梁慧真,宗全利,2*,劉貞姬,謝炎,劉冬冬

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子832000; 2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東 青島266109)

灌區(qū)量水是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)計(jì)劃用水目標(biāo)和節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵措施.為適應(yīng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水設(shè)備現(xiàn)代化的要求顯得尤為迫切.灌區(qū)量水設(shè)備正向著信息化和規(guī)范化方向發(fā)展.但目前,人工測(cè)流仍是灌區(qū)的常用量水方法,即使是自動(dòng)化量水程度比較高的灌區(qū)也需要利用人工測(cè)流結(jié)果進(jìn)行校核.僅依靠人工進(jìn)行流量計(jì)算,測(cè)流效率較低且耗時(shí)耗力.若可以率定出精確的渠道斷面水位流量關(guān)系曲線,測(cè)流人員只需觀測(cè)固定斷面水位就能快速推算出流量.中國(guó)新疆等西北干旱灌區(qū)灌溉渠系配套完善,引水和末級(jí)灌溉主要通過(guò)明渠渠系完成,灌區(qū)渠道常采用標(biāo)準(zhǔn)斷面法、測(cè)水箱等方式量水,這2種量水方式均需要利用渠道斷面水位流量關(guān)系進(jìn)行測(cè)流.因此率定出精確的水位流量關(guān)系曲線對(duì)于新疆灌區(qū)量水工作來(lái)說(shuō)十分必要.

在實(shí)際灌區(qū)量水過(guò)程中,利用標(biāo)準(zhǔn)斷面法量水有時(shí)很難滿足無(wú)沖刷或淤積及變動(dòng)回水影響等要求[1],尤其對(duì)于渠系引水量較小且含沙量大的新疆等干旱區(qū)渠系,渠道淤積現(xiàn)象頻繁,對(duì)量水影響較大,出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)斷面量水.此外,非標(biāo)準(zhǔn)斷面量水問(wèn)題還包括:標(biāo)準(zhǔn)斷面形成的穩(wěn)定水位流量關(guān)系因受變動(dòng)回水、泥沙沖淤、洪水漲落、水生植物、冬季結(jié)冰等因素影響而變?yōu)椴环€(wěn)定的水位流量關(guān)系.對(duì)此,劉煥芳[2]對(duì)穩(wěn)定的和受泥沙沖淤、漲水退水等因素形成的不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線的成因進(jìn)行了分析.對(duì)于水位流量關(guān)系曲線的率定,李守義等[3]利用迭代法解決了多泥沙渠道水位流量關(guān)系的多曲線擬合問(wèn)題.孫昭華等[4]對(duì)受回水影響的河道水位流量關(guān)系確定方法進(jìn)行了研究.WANG等[5]提出了一種適合梯形渠道的水位流量關(guān)系優(yōu)化方法.李應(yīng)求等[6]基于Box-Cox變換模型對(duì)水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行了擬合.SINGH等[7]采用Tsallis熵來(lái)對(duì)水位流量曲線進(jìn)行了推導(dǎo);KASHANI等[8]利用智能算法建立了水位流量關(guān)系.KAVOUSIZADEH等[9]提出了一種適用于建立明渠水位流量關(guān)系的新方法.丁佩等[10]用綜合校正法對(duì)受洪水漲落及回水變動(dòng)綜合影響的水位流量關(guān)系進(jìn)行了研究.此外,也有學(xué)者就貝葉斯方法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行研究并取得了相應(yīng)的成果[11-13].

前人的研究大多是針對(duì)天然河道,而對(duì)干旱區(qū)灌溉渠道的研究相對(duì)較少,且較少考慮泥沙淤積、回水等因素對(duì)渠道水位流量關(guān)系的影響.新疆等西北干旱灌區(qū),渠道來(lái)水含沙量大,若忽略泥沙淤積對(duì)測(cè)流的影響,將會(huì)對(duì)灌區(qū)量水的測(cè)流精度造成很大影響.

