王玉寶 楊 娟 李 鑫 王文娥 何武全

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的60%以上，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水有利于緩解我國水資源緊缺帶來的壓力[1-4]。我國農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的50%在于管理節(jié)水[5-7]，完善我國灌區(qū)量水設(shè)施、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的精確計量是開展農(nóng)業(yè)水價綜合改革和實施最嚴(yán)格水資源管理制度等管理措施的基礎(chǔ)[4,8-9]。我國灌區(qū)小型渠道數(shù)目眾多，量水設(shè)施缺乏，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水難以按量計費，仍普遍采用按公頃征收水費的方式，不利于提高農(nóng)民節(jié)水積極性，造成灌溉水浪費嚴(yán)重[10-11]。小型渠道中U形渠道占地面積小、防滲抗凍性能好，且具有較強的輸水、輸沙能力，在我國灌區(qū)應(yīng)用廣泛[12-13]。

有關(guān)小型U形渠道量水方面的研究以固定式量水設(shè)備為主，主要有平底拋物線形量水槽[14]、拋物線形喉口式量水槽[15]、直壁槽式量水堰[16]、機翼形量水槽[17]、U形喉道測流槽[18]、三角形剖面堰[19]和半圓柱形量水槽[20]等。固定式量水槽在灌溉水泥沙含量低、渠道底坡坡度較大的地區(qū)使用效果較好。若設(shè)置在灌溉水泥沙含量較高、底坡平緩的渠道中，會使量水槽上游水位長時間壅高，流速放緩，造成泥沙不斷淤積，導(dǎo)致測流精度和渠道過流能力下降，致使農(nóng)戶對小型渠道固定式量水設(shè)備的接受程度降低，并常造成對固定式量水設(shè)施的人為損毀。此外，灌區(qū)末級渠道需要測控斷面多，采用固定式量水設(shè)施量水時建造成本高。

為克服固定式量水設(shè)施的缺陷，學(xué)者們提出了多種移動式量水技術(shù)，其中較常用的有流速儀測流、超聲波測流和激光測流[21-23]。也有一些學(xué)者開展了移動式量水槽的研究。移動式量水槽一般通過在渠道邊壁或渠道中央安裝量水設(shè)施來縮窄過水?dāng)嗝?，形成臨界流進(jìn)行量水。如拋物線形移動式量水堰板[24]是一種設(shè)置在邊壁的量水槽，其測流誤差小于5%，結(jié)構(gòu)簡單、造價低，利于泥沙及漂浮物通過。由于U形渠道橫斷面形式多樣，每種裝在邊壁上的量水設(shè)備僅適合特定的一種斷面型式，且滿足收縮比要求時其斷面收縮程度較大，造成邊壁式量水設(shè)施體型較大；而安裝在中間的移動式量水槽，在滿足收縮比(設(shè)置量水設(shè)備后，量水槽喉口面積與渠道斷面面積之比)在適宜范圍內(nèi)的條件下，同一量水設(shè)備經(jīng)率定后可適用于多種斷面型式和結(jié)構(gòu)尺寸的U形渠道[25]。HAGER[26]對圓柱形量水槽的過槽水流進(jìn)行了理論分析，根據(jù)臨界流原理推導(dǎo)出圓柱形量水槽分別用于矩形、梯形及U形渠道測流時的水深-流量關(guān)系；何武全等[27]在HAGER的研究基礎(chǔ)上，對U形渠道圓柱體量水槽進(jìn)行了理論和試驗研究，提出了測流公式，相對誤差為3.78%；劉嘉美等[28]基于圓柱繞流理論，在圓柱體的背水側(cè)增設(shè)V形尾翼，提出了圓頭量水柱；劉英等[29]進(jìn)一步進(jìn)行了U形渠道圓頭量水柱的研究，發(fā)現(xiàn)其水頭損失比長喉道量水槽小，且小于同收縮比條件下的圓柱體量水槽。

