渠道斷面水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)率定分析

杜 坤

（新源縣水利局，新疆 新源 835800）

0 引言

隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)灌區(qū)發(fā)展規(guī)模的不斷增大，在渠道建立水量監(jiān)測(cè)斷面是提升水資源優(yōu)化配置及利用效率的重要手段。灌區(qū)渠系網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，必然會(huì)增大管理難度及管理成本，并且人工渠道和天然河道水流運(yùn)動(dòng)形式及規(guī)律截然不同，人工渠道大多由漿砌石和混凝土預(yù)制板襯砌而成，邊界條件和斷面形狀較為相似，且屬于漸變穩(wěn)定流，渠道斷面水位、水深及過(guò)水流量關(guān)系均較為穩(wěn)定。所以，在渠道中選擇適宜的水量監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行水位及對(duì)應(yīng)流量關(guān)系的率定，由此便能進(jìn)一步得出引水流量，簡(jiǎn)化渠道運(yùn)行及水資源調(diào)度管理難度。由此可見(jiàn)，流量監(jiān)測(cè)斷面的選擇、監(jiān)測(cè)方法優(yōu)化及渠道斷面水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)率定是灌區(qū)水資源調(diào)度及優(yōu)化管理所迫切需要解決的問(wèn)題。

1 工程概況

新源縣恰普河灌區(qū)是規(guī)劃的伊犁河流域25 個(gè)灌區(qū)之一，灌區(qū)水利骨干工程設(shè)施建于20 世紀(jì)70 年代，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過(guò)近40年的運(yùn)行，工程普遍老化失修，灌區(qū)渠道防滲完好率僅為15%，因滲漏、坍塌等原因，渠道輸水能力持續(xù)下降，干支渠供水能力大幅度降低，灌區(qū)引水無(wú)法保障。為此，于2020年底對(duì)該灌區(qū)展開(kāi)改建。恰普河灌區(qū)干支渠防滲、改建、配套工程設(shè)計(jì)的任務(wù)是通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)渠道改建、防滲，同時(shí)新建建筑物，使渠道達(dá)到設(shè)計(jì)輸水能力，可大大減少渠道的滲漏，灌溉利用系數(shù)由0.46 提高到0.51，從而可確保灌區(qū)27.01 萬(wàn)畝農(nóng)牧業(yè)灌溉的需求，為灌區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)物質(zhì)保障。此次改建渠道總長(zhǎng)度64.52 km（具體見(jiàn)表1），配套渠系建筑物275 座。根據(jù)《水利水電等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：灌區(qū)控制灌溉面積27.01萬(wàn)畝，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。

表1 渠道改建長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

2 渠道最優(yōu)斷面選取

水位-流量關(guān)系是推求時(shí)段過(guò)水流量的常見(jiàn)方法，該方法具有簡(jiǎn)便快捷、精度高的特點(diǎn)，渠道水位-流量關(guān)系通常較為穩(wěn)定，且表現(xiàn)為單一曲線(xiàn)，可通過(guò)曼寧公式加以計(jì)算和說(shuō)明：

式中：Q—渠道過(guò)水?dāng)嗝媪髁?，m3/s；v—斷面流速均值，m/s；A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；n—渠道糙率；I—水面比降；R—水力半徑；B—渠道水面寬度，m；H—渠道水深，m；ω—濕周。

從以上公式可知，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e隨著渠道水深的增大而增大，且兩者呈正比例變動(dòng)關(guān)系，其中的H從物理意義上而言，是渠道水位的表征；對(duì)于特定渠道而言，式（1）中糙率和水面比降均為定值，故渠道過(guò)水?dāng)嗝媪髁勘愫颓浪睿ɑ蛩唬┏收壤P(guān)系，也就是說(shuō)，在渠道其他條件不變的情況下，水深和流量之間存在較為穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；谶@一結(jié)論，應(yīng)選擇合理的渠道斷面，進(jìn)行不同水位流量值的率定，構(gòu)建水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)，編制水位流量關(guān)系對(duì)照表，從而可以結(jié)合日水位觀(guān)測(cè)結(jié)果和水位特征值查表得出對(duì)應(yīng)的流量，簡(jiǎn)化流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程，并為灌區(qū)渠道管理提供便捷、準(zhǔn)確的水文信息。

3 渠道斷面水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)率定

恰普河灌區(qū)干渠于2020年建成，當(dāng)年便進(jìn)行了曲線(xiàn)率定，同時(shí)結(jié)合《水文資料整編規(guī)范》展開(kāi)了三線(xiàn)檢驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)取值誤差均滿(mǎn)足規(guī)范。當(dāng)時(shí)所確定出的干渠水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，率定出的水位-流量關(guān)系取值見(jiàn)表2。

圖1 水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)圖

表2 水位-流量關(guān)系取值表

為進(jìn)行該灌區(qū)干渠所率定的水位-流量關(guān)系的檢驗(yàn)，2021年在該渠道所取斷面低、中、高水位共進(jìn)行10 個(gè)測(cè)次施測(cè)，斷面流量實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，同時(shí)將表中所列結(jié)果點(diǎn)繪在2020年渠道水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)上，以進(jìn)行2020年及2021年渠道水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)及點(diǎn)距離散程度分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖可知，2021 年根據(jù)實(shí)測(cè)資料所率定的曲線(xiàn)兩側(cè)呈窄幅帶狀分布，實(shí)測(cè)點(diǎn)距所對(duì)應(yīng)的水位流量誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。據(jù)表，2021年灌區(qū)干渠實(shí)測(cè)流量點(diǎn)距和率定曲線(xiàn)之間的誤差最大為-5.31，系統(tǒng)誤差為-0.30，隨機(jī)不確定度5.80%，各項(xiàng)參數(shù)值均滿(mǎn)足《水文資料整編規(guī)范》要求，表明2021年實(shí)測(cè)點(diǎn)距屬于2020年長(zhǎng)系列內(nèi)的短系列樣本；水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)也完全能體現(xiàn)出灌區(qū)干渠水位-流量變化趨勢(shì)，能作為渠道水量長(zhǎng)期控制工作曲線(xiàn)以及渠道實(shí)時(shí)水位流量變化過(guò)程判斷及管理依據(jù)。

圖2 2020年及2021年渠道合并水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)圖

表3 斷面流量實(shí)測(cè)結(jié)果以及實(shí)測(cè)點(diǎn)距和率定曲線(xiàn)誤差表

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，隨著灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展速度的加快，水量控制及優(yōu)化配置日益成為灌區(qū)科學(xué)管理的重要方面，構(gòu)建便捷、高效、精確的渠系水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩。必須對(duì)所構(gòu)建起的灌區(qū)渠道水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)定期復(fù)檢，保證曲線(xiàn)穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性；水量控制斷面應(yīng)設(shè)置在水流變化平穩(wěn)、渠道坡降相同、斷面形狀相似的渠段，并盡可能避開(kāi)消能、閘門(mén)等回水區(qū)。為保證渠道斷面水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)的準(zhǔn)確，對(duì)于興建調(diào)節(jié)工程而改變水流運(yùn)動(dòng)形態(tài)、影響渠段水力坡降等水文要素的情況，必須另外選擇斷面，保證水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)率定結(jié)果的準(zhǔn)確。