中图分类号: S274. 4 文献标识码: A文章编号: 1007-2284(2011)04-0119-03
Comparison and Selection of Measuring flume of U-shaped Channel in the Canal Irrigation District
HAO Hong-ke1，ZHANG Zhi-chang2，XIN Xue-feng3
Abstract: U-shaped channels have incomparable advantages over other forms of water channels and they have been popularized and applied as the standard channels in the canal irrigation districts. The water-measuring devices of U-shaped channels have entered the research stage，new water-measuring devices appear continuously，and water-measuring accuracy has been improved constantly. But the question is how to choose the water-measuring devices of U-shaped channels. Currently there are three sorts of water-measuring devices o f the U-shaped channels，which have been popularized and applied as the standard. Through the actual tests in the laboratories and irrigation districts，a comparison is made of the three sorts of water-measuring devices from different angles，and then a reference is provided for the selection of the water-measuring dev ices of the U-shaped channels in the channel irrigation districts.
Key words: channel irrigation district; U-shaped channel; water-measuring devices
渠道输水是灌区灌溉的主要形式，据统计全国有大中型灌区5 000 多处，渠灌区灌溉水利用系数低，灌区灌溉水利用系数平均在0. 5 以下[1]，尽早实现灌区渠道U形化，是提高灌区灌溉水利用系数的主要途径。U形渠道具有优越的水力条件，占地少、结构整体性高、耐冻胀、管理方便，是灌区普遍采用的渠道输水形式，部分地方政府已把渠灌区渠道U形化作为强制标准推行。但U形渠道的量水槽的研究、形式选择、量水精度等问题始终是制约灌区U形渠道发展的瓶颈，U形渠道流速分布规律及其流量测量仍处于发展探索阶段。目前已出现的U形渠道测流槽种类很多，主要有3 种形式。依托灌区的实际条件，针对3 种形式测流槽，从量水精度、制作工艺、理论计算、制作材料和制作成本等方面对3 种形式测流槽进行比较分析。
1 U形渠道测流设施
从U形渠道发展以来，先后出现了多种测流设施，但大部分测流设施仅处于理论研究阶段，目前比较成熟的测流设施主要有3 种[2- 4] : 即U形抛物线形喉口式量水槽、U形直壁式量水槽、U形(圆底形)喉道测流槽。这3 种形式的测流槽在测流精度、设施建设难度、工程造价、测流范围等方面各有千秋: U形抛物线形喉口式量水槽结构简单、外形与U形渠道衔接自然，呈良好流线型，水头损失小，有利于渠道流沙及漂浮物通过; U形直壁式量水槽结构较复杂，壅水高度大，在小流量时量测精度高，且可以从理论上计算出水位- 流量关系曲线; U形(圆底形)喉道测流槽体型较大，也能从理论上计算出水位流量关系，但施工难度较前两者大。
