侧渠底高对分水口水力特性影响数值模拟研究

目前对灌区分水口水力性能的研究多集中在主渠和侧渠底部高程相等的情况下,对于普遍存在的侧渠底部高程高于主渠时的分流特性缺乏系统研究。该文在试验基础上,利用FLOW-3D软件对侧渠不同底高、主渠来流量的矩形渠道分水口进行了数值模拟研究,将主渠各断面水深、流速的模拟值与实测值进行对比,发现流速变化与实测值变化规律基本一致,相对误差均小于10%,利用FLOW-3D对分水口进行数值计算具有合理可信性。结果表明：分水口处的水面波动受主渠来流的影响,流量越大,波动越大;高于侧渠底高的水流会对低于侧渠底高的下层水流产生影响,使下层水流具有向上的流速分量,参与分水口分流;同一主渠来流量下,随侧渠底高的增加,侧渠进口断面最大流速和水深逐渐减小;侧渠进口断面靠近上游端的区域湍动较大,而在下游端靠近底部湍动能值较小。研究为灌区配水及水量控制提供了参考依据。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。     

基于FLOW-3D的田间便携式短喉槽水力性能数值模拟

田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术,但由于试验条件、测量方法和精度的限制,传统的水工模型试验分析田间量水设施的水力性能存在一定局限性。该文基于FLOW-3D软件,采用RNG k-ε三维湍流模型、Tru VOF方法、FAVOR(fractional area volume obstacle representation)技术模拟喉口宽度为51 mm的田间便携式短喉槽过槽水流的三维流场。与试验结果对比表明:过流能力、水流流态以及水深与试验结果较为吻合,误差小于10%,采用的数值模拟方法能够有效地模拟田间便携式短喉槽水力性能,在确定数值模拟可靠性的前提下,对其水力性能进行分析。数值模拟结果显示:佛汝德数、流速在自由出流工况下沿程增大,在淹没出流条件下先增大后减小,并由佛汝德数分析结果确定了临界水深断面所在区域为喉口段后半部分;通过回归分析得到的田间便携式短喉槽上游水深与流量计算公式最大测流误差为-5.63%,满足灌区量水精度的要求;该量水槽最大水头损失占总水头的12.10%,相比于长喉道量水槽的13%较小。该研究对提高量水设备研发效率、降低研发成本与周期、促进中国灌区流量精准测量设备的推广具有实用价值。     

北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一水力要素,而忽视了渠道冻胀安全以及工程造价的问题。该文建立了以最优水力断面、工程造价最小为目标,满足混凝土衬砌渠道冻胀要求的数学模型。根据模型非线性的特点,利用自适应粒子群优化算法,对混凝土衬砌渠道梯形断面结构进行优化,选用自适应粒子群算法可以很好地克服算法陷入局部最优解的问题。建立的模型将混凝土衬砌量与工程占地最小作为目标函数优化。优化结果在最佳水力断面基础上,满足边坡稳定与工程量最小。最后将模型应用于黑龙江依兰县倭肯河灌区学兴干渠,分析了渠道边坡系数、渠底宽和渠道水深对目标函数的影响规律。优化结果表明,模型计算所得渠道工程占地减小1.5%,混凝土衬砌量减小1.8%。各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大。混凝土衬砌厚度由土壤性质、冻结力大小所决定。该研究成果为提高寒区混凝土防渗渠道优化设计水平及灌区运行效益提供了理论依据。     

U形渠道正常水深的直接水力计算公式

针对水力性能优良的U形渠道,依据明渠均匀流基本原理,以过水断面水深恰好等于U形底弧弓高时断面过流量作为分界流量Qb,引入断面特征参数和无量纲相对正常水深,采用麦考特优化法,以离差平方和最小为目标,利用SAS软件编程,通过最优化拟合建立了U形渠道正常水深直接水力计算公式。通过误差分析表明,所建公式在渠道过流量Q小于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均小于0.44%;渠道过流量Q大于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均不超过1%,可见公式具有较高的精度,且物理概念清晰、计算方便快捷;该公式不仅可用于解决宽浅式渠道正常水深水力计算,也适用于窄深式渠道正常水深的水力计算,具有较强的通用性,可为渠道工程设计和运行管理提供理论依据和有益参考。     

