机翼形量水槽在不同渠道结构型式中的应用分析

程玉明

(宣城市宣州区溪口镇人民政府，安徽 宣城 242000)

农田水利及灌区节水技术对于节约水资源，促进农业可持续发展具有重要意义，灌溉量水便是灌溉用水管理中最重要的一环[1]。由于我国各灌区的条件相差较大，渠道型式多样，很难形成统一的量水设施，而目前已有的量水设施只能针对特定地区的灌溉量水要求，不能满足我国灌区量水技术的规模化、智能化发展。因此，针对不同结构型式渠道的灌溉量水技术的适用性分析就显得尤为重要[2-4]。

王滇红等[5]基于层次分析法，对小型灌区量水设备的选型问题进行探讨，并给出了梯形断面量水设施的优先顺序为：分流量水计、圆柱形量水槽、量水槛、矩形无喉段量水槽和巴歇尔量水槽；弋昭媛[6]对渠道无喉道量水槽水力计算方法和测流原理进行了分析，对于灌区流量智能监测具有重要作用；刘鸿涛等[7]对机翼柱形量水槽进行了模型试验分析，结果显示该量水槽具有很好的节水效果。刘朗、孙斌等则分别针对梯形、U形和矩形渠道的机翼形量水槽的水力特性进行了数值模拟分析，从理论上对不同结构型式的渠道量水效果进行了分析[8-13]。

本文基于上述研究成果，以模型试验为依托，对机翼形量水槽在矩形、梯形和U形渠道中的应用效果进行了对比分析，研究成果可为机翼形量水技术在农田水利及灌区不同条件下应用提供借鉴。

1 模型试验概况

机翼形量水槽通过收缩型槽壁将水流束窄产生临界流，使流量与上游水头构成一定的稳定函数关系，从而达到测流的目的。本文对常见的3种渠道结构型式进行机翼形量水槽的适用性评价分析。其中，U形渠道的半径为15cm，渠深40cm，中心角为152°；矩形渠道的渠深为30cm、渠宽60cm；梯形渠道底宽为30cm、顶宽为94.4cm，边坡高为1.0m。典型的机翼形量水槽结构和模型布置见图1。根据理论和工程经验，对不同渠道结构型式下量水槽参数进行设置，见表1。

图1 典型的机翼形量水槽结构和模型布置

表1 量水槽参数

2 试验结果模型

2.1 量水精度分析

由图2室内模型试验得到的实际流量与量水槽测算流量的对比关系可以看出：无论是U形、矩形还是梯形渠道，机翼形量水槽的测算流量值与实际流量值之间误差均较小，绝对平均误差值分别为4.2%、4.0%和4.4%。可见，机翼形量水槽在各种渠道结构型式中的量水精度均较高，具有广泛的适用性。

图2 量水精度对比

2.2 临界淹没度分析

选取流量为40L/s时不同工况组情况下的临界淹没度进行对比分析，从图3中可以观察到：对于U形渠道，机翼形量水槽的临界淹没度最大可以达到0.92，对应的喉口宽为15cm、收缩比为0.444、底坎高度为2.0cm(即U型断面第一种工况)。对于矩形渠道，机翼形量水槽的临界淹没度最大值为0.90，对应的工况为喉口宽28.8cm、收缩比为0.432、底坎高为3.0cm(即矩形断面第一种工况)。对于梯形渠道，机翼形量水槽的临界淹没度最大值为0.89，对应的工况为喉口宽35.0cm、收缩比0.518、无底坎形式(即梯形断面第五种工况)。U形渠道和矩形渠道在同等流量下，有底坎的机翼形量水槽临界淹没度大于无底坎的淹没度。梯形渠道，有无底坎对于量水槽淹没度的影响较小，但随着收缩比和喉口宽的增大，呈先增加后减小的趋势，即存在一个最佳收缩比。临界淹没度值越大，表明槽道上下游水位差越大，能够保证在槽道下游水位对上游水位产生影响前，有足够的变化空间使水流进行自我调整，从而减小或者规避下游水流对上游的影响，从而使机翼形量水槽的测量精度更高。

图3 临界淹没度试验结果

2.3 弗劳德数分析

从图4不同流量、不同工况下各渠道结构型式的弗劳德数变化情况中可看出：

a. U形渠道中，无底坎时，收缩比越大，相同流量时，弗劳德数越大。随着流量的增加，弗劳德数逐渐减小，这是因为U形渠道过水断面面积不是与水深成线性关系。收缩比不宜过小，也不宜过大，取弗劳德数不大于0.5为标准，从图4(a)中可看到，U形渠道的上限收缩比应不大于0.588。

图4 弗劳德数测试结果

b.矩形渠道中，弗劳德数随收缩比增加而略微增大，且无底坎时更大。随流量的增加，弗劳德数基本保持不变，这是因为矩形渠道的槽前水流更加平稳，水面波动更小，因而测量精度更高，计算误差更小。

c.梯形渠道中，随流量增加，弗劳德数逐渐减小，收缩比越大，弗劳德数越大，建议梯形渠道的收缩比上限应小于等于0.585。

2.4 壅水高度分析

由于机翼形量水槽的存在，使得渠道收缩，势必会在上游形成壅水，对不同渠道在不同工况下的壅水高度进行了分析，见图5。结果表明：壅水高度越高，需要的渠道越深，灌溉时间越长，且会产生淤积，增加蒸发面积，不利于灌区灌溉。随流量的增加，壅水高度逐渐增大。对于U形渠道，壅水高度的增幅逐渐减小，收缩比越大，壅水高度越小，以壅水高度不超过10cm为标准，建议U形渠道的收缩比不小于0.460。对于矩形渠道，壅水高度变化趋势与U形渠道类似，在试验收缩比下均没有超过10cm，但仍建议其值不小于0.432，底坎对于壅水高度的影响较小。对于梯形渠道，同等流量下，收缩比越大，壅水高度越小，且随流量基本呈线性增加，并建议收缩比不小于0.372。

图5 壅水高度测试结果

3 综合评价分析

通过以上对U形、矩形和梯形3种渠道下机翼形量水槽各项水力特性的分析可以看出：在3种渠道结构型式下，机翼形量水槽的量水精度均较高，可为灌区提供良好的节水灌溉管理服务。3种渠道的机翼形量水槽的临界淹没度均较大，在控制好收缩比、喉口宽等因素下，最大临界淹没度分别达到0.92、0.90和0.89，说明3种渠道机翼形量水槽在平原区灌区均比较适用。而矩形渠道与U形渠道和梯形渠道相比，其上游水面流速更加平稳，波动更小，流速分布较均匀，故而弗劳德数较小且稳定。

U形渠道、矩形渠道以及梯形渠道的收缩比下限建议值分别为0.460、0.432和0.372，能保证上游用水高度在10cm以下。

4 结 论

通过室内模型试验，对机翼形量水槽在U形渠道、矩形渠道和梯形渠道的适用性进行了综合评价，得到如下结论：从量水精度、临界淹没度、弗劳德数以及上游壅水高度等多项因素分析结果来讲，认为机翼形量水槽在各种渠道结构型式中均能满足灌区要求。矩形渠道相对其他两种渠道，其上游水面更加平稳，更适宜在平原地区使用。

因此机翼形量水槽可在山区农田及灌区大力推广，但应重点注意渠道收缩比的设计控制问题。