麥文慧，王紅雨，馬利軍，李星，柴鵬翔

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

渠道遠(yuǎn)程自動測控一體化閘門是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息化管理的關(guān)鍵設(shè)備，對于實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精確配水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理具有重要作用[1].為此，國內(nèi)學(xué)者研究開發(fā)了一些現(xiàn)代化閘門測控產(chǎn)品，張從鵬等[2]基于ARM的硬件平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)了閘門終端和控制中心應(yīng)用軟件，并在不同灌區(qū)的閘門上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行.史中興等[3]結(jié)合移動網(wǎng)絡(luò)、智能手機(jī)和超聲波等新技術(shù)，研發(fā)了灌區(qū)閘門測控一體化設(shè)備，并在大型灌區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證.相對于國內(nèi)的自動化控制設(shè)備，澳大利亞Rubicon公司研發(fā)的全渠道控制設(shè)備具有技術(shù)先進(jìn)，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[4]，已應(yīng)用于寧夏及周邊地區(qū)，而對于該設(shè)備在國內(nèi)其他灌區(qū)的應(yīng)用情況，也有學(xué)者進(jìn)行了分析.曾國雄[5]通過監(jiān)測試驗(yàn)和性價(jià)比分析，認(rèn)為Rubicon測控一體化閘門計(jì)量精度高，且使用壽命長.宋增芳等[6]分析了疏勒河昌馬南干渠灌區(qū)Rubicon測控一體化閘門的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于汛期大量泥沙入渠，干擾傳感器正常工作，測得的水位、流量等數(shù)據(jù)精度較差.謝學(xué)東等[7]分析了寧夏南山臺揚(yáng)水灌區(qū)的Rubicon測控一體化閘門的使用情況，認(rèn)為在高含沙水灌區(qū)，測流系統(tǒng)中的超聲波流量計(jì)的適用性、可靠性和穩(wěn)定性等方面都有待于進(jìn)一步研究與完善.

寧夏南山臺揚(yáng)水灌區(qū)從黃河引水，含沙量較大，多年來一直采用無喉道量水槽人工觀測計(jì)量，通過觀測上下游水位，配以較成熟的一套操作規(guī)程，可以獲得較準(zhǔn)確的計(jì)算流量.然而，這種傳統(tǒng)測流設(shè)備和方法卻難以滿足現(xiàn)代化灌區(qū)自動量水和水量自動控制等目標(biāo)要求.2015年開始該灌區(qū)受益于節(jié)水配套改造項(xiàng)目的實(shí)施，在干渠沿線安裝Rubicon測控一體化槽閘9臺，測控一體化板閘流量計(jì)54臺并配備了Rubicon灌溉系統(tǒng)管理軟件.

為定量分析含沙量對Rubicon測控一體化板閘測流精度的影響，文中進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，主要通過走訪灌區(qū)基層技術(shù)管理人員、查閱無喉道量水槽和測控一體化板閘的實(shí)時(shí)測流數(shù)據(jù)，了解含沙量變化以及水位傳感器、測流閘門在不同時(shí)期的運(yùn)行情況.以無喉道量水槽測流結(jié)果作為對照，分析測控一體化板閘在汛期渠道水含沙量較大和非汛期渠道水含沙量較小時(shí)的測流精度，并利用ANSYS Fluent對測控一體化板閘在不同含沙量情況下的水力性能進(jìn)行研究，結(jié)合其測流原理，分析含沙量對測流精度的影響機(jī)制，以便為Rubicon測控一體化板閘在多泥沙渠道中的推廣應(yīng)用提供決策依據(jù).

1 材料與方法

1.1 測控一體化板閘測流方法

測控一體化板閘是Rubicon公司的研發(fā)成果之一，是集流量計(jì)和閘門于一體的自動化控水設(shè)備，擁有精確計(jì)量流量、高精度控制閘門、全太陽能驅(qū)動和無線通訊等功能，采用底部過流的方式，如圖1所示.

