秦 鵬

（陜西省桃曲坡水庫灌溉中心,陜西 銅川 727100）

0 前言

桃曲坡水庫是一座中型水庫,主要任務是農業灌溉,兼具城市供水與防洪功能。桃曲坡水庫灌區位于關中北部,北與銅川相鄰,西與三原相鄰,東南與東雷二期抽黃灌區相鄰。灌區設施灌溉面積為43.03 萬畝,有效灌溉面積為29.36 萬畝。灌區有9 條干渠長113.67 km,有46 條支渠長188.12 km,有1924 條斗、農渠共長1256.8 km。近幾年,灌區使用了不同類型的中央和省級資金來更新灌區的部分水源項目、干支渠和末級渠系,而灌區項目則有了新的視角。

桃曲坡水庫灌區位于渭北干旱區,降雨少,時空分布不均,加上城市工業的快速發展,導致水資源短缺,社會發展對水的需求不斷增加,供需矛盾日益突出。同時,對水資源的控制和精準分配的要求變得越來越緊迫,但是灌區農業灌溉用水效率不高,嚴重的水浪費現象十分普遍,現狀農業灌溉用水的總利用率為0.52,而發達國家水綜合利用系數為0.7,有些達到為0.8。

農業灌溉中精確配水計量、節約用水、減少水量損失是農灌工作中的重中之重,灌區現有量水設施193 座,結構形式大部分為堰都是U形直壁槽式測量堰、U形直壁槽式堰,其中：末級渠系中量水堰多為U型直壁槽式量水堰,經過多年實際運行觀測和分析,灌區現有量水堰普遍存在測流精度低、抬高渠道水位、水頭損失偏大、建造復雜體型偏大等缺點,同時也普遍存在大流量計量準確、小流量計量偏差大,不適應灌區末級渠系測量水要求,給灌區準確計量、合理配水造成了一定影響。為提高水利用率,節約寶貴水頭,提高量水精度,修建施工簡便、經濟實用、精確的量水設施是灌區用水控制的主要手段,不僅為水量控制、水費征收等提供主要依據,而且對促進節約用水,改進灌溉方式也有重要意義。也是推行農業灌溉水價改革、推廣農民用水的必由之路,對保障國家糧食安全、維護社會穩定、減少水事糾紛等有著十分重要的意義。

1 灌區量水堰形式及其特點

桃曲坡水庫灌區末級渠系常用的明渠量測建筑物具有結構簡單,堅固耐用,精度合理,水頭低,基礎設施維修費用低,操作簡單等特點,完全可以滿足要求。當前,國內外灌區末級渠系量測水通常使用以下類型。

Parshall槽,美國科學家Parshall于1920 年改進了文杜里槽,并獲得了美國民用灌溉和水利保護委員會的批準。該水槽的一個特點是在自由流動條件下對水進行測量。由于其高精度和大流量測量比,特別適用于流量明顯變化的骨干渠道和分支渠道。即使水中有碎屑或沉積物,也可照常測量水。但是槽結構復雜,成本高,并且施工困難。

無喉道量水槽是通過切巴歇爾槽的喉道切去而獲得的改良型槽,并且在陜西省沁、引渭等灌區地區得到了廣泛的應用。結構簡單,經濟,易于組裝,抗雜物強,自由流量測量精度,但是浸入水中過多會降低精度。必須在大中型渠道上及非嚴重回水的條件下使用。量水槽上游和下游水位計位于流線可與邊界分開且具有復雜水力特性的區域,因此歐美地區不建議在渠道上進行無喉道測流。

長喉道量水槽在1970 年代在國外研發的,是短喉道槽的改進型,已獲得美國開發局的批準,并正在積極推廣和使用。它具有簡單的結構,易于構造,水頭損失低,淹沒流出的臨界點高,成本低,測量精度高等特點。長喉槽有矩形、梯形和U形可供選擇,而梯形和U型長喉槽則適用于需要精確測量小流量的量水槽。