文中以新疆第三師某團(tuán)場(chǎng)25處渠道量水?dāng)嗝鏋檠芯繉?duì)象,對(duì)量水?dāng)嗝嫠涣髁筷P(guān)系曲線進(jìn)行率定和誤差分析,并對(duì)影響流量擬合參數(shù)的因素進(jìn)行分析,以期能夠?yàn)楣鄥^(qū)自動(dòng)化量水提供率定依據(jù),為當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)量水工作效率的提高及農(nóng)業(yè)量水信息化的實(shí)現(xiàn)提供參考.

1 研究區(qū)概況

新疆第三師某團(tuán)場(chǎng)地勢(shì)平坦,灌溉面積1.512萬(wàn)hm2,地表水多年平均懸移質(zhì)含沙量為4.26 kg/m3,泥沙含量較大,渠道流速在0.4 m/s左右.境內(nèi)共有3條干渠(中干渠、四支干渠和八支干渠)向該團(tuán)輸水灌溉,另有支渠47條、斗渠241條.在該研究區(qū)共設(shè)計(jì)了25處測(cè)量點(diǎn),均位于四支干渠和八支干渠及其支渠上,位于分水閘附近的測(cè)量點(diǎn)主要分布在分水閘后50～100 m處,在渠道供水時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)斷面法量水.圖1為新疆第三師某團(tuán)場(chǎng)渠系分布圖,主要渠系及測(cè)量點(diǎn)分布如圖所示.研究區(qū)25處測(cè)量點(diǎn)所在渠道斷面的各水力要素如表1所示,表中b為渠道底寬,m為邊坡系數(shù),i為水面比降,對(duì)于水位流量穩(wěn)定的渠道斷面,i為渠道坡降.

表1 渠道量水?dāng)嗝嫠σ猅ab.1 Hydraulic elements of channel water measuring sections

圖1 新疆第三師某團(tuán)場(chǎng)渠系分布圖Fig.1 Distribution map of channel system of regiment farm of the Third Division of Xinjiang

2 研究方法

2.1 測(cè)流原理與曲線檢驗(yàn)方法

2.1.1標(biāo)準(zhǔn)斷面法測(cè)流原理

標(biāo)準(zhǔn)斷面法量水是利用穩(wěn)定的渠道斷面水位流量關(guān)系進(jìn)行推流的一種灌區(qū)常用量水方法.渠道斷面水位流量關(guān)系是否穩(wěn)定與其過(guò)水?dāng)嗝娴母魉σ赜嘘P(guān),梯形明渠流量計(jì)算公式為

(1)

式中:Q為過(guò)水?dāng)嗝媪髁?m3/s;v為過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉?m/s;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2;H為過(guò)水?dāng)嗝嫠?m;Ra為渠道粗糙系數(shù).

對(duì)某一固定渠道而言,n,m,b,i為定值,因此流量Q可以表示為水深H的函數(shù).渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面量水的水位流量關(guān)系式宜用冪函數(shù)[1]表示為

Q=KHμ,

(2)

式中:K為擬合系數(shù);μ為擬合指數(shù).

將實(shí)測(cè)流量值及其對(duì)應(yīng)水位繪制成散點(diǎn)圖,根據(jù)式(2),利用回歸分析法擬合出擬合參數(shù)K和μ.如屬于穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,可通過(guò)點(diǎn)帶重心,繪出一條平滑連續(xù)的曲線,使數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻地分布在曲線兩側(cè),即得到量水?dāng)嗝娴乃涣髁筷P(guān)系曲線.

2.1.2水位流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)方法

對(duì)于率定出的水位流量關(guān)系曲線,還應(yīng)進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn),當(dāng)3項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果均滿足要求時(shí),則可利用該水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行推流[14].

1) 符號(hào)檢驗(yàn)

(3)

式中:μ為統(tǒng)計(jì)量;k為測(cè)點(diǎn)偏離曲線的正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù);n為測(cè)點(diǎn)總數(shù).

