矩形渠道矩形側(cè)堰水力特性試驗(yàn)研究

盧德友，王瑩瑩，張文正，賈曉萌

（1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450011；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002）

0 引 言

灌區(qū)用水的精準(zhǔn)計(jì)量對(duì)執(zhí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度及農(nóng)業(yè)以需定水、以水定地、以水定產(chǎn)至關(guān)重要。我國(guó)對(duì)于灌區(qū)量水技術(shù)的研究從20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)70 a 以上的發(fā)展，量水技術(shù)和方法逐漸趨于成熟[1]。但是由于我國(guó)不同地區(qū)的灌區(qū)條件各異，存在不同的突出問(wèn)題，如高含沙水的引黃灌區(qū)、坡降大的山區(qū)灌區(qū)和緩坡渠系的平原灌區(qū)，且各灌區(qū)工程類型和管理水平不一，因此，量水技術(shù)很難完全滿足規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)代灌區(qū)管理工作的需求，尤其是斗渠及以下的小型渠道量水設(shè)備的配套率還比較低。

薄壁堰流水位流量關(guān)系穩(wěn)定，試驗(yàn)或野外測(cè)量時(shí)經(jīng)常使用薄壁堰進(jìn)行量水[2]。側(cè)堰屬于薄壁堰，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，量水精度較高，側(cè)堰水力特性研究已經(jīng)成為很多學(xué)者的課題。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)側(cè)堰的研究主要集中在側(cè)堰在水利工程中的應(yīng)用[3,4]，國(guó)外對(duì)于側(cè)堰在灌溉工程中應(yīng)用的研究較多。EMIROGLU 對(duì)矩形側(cè)堰的水面線、流量系數(shù)等水力特性進(jìn)行研究，并對(duì)基于流量系數(shù)推導(dǎo)出來(lái)的流量公式與其他學(xué)者進(jìn)行對(duì)比[5]。ALIREZA 對(duì)不同側(cè)壁坡度下的側(cè)堰進(jìn)行試驗(yàn)研究，并推導(dǎo)了含有佛汝德數(shù)、側(cè)堰高度和側(cè)壁坡度的流量公式[6]。前人對(duì)側(cè)堰流量系數(shù)的研究較多，基于流量系數(shù)推導(dǎo)出的流量公式精度較高，但大多形式比較復(fù)雜，不便于推廣應(yīng)用。本文在王瑩瑩[7-9]、王佳偉[10,11]等人試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充分析了矩形渠道上的不同高度的矩形側(cè)堰在不同流量工況下的水面線、壅水高度、水頭損失等水力特性，推導(dǎo)了形式簡(jiǎn)單、精度較高、便于操作的流量公式，以期為側(cè)堰優(yōu)化選型和在小型渠道中的實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)布置及方案

1.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)渠道由2 條交角為90°的矩形渠道構(gòu)成，分別為主渠道和側(cè)渠道，主渠道長(zhǎng)33.1 m、寬0.5 m、深0.6 m，為混凝土襯砌渠道，渠道綜合糙率取為0.013，渠道底坡為1/2 000；側(cè)渠道為PVC 材料制成的矩形槽，長(zhǎng)2 m、寬0.5 m、深0.6 m。在渠道分水口處放置矩形側(cè)堰。主渠道末端下游封閉，水流全部通過(guò)側(cè)堰進(jìn)入側(cè)渠道。圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)平面圖。試驗(yàn)系統(tǒng)流量大小通過(guò)閥門調(diào)節(jié)，測(cè)量校核使用直角三角形薄壁堰，即三角形薄壁堰堰頂夾角為90°，流量采用式（1）計(jì)算。渠道水深測(cè)量使用SCM60型水位測(cè)針，其測(cè)量精度為±0.1 mm。

式中：Q為過(guò)堰流量，m3/s；H為三角堰堰上水頭，m。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)灌區(qū)小型渠道灌溉流量范圍，本試驗(yàn)流量設(shè)置6個(gè)水平，分別為15.61、19.65、21.55、28.44、34.70、40.87 L/s；矩形側(cè)堰堰寬均為50 cm，堰高設(shè)置6 個(gè)水平，分別為7.05、10.25、13.15、15.15、17.05、20.35 cm。為了獲得主渠道側(cè)堰附近水面變化情況，在側(cè)堰上、下游端30 cm 范圍內(nèi)共設(shè)置9個(gè)測(cè)流斷面。由于側(cè)堰的泄流作用，主渠道垂直水流方向的水面會(huì)向側(cè)堰傾斜，因此9個(gè)測(cè)量斷面分別在靠近側(cè)堰端（簡(jiǎn)稱為①側(cè)）、主渠道中心線（簡(jiǎn)稱為②側(cè)）和遠(yuǎn)離側(cè)堰端（簡(jiǎn)稱為③側(cè)）3 處共計(jì)27 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水深的測(cè)量[8]。各測(cè)點(diǎn)具體位置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)流斷面位置及測(cè)點(diǎn)示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of measuring sections and points