圖1 測控一體化板閘示意圖

測控一體化板閘使用Sonaray聲波陣列技術(shù)進(jìn)行測流，如圖2所示.通過8個(gè)水平面，在計(jì)量箱內(nèi)進(jìn)行流速采樣，每個(gè)計(jì)量平面采用超聲波交叉?zhèn)鬏攲υ撈矫嫠辛魉賵霾蓸?，然后通過對水平流速分布進(jìn)行垂直整合，構(gòu)成三維流速分布.即通過多路徑橫斷面繪制出流速狀態(tài)，記錄計(jì)量箱內(nèi)流速分布的3D形態(tài)，監(jiān)測瞬時(shí)流量和總流量，提供精確的用水記錄.

圖2 Sonaray聲波陣列技術(shù)原理示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 項(xiàng)目區(qū)概況

南山臺揚(yáng)水灌區(qū)位于中衛(wèi)市黃河南岸，總灌溉面積1.44萬hm2，主要采用無喉道量水槽進(jìn)行支渠流量監(jiān)測，難以適應(yīng)現(xiàn)代化灌區(qū)信息化管理的要求.2015年灌區(qū)安裝測控一體化閘門，實(shí)現(xiàn)了干、支、斗等各級渠道量水、配水和輸水的自動化監(jiān)測與調(diào)控，構(gòu)建了從渠道輸配水到田間用水匹配合理，節(jié)水效果顯著的控制與管理系統(tǒng).

南山臺揚(yáng)水灌區(qū)利用黃河岸邊的抽水泵站直接從黃河引水灌溉，由于揚(yáng)水泵站(灌區(qū)水源地)距黃河寧蒙段的下河沿水文測站僅10 km.因此，下河沿水文測站黃河水含沙量資料對南山臺揚(yáng)水灌區(qū)水源含沙量分析具有重要的參考價(jià)值.

根據(jù)下河沿水文站2018年7—10月逐日平均含沙量資料，最大值達(dá)到了94.00 kg/m3.2019年，第一次沙峰形成時(shí)間為6月27日，含沙量為5.19 kg/m3.第二次泥沙主要為蘭州以上來沙，沙峰形成時(shí)間為7月31日9時(shí)，沙峰含沙量為7.66 kg/m3[8].考慮從黃河引水到灌區(qū)會經(jīng)過泵站沉沙池的沉淀作用，綜合2018年和2019年含沙量數(shù)據(jù)，在模擬計(jì)算時(shí)灌區(qū)渠道水最大含沙量取15.00 kg/m3.

根據(jù)黃河多年泥沙資料[9]，粒徑小于0.05 mm的泥沙占比超過70%，且南山臺揚(yáng)水灌區(qū)引水方式?jīng)]有發(fā)生較大的實(shí)質(zhì)性改變，參考1985年干渠淤沙和水源含沙粒徑統(tǒng)計(jì)情況[10]，水源中71.8%的懸沙粒徑小于0.05 mm，而干渠淤沙中只有1.5%，因此可以認(rèn)為，粒徑小于0.05 mm的懸沙基本都通過閘門進(jìn)入了支渠，故在模擬計(jì)算時(shí)沙粒粒徑取0.05 mm.

1.2.2 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證測控一體化板閘在高含沙水渠道中的測流精度，利用比較成熟的無喉道量水槽作為對照，對比分析測控一體化板閘分別在汛期和非汛期的測流結(jié)果.文中在南山臺揚(yáng)水灌區(qū)選取了18條無喉道量水槽完好且測流條件較好的支渠，2018年3—11月整個(gè)灌溉期，每逢灌水日觀測無喉道量水槽上下游水位，選取對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到無喉道量水槽測流值，并記錄同一時(shí)間測控一體化板閘的測流值.

圖3為無喉道量水槽和測控一體化板閘的布置圖，測控一體化板閘距無喉道量水槽30 m，因此，不會影響到無喉道量水槽的測流結(jié)果.