以往研發(fā)的量水槽大多以流線型為參考設(shè)計，流線型量水槽可以有效減少水流與量水槽壁面分離，使水流更順暢，減小水頭損失和泥沙淤積，但需要一定的順流長度，其便攜程度還有較大的提升空間。為進(jìn)一步提高量水槽便攜程度，在吸收以往量水槽設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，本文提出一種體型盡可能小、且滿足測流要求的板柱結(jié)合型量水槽，并通過原型試驗和數(shù)值模擬對其水力性能進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與測流原理

1.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

板柱結(jié)合型量水槽通過局部縮窄渠道過水?dāng)嗝婷娣e，使過槽水流加速并產(chǎn)生臨界流，形成穩(wěn)定且單一的水位-流量關(guān)系，利用駐點水深計算過槽流量。便攜式量水槽不需要固定在渠道中，測流時間短，不會造成泥沙淤積，因此對水頭損失、壅水高度等指標(biāo)的要求較低。由于便攜式量水槽需要經(jīng)常進(jìn)行安裝、拆卸和搬運，所以對便攜程度的要求高，除了需要滿足測流條件外，還要求結(jié)構(gòu)簡單、體型小[30]。HAGER[31]提出了“文丘里量水槽”，該量水槽由兩塊分別安裝在矩形渠道兩側(cè)的薄板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單、體型小。水流收縮程度隨著量水槽寬度和量水槽相對長度的增大而增大[32]。因此，量水槽需要有足夠的寬度或者順流長度才能使過槽水流達(dá)到臨界流狀態(tài)。量水槽的順流長度對水流收縮程度的影響程度比其寬度小，增加順流長度會造成量水槽體積大幅度增大，嚴(yán)重降低量水槽便攜程度[32]。理論上，滿足測流條件的體型最小、結(jié)構(gòu)最簡單的量水槽就是在渠道中央放置一塊與水流方向垂直的薄板。薄板量水槽的缺點是流線差，水頭損失大，不易形成穩(wěn)定的駐點水深，圓柱量水槽、帶尾翼的圓頭量水槽以及橢圓形量水槽(長軸與水流平行)，在一定程度上避免了薄板量水槽的缺陷。

本研究結(jié)合薄板和圓柱各自的優(yōu)點，提出了板柱結(jié)合型量水槽。該量水槽由一個圓柱體和分別位于該圓柱兩側(cè)的兩塊薄板(圓柱體和薄板部分可移動，量水時置于渠道中間，減小過水?dāng)嗝嬉孕纬膳R界流)，以及原U形渠道共同組成。量水槽的薄板部分可以有效地縮小量水槽尺寸，提高便攜度；圓柱體部分可以改善量水槽流線分布情況，形成較穩(wěn)定的駐點水深。

根據(jù)以往經(jīng)驗[33]，受水流脈動的影響，駐點水深存在一定的波動，且駐點區(qū)域的位置會隨渠道底坡坡度的變化而改變，影響駐點水深量測精度，導(dǎo)致測流精度降低。為了進(jìn)一步優(yōu)化板柱結(jié)合型量水槽的結(jié)構(gòu)，提高測流精度，本研究改進(jìn)了駐點水深的量測方法。在量水槽迎水面前端鉆一排小孔，使水流進(jìn)入量水槽的圓柱內(nèi)部，柱內(nèi)水深波動極小，可通過圓柱內(nèi)水深間接測得駐點水深。板柱結(jié)合型量水槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 板柱結(jié)合型量水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematics of plate-column portable flume

1.1.2測流原理

板柱結(jié)合型量水槽基于臨界流原理測量過槽流量。將量水槽安裝在渠道中央，通過局部縮窄渠道過流斷面面積，使過槽水流加速并形成臨界流，產(chǎn)生不受下游水流影響的穩(wěn)定且單一的水深-流量關(guān)系，達(dá)到最佳測流效果[34-35]。結(jié)合能量守恒原理，通過駐點水深來計算過槽流量。

臨界流斷面的能量方程為

(1)