2 U形渠道量水槽量水精度的比较
3 种形式量水槽因体型结构的差异，在量水范围和量水精度方面误差各异，这使灌区在选型时难以把握，对U形渠道量水槽在灌区实现标准化增加了难度。参照质量技术监督部门的测量结果，在测量时，为了减小测量误差，在同一试验场，采用相同渠道坡降、相同糙率，制作3 条测流渠道，分别制作3 种形式的测流槽。用矩形堰测量数据作为基准(按照灌区量水标准，矩形堰测量误差一般在2%范围以内，和灌区渠道测量误差要求的5%相比，完全可以作为基准测量数据，同时，3 种形式测流槽主要应用在灌区斗渠以下各级渠道，用矩形堰的测流作为基准测流堰是可以满足要求的)，分别测量了U形渠道直壁式量水槽、U形渠道抛物线形喉口式量水槽和U形圆底形喉道式测流槽的量水精度，测量结果如图1、图2、图3。
图1 直壁式测流槽测流结果
Fig. 1 U-shaped straight wall groove flow measurement test resul ts
图2 抛物线形喉口式测流槽测流结果
Fig. 2 U-shaped parabolic throat groove flowmeasurement test results
图3 U形圆底形喉道式测流槽测流结果
Fig. 3 U-shaped round-bottom long throat groove flow measurement test results
从图1- 3 可以看出: 3 种形式测流槽测流结果均小于矩形堰测试结果，其结果是正确的。因3 种形式测流槽体形均比矩形槽体形复杂，与水流接触面大，对水流产生的摩擦力大，而且3 种形式测流槽均采用收缩过水断面以形成上下游水头达到测流的目的，因此其测量结果一定小于矩形槽测流结果。但其测量结果均满足灌区测流要求。经测量，直壁式测流槽在测试范围内，最小误差1. 454%，最大误差3. 372%; 抛物线形喉口式量水槽在测试范围内，最小误差1. 062%，最大误差4. 591%; U形圆底形喉道式测流槽最小误差1. 075%，最大误差3. 8%。对比分析发现: 直壁式测流槽在小流量时误差稍大，大流量时误差较小，而抛物线形喉口式量水槽和U形圆底形喉道式在小流量时误差较小[6]，大流量时误差较大(灌区测流误差上限5%)。为了更好的对比分析3 种形式测流槽的测流效果，在宝鸡峡灌区渠道上对U形渠道不同底坡、不同渠道倾角和不同渠道糙率情况下设置3 种量水槽的量水精度进行了比较，渠道型号主要选取灌区常用的渠道断面进行测试，选取H40D30、H60D60、H80D80 型号，对应倾角取0°、8°，渠道糙率取灌区目前混凝土衬砌的施工水平，即取n= 0. 013，测试结果如表1所示。从表1 测试结果分析: 在半干旱半湿润灌区实际测量，3 种形式测流槽测量精度均满足灌区量水要求，相比之下，U形渠道直壁式量水槽的量水精度稍高，但其壅水高度也稍高，与《渠灌类型区农业高效用水模式与产业化示范》项目实际测试结果一致[5]。
3 U形渠道量水槽制作工艺的比较
为了对比分析3 种形式测流槽的制作难易程度，在室内和室外分别现场制作了D40、D44 两种断面、倾角分别为0°和8°的U形混凝土渠道，所用材料均与U形渠道衬砌所用材料一致，在现场制作时均采用普通C15 混凝土，按照3 种形式测流槽体型参数，在D40、D44 两种断面、倾角分别为0°和8°的U形混凝土渠道上对比制作，以U形长喉道量水槽的制作最为复杂，抛物线形喉口式量水槽制作难度次子，直壁式测流槽制作精度最易控制。