田间便携式平底短喉道量水槽水力特性试验

为了探索研究灌区田间进水口的水量计量,该文在巴歇尔量水槽的基础上设计制作了一种体型简单、成本低的田间便携式平底短喉道量水槽,喉口宽度51 mm、长度774 mm,便于携带和田间安装;通过试验研究了该量水槽的水力性能,观测了24种流量下量水槽内11个控制断面的水位,拟合得到自由出流和淹没出流条件下的水深与流量公式,与实测流量对比,平均相对误差和最大相对误差均在10%以内,满足灌区田间量水精度要求;分析了不同流量下佛汝德数、断面比能沿槽身各控制断面的变化规律,确定临界水深断面位于该量水槽喉口段的中部偏后段;分析了槽内水头损失情况,得知该量水槽最大水头损失占上游总水头的12.10%,相较于长喉道量水槽较小,自由出流条件下槽内水头损失小于淹没出流条件下0.02倍上游总水头。该研究为田间进水口量水设施在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。     

南水北调中线工程封冻期闸门群开度控制器改进设计

大型串联渠系封冻期容易产生较大的水力波动,增大了冰塞形成风险,如何通过闸门群联合调度减小水力波动,能够在一定程度上抑制封冻期冰塞发生。该研究通过设计PI(Proportional Integral)控制器和OF(Optimization Feedback)控制器2个控制环节,以最小水位偏差为目标函数,考虑渠池间流量约束、闸门开度约束和闸门调整速率约束,结合遗传算法,建立封冻期渠系闸门群优化调度模拟模型,并以南水北调中线古运河节制闸至北拒马河节制闸之间的渠系为背景,进行模型效果分析与参数敏感性分析。模拟结果表明,在模拟工况下,控制器中加入OF控制器较仅用PI控制器显著降低最大水位偏差,其中下游最大水位偏差减小约36%,且系统恢复稳定时刻提前近2.9 h,所建模型对抑制封冻期水力响应过大有一定的效果;减小了各闸门的最大开度,其中渠池11闸门最大开度减小近20%,但对于部分渠池增大了单次闸门开度调整幅度;遗传算法求解过程对扰动流量取值范围设定不宜过大。     

灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计

渠道防渗工程是当前灌区节水改造的重要内容之一,对原灌区骨干渠道系统的梯形土渠进行节水改造,其断面形式选用弧形坡脚梯形断面,其断面形式接近最佳水力断面、水流条件好、流速快、输沙能力强、防渗效果好、抗冻性能较高等优点.在此基础上,建立渠道纵横断面设计的系统动态规划模型,对灌区改造渠道进行纵横断面优化设计,并通过实例比较证实,该设计方法可以大幅度节省灌区节水改造项目的工程投资.     

基于自由搜索算法的灌渠配水优化模型

国内外现有的渠道配水模型是建立在下级渠道流量相等、上级渠道断面均匀水力参数相同的基础上,无疑限制了模型的应用范围。针对该种不足,该文建立了考虑下级渠道流量不等和上级渠道断面变化的精细化配水模型。在模型求解方面,通过构建合理的适应度函数和对约束条件的高效处理,应用自由搜索算法对模型进行了求解。应用结果表明,采用本模型和算法得到的配水方案与原配水方案相比,输水渗漏损失减少了8.26%;配水过程也更加均匀,有效减少了闸门调节次数。     

二分之五次方抛物线形明渠设计及提高水力特性效果

为提高抛物线形断面的水力特性,增加输水能力,该文提出了一种二分之五次(以下简称2.5次)方抛物线形渠道断面,推导其水力断面特性。将湿周用高斯超几何函数表示后,将水力最优断面的最优化模型转换为关于宽深比的一元方程,得到2.5次方抛物线形渠道水力最优断面的解析解,其最优宽深比为2.088 3。比较结果表明,2.5次方抛物线形断面较常规抛物线形断面具有更好的水力学特性。与平方、半立方抛物线形断面比较,在相同水深条件下,2.5次方抛物线形水力最优断面的过流能力更大。相反,在相同流量下,2.5次方抛物线形水力最优断面的过流面积、湿周、水深更小。2.5次方抛物线形水力最优断面的建造成本与其他2种断面相比是最小的。进一步地,为便于工程应用,基于高斯勒让德算法,提出2.5次方抛物线形断面的三点和四点格式近似湿周算法。结果表明,四点格式近似算法具有较高精度。研究可为明渠设计提供理论依据。     