2) 適線檢驗(yàn)

將測(cè)點(diǎn)水位由低至高排序,從第2點(diǎn)開始統(tǒng)計(jì)偏離正負(fù)符號(hào)變換的次數(shù),按式(4)計(jì)算μ值并與文獻(xiàn)[14]中表5給定的顯著性水平α的μ1-α比較,若滿足μ<μ1-α則認(rèn)為合理.

(4)

式中:k為變換符號(hào)次數(shù),k<0.5(n-1)時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn),否則不進(jìn)行此檢驗(yàn).

3) 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

(5)

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面法測(cè)流的水位流量關(guān)系

圖2為2021年3月測(cè)量點(diǎn)35和37處的水位流量測(cè)量結(jié)果.可以看出,這2處的水位流量點(diǎn)分布比較密集,均呈帶狀,且數(shù)據(jù)點(diǎn)不是依時(shí)間次序呈系統(tǒng)偏離,屬于穩(wěn)定的水位流量關(guān)系.根據(jù)式(2)得到2個(gè)斷面的水位流量關(guān)系擬合結(jié)果為Q=2.854 7H2.071 4(R2=0.980 6),Q=3.104 4H1.838 7(R2=0.973 7).實(shí)測(cè)值與擬合值的相對(duì)誤差最大值分別為5.49%和5.73%,表明所率定的水位流量關(guān)系曲線是穩(wěn)定的.

圖2 穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線Fig.2 Stable stage-discharge relation curves

對(duì)25處測(cè)量點(diǎn)的水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如表2所示.從表中可以看出,有14處斷面的水位流量關(guān)系曲線擬合方程的R2大于0.85,平均相對(duì)誤差最小值為0.9%,最大值為6.4%,屬于穩(wěn)定的水位流量關(guān)系.說(shuō)明該部分測(cè)流斷面選取比較合理,沒(méi)有受到泥沙淤積或回水等因素的影響.但仍有11處測(cè)量點(diǎn)的水位流量關(guān)系不穩(wěn)定,其測(cè)流斷面屬于非標(biāo)準(zhǔn)斷面,需進(jìn)行特殊的分析.

表2 水位流量關(guān)系曲線擬合及相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果Tab.2 Stage-discharge relation curve fitting and relative error calculation results

3.2 非標(biāo)準(zhǔn)斷面法測(cè)流的水位流量關(guān)系

3.2.1受變動(dòng)回水影響的水位流量關(guān)系

以測(cè)量點(diǎn)71和109為例,測(cè)量點(diǎn)71所在渠道內(nèi)無(wú)泥沙淤積等因素影響,但斷面流量較小,測(cè)流時(shí)下游閘門開度較小,對(duì)水流形成阻礙,使水流出現(xiàn)回流現(xiàn)象;測(cè)量點(diǎn)109所在渠道底部有較少量泥沙,無(wú)回水等因素影響,水流流速幾乎為0,測(cè)流時(shí)下游閘門處于關(guān)閉狀態(tài),下游水位不斷抬高,導(dǎo)致水流出現(xiàn)回水現(xiàn)象.圖3—5分別為測(cè)量點(diǎn)71和109的水位流量、水位流速和水位面積關(guān)系曲線圖.

圖3 水位流量關(guān)系Fig.3 Stage-discharge relation

圖4 水位流速關(guān)系Fig.4 Stage-velocity relation

圖5 水位面積關(guān)系Fig.5 Stage-area relation

從圖3—5可以看出,受回水影響的水位流量關(guān)系、水位流速關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布比較散亂,而水位面積關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)則密集地分布在一條帶上.這主要是因?yàn)榍浪魇艿较掠吻篱l門開度等因素影響,下游水位發(fā)生變化,使測(cè)流斷面受下游回水的頂托,導(dǎo)致該測(cè)流斷面的水面比降發(fā)生變化,從而引起了測(cè)流斷面流速和流量的變化.同水位下比降大的水位流量(流速)關(guān)系點(diǎn)偏向曲線右側(cè),比降小的水位流量(流速)關(guān)系點(diǎn)偏向左側(cè),所以水位流量關(guān)系曲線和水位流速關(guān)系曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)呈散亂分布.水面比降越大,流速和流量越大;比降越小,流速和流量越小.

