齊佳佳 李永業(yè) 孫西歡

摘要：灌渠測流儀器的合理應(yīng)用是實現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水灌溉的重要工程措施?；诒”谘吡髟?，提出了一種新型的復(fù)合型量水堰測流技術(shù)，以U50型渠道為例，采用理論分析和模型試驗的方法，對不同流量工況下復(fù)合堰上游特征斷面水力特性進(jìn)行分析，并進(jìn)一步率定校核了復(fù)合堰的測流經(jīng)驗公式。結(jié)果表明：該復(fù)合型量水堰測流精度較高，相對誤差在4%以內(nèi)，誤差均值不超過2.3%；安裝堰板時上游水深呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且在堰板處水深達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：U形渠道；節(jié)水灌溉；復(fù)合堰；水位

中圖分類號：TV 149.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.035

U形灌渠是我國重要的農(nóng)田水利設(shè)施，具有流速分布均勻、占地面積較小、抗凍脹能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著U形渠道在農(nóng)田水利工程中的廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者對U形灌渠測流問題進(jìn)行了研究，但目前既能滿足精度要求又方便簡單的測量技術(shù)和方法較少[2]。目前我國常見的U形渠道量水堰形式為直臂槽式[3]、U形長喉道式[4]、拋物線型[5]、三角剖面型[6]，國外針對梯形和矩形渠道量水技術(shù)的研究較多[7-8]。復(fù)合堰作為特殊的量水堰型，其在U形灌渠中的研究和應(yīng)用較少，尤其是對復(fù)合堰上游斷面水力特性的研究相對較少。筆者基于水力學(xué)原理，對傳統(tǒng)測流堰板的體型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計了一種測流量程較大、精度較高、安裝方便、使用簡單的復(fù)合型量水堰。以其在U50型渠道中的應(yīng)用為例，對渠道上游特征斷面水位進(jìn)行了探討，并率定出精度較高的經(jīng)驗公式，旨在為復(fù)合型量水堰在U形渠道中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 渠道與量水堰參數(shù)

試驗采用U50型渠道斷面，與田間常見灌渠尺寸相同，其結(jié)構(gòu)包括底部圓弧及上部梯形兩部分[9]。材料采用不銹鋼，長17m，渠道底部為可調(diào)節(jié)支座，用于調(diào)節(jié)渠道坡度，本次試驗采用比降為1：1000，渠道糙率n=0.012[10]，渠道斷面見圖1（a）；試驗設(shè)計的復(fù)合型堰板采用PVC材質(zhì)板材加工制造，其具有較高的強(qiáng)度，且耐氣候變化性、耐沖性較好。因試驗需采用堰板率定U形渠道的過流能力，需要保證堰板與U形斷面的密封性來提高其測流精度，故采用添加固化劑的云石膠與渠道粘合固定。堰板分為兩部分，下部為直角三角形，用于小流量測量，當(dāng)堰上水頭淹沒直角三角形部分時，可采用上下兩部分同時測流。其堰板尺寸見圖1（b）。

1.2 試驗系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)由動力與調(diào)節(jié)裝置、穩(wěn)流裝置、試驗渠道、測試裝置4部分組成。水流由離心泵從地下水庫抽人蓄水池，經(jīng)蓄水池穩(wěn)流后進(jìn)入U形渠道，在不銹鋼水槽出水端設(shè)有矩形水箱及消能穩(wěn)流板，用于穩(wěn)定渠道中流量。矩形水箱后連接矩形明渠，三角堰安裝在矩形明渠上，用于測定渠道流量。水流經(jīng)三角堰流入地下水庫，形成循環(huán)系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)布置見圖20復(fù)合堰安裝前用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程調(diào)平，由于采用特定的量水設(shè)施量水時，一般要求明渠水流要有40倍水力半徑的平直上游段[11]，此U形渠道水力半徑為0.18m，因此復(fù)合堰安裝在距水槽進(jìn)水口10m處。

1.3 試驗方案

試驗測量工況為流量0～155m3/h，滿足標(biāo)準(zhǔn)直角三角堰適用條件，故采用直角三角形薄壁堰控制渠道流量，流量按下式進(jìn)行計算：

Q=C0H5/2式中：Q為流量m3/h； H為堰頂水頭，m；C0為直角三角形薄壁堰的流量系數(shù)，因試驗中H<25cm，故C0取1.4[10]。

在堰板上游沿水流方向選取5個特征測試斷面，斷面1#～5#距渠道進(jìn)水口的距離依次為70、290、510、730、950cm，各測試斷面水位由0.1mm精度測針測得。