根據桃曲坡水庫灌區大部分斗農渠道襯砌斷面均為U型渠的實際情況,灌區選用U型長喉道槽量測水,在運用武漢大學對長喉道槽的研究結果的基礎上,對長喉槽體型進行優化。

2 長喉槽量水堰基本情況

（1）長喉槽量水堰的結構形式

長喉槽量水堰由上游部分,喉部和下游擴散部分三部分組成,長喉槽有多種形式。根據不同形式的收縮,可分為側收縮、垂直收縮以及垂直收縮三種形式。如果渠道截面是U形渠道,則有兩種基本類型：水平槽底型和槽底拱起型。

（2）長喉槽量水堰的優點

1）流量測量精度高,且喉道的流量狀態為臨界流量時,可直接用流量計檢查流量,誤差小于5%。

2）由于喉道垂直于流向,渠道雍水低,并且在確保精確的流量測量的同時,渠道不會產生多余的雍水。

3）損失小并且可以估計,所需的水頭損失小并且可以準確地估計。

4）過渡部分是通暢的,收縮部分和逐漸變化部分之間的過渡是緩和的,并且不易發生懸浮物堵塞的問題。

5）結構簡單且易于控制,如果喉道尺寸與結構圖有差異,則可根據竣工尺寸計算流量,并進行水位和流量校正。

6）成本比較經濟,在類似的水電和邊界條件下,長喉道測水堰比其他類型的測水堰更準確,更便宜。

3 長喉槽設計的基本要求

為確保長喉槽的工作條件與流量測試條件相匹配,長喉槽的設計必須符合以下基本條件：

1）槽的底板是水平的,向前的水流保持緩慢,引渠的弗洛德數為0.5 或更大,并且沒有紊動。

2）如果水頭非常低,則邊界很粗糙,液體的粘度和表面張力不會對流量方程產生影響。

3）喉槽的長度應等于最大測量水頭的1 ~3 倍,以確保在關鍵部位有平行的水流。

4）入口過渡段為1∶3 或更小,出口段擴散比為1∶4 或更小,因此可以獲得更好的流型和更少的水頭損失。

4 長喉槽的優化設計

（1）計算原理

應用臨界流量條件、連續性方程式和能量方程式,并考慮水頭損失和非均勻流速分布,在臨界流量條件下使用流量計算作為臨界水深。計算簡圖見圖1。

圖1 護坡斷面圖

臨界流量條件：a1v2/g=A1/B1

結合連續性方程：Q=A1V1=AcVc=const

能量方程：H1=h1+a1v12/（2g）=yc+acvc2/（2g）+ΔH1

可得到流量計算式：

式中：V1是上游部分的平均流速；Vc是控制部分的平均流速；A1是上游部分的流速；Ac是控制部分的流速,ΔH1是從1-1到c-c的水頭損失；Bc是咆哮區域的水面寬度；a1和ac是動能校正因子。

對于理想的流體,沒有考慮水頭損失和流速分布不均勻的影響。但是,理想的液體實際上并不存在。在計算實際流量時,必須考慮流過長喉道的水的水頭損失以及流速不均勻對流量測量的影響。通過將流速的部分不均勻系數相加來校正流速分布的不均勻性。對于流經長喉道的水頭損失,將喉槽分為三部分,并補償每一部分的水頭損失。需要考慮：①從上游部分到收縮部分開始的水頭損失；②喉段部分的水頭損失；③喉段部分沿流動方向的長度損失。

從上游水頭到水頭控制部分的損失如下：

將水頭損失ΔH1和動能修正系數a分別代入流量計算公式,便得到實際流量；經過試算,直到設定Q值滿足計算精度,最后得到的Q值為實際流量。

從上面的長喉槽的水位測量機理分析,有一個流量Q對應于每個堰的水頭H1,當通過流量恒定時,水頭H1根據喉槽的幾何尺寸變化而變化,隨著喉管槽變窄,堰的頭增加,反之亦然。每組固定的喉槽尺寸對應于一組水位-流量關系曲線。因此,我們可以利用水位、流量隨喉槽幾何尺寸的變化而變化這一單值對應關系,進行長喉槽的幾何尺寸設計。