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,25處測(cè)量點(diǎn)中有5處斷面為受變動(dòng)回水影響不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,說(shuō)明實(shí)際渠系水量分配的調(diào)度運(yùn)行對(duì)流量測(cè)量有較大影響.測(cè)流應(yīng)盡可能在渠道運(yùn)行調(diào)度穩(wěn)定一段時(shí)間,下游水位的漲落不再影響測(cè)流斷面水位后進(jìn)行,從而可有效避免變動(dòng)回水引起的不穩(wěn)定水位流量關(guān)系.

3.2.2受淤積影響的水位流量關(guān)系

由于研究區(qū)地勢(shì)平坦,縱坡在0.3‰～0.9‰,渠道流速大多約0.4 m/s,加之地表水多年平均懸移質(zhì)含沙量為4.26 kg/m3,泥沙含量很大,造成渠道淤積明顯.如測(cè)量點(diǎn)59所在渠道坡降較小,水流速度較慢,渠道內(nèi)無(wú)變動(dòng)回水、洪水漲落及水生植物等因素影響.根據(jù)2021年3月28日現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果,渠道淤積厚度達(dá)32 cm,淤積較為嚴(yán)重,渠道兩側(cè)堆積了大量人工清理出的泥沙.

圖6為測(cè)量點(diǎn)59水位相關(guān)曲線.

圖6 測(cè)量點(diǎn)59水位相關(guān)曲線Fig.6 Correlation curve of stage at measuring point 59

從圖6可以看出,受淤積影響的水位與流量、流速、面積關(guān)系曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較散亂,但流速、面積與流量的變化不是相應(yīng)的,流速、面積與流量的關(guān)系沒(méi)有呈現(xiàn)一定規(guī)律性.根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,25處測(cè)量點(diǎn)中有6處為受淤積影響的不穩(wěn)定水位流量關(guān)系,說(shuō)明渠道淤積對(duì)流量測(cè)量有一定影響.當(dāng)淤積達(dá)到一定厚度(如測(cè)量點(diǎn)59的32 cm),則會(huì)形成明顯的不穩(wěn)定水位流量關(guān)系,從而影響測(cè)流結(jié)果.因此,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,當(dāng)斷面僅受沖淤影響有沖淤變化,但在沖淤前后仍可保持穩(wěn)定時(shí),可以在沖刷或淤積前后,分時(shí)段確定不同的水位流量關(guān)系.

3.3 不同水位流量關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

3.3.1穩(wěn)定水位流量關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

以測(cè)量點(diǎn)35為例,根據(jù)已率定的水位流量關(guān)系(如圖2a所示),對(duì)其進(jìn)行誤差和三項(xiàng)檢驗(yàn)計(jì)算.檢驗(yàn)結(jié)果及誤差計(jì)算如表3所示,表中Q實(shí)和Q計(jì)分別為實(shí)測(cè)和計(jì)算流量.經(jīng)過(guò)計(jì)算,所率定測(cè)量點(diǎn)的水位流量關(guān)系曲線的三項(xiàng)檢驗(yàn)均能通過(guò)檢驗(yàn),相對(duì)誤差最大值為5.49%,精度滿足要求,可用于流量推算.

表3 穩(wěn)定水位流量關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果及誤差統(tǒng)計(jì)(測(cè)點(diǎn)35)Tab.3 Test results and error statistics of stable stage-discharge relation (measuring point 35)

3.3.2不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

4 討 論

從式(1)中可以看出,流量與渠道粗糙系數(shù)、邊坡系數(shù)、底寬、坡降和水深有關(guān).由于所率定出的穩(wěn)定水位流量關(guān)系曲線的渠道均為混凝土襯砌,施工工藝基本相同,渠道粗糙系數(shù)和邊坡系數(shù)基本相同.因此,主要分析渠道底寬、坡降對(duì)流量擬合參數(shù)K和μ的影響.

