渠道寬度、側(cè)堰寬度、水流含沙量等，未來尚需要開展此3個因素與堰體結構的試驗，以更好地提高側(cè)堰量水精度。