式中Hk——臨界流斷面總水頭(總能量)，m

hk——臨界流斷面水深，m

vk——臨界斷面流速，m/s

g——重力加速度，m/s2

α——動能修正系數(shù)，取1.0

臨界流斷面的弗汝德數(shù)Fr等于1，即

(2)

(3)

式中Q——計算過槽流量，m3/s

Ak——臨界斷面面積，m2

渠道斷面形狀尺寸及量水槽尺寸一定的情況下可由臨界流斷面水深hk計算得到Ak。

理論上，在臨界水深已知的情況下，可通過式(3)計算出過槽流量。但由于臨界斷面會隨著流量、收縮比等因素的變化而發(fā)生改變，實際測量臨界水深有一定的難度。因此結(jié)合能量守恒原理，通過上游總能量計算過槽流量。

假定上游斷面至臨界流斷面的能量損失忽略不計，根據(jù)能量守恒有

(4)

式中H1——量水槽上游總水頭(總能量)，m

由式(2)、(4)可得

(5)

式中Hs——駐點水深，m

式(5)表明上游總能量與臨界水深具有一一對應(yīng)的關(guān)系，而臨界水深與流量具有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此可以通過上游總能量計算出過槽流量。板柱結(jié)合型量水槽安裝后會在量水槽迎水面頂端形成駐點水深，理論上駐點水深與上游總能量相等，故本研究通過駐點水深來測量過槽流量。

由式(3)、(5)可得

(6)

假設(shè)量水槽過流面積最小的斷面為臨界流斷面。由于實際應(yīng)用中該斷面的水深一般大于渠道斷面圓弧段的高度，本研究僅對水深高于圓弧段的情況加以討論。

(7)

(8)

式中r——U形渠道圓弧段半徑，m

θ——圓弧段中心角，rad

m——U形渠道直線段邊坡系數(shù)

b——量水槽寬度，m

Ab——量水槽在臨界流斷面處截面面積，m2

已知駐點水深Hs的情況下，通過式(5)～(8)可計算出過槽流量。

1.2 試驗裝置與方法

1.2.1試驗裝置

圖2 原型試驗系統(tǒng)和有機玻璃U形渠道橫斷面 尺寸示意圖Fig.2 Prototype test system and cross section dimensions of plexiglass U-shaped channel1.供水管道 2.流量調(diào)節(jié)閥門 3.穩(wěn)水池 4.測針 5.板柱結(jié)合型量水槽 6.有機玻璃U形渠道 7.尾門 8.底坡坡度調(diào)節(jié)裝置 9.尾水池 10.渠首支架

原型試驗裝置主要由供水管道、流量調(diào)節(jié)閥門、穩(wěn)水池、試驗渠道、板柱結(jié)合型便攜式量水槽、渠道底坡坡度調(diào)節(jié)裝置、尾門、尾水池等組成，如圖2a所示。通過泵房將蓄水池的水抽入供水管道，利用閥門調(diào)節(jié)試驗流量。水流經(jīng)穩(wěn)水池后流入有機玻璃U形渠道，然后進(jìn)入尾水池，通過回水渠道流回蓄水池。供水管道段安裝有電磁流量計、回水渠道段設(shè)置有三角形量水堰，以量測試驗流量。板柱結(jié)合型便攜式量水槽的上、下游各處水位通過SCM60型水位測針測量，精度為0.1 mm。試驗渠道為U形有機玻璃渠道，渠長12 m，渠道綜合糙率n取0.011，坡度可進(jìn)行調(diào)節(jié)。渠道橫斷面參數(shù)如圖2b所示。

