基于水動(dòng)力學(xué)原理在大型灌區(qū)取水渠系糙率計(jì)算中的應(yīng)用

那海珍

(大連云康科技有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引 言

阜新地區(qū)位于遼寧的西部，屬于水資源十分短缺的區(qū)域，近些年來，隨著大型灌區(qū)的建設(shè)，阜新地區(qū)的水資源量得到一定程度的補(bǔ)充，水資源供需矛盾得到一定程度的緩解[1]。大型灌區(qū)取水渠系工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于取水能力，而糙率是取水能力設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[2]。近些年來，對于大型灌區(qū)渠系取水能力計(jì)算取得一定研究成果，這其中大都采用基于恒定流的方法進(jìn)行渠系取水能力的計(jì)算，而對于大型灌區(qū)而言，其由于受到進(jìn)水口閘門起閉的影響，水流流態(tài)總體為非恒定流，即水量和水位隨著進(jìn)水口閘門起閉總體為動(dòng)態(tài)變化的，因此采用基于恒定流的方法進(jìn)行渠系取水能力計(jì)算存在一定的局限性，一般誤差相對較高。當(dāng)前，在一些地區(qū)大型灌區(qū)工程設(shè)計(jì)中逐步采用基于非恒定流的渠系取水能力的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均表明要好于傳統(tǒng)基于恒定流的計(jì)算方法。但水動(dòng)力學(xué)方法在阜新地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此文章以阜新地區(qū)的大型灌區(qū)為具體實(shí)例，結(jié)合水動(dòng)力學(xué)方法對其渠系取水能力進(jìn)行計(jì)算，從而分析水動(dòng)力學(xué)方法在阜新地區(qū)大型灌區(qū)渠系取水能力計(jì)算的適用性，也可拓展該方法在阜新地區(qū)渠系取水能力設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 研究方法

基于水動(dòng)力學(xué)原理構(gòu)建大型灌區(qū)取水渠系糙率計(jì)算，通過設(shè)置上下監(jiān)測斷面對模型的上下邊界水位流量進(jìn)行設(shè)置，模型能量平衡計(jì)算方程為：

(1)

式中：Q為斷面流量，m3/s；Z為斷面水位，m；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；x和μ為輸水隧洞水平和橫向方向距離，m；g為重力加速度，m3/s；t為時(shí)段計(jì)算步長，h；α為流速系數(shù)；Sf為水力學(xué)坡比，‰；B為斷面水面寬度，m。文章采用Preissman四點(diǎn)加權(quán)差分方程對構(gòu)建的水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解，求解方程為：

(2)

式中：θ為加權(quán)系數(shù)；f為水位計(jì)算值，m和流量計(jì)算值，m3/s。

2 工程實(shí)例分析

2.1 試驗(yàn)斷面布設(shè)和計(jì)算邊界的設(shè)定

采用水動(dòng)力學(xué)方法的關(guān)鍵在于上下邊界的確定，文章上下邊界為斷面水位-流量關(guān)系，因此需要對上下游邊界進(jìn)行水位、流量的觀測，試驗(yàn)中共設(shè)置3個(gè)斷面，每個(gè)斷面均進(jìn)行水位、流量數(shù)據(jù)的測定，各斷面之間的間距相同，均為50m。主要采用座型多普勒測流儀進(jìn)行水位-流量關(guān)系的測定。為了降低泥沙淤積對流量測定的影響，在距離地面高度為10cm的位置放置水位-流量關(guān)系的監(jiān)測儀器，采用U型鋼板對儀器下部進(jìn)行加固防護(hù)，此外為減低漂浮物對儀器影響，加長處理U型板的保護(hù)范圍，對迎水側(cè)進(jìn)行密封處理[3-5]。

2.2 水位-流量測定結(jié)果

通過對不同閘門開啟高度下的水位-流量進(jìn)行觀測，不同斷面在不同閘門開啟高度下的水位和流量觀測結(jié)果見表1和表2。

表1 邊界水位監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 邊界流量監(jiān)測數(shù)據(jù)