2 復(fù)合型量水堰上游水位特性

2.1 模型試驗與理論分析

當(dāng)U形渠道中無堰板測流時，水流為均勻流，流量沿程不變，渠道中無干擾物且渠道長而順直，粗糙系數(shù)沿程不變，可按明渠均勻流求解。明渠均勻流公式為式中：Q為流量，m3/s；C為謝才系數(shù)；A為渠道過水?dāng)嗝婷娣e，m2，按式（3）進(jìn)行計算；X為渠道過水?dāng)嗝鏉裰?，m，按式（4）進(jìn)行計算；R為斷面水力半徑，m； n為粗糙系數(shù)；i為渠道縱比降。式中：r為渠道半徑，m；H為過水?dāng)嗝嫠睿琺m。

由式（2）、式（3）、式（4）可反算出當(dāng)灌溉流量分別為5、15、25、75、105、135m3/h時，水深H分別為3.65、6.15、7.87、13.57、16.14、18.44cm，其水深分布見圖3（a）。當(dāng)U形渠道中安裝復(fù)合堰時，會使渠道上游水位壅高，其各灌溉流量工況下各斷面的測量水深分布見圖3（b）。

由圖3（b）可知，安裝堰板進(jìn)行測流會對上游水深造成一定的影響：測試斷面距渠道進(jìn)水口70～950cm時，水深呈現(xiàn)增大趨勢，此增大趨勢在730～950cm斷面處表現(xiàn)最明顯，并在復(fù)合堰板處水深達(dá)到最大值，此趨勢由堰板測流導(dǎo)致上游水位壅高所致。當(dāng)流量為5～135m3/h時，隨著流量的增大，各斷面水深均呈增大趨勢，且當(dāng)流量為135m3/h時，斷面水深達(dá)到最大值，此時水面距渠頂約20cm，對渠道過流能力影響較小。

2.2 壅高水位分析

各斷面的壅高水位情況見圖4，水位壅高值為放置堰板前、后的水深差值。當(dāng)流量為5一75m3/h時，隨著流量的增大，同一斷面水位壅高值均呈增大趨勢，且在75m3/h時為最大值；當(dāng)流量為75一135m3/h時，隨流量的增大，同一斷面水位壅高值均呈下降趨勢，且水位壅高值趨于11～12cm；在同一流量下，水位壅高值均表現(xiàn)為靠近堰板處最大。

3 復(fù)合型量水堰的量水特性

3.1 復(fù)合堰量水經(jīng)驗公式的建立

復(fù)合堰安裝在距渠道進(jìn)水口10m處，用于率定復(fù)合堰的流量與堰上水頭的經(jīng)驗公式，當(dāng)流量較小時，復(fù)合堰直角三角形部分過流；當(dāng)流量較大時，復(fù)合堰與渠道形成的梯形部分和復(fù)合堰三角形部分同時過流，故采用分段擬合。

當(dāng)堰上水頭H≤10cm時，以冪函數(shù)進(jìn)行擬合，所擬合曲線見圖5（a），擬合優(yōu)度為0.9997，近似于1，說明擬合度較優(yōu)；當(dāng)堰上水頭H>10cm時，以冪函數(shù)進(jìn)行擬合，所擬合曲線見圖5（b），擬合優(yōu)度為0.9872，近似于1，說明擬合度較優(yōu)。擬合所得流量與堰上水頭經(jīng)驗公式為

3.2 復(fù)合堰量水經(jīng)驗公式的校核

將校核值H代入式（5），得出流量計算值，以三角堰所測數(shù)據(jù)為真值，求得其相對誤差。本次試驗選取其他6組不同試驗工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，校核結(jié)果見表1，相對誤差均在4%以內(nèi)，誤差均值不超過2.3%，測流精度較高，滿足渠道量水設(shè)備測流誤差要求（5%以內(nèi)）[11]。

4 結(jié)論

（1）提出了一種新型的復(fù)合堰測流技術(shù)，通過模型試驗和理論分析，得出當(dāng)渠中安裝復(fù)合堰時，水深沿水流方向呈逐漸增加的趨勢；當(dāng)流量一定時，水位壅高值均表現(xiàn)為靠近堰板處最大。

（2）通過在測試斷面測流，得出了流量和堰上水頭的經(jīng)驗公式，并對經(jīng)驗公式進(jìn)行了校核試驗，其相對誤差在4%以內(nèi)。

（3）此堰板測流方法簡單、設(shè)備造價低、易操作，可用于固定式測流，也可以用于便攜式測流，具有較高的實用和推廣價值。

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