渠道断面水位-流量关系曲线率定分析

杜 坤

（新源县水利局，新疆 新源 835800）

0 引言

随着中国农业灌区发展规模的不断增大，在渠道建立水量监测断面是提升水资源优化配置及利用效率的重要手段。灌区渠系网络复杂，必然会增大管理难度及管理成本，并且人工渠道和天然河道水流运动形式及规律截然不同，人工渠道大多由浆砌石和混凝土预制板衬砌而成，边界条件和断面形状较为相似，且属于渐变稳定流，渠道断面水位、水深及过水流量关系均较为稳定。所以，在渠道中选择适宜的水量监测断面，进行水位及对应流量关系的率定，由此便能进一步得出引水流量，简化渠道运行及水资源调度管理难度。由此可见，流量监测断面的选择、监测方法优化及渠道断面水位-流量关系曲线率定是灌区水资源调度及优化管理所迫切需要解决的问题。

1 工程概况

新源县恰普河灌区是规划的伊犁河流域25 个灌区之一，灌区水利骨干工程设施建于20 世纪70 年代，设计标准低，经过近40年的运行，工程普遍老化失修，灌区渠道防渗完好率仅为15%，因渗漏、坍塌等原因，渠道输水能力持续下降，干支渠供水能力大幅度降低，灌区引水无法保障。为此，于2020年底对该灌区展开改建。恰普河灌区干支渠防渗、改建、配套工程设计的任务是通过对项目区渠道改建、防渗，同时新建建筑物，使渠道达到设计输水能力，可大大减少渠道的渗漏，灌溉利用系数由0.46 提高到0.51，从而可确保灌区27.01 万亩农牧业灌溉的需求，为灌区农牧业发展提供坚实物质保障。此次改建渠道总长度64.52 km（具体见表1），配套渠系建筑物275 座。根据《水利水电等级划分及洪水标准》规定：灌区控制灌溉面积27.01万亩，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。

表1 渠道改建长度统计表

2 渠道最优断面选取

水位-流量关系是推求时段过水流量的常见方法，该方法具有简便快捷、精度高的特点，渠道水位-流量关系通常较为稳定，且表现为单一曲线，可通过曼宁公式加以计算和说明：

式中：Q—渠道过水断面流量，m3/s；v—断面流速均值，m/s；A—过水断面面积，m2；n—渠道糙率；I—水面比降；R—水力半径；B—渠道水面宽度，m；H—渠道水深，m；ω—湿周。

从以上公式可知，过水断面面积随着渠道水深的增大而增大，且两者呈正比例变动关系，其中的H从物理意义上而言，是渠道水位的表征；对于特定渠道而言，式（1）中糙率和水面比降均为定值，故渠道过水断面流量便和渠道水深（或水位）呈正比例关系，也就是说，在渠道其他条件不变的情况下，水深和流量之间存在较为稳定的对应关系。基于这一结论，应选择合理的渠道断面，进行不同水位流量值的率定，构建水位-流量关系曲线，编制水位流量关系对照表，从而可以结合日水位观测结果和水位特征值查表得出对应的流量，简化流量测验过程，并为灌区渠道管理提供便捷、准确的水文信息。

3 渠道断面水位-流量关系曲线率定

恰普河灌区干渠于2020年建成，当年便进行了曲线率定，同时结合《水文资料整编规范》展开了三线检验，各项参数取值误差均满足规范。当时所确定出的干渠水位-流量关系曲线见图1，率定出的水位-流量关系取值见表2。

图1 水位-流量关系曲线图

表2 水位-流量关系取值表

为进行该灌区干渠所率定的水位-流量关系的检验，2021年在该渠道所取断面低、中、高水位共进行10 个测次施测，断面流量实测结果见表3，同时将表中所列结果点绘在2020年渠道水位-流量关系曲线上，以进行2020年及2021年渠道水位-流量关系曲线及点距离散程度分析，结果见图2。由图可知，2021 年根据实测资料所率定的曲线两侧呈窄幅带状分布，实测点距所对应的水位流量误差统计结果见表3。据表，2021年灌区干渠实测流量点距和率定曲线之间的误差最大为-5.31，系统误差为-0.30，随机不确定度5.80%，各项参数值均满足《水文资料整编规范》要求，表明2021年实测点距属于2020年长系列内的短系列样本；水位-流量关系曲线也完全能体现出灌区干渠水位-流量变化趋势，能作为渠道水量长期控制工作曲线以及渠道实时水位流量变化过程判断及管理依据。

图2 2020年及2021年渠道合并水位-流量关系曲线图

表3 断面流量实测结果以及实测点距和率定曲线误差表

4 结论

研究结果表明，随着灌区农业发展速度的加快，水量控制及优化配置日益成为灌区科学管理的重要方面，构建便捷、高效、精确的渠系水监测系统已经刻不容缓。必须对所构建起的灌区渠道水位-流量关系曲线定期复检，保证曲线稳定性及准确性；水量控制断面应设置在水流变化平稳、渠道坡降相同、断面形状相似的渠段，并尽可能避开消能、闸门等回水区。为保证渠道断面水位-流量关系曲线的准确，对于兴建调节工程而改变水流运动形态、影响渠段水力坡降等水文要素的情况，必须另外选择断面，保证水位-流量关系曲线率定结果的准确。