1.2.2試驗方法

本研究在5個渠道底坡坡度(i=1/500、1/1 000、1/2 000、1/5 000、0)、7個流量(15、20、25、30、35、40、45 L/s)的工況下，分別對5個不同收縮比(ε=0.514 2、0.561 1、0.608 5、0.656 4、0.704 8)的板柱結(jié)合型量水槽進(jìn)行試驗研究。通過調(diào)節(jié)底坡調(diào)節(jié)裝置，將渠道底坡坡度調(diào)整為試驗坡度。按照試驗裝置圖在渠道適當(dāng)位置處安置好板柱結(jié)合型量水槽后打開水泵供水，利用直角三角堰及電磁流量計監(jiān)測渠道中的實時流量，通過流量調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)流量至待測流量，之后調(diào)整渠道尾門開度，使水流處于自由出流狀態(tài)，按照編排好的控制斷面順序依次讀出水位測針讀數(shù)并記錄讀數(shù)和水流現(xiàn)象。最后減小渠道尾門開度，通過調(diào)節(jié)測試使水流處于臨界淹沒狀態(tài)，記錄上下游斷面水深。

1.2.3模擬方法

為了能夠更加深入地分析安裝量水槽后渠道中的水流狀況，根據(jù)模型試驗的條件對量水槽上游4 m處至其下游5 m處之間的流場進(jìn)行了仿真模擬。通過AutoCAD軟件建立渠道及量水槽的三維模型，如圖3a所示，并將模型導(dǎo)入Flow 3D軟件對其流場進(jìn)行模擬。根據(jù)板柱結(jié)合型量水槽的工作原理及特點，采用RNGk-ε三維湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用有限差分法將模擬控制方程離散為代數(shù)方程組進(jìn)行求解計算，對流項采用二階迎風(fēng)格式，擴散項采用二階中心差分格式，最小步長設(shè)為10-6。TruVOF計算方法只計算含有液體的單元而不考慮只含氣體的單元，很大程度上減少了模型收斂所需的時間，對自由液面的描述更加準(zhǔn)確。

圖3 U形渠道板柱結(jié)合型量水槽網(wǎng)格塊及連接處 網(wǎng)格劃分放大圖Fig.3 Schematics of grid division of model of plate-column portable flume in U-shaped channel

共采用3個網(wǎng)格塊對整個流場區(qū)域進(jìn)行劃分，由于量水槽附近的流場中各水力要素變化較劇烈，為了逼真地模擬渠道流態(tài)，同時減少計算時間，劃分該區(qū)域的網(wǎng)格塊采用較小的網(wǎng)格尺寸，如圖3b所示，單元網(wǎng)格長度為0.5 cm，該網(wǎng)格塊上下游的網(wǎng)格塊的單元網(wǎng)格長度均設(shè)置為1.0 cm，整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)為430萬～550萬。

邊界條件：上游進(jìn)口設(shè)置為流量進(jìn)口(Volume flow rate)，根據(jù)試驗中的實際流量給定一系列流量的進(jìn)口流量值，默認(rèn)流體從整個邊界開放區(qū)域流入，流動方向與邊界垂直；下游出口設(shè)置為出流邊界(Outflow)；渠道底部與側(cè)壁均選擇固壁邊界(Wall)；渠道頂部空氣入口設(shè)定為對稱邊界(Symmetry)，即默認(rèn)無流體穿過該邊界。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果分析

2.1.1測流公式及測流精度

測流公式?jīng)Q定量水槽的測流精度。以往量水槽測流公式多是基于平坡(i=0)條件得到，但灌區(qū)渠道大多為正坡，且修建的平坡渠道在凍融循環(huán)的影響下其底坡也會發(fā)生改變。因此，應(yīng)用基于平坡條件得到的流量公式會導(dǎo)致較大的測流誤差[36-37]。本研究通過回歸分析，獲得了適用于不同坡降、不同收縮比條件下的流量公式。影響量水槽過流條件的物理參數(shù)有：渠道底坡坡度、收縮比、駐點水深、量水槽喉口水面寬度和重力加速度?；诹烤V分析原理，利用SPSS軟件回歸分析得到具有量綱和諧性的測流公式

(9)

式中Bc——板柱結(jié)合型量水槽喉口處水面寬度，m

圖4 板柱結(jié)合型量水槽的測流相對誤差累計頻率Fig.4 Cumulative frequency of flow measurement relative errors for plate column combined flume