圖3 測流平面布置圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

將測控一體化板閘和無喉道量水槽測流數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以無喉道量水槽測流結(jié)果為基準(zhǔn)，分析研究含沙量對測控一體化閘門測流精度的影響.采用回歸系數(shù)b，決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE擬合度檢驗(yàn)指標(biāo)對2種測流方法分別在汛期(6—10月)和非汛期(11月—次年5月)的測流結(jié)果進(jìn)行對比判斷，回歸系數(shù)b越接近于1.0，說明二者的測流值越接近；決定系數(shù)R2越接近于1.0，說明二者測流結(jié)果的有效性越高；均方根誤差RMSE越小，說明2種方法的測流結(jié)果更加準(zhǔn)確.回歸系數(shù)b計(jì)算式為

(1)

決定系數(shù)R2計(jì)算式為

(2)

均方根誤差RMSE計(jì)算式為

(3)

1.4 數(shù)值模擬模型

1.4.1 模型選擇

ANSYS Fluent軟件中描述多相流的方法有歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法，其中歐拉-歐拉法是目前水沙運(yùn)動數(shù)值模擬中應(yīng)用最廣泛的多相流模型，包括體積模型(VOF)、混合模型(Mixture Model)及歐拉模型(Eulerian Model)，歐拉模型是多相流模型中較為嚴(yán)格、復(fù)雜的模型，完整地考慮了相間耦合、相間滑移及紊流擴(kuò)散，也參照單相流中對脈動項(xiàng)的模擬方法對顆粒紊流脈動進(jìn)行模擬[11].

灌溉水經(jīng)沉沙池過濾后，沙粒體積占灌溉水的比率遠(yuǎn)小于10%，因此沙粒在明渠中的運(yùn)動屬于稀相流，選取Eulerian多相流模型可以更真實(shí)地模擬含沙水流經(jīng)測控一體化板閘時(shí)的水力性能.由于測控一體化板閘閘孔出流屬于湍流，采用湍流RNGk-ε模型使方程閉合.利用Fluent軟件的分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器對各控制方程進(jìn)行求解，并采用SIMPLE算法對速度和壓力的耦合進(jìn)行處理，各參數(shù)的離散均采用二階精度的迎風(fēng)格式[12].

1.4.2 物理模型和邊界條件設(shè)定

閘門尺寸為0.6 m×0.6 m，設(shè)置在深0.6 m，寬0.6 m，渠底比降為1∶1 000的矩形支渠中，計(jì)量箱長971 mm.由于支渠水流方向與干渠垂直，因此閘前水流速度接近于0，同時(shí)在計(jì)量箱前設(shè)置5 m長的緩沖段，確保水流能夠緩慢進(jìn)入計(jì)量箱內(nèi).坐標(biāo)原點(diǎn)取在渠道進(jìn)口斷面渠底中心點(diǎn)處，沿渠道順?biāo)鞣较驗(yàn)閤軸正方向，y軸沿渠寬方向與x軸相交于坐標(biāo)原點(diǎn)，沿渠底到渠頂為z軸正方向，利用ANSYS ICEM建立測控一體化板閘在矩形渠道中的三維模型.六面體網(wǎng)格單元具有排列整齊，易于收斂的優(yōu)點(diǎn)，故采用六面體網(wǎng)格單元對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分析.采用8 cm×8 cm×8 cm的單元對渠道上下游段劃分網(wǎng)格，閘前計(jì)量箱和閘后水流水力條件復(fù)雜且為重點(diǎn)觀察對象，因此計(jì)量箱和閘后1.5 m處采取加密網(wǎng)格處理[13]，單元格尺寸為4 cm×4 cm×4 cm.

根據(jù)測控一體化板閘的實(shí)際運(yùn)行情況，水流入口設(shè)為速度入口邊界條件，沙粒與水流給定相同的流速，上部的氣體入口設(shè)為壓力入口，計(jì)算前渠道充滿氣體.出口部分給壓力出口邊界條件，渠道的整個(gè)底板以及邊墻為固壁邊界，給定無滑移邊界條件，黏性底層采用壁函數(shù)處理，考慮重力作用.

顆粒設(shè)為沙粒，密度為2 650 kg/m3.根據(jù)含沙量資料，取顆粒直徑為0.05 mm，含沙量取0，5，10，15 kg/m3共4個(gè)水平，收斂精度為 10-4.