文章以輸水隧洞的上、中、下3個(gè)斷面的水位-流量作為水動(dòng)力學(xué)計(jì)算的邊界條件，從各監(jiān)測斷面的水位變化可看出，不同時(shí)間大型灌區(qū)渠系取水能力計(jì)算的水位變幅總體在0.5m的范圍內(nèi)，且受到閘門起閉的影響，取水渠系內(nèi)部水流水位變化隨著時(shí)間變化較大，呈現(xiàn)較為明顯的非恒定流變化，從上、中、下3個(gè)斷面水位變化可看出，從上到下其水位沿程逐步減小[6-8]。從各邊界斷面的流量監(jiān)測結(jié)果可看出，在相同水位下上斷面流量要高于下斷面流量，這主要是受到取水渠系沿程水量損失的影響。從各邊界斷面的流量監(jiān)測結(jié)果可看出，隨著閘門起閉高度的變化，各監(jiān)測斷面流量隨著閘門起閉高度的影響，流量總體呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，但流量動(dòng)態(tài)變化的幅度較小，這主要是因?yàn)榇笮凸鄥^(qū)河道渠系通過近些年的綜合治理，其沿程水量損失有所減少，使得其流量變化幅度有所降低[9-11]。

2.3 渠系糙率的推求計(jì)算

結(jié)合渠系上、中、下游3個(gè)斷面的水位-流量監(jiān)測數(shù)據(jù)對其不同水位條件下的流量、水深進(jìn)行糙率的計(jì)算，并和大型灌區(qū)的的設(shè)計(jì)糙率進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 大型灌區(qū)取水渠系糙率計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算的各取水時(shí)間實(shí)測流量可看出，阜新地區(qū)大型灌區(qū)的取水流量總體較小，采用建立好的水動(dòng)力學(xué)方法結(jié)合上、中、下游3個(gè)邊界水位流量關(guān)系對不同水深和流量條件下的糙率進(jìn)行了計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果表明研究大型灌區(qū)的取水渠系的糙率值低于0.01，和實(shí)際糙率之間的吻合度較高，計(jì)算糙率和設(shè)計(jì)糙率之間的總體誤差可保持在10%以內(nèi)。可見采用水動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算的大型灌區(qū)取水渠系的糙率值可有效滿足糙率的計(jì)算精度要求，這主要是因?yàn)樗畡?dòng)力學(xué)方法是基于非恒定流建立的計(jì)算模型，符合大型灌區(qū)受閘門起閉影響下的水流流量和水位變化較大，為非恒定流，因此相比于傳統(tǒng)采用基于恒定流的計(jì)算方法很難滿足其糙率的準(zhǔn)確計(jì)算[12-14]。

2.4 合理性分析

在不同取水時(shí)間下阜新地區(qū)大型灌區(qū)取水渠系糙率計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用比測試驗(yàn)分析的方式對大型灌區(qū)的糙率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，分析結(jié)果見表4所示。

表4 大型灌區(qū)取水渠系糙率計(jì)算合理性分析結(jié)果

從合理性分析結(jié)果可看出，采用水動(dòng)力學(xué)方法對大型灌區(qū)渠系糙率進(jìn)行計(jì)算，并采用計(jì)算的糙率進(jìn)行流量的反推，結(jié)合渠系實(shí)測流量和推求的流量進(jìn)行誤差分析，從誤差分析來確定文章計(jì)算的大型灌區(qū)渠系河道糙率的合理性，從分析結(jié)果可看出，推求的渠系流量和實(shí)測流量之間的誤差低于5%，具有較好的精度，因此文章計(jì)算的糙率具有合理性。

3 結(jié) 論

1)演技渠系各監(jiān)測斷面流量隨著閘門起閉高度的影響，流量總體呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，但流量動(dòng)態(tài)變化的幅度較小，這主要是因?yàn)榇笮凸鄥^(qū)河道渠系通過近些年的綜合治理，其沿程水量損失有所減少，使得其流量變化幅度有所降低。

2)基于非恒定流建立的計(jì)算模型，符合大型灌區(qū)受閘門起閉影響下的水流流量和水位變化較大，為非恒定流，因此相比于傳統(tǒng)采用基于恒定流的計(jì)算方法很難滿足其糙率的準(zhǔn)確計(jì)算。