（2）幾何尺寸優化設計

1）根據明渠的橫截面尺寸和邊界條件,使用明渠均勻水流方程計算當水道中的水深為h時的實際流量Q。

2）為減小上游觀察點位置的水位波動影響,有必要測量觀察點處的總長度足夠遠離喉槽的上游收縮部分。還必須使觀察點足夠靠近喉嚨凹槽,以便可以忽略觀察點和喉嚨之間的時間、能量損失。通過綜合分析,上游觀測點距離需要增加一倍。

3）為確定上游過渡段和下游過渡段的長度,應將水頭損失降至最低,同時流線應相對平穩。通常使用1∶2到1∶4。收縮率大于1∶2的流線具有較高的曲率和增加的局部損耗。如果流線比率小于1∶4,則局部損失會隨之增加,浸沒程度將相應降低。選擇入口部分的收縮率時,采用1∶3的底部和側面收縮率。

對于出口部分,延長出口收縮部分有助于能量回收,但是如果水平部分過緩,則水頭損失將會隨之增加。該設計使用1∶6的擴散比來完全恢復能量。

4）確定喉槽邊坡。為在喉槽中獲得更平滑的流動模式,選擇與引渠匹配的喉道坡度以減少水頭損失。

5）確定喉槽的寬度。喉槽的寬度主要由喉槽的收縮率值決定。這是確定流量的主要參數之一。首先,二分法用于確定函數值近似解之間的間隔并確定解的兩個最終值。長喉槽用于測量水量,前槽應為開放通道,流量均勻。弗洛德數通常不應超過0.5。考慮到結構的便利性,暫時設定收縮率P1下上限為0.05 m,即通道底部的寬度。通常,P1上=b1/2,找到二分法的初始值并計算出喉槽的底部寬度。

①對于只有側收縮的長喉槽,首先確定側收縮的初值,bs=（bs上+bs下）/2,收縮段水平長度為L=3bs；圓弧直徑dc=d1-2bs。

②對于即有側收縮又有底收縮的長喉槽,首先確定底坎值P1=（P1上+P1下）/2,然后上游收縮段水平長度為L=3P1；圓弧直徑dc=d1-2bs。

在確定上游收縮值之后,可以畫出喉長度La。喉嚨凹槽的精度主要由H1/La比率決定。如果0.07

6）根據確定的長喉槽的初值,計算長喉槽的流量Q設與渠道利用明渠均勻流計算的流量Q實進行比較,是否滿足｜Q設-Q實｜≤ε（ε為計算精度）。若滿足,則該組設計參數作為最終的設計結果；否則,對結果進行分析,若Q設>Q實,說明bs或P1、La的值偏小,應逐漸減大,調整參數值；若Q設

計算結果見表1。

表1 長喉槽各部尺寸表 單位：m3/s；cm

5 運行效果分析

桃曲坡水庫灌區建造了許多優化后的長喉槽堰,例如東干渠新三斗、東干八支六斗、七斗等。在灌溉期間,調整每次測量的流量并在不同水位下使用,詳細記錄各種數據,分析灌溉效果,測量渠道利用系數,同時使用高精度水文儀器。然后執行實時校準和測量,以測量理論水位。分析堰的流量曲線,將其與測得的流量進行比較,并繪制出圖2、圖3所示的曲線圖。

圖2 D80U形長喉道槽實測數據分析

圖3 D60U形長喉道槽實測數據分析

經過分類分析得,如果每個量水堰都處于特征水位,則量水槽測得的流量與實際儀器測得的流量更加一致,最大誤差為9%,最小誤差為0.7%,且在數據點誤差在±5%以內的,達到95%。在實際應用中,這種類型的水測量堰高度精確且易于操作,并且適合灌溉區域的特性,未來的運用將更加廣闊。

6 結語

通過對長喉道量水槽的設計原理的深入分析,科學地進行優化設計,結合在桃曲坡水庫灌區的實踐運用表明,這種量水堰具有量水測水精度較高、運用方便、造價低廉等特點,為灌區的末級渠系灌溉配水發揮了重要作用,達到精確計量、科學分配、杜絕浪費、節約水資源的目的,從而為灌區在現代化、標準化建設,提高灌溉管理水平上奠定基礎,也為其他灌區探索末級渠系計量設施建設和深化管理提供借鑒經驗。