2 結(jié)果與分析

2.1 流量對比分析

選6條有代表性的支渠進(jìn)行流量對比分析，如圖4所示.

圖4 測流結(jié)果對比

由圖4可以看出，景A-1支渠、彩A-2支渠、達(dá)A-1支渠、豐A-2支渠、敬A-1支渠在整個(gè)灌溉期中，測控一體化板閘的測流值相對于無喉道量水槽的測流值均偏大，且汛期相對誤差大于非汛期；只有城A-2支渠非汛期的測控一體化板閘測流值小于無喉道量水槽測流值，而汛期的測控一體化板閘測流值仍大于無喉道量水槽測流值.可能是因?yàn)檠雌诠喔人沉枯^大，影響了測控一體化板閘的測量精度，使其測流結(jié)果偏大.

2.2 汛期與非汛期測流結(jié)果對比分析

圖5對汛期和非汛期的測流結(jié)果進(jìn)行了對比分析.由圖可知，非汛期的回歸系數(shù)均在0.82～1.24，決定系數(shù)在0.666～0.995，均方根誤差均在0～0.043，汛期的回歸系數(shù)在0.81～1.25，決定系數(shù)均在0.621～0.995，均方根誤差均在0～0.045.相對于汛期，非汛期的回歸系數(shù)和決定系數(shù)更接近于1，均方根誤差更接近于0，表明汛期含沙量較大時(shí)，測控一體化板閘測流結(jié)果較差，含沙量對其測流精度有一定影響.

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 模型驗(yàn)證

測控一體化板閘流量計(jì)是通過Sonaray聲波陣列技術(shù)進(jìn)行流量監(jiān)測，但其結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)平板閘門相同，故出流的水流狀態(tài)相同.文中利用ANSYS Fluent對閘孔開度為0.1，0.2 m時(shí)，不同閘前水位所對應(yīng)清水的出流量進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與前人對傳統(tǒng)閘門的研究成果以及測控一體化板閘實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比來驗(yàn)證模型的可靠性.

儒可夫斯基應(yīng)用理論分析方法對閘后收縮斷面進(jìn)行了分析，得出在無側(cè)收縮的條件下平板閘門的垂直收縮系數(shù)ε2與閘孔相對開度e/Ho的關(guān)系[14].

利用所建模型模擬平板閘門過流的水面線，得到收縮斷面水深并計(jì)算出垂直收縮系數(shù)，并通過查表得到對應(yīng)閘孔開度的理論垂直收縮系數(shù)，將模擬值ε2s與理論值ε2c進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1,表中e為閘孔開度，Ho為閘前水位，Hc為收縮水深.從表中可以看出，垂直收縮系數(shù)模擬值ε2s與理論值ε2c差別較小，最大誤差δ為7.23%.

閘孔出流的流量可按閘孔出流公式(4)計(jì)算，流量系數(shù)按南京水利科學(xué)研究院的經(jīng)驗(yàn)公式(5)計(jì)算[14]為

(4)

(5)

式中：σs為淹沒系數(shù)，自由流時(shí)淹沒系數(shù)取1；μ為流量系數(shù)；B為閘門寬度,m.

表1 垂直收縮系數(shù)模擬值和查表值對比

在南山臺揚(yáng)水灌區(qū)調(diào)研時(shí)收集到該灌區(qū)冬灌期間比較完整的Rubicon測控一體化板閘測流記錄數(shù)據(jù)，包括測流設(shè)備自動記錄自由出流狀態(tài)時(shí)測控一體化板閘上游水位、閘孔開度及其對應(yīng)的閘孔過流量測量值.冬灌期間渠道水泥沙含量相對較低，對Rubicon測控一體化板閘測流精度的影響相對較小，其實(shí)測結(jié)果較為精確.文中選取了灌區(qū)水流條件較好的一條支渠，模擬相同條件下的閘孔出流量，并與測控一體化板閘的測流值、南京水利科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式(4)和式(5)計(jì)算值分別進(jìn)行對比，如表2所示,表中Qc為計(jì)算流量，Qm為實(shí)測流量，Qs為模擬流量.

