機翼形量水槽在不同渠道結構型式中的應用分析

程玉明

(宣城市宣州區溪口鎮人民政府，安徽 宣城 242000)

農田水利及灌區節水技術對于節約水資源，促進農業可持續發展具有重要意義，灌溉量水便是灌溉用水管理中最重要的一環[1]。由于我國各灌區的條件相差較大，渠道型式多樣，很難形成統一的量水設施，而目前已有的量水設施只能針對特定地區的灌溉量水要求，不能滿足我國灌區量水技術的規模化、智能化發展。因此，針對不同結構型式渠道的灌溉量水技術的適用性分析就顯得尤為重要[2-4]。

王滇紅等[5]基于層次分析法，對小型灌區量水設備的選型問題進行探討，并給出了梯形斷面量水設施的優先順序為：分流量水計、圓柱形量水槽、量水檻、矩形無喉段量水槽和巴歇爾量水槽；弋昭媛[6]對渠道無喉道量水槽水力計算方法和測流原理進行了分析，對于灌區流量智能監測具有重要作用；劉鴻濤等[7]對機翼柱形量水槽進行了模型試驗分析，結果顯示該量水槽具有很好的節水效果。劉朗、孫斌等則分別針對梯形、U形和矩形渠道的機翼形量水槽的水力特性進行了數值模擬分析，從理論上對不同結構型式的渠道量水效果進行了分析[8-13]。

本文基于上述研究成果，以模型試驗為依托，對機翼形量水槽在矩形、梯形和U形渠道中的應用效果進行了對比分析，研究成果可為機翼形量水技術在農田水利及灌區不同條件下應用提供借鑒。

1 模型試驗概況

機翼形量水槽通過收縮型槽壁將水流束窄產生臨界流，使流量與上游水頭構成一定的穩定函數關系，從而達到測流的目的。本文對常見的3種渠道結構型式進行機翼形量水槽的適用性評價分析。其中，U形渠道的半徑為15cm，渠深40cm，中心角為152°；矩形渠道的渠深為30cm、渠寬60cm；梯形渠道底寬為30cm、頂寬為94.4cm，邊坡高為1.0m。典型的機翼形量水槽結構和模型布置見圖1。根據理論和工程經驗，對不同渠道結構型式下量水槽參數進行設置，見表1。

圖1 典型的機翼形量水槽結構和模型布置

表1 量水槽參數

2 試驗結果模型

2.1 量水精度分析

由圖2室內模型試驗得到的實際流量與量水槽測算流量的對比關系可以看出：無論是U形、矩形還是梯形渠道，機翼形量水槽的測算流量值與實際流量值之間誤差均較小，絕對平均誤差值分別為4.2%、4.0%和4.4%。可見，機翼形量水槽在各種渠道結構型式中的量水精度均較高，具有廣泛的適用性。

圖2 量水精度對比

2.2 臨界淹沒度分析

選取流量為40L/s時不同工況組情況下的臨界淹沒度進行對比分析，從圖3中可以觀察到：對于U形渠道，機翼形量水槽的臨界淹沒度最大可以達到0.92，對應的喉口寬為15cm、收縮比為0.444、底坎高度為2.0cm(即U型斷面第一種工況)。對于矩形渠道，機翼形量水槽的臨界淹沒度最大值為0.90，對應的工況為喉口寬28.8cm、收縮比為0.432、底坎高為3.0cm(即矩形斷面第一種工況)。對于梯形渠道，機翼形量水槽的臨界淹沒度最大值為0.89，對應的工況為喉口寬35.0cm、收縮比0.518、無底坎形式(即梯形斷面第五種工況)。U形渠道和矩形渠道在同等流量下，有底坎的機翼形量水槽臨界淹沒度大于無底坎的淹沒度。梯形渠道，有無底坎對于量水槽淹沒度的影響較小，但隨著收縮比和喉口寬的增大，呈先增加后減小的趨勢，即存在一個最佳收縮比。臨界淹沒度值越大，表明槽道上下游水位差越大，能夠保證在槽道下游水位對上游水位產生影響前，有足夠的變化空間使水流進行自我調整，從而減小或者規避下游水流對上游的影響，從而使機翼形量水槽的測量精度更高。

圖3 臨界淹沒度試驗結果

2.3 弗勞德數分析

從圖4不同流量、不同工況下各渠道結構型式的弗勞德數變化情況中可看出：

a. U形渠道中，無底坎時，收縮比越大，相同流量時，弗勞德數越大。隨著流量的增加，弗勞德數逐漸減小，這是因為U形渠道過水斷面面積不是與水深成線性關系。收縮比不宜過小，也不宜過大，取弗勞德數不大于0.5為標準，從圖4(a)中可看到，U形渠道的上限收縮比應不大于0.588。

圖4 弗勞德數測試結果

b.矩形渠道中，弗勞德數隨收縮比增加而略微增大，且無底坎時更大。隨流量的增加，弗勞德數基本保持不變，這是因為矩形渠道的槽前水流更加平穩，水面波動更小，因而測量精度更高，計算誤差更小。

c.梯形渠道中，隨流量增加，弗勞德數逐漸減小，收縮比越大，弗勞德數越大，建議梯形渠道的收縮比上限應小于等于0.585。

2.4 壅水高度分析

由于機翼形量水槽的存在，使得渠道收縮，勢必會在上游形成壅水，對不同渠道在不同工況下的壅水高度進行了分析，見圖5。結果表明：壅水高度越高，需要的渠道越深，灌溉時間越長，且會產生淤積，增加蒸發面積，不利于灌區灌溉。隨流量的增加，壅水高度逐漸增大。對于U形渠道，壅水高度的增幅逐漸減小，收縮比越大，壅水高度越小，以壅水高度不超過10cm為標準，建議U形渠道的收縮比不小于0.460。對于矩形渠道，壅水高度變化趨勢與U形渠道類似，在試驗收縮比下均沒有超過10cm，但仍建議其值不小于0.432，底坎對于壅水高度的影響較小。對于梯形渠道，同等流量下，收縮比越大，壅水高度越小，且隨流量基本呈線性增加，并建議收縮比不小于0.372。

圖5 壅水高度測試結果

3 綜合評價分析

通過以上對U形、矩形和梯形3種渠道下機翼形量水槽各項水力特性的分析可以看出：在3種渠道結構型式下，機翼形量水槽的量水精度均較高，可為灌區提供良好的節水灌溉管理服務。3種渠道的機翼形量水槽的臨界淹沒度均較大，在控制好收縮比、喉口寬等因素下，最大臨界淹沒度分別達到0.92、0.90和0.89，說明3種渠道機翼形量水槽在平原區灌區均比較適用。而矩形渠道與U形渠道和梯形渠道相比，其上游水面流速更加平穩，波動更小，流速分布較均勻，故而弗勞德數較小且穩定。

U形渠道、矩形渠道以及梯形渠道的收縮比下限建議值分別為0.460、0.432和0.372，能保證上游用水高度在10cm以下。

4 結 論

通過室內模型試驗，對機翼形量水槽在U形渠道、矩形渠道和梯形渠道的適用性進行了綜合評價，得到如下結論：從量水精度、臨界淹沒度、弗勞德數以及上游壅水高度等多項因素分析結果來講，認為機翼形量水槽在各種渠道結構型式中均能滿足灌區要求。矩形渠道相對其他兩種渠道，其上游水面更加平穩，更適宜在平原地區使用。

因此機翼形量水槽可在山區農田及灌區大力推廣，但應重點注意渠道收縮比的設計控制問題。