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水面線

渠道水深是量水的主要影響因素，水面線又是量水設(shè)施研究的主要影響因素，因此需要對(duì)主渠道側(cè)堰段水面線進(jìn)行研究[12]。水流從主渠道進(jìn)入與其垂直的側(cè)渠道時(shí)，水流流線發(fā)生急劇彎曲，水深也發(fā)生變化，由于側(cè)堰的設(shè)置，各測(cè)流斷面①、②、③側(cè)的水深不相同。為了研究側(cè)堰對(duì)主渠道水流的影響，繪制了各矩形側(cè)堰在不同流量下的側(cè)堰附近水面線。相似工況下規(guī)律相同，因此，本文僅對(duì)其中的一種工況進(jìn)行分析。圖3 給出了流量Q=15.61 L/s，側(cè)堰高度h=7.05 cm 時(shí)不同堰高情況下主渠道側(cè)堰附近水面線的變化情況，橫坐標(biāo)以主渠道水流流向?yàn)檎较?，橫坐標(biāo)0點(diǎn)為斷面V 所在位置，縱坐標(biāo)表示渠道水深。由圖3可知，隨著水流的行進(jìn)，主渠道側(cè)堰上游段水面逐漸下降，在斷面Ⅳ處下降到最低，這是因?yàn)樵跀嗝姊糁?，水流流?jīng)側(cè)堰上游開(kāi)口處，高于堰頂?shù)乃鞯靡孕筟7,10]，水流流經(jīng)側(cè)堰時(shí)，因緩流條件下主渠道流量逐漸減少，側(cè)堰段水面線逐漸上升[12]，在側(cè)堰下游段水面線逐漸趨于平穩(wěn)。在同一堰高下，①側(cè)水面線上下波動(dòng)較大，②側(cè)次之，③側(cè)水面線較穩(wěn)定，受側(cè)堰的影響較小，這與前人研究的規(guī)律相同[7-11]。這說(shuō)明側(cè)堰的設(shè)置對(duì)主渠道水流的影響不大，影響范圍僅限于主渠道中心線附近。

圖3 Q=15.61 L/s，h=7.05 cm時(shí)主渠道側(cè)堰附近水面線Fig.3 Flow profiles in main channel near side weirs when the discharge is 15.61 L/s and the side weir height is 7.05 cm

為了深入研究側(cè)堰對(duì)主渠道水流的影響，繪制了同一堰高不同流量和同一流量不同堰高下①側(cè)水面線，分別以堰高為7.05 cm 和流量為28.44 L/s 時(shí)為例（其他情況下規(guī)律亦同），如圖4 和圖5 所示，圖4 和圖5 的坐標(biāo)設(shè)置與圖3 相同。由圖4可知，堰上水面線為壅水曲線，同一堰高下波動(dòng)程度隨著流量的增大而增大。由圖5可知，同一流量下水深隨著堰高的增加而增加，水面波動(dòng)程度受堰高的影響較小。

圖4 h=7.05 cm時(shí)不同流量下主渠道①側(cè)水面線Fig.4 Flow profiles in main channel of side weir with height 7.05 cm under different discharges

圖5 Q=28.44 L/s時(shí)不同堰高下主渠道①側(cè)水面線Fig.5 Flow profiles in main channel of side weir with discharge 28.44 L/s under different side weir heights

2.2 壅水高度

在渠道上修建側(cè)堰，會(huì)引起渠道上游水位壅高，造成一定范圍內(nèi)的淹沒(méi)。設(shè)定渠道通過(guò)一定流量時(shí)，放置矩形側(cè)堰前后渠道上游水深差為側(cè)堰在該流量下的壅水高度[7]。為了使灌溉水流不因?yàn)閭?cè)堰的設(shè)置而溢出渠道，造成水源的浪費(fèi)，需要對(duì)壅水高度進(jìn)行分析。本試驗(yàn)對(duì)矩形側(cè)堰在不同堰高、不同流量下的壅水高度進(jìn)行計(jì)算，如圖6 所示。由圖6 可知，當(dāng)流量一定時(shí)，壅水高度隨著堰高的增大而增大。在同一堰高下，當(dāng)堰高為7.05 cm 和10.25 cm 時(shí)，在流量小于28.44 L/s時(shí)，壅水高度隨著流量的增加而減小，在流量大于28.44 L/s時(shí)，壅水高度隨流量的增加而增加；當(dāng)堰高在13.15～20.35 cm時(shí)，壅水高度整體上隨流量的增大而減小，在流量大于28.44 L/s時(shí)，減小幅度較小，說(shuō)明此時(shí)流量對(duì)壅水高度的影響較小。本試驗(yàn)條件下，不同堰高的矩形側(cè)堰在不同流量下的壅水高度均在17 cm以內(nèi)，最大壅水高度為16.14 cm。