由表2可知，冬灌期間含沙量較少時(shí)，測控一體化板閘實(shí)際測流值與模擬值、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值較為接近.

表2 測控一體化板閘模擬流量與實(shí)測流量對比

2.3.2 水力性能分析

為研究含沙水流經(jīng)測控一體化板閘時(shí)的水力性能，利用所建立的模型分別模擬閘前水位和閘孔開度一定時(shí)，不同含沙量所對應(yīng)的計(jì)量箱內(nèi)水流結(jié)構(gòu)、閘后收縮斷面流速分布以及閘孔出流情況.

1) 含沙量對計(jì)量箱內(nèi)流動結(jié)構(gòu)的影響.

超聲波流量計(jì)直接檢測到的是超聲波傳播路徑上的線平均速度，而測控一體化板閘流量計(jì)需要測量的是計(jì)量箱整個(gè)斷面上的平均速度，二者之間需要換算[15].因此，流體的斷面流速分布情況對計(jì)算計(jì)量箱內(nèi)的平均流速非常重要.利用所建模型對閘孔開度為0.1 m，閘前水位為0.7 m這一工況進(jìn)行模擬，圖6為計(jì)量箱內(nèi)平面xz的流線圖，在平面xz選取3條沿z軸方向的直線Line 1，Line 2和Line 3，圖7為所選3條直線的流速分布圖，圖中h為距離渠底的高度.由圖可知，流體流過計(jì)量箱時(shí)，由于固體壁面無滑移條件，緊貼壁面的流體速度為0 ，而斷面中間的流體受影響最小，流速最大，且靠近閘孔處流速較大，形成較大速度梯度.在含沙量范圍內(nèi)，細(xì)顆粒泥沙對計(jì)量箱內(nèi)流速的分布情況影響很小.

圖6 計(jì)量箱內(nèi)流線圖

圖7 計(jì)量箱內(nèi)流速分布圖

2) 含沙量對閘后收縮段水力特性影響.

不同含沙量所對應(yīng)的閘后收縮斷面水流流速和湍動能分布如圖8所示.

圖8 閘后收縮斷面水力性能

水力參數(shù)如表3所示,表中m為含沙量，va為平均流速.

表3 不同含沙量的閘門測流水力參數(shù)

由圖8a和表3可知，隨著水深的增大，收縮斷面的流速呈先增大后減小的趨勢，且流速分布受含沙量影響不大，但存在一定規(guī)律，即閘孔開度和閘前水位相同時(shí)，含沙量越大，收縮斷面的流速越大，而收縮水深越小，通過閘孔的含沙水的流量不變.由圖8b可知，清水的湍動能最大，隨著含沙量的增大，收縮斷面的湍動能減小，是因?yàn)楹沉康脑黾訒顾鞯酿ば栽龃?，密度增大，從而對水流湍動起到遏制作?

3 結(jié) 論

1) 相對于無喉道量水槽而言，測控一體化板閘的測流數(shù)據(jù)普遍偏大，但在非汛期含沙量較小時(shí)，其測流值的回歸系數(shù)和決定系數(shù)更接近于1，均方根誤差更接近于0，表明該工況下的測流精度較高.

2) 利用ANSYS Fluent模擬明渠含沙水測流是可行的.由模擬結(jié)果可知，計(jì)量箱內(nèi)緊貼壁面的流體速度為0，斷面中間流速較大，且靠近閘孔處流速最大，形成較大速度梯度，而含沙量對計(jì)量箱內(nèi)的流速分布影響很小.水流的湍動能隨含沙量的增大而減小，體現(xiàn)出一定的制紊作用.

3) 與計(jì)量箱內(nèi)過流斷面的水力性能相比，測控一體化板閘閘后收縮斷面的流速和湍動能較大，清水的湍動能最大，隨著含沙量的增大，閘后收縮斷面的湍動能逐漸減小而流速分布無明顯變化.

4) 含沙量對Rubicon測控一體化板閘測流精度的影響，主要是因?yàn)楹乘械纳沉Τ暡ǖ乃p作用以及含沙水的制紊作用.