式(9)具有較高的計算精度(圖4)，平均相對誤差為2.07%。當(dāng)i>0時，測流相對誤差均小于10%，最大相對誤差為7.34%，最小相對誤差為-0.01%，其中95%的相對誤差不超過5%，平均相對誤差僅為0.22%；當(dāng)i=0時，量水槽相對誤差均小于5%，最大相對誤差為4.30%，最小相對誤差為-0.18%，平均相對誤差僅為0.15%。表明板柱結(jié)合型量水槽測流精度高，滿足灌區(qū)測流要求。

2.1.2壅水高度

過槽水流流經(jīng)量水槽時，流線向渠道兩側(cè)彎曲，流速急劇增大、水位明顯降低，在量水槽后方一定距離處匯合并形成水躍。由此產(chǎn)生的上下游水位差定義為量水槽的壅水高度。過大的上游壅水高度會增加渠道土方開挖量，導(dǎo)致投資加大。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上游壅水高度最大值為13.69 cm，最小值為1.85 cm，平均值為5.52 cm。渠道底坡坡度、流量和收縮比均是量水槽壅水高度的影響因素。整體上，板柱結(jié)合型量水槽的壅水高度隨量水槽收縮比的減小而增大，隨渠道底坡坡度和流量的增大而增大，如圖5所示(其他坡降或收縮比條件下的壅水高度變化規(guī)律與圖5類似)。底坡較陡的渠道，水流流速較大，動能占總能頭的比例較大，能量轉(zhuǎn)化引起的壅水高度較大[38]；收縮比越小，量水槽阻水能力越大，上游壅水越高[38]。因此，渠道底坡坡度較陡時適合應(yīng)用收縮比較大的量水槽；渠道底坡坡度較緩時，可以選用收縮比較小的量水槽。以上游壅水高度不超過10 cm為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/1 000時，應(yīng)采用收縮比ε>0.514 2的量水槽；當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/500時，應(yīng)采用收縮比ε>0.608 5的量水槽。

圖5 上游壅水高度與量水槽收縮比、渠道底坡 坡度和過水流量的關(guān)系Fig.5 Relationship between upstream backwater height and contraction ratios, slopes of channel and flow rates

2.1.3臨界淹沒度

臨界淹沒度是指收縮比、流量和渠道底坡坡度一定的條件下，量水槽下游水深剛好開始影響上游水深時下游水深與上游水深之比。臨界淹沒度反映了能保證量水槽處于自由出流的下游水深的范圍。試驗通過調(diào)節(jié)渠道尾門得到不同的下游水深，對量水槽的臨界淹沒度進(jìn)行測量。結(jié)果表明，臨界淹沒度最大值為0.91，最小值為0.70，平均為0.80。臨界淹沒度與坡度沒有明顯的關(guān)系，總體上隨收縮比的減小而減小，隨流量的增大而增大，如圖6所示

圖6 渠道底坡坡度i=1/1 000下的臨界淹沒度Fig.6 Critical submergence under condition of channel bottom slope i=1/1 000

(其他坡降條件下臨界淹沒度的變化規(guī)律與圖6類似)。

2.1.4駐點水深

根據(jù)能量守恒定理，駐點水深與上游總能量相等，故可以利用駐點水深代替上游總能量來測流。試驗結(jié)果證實，駐點水深與上游總能量的決定系數(shù)為0.986，二者總體相等，如圖7a所示。為了獲得更加精確的駐點水深，本研究通過測量柱內(nèi)水深間接得到駐點水深。理論上，柱內(nèi)水深與駐點水深相等，試驗結(jié)果證實二者決定系數(shù)等于0.991，如圖7b所示。與駐點水深相比，柱內(nèi)水面波動極小，水深易測且受雜草、泥沙等的干擾小。因此，利用柱內(nèi)水深間接測得駐點水深的方法可行、高效。試驗結(jié)果表明柱內(nèi)水深與流量之間具有良好的相關(guān)性。渠道底坡坡度為1/500時柱內(nèi)水深與流量的決定系數(shù)為0.966，如圖7c所示。

圖7 駐點水深與上游總能量、柱內(nèi)水深、流量的關(guān)系Fig.7 Relationship between water depth of stagnation point and total energy of upstream, water depth in column and flow rates