U形长喉道量水槽的制作工艺最为复杂，分析其原因主要为:①U形长喉道量水槽底部断面缩小，尺寸控制起来较难;②测流槽底部与原渠道底衔接时须改变尺寸，增加了制作的难度;③渠道与测流槽的衔接须采用扭面连接，控制难度较大。但由于长喉道量水槽量水段长度大，水流平稳，变形对量水精度影响相对较小。U形渠道抛物线形喉口式量水槽的喉口为抛物线，在制作时采用钢板或木板按照抛物线方程制成模具,安装在已建渠道上再进行测流槽修建，难度较小，但与U形渠道相连接时过渡段仍为扭面，制作精度不易控制; 另外，抛物线形喉口式量水槽底部要求水平，须对原渠道底部要进行整平,增加了施工难度，抛物线形喉口式量水槽属于短喉道量水设施，变形对量水精度影响较大。U形渠道直壁式量水槽施工相对简单，究其原因:①U形渠道直壁式量水槽其喉道两侧均为直墙，施工精度易于控制;②U形渠道壁与测流槽直壁连接采用椭圆曲线连接，用方程可以控制精确较高;③因喉道两侧均为直墙，与渠道壁间隔变大，致使施工用料增加;④直壁式测流槽底部与U形渠道底部形状一致，精度容易控制，直壁式量水槽也属于长喉道测流设施，变形变形对量水精度影响相对较小。
表1 不同渠道条件下3 种量水槽量水精度比较
Tab. 1 Accuracy comparison of three sorts of water-measuring devices of the U-shaped channels
4 U形渠道量水槽体形计算比较
3 种形式的测流槽的测流原理均为改变过水喉道宽度以产
生测流槽上下游水位差来实现测流目的。从3 种形式的测流槽体型结构来看，U形长喉道量水槽和直壁式量水槽均属于长喉道量水槽，长喉道量水槽按照水力学原理，可以在一定范围内将试验率定的水位- 流量关系换算成原形值，也可以通过边界层理论推算测流槽的水位- 流量关系曲线。在渠道测流时,可以通过改变量水槽的喉道宽度、槽底拱起的几何尺寸满足不同尺寸断面渠道的量水要求。U形渠道抛物线形喉口式量水槽从体型结构上属于短喉道式量水槽，短喉道量水槽的水位-流量关系必须经过试验率定，对于不同尺寸断面，其关系式不尽相同，在灌区实际应用中，须根据灌区渠道的实际情况进行实验室率定，然后同比尺换算，但不得同比尺放大或缩小，否则量水精度[7] 不能满足灌区量水要求。
5 材料用量和耐久性比较
3 种形式量水槽虽体型结构有所差异，但均属于小型渠道量水建筑物，其材料用量与渠道衬砌相比均非常少。经在宝鸡峡灌区二十斗渠、泾惠渠灌区三斗渠等渠道中实际制作，其用料相差很小，平均用料(混凝土材料)均不超过0. 2 m3 。因此，3种形式的量水槽材料用量的差别可以不考虑。但三者之间的用工时差异较大，以抛物线形喉口式量水槽最少，直壁式量水槽用工次之，U形长喉道量水槽用时较多。
为了提高灌区水利用率，提高灌区的经济效益，目前灌区渠道已基本衬砌，测流槽是在衬砌的渠道上安置，因此测流槽均采用混凝土制作，其耐久性基本相同。
6 结论与建议
本文从3 种形式量水槽的量水精度、制作工艺、理论计算、材料用量、耐久性等方面进行了比较分析。3 种形式量水槽差异较大在于量水精度、制作工艺和理论计算方面，其他方面相差甚小，但综合进行分析，U形渠道直壁式量水槽相对较优。因没有进行多泥沙渠道实际测试，对于多泥沙渠道的输沙能力不予评价。现将3 种不同型式的测流槽的分析结果列于表2,供灌区工作者使用时参考。
表2 U形渠道量水槽选型比对表
Tab. 2 U-shaped channel flow measurement groove performance comparison
参考文献:
[1] 俞双恩，左晓霞，赵伟. 我国灌区量水现状及发展趋势[J] . 节水灌溉，2004，(4): 35- 37.
[2] 陕DB61/ T280，陕西省地方标准: U形渠道直壁式量水槽[S] . 陕西省水利厅，陕西省质量技术监督局，2000.
[3] 陕DB61/ T281，陕西省地方标准: U形渠道抛物线形喉口式量水槽[S]. 陕西省水利厅，陕西省质量技术监督局，2000.
[4] 陕DB61/ T 282，陕西省地方标准: U形渠道U形长喉道量水槽[S]. 陕西省水利厅，陕西省质量技术监督局，2000.
[5] 吴普特，范兴科，牛文全，等. 渠灌类型区农业高效用水模式与产业化示范[J] . 农业工程学报，2003，19(4): 36- 40.
[6] 吕宏兴，吕德生. U形渠道断面测流方法[J] . 中国农村水利水电,2001，(7): 24- 25.
[7] 郝晶晶，马孝义，王波雷，等. 灌区量水设备的研究应用现状与发展趋势[J]. 中国农村水利水电，2004，9(4)39- 41.
作者简介: 郝红科(1968-)，男，副教授，主要从事农业水土工程及水资源研究及工程地基渗流研究。