圖6 不同堰高下壅水高度隨流量的變化Fig.6 Variation of percentage of backwater height with discharges under different side weir heights

2.3 水頭損失

由于液體具有黏滯性，所以在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)為了克服各液層之間的摩擦阻力而做功，引起其機(jī)械能的損失，即水頭損失[13]。量水設(shè)施在進(jìn)行量水時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的水頭損失，進(jìn)而導(dǎo)致灌溉效率降低，增加工程成本[14]，因此研究量水設(shè)施時(shí)需對(duì)水頭損失進(jìn)行分析。水頭損失根據(jù)液流邊界的形狀大小沿程變化與否和主流是否脫離邊壁或形成旋渦分為沿程水頭損失和局部水頭損失[13]。對(duì)于本試驗(yàn)，水流順主渠道流動(dòng)，沿程形狀大小不變，流經(jīng)側(cè)堰時(shí)產(chǎn)生分流，在主渠道側(cè)堰下游產(chǎn)生漩渦，液層之間的摩擦和水質(zhì)點(diǎn)間的碰撞加劇，進(jìn)而產(chǎn)生水頭損失。因此在側(cè)堰流中的沿程水頭損失與局部水頭損失相比較小，可忽略不計(jì)[15,16]。在水頭損失計(jì)算中，本試驗(yàn)選取的控制斷面為主渠道中側(cè)堰的上游端斷面和側(cè)渠道中的下游斷面，基準(zhǔn)面為渠道底部所在的水平面。

基于不同流量下各矩形側(cè)堰試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算水頭損失，進(jìn)而得到水頭損失占上游總水頭的百分比與流量之間的關(guān)系，如圖7 所示。由圖7 可知，相同流量下，水頭損失百分比隨堰高的增加而增加；同一堰高下，水頭損失百分比隨流量的增大而減小。當(dāng)堰高為7.05、10.25、13.15、15.15、17.05 和20.35 cm 時(shí)，水頭損失占上游總水頭百分比的平均值分別為35.7%、43.7%、50.6%、55.3%、60.6%和65.5%，矩形側(cè)堰的水頭損失相比于大多槽類量水設(shè)施的水頭損失較大[17,18]。

圖7 不同堰高下水頭損失百分比隨流量的變化Fig.7 Variation of percentage of head loss with discharges under different side weir heights

2.4 矩形側(cè)堰流量經(jīng)驗(yàn)公式

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn)，流量Q與堰上水頭h1有明顯的函數(shù)關(guān)系，如圖8所示。

圖8 流量與堰上水頭的關(guān)系Fig.8 Relationship between discharge and weir head

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得各堰高下流量Q與堰上水頭h1的關(guān)系式如表1所示。通過(guò)各關(guān)系式所得計(jì)算和實(shí)測(cè)流量的對(duì)比如圖9 所示。由圖9 可知，計(jì)算和實(shí)測(cè)流量的數(shù)據(jù)對(duì)比均在5%以內(nèi)；由表1 可知，各公式最大相對(duì)誤差絕對(duì)值為4.98%，最大平均相對(duì)誤差絕對(duì)值為4.27%，滿足GB/T 21303—2017GB《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中對(duì)于量水精度不大于5%的要求[19]。

表1 各堰高下流量Q與堰上水頭h1的關(guān)系式Tab.1 Relationship between discharge and weir head under different side weir heights

3 結(jié) 論

本文對(duì)矩形渠道中6 種不同高度的矩形側(cè)堰在6 種不同流量下進(jìn)行清水試驗(yàn)，并用三角堰進(jìn)行流量校核，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）獲得了不同工況下主渠道側(cè)堰附近水面線，因緩流條件下側(cè)堰段主渠道流量逐漸減少，水面線均為壅水線，主渠道靠近側(cè)堰一側(cè)的水面受側(cè)堰的影響波動(dòng)較大。

（2）矩形側(cè)堰的水頭損失占上游總水頭的35.7%～65.5%，水頭損失較高，此性能指標(biāo)劣于槽類量水設(shè)施。

（3）獲得的流量公式最大相對(duì)誤差為4.98%，滿足GB/T 21303—2017GB《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中對(duì)于量水精度不大于5%的要求。采用矩形側(cè)堰量水時(shí)只需測(cè)得側(cè)堰上游端水深即可獲得過(guò)堰流量，具有簡(jiǎn)單、便捷、成本低廉且精準(zhǔn)度較高的優(yōu)點(diǎn)，便于在田間具有固定斷面的硬化農(nóng)渠（溝）、毛渠（溝）中應(yīng)用和推廣。

（4）影響矩形側(cè)堰水力特性的因素還有渠道寬度、側(cè)堰寬度、水流含沙量等，未來(lái)尚需要開(kāi)展此3個(gè)因素與堰體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，以更好地提高側(cè)堰量水精度。