2.1.5槽前弗汝徳數(shù)

槽前弗汝徳數(shù)Fr是影響量水槽測流精度的重要因素之一。過大的槽前Fr可能導(dǎo)致量水槽上游水面產(chǎn)生較大波動，影響駐點水深測量的精確性，導(dǎo)致測流精度下降。一般要求明渠測流時槽前Fr小于0.5。試驗結(jié)果表明：量水槽收縮比越大，槽前Fr越大；收縮比相同的情況下，槽前Fr總體隨流量的增大而增大，如圖8a所示。當(dāng)收縮比和流量一定時，渠道越陡，槽前Fr越大，如圖8b所示。根據(jù)試驗結(jié)果，板柱結(jié)合型量水槽的槽前Fr均小于0.5，滿足測流要求。其他坡降或收縮比條件下的槽前Fr變化規(guī)律與圖8類似。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1水面線

圖8 槽前Fr與渠道底坡坡度、收縮比、流量的關(guān)系Fig.8 Relationship between upstream Froude number and slopes of channel, contraction ratios and flow rates

為驗證模擬方法的可靠性，本研究原型試驗中測量了駐點水深及板柱結(jié)合型量水槽上、下游若干斷面處渠道中心線上的水深，并與模擬值進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：當(dāng)水流接近量水槽時，水深沿水流方向升高，在量水槽迎水面前端達(dá)到最大值，形成駐點水深；渠道中心線上的水深在量水槽下游側(cè)最后端處最低，并沿水流方向不斷增大，在量水槽下游側(cè)一定距離處達(dá)到最大，之后水深基本沿程不變。模擬值和實測值吻合程度高，表明可以通過數(shù)值模擬的方法對板柱結(jié)合型量水槽進(jìn)行研究，如圖9所示。

圖9 設(shè)置板柱結(jié)合型量水槽后的渠道水面線

2.2.2流速分布

分析量水槽流場的流速分布對研究量水槽水力特性和優(yōu)化量水槽結(jié)構(gòu)具有重要意義。板柱結(jié)合型量水槽上游的水流流速較低，流速分布較均勻。在量水槽上游側(cè)靠近量水槽的區(qū)域，隨著水流不斷地接近量水槽，渠道斷面兩側(cè)的水流向渠道邊壁收縮，流速不斷增大，中間的水流流速不斷降低。渠道斷面中間的水流流速在量水槽迎水面最前端降為零；斷面兩側(cè)的水流在量水槽板的外端與量水槽分離，之后繼續(xù)向渠道兩側(cè)收縮，流速繼續(xù)增大，在量水槽后方一定距離處達(dá)到最大。隨后，過槽水流急劇擴散、交匯并形成水躍。經(jīng)過水躍段水流質(zhì)點不斷混摻、碰撞，水流流速重新分布，最終恢復(fù)均勻，回到緩

流狀態(tài)。圖10為i=1/2 000、Q=35 L/s、ε=0.608 5下板柱結(jié)合型量水槽的沿程流速分布圖。

圖10 板柱結(jié)合型量水槽的沿程流速分布Fig.10 Velocity distribution along channel after setting plate-column portable flume

3 討論

與其他幾種移動式量水槽的水力性能進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：板柱結(jié)合型量水槽精度較高，僅次于帶尾翼的圓柱形量水槽；其水頭損失、上游壅水高度較其他移動式量水槽大；臨界淹沒度相對較低，便攜度較高(表1)。