4.1 渠道底寬對(duì)流量擬合參數(shù)的影響

選取研究區(qū)中渠道粗糙系數(shù)、邊坡系數(shù)相同的渠道斷面,比較其底寬對(duì)流量擬合參數(shù)的影響.結(jié)果如圖7所示.

圖7 不同底寬渠道的流量擬合參數(shù)Fig.7 Flow fitting parameters for channels with different bottom widths

在渠道粗糙系數(shù)、坡降、施工工藝基本相同的情況下,渠道量水?dāng)嗝媪髁繑M合參數(shù)與渠道底寬呈正相關(guān)關(guān)系.在底寬一定時(shí),流量擬合參數(shù)還與渠道坡降有關(guān).在同一渠道底寬下,選取坡降不同的若干渠道,因此在圖7中同一底寬下會(huì)對(duì)應(yīng)若干擬合參數(shù);相同底寬情況下,渠道坡降越大,擬合參數(shù)也越大.

4.2 渠道比降對(duì)流量擬合參數(shù)的影響

選擇研究區(qū)中粗糙系數(shù)、邊坡系數(shù)、底寬相同的渠道,比較其坡降對(duì)流量擬合參數(shù)的影響,結(jié)果如圖8所示.隨著渠道坡降的增加,其流量擬合公式的擬合參數(shù)逐漸減小,即渠道量水?dāng)嗝媪髁繑M合參數(shù)與渠道坡降呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.在同一渠道坡降下,選取底寬不同的若干渠道,所以在同一坡降下會(huì)對(duì)應(yīng)若干擬合參數(shù).文中的渠道位于干旱灌區(qū)的新疆南疆地區(qū),泥沙含量較大,與以往研究的渠道運(yùn)行條件有所不同;其次研究共選取了14處不同渠道測(cè)量點(diǎn)且每個(gè)坡降均選取了若干個(gè)渠道參數(shù),而現(xiàn)有研究中的渠道坡降資料較少,這進(jìn)一步證明文中結(jié)果的可靠性.

圖8 不同坡降渠道的流量擬合參數(shù)Fig.8 Flow fitting parameters of channels with diffe-rent slopes

5 結(jié) 論

1) 在渠系引水量較小且含沙量大的新疆等干旱區(qū)明渠中,非標(biāo)準(zhǔn)斷面法測(cè)流占有較大比率.對(duì)于受回水影響的斷面測(cè)流時(shí),應(yīng)盡可能在渠道運(yùn)行調(diào)度穩(wěn)定一段時(shí)間,下游水位的漲落不再影響測(cè)流斷面水位后進(jìn)行;當(dāng)測(cè)流斷面僅受沖淤影響有沖淤變化,但在沖淤前后仍保持穩(wěn)定時(shí),可以在淤積前后,分時(shí)段確定不同的水位流量關(guān)系.

2) 水位流量關(guān)系的流量擬合參數(shù)受渠道粗糙系數(shù)、邊坡系數(shù)、底寬和坡降等因素影響.在渠道粗糙系數(shù)、邊坡系數(shù)及坡降相同的條件下,流量擬合參數(shù)與渠道底寬總體呈正相關(guān)關(guān)系;在渠道粗糙系數(shù)、邊坡系數(shù)及底寬相同的條件下,流量擬合參數(shù)與渠道坡降總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.

3) 在實(shí)際應(yīng)用中,率定出量水?dāng)嗝婢珳?zhǔn)的水位流量關(guān)系曲線能夠提高量水工作效率,并能夠?yàn)楹罄m(xù)灌區(qū)自動(dòng)化量水設(shè)備測(cè)流準(zhǔn)確性的校核提供重要參考依據(jù).