表1 不同移動式量水槽性能對比Tab.1 Performance comparison of different mobile flumes

注：“/”表示該文獻(xiàn)中缺少對量水槽該項性能的研究或無法從文獻(xiàn)中獲得；*為ε=0.560 0～0.750 0時的水頭損失。

(1)測流精度

量水精度是評價量水槽性能的決定性指標(biāo)。量水誤差主要來源于渠槽系統(tǒng)修建過程中的施工誤差和測流斷面水位量測誤差[37,39]。與以往研究成果相比，板柱結(jié)合型量水槽通過柱內(nèi)水深測量駐點水深，可有效避免槽前水面波動、水尺零點誤差和渠道底坡坡度變化引起的駐點位置改變等帶來的水位測流誤差。同時，板柱結(jié)合型量水槽體型小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝簡便，很大程度上減少了施工因素對測流誤差的影響。板柱結(jié)合型量水槽的平均測流相對誤差僅為2.07%，測流精度高于U形渠道機翼形量水槽(平均測流相對誤差為2.58%)[17]， U形渠道半圓柱形量水槽(平均測流相對誤差為3.55%)[20]。劉英等[40]研制的帶尾翼圓柱形量水槽制作和安裝誤差小，測流精度高，其測流相對誤差最大值為6.22%，最小值為-0.01%，平均相對誤差僅為0.1%。板柱結(jié)合型量水槽在正坡條件下的測流精度與帶尾翼圓柱形量水槽相差不大，最大相對誤差為7.34%，最小相對誤差為-0.01%，平均相對誤差為0.22%。帶尾翼圓柱形量水槽結(jié)構(gòu)較接近流線型，過槽水流順暢，駐點處水深穩(wěn)定；板柱結(jié)合型量水槽是非流線型結(jié)構(gòu)，駐點處水深存在一定的波動。本研究通過柱內(nèi)水深間接測得駐點水深，有效地減小了板柱結(jié)合型量水槽駐點處水深波動造成的測流誤差。圓柱形和橋墩形量水槽不屬于流線型結(jié)構(gòu)，駐點水深存在一定的波動，直接測量駐點水深導(dǎo)致其測流誤差較大(表1)。

(2)壅水高度、水頭損失、臨界淹沒度

與其他幾種便攜式量水槽相比，板柱結(jié)合型量水槽阻水能力較強，導(dǎo)致上游壅水高度較大；水流流線彎曲明顯，局部水頭損失較大。移動式量水槽只需在測流時臨時安裝在渠道中，測流時間一般不超過5 min，雖壅水高度和水頭損失較大，但不會出現(xiàn)泥沙淤積，渠道過水能力降低等問題。在流量較大時可選用收縮比較大的量水槽，以免上游水深超過渠道安全超高即可。板柱結(jié)合型量水槽的臨界淹沒度較圓柱形和帶尾翼的圓柱形量水槽低，與橋墩形量水槽相差不大，可在較大范圍內(nèi)保證自由出流。

4 結(jié)論

(1)借鑒薄板和圓柱形量水槽各自的優(yōu)點，設(shè)計了一種U形渠道便攜式板柱結(jié)合型量水槽，并結(jié)合連通器原理，改進(jìn)了駐點水深的量測方法。該量水槽體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作、安裝和拆卸，便攜程度高，具有良好的水位-流量關(guān)系，駐點水深容易獲得，可臨時安裝在U形渠道中測流。測流精度較高，可滿足灌區(qū)測流要求。在i>0時測流相對誤差均小于10%，最大相對誤差為7.34%，其中95%的相對誤差不超過5%；當(dāng)i=0時，量水槽相對誤差均小于5%。

(2)板柱結(jié)合型量水槽的壅水高度隨收縮比的減小而增大，隨渠道底坡坡度和流量的增大而增大。以上游壅水高度不超過10 cm為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/1 000時，宜采用收縮比ε大于0.514 2的量水槽；當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/500時，宜采用收縮比ε大于0.608 5的量水槽。能在較大范圍內(nèi)保證自由出流，其臨界淹沒度總體上隨收縮比的減小而減小，隨流量的增大而增大，與坡度沒有明顯的關(guān)系。槽前Fr均小于0.5，滿足測流要求。

(3)板柱結(jié)合型量水槽較現(xiàn)有的圓柱形量水槽、帶尾翼的圓頭量水槽、橋墩形量水槽和橢圓形量水槽體型更小，便攜程度更高。其上游壅水高度稍大，臨界淹沒度稍低，但均能滿足灌區(qū)測流要求。