基于悬垂平板偏转角的明渠流量估算模型及验证

针对平板量水设施缺乏适用性广泛的流量计算模型,该文从2个角度提出流量估算模型,首先分析绕轴自由旋转薄平板在水中的受力,根据升力简化为竖直方向静水压力设想,提出压力体计算假设,根据动量定理与力矩平衡公式得到了流量、角度、水深三者的理论关系式,通过U型和矩形渠道进行试验,验证假设合理性;根据闸孔出流流量公式针对矩形渠道建立闸孔出流半径验计算模型,拟合得出半径验流量公式。对于第1种模型,对于U型渠道,2种压力体假设均适用于流量计算,除流量小于10 L/s时,相对误差超过10%,其他均小于10%,流量大于17 L/s时误差均在5%左右;对于矩形渠道,仅假设1适用流量计算,假设2不成立,应用假设1计算压力体时,当流量较小(10 L/s左右)时的个别工况误差会偏大,大部分工况下计算误差均小于10%;对于闸孔出流计算模型,计算流量与实测流量之间最大误差不超过18%,大部分工况下计算误差在10%以下。当悬垂薄平板与明渠横断面等大时,来流量与偏转角度存在单值对应关系,角度随着来流量的增大而增大;同一流量下,板前后水深比、板前与下游水深比分别与偏转角度呈现出单独的函数关系,板前后水深比、板前与下游水深比随着平板偏转角度的增大而减小,但减小幅度变缓。对于不同流量,板前后水深比、板前与下游水深比随着角度增大而增大,但增大幅度变缓。研究可为灌区量水设施设计及应用提供新思路。     

梯形喉口无喉道量水槽设计及其水力性能模拟与试验

为了解决灌区普遍存在的通过增大水头损失来提高测流精度的问题,该文提出了一种具有梯形喉口的无喉道量水槽,并给出了量水槽参数与渠道尺寸的比例关系。该文在原型试验基础上,通过Flow-3D软件对过槽水流进行了数值模拟,分析了测流过程中水流流态、纵向时均流速分布、水头损失、湍动耗散沿程变化以及测流精度。研究结果表明:纵向时均流速分布和水流流态的模拟值与实测值最大相对误差均不超过10%,其模拟结果与实测结果较为吻和;基于临界流原理和能量守恒推出的水位流量关系式,进一步回归分析得到测流公式,其计算值与实测值最大相对误差为9.21%,满足量水精度要求;水头损失随着流量增大而增大,当流量大于45 L/s时,增大趋势明显变缓;最大水头损失不超过上游总水头10%,相比长喉道、巴歇尔、抛物线形量水槽水头损失较小。该研究可为灌区渠道量水设施设计提供参考。     

基于非恒定水流模拟的渠道运行状态分析及渗漏检测方法

为提高灌区水的利用系数以及实时掌握渠道运行状态,提高灌区管理水平,该文以石头水库东干渠前10 km为研究对象,采用渠道非恒定流模拟方法,对渠道在不同水流情况下的运行状态进行模拟分析,并分析采用该方法进行渠道渗漏检测的可行性。通过模拟分析及渗漏检测验证表明采用非恒定水流模拟方法不仅可以实时了解渠道的运行状态,同时结合渠道水位测量可以进行渠道渗漏点位置检测,从而为提高渠道的安全运行、优化管理提供依据。     

U 形渠道量水平板水力性能试验研究

根据北方灌区渠道底坡缓且灌溉水流多泥沙的现状,该文针对U型渠道设计了平板量水装置。为了探索不同尺寸悬垂薄平板在明渠水流冲击作用下的水力学特性,确定流量与平板偏转角度之间的关系。分析水流流态,将渠道运动水流分为3部分,对平板部分水流应用闸孔淹没出流公式,建立流量计算模型,得出流量与角度的半经验关系式。对流量系数计算模型中的待定系数进行估计,得到了统一形式的流量公式。U型平板测流范围为9～44L/s,经验证,计算流量与实测流量之间最大相对误差为6.9%,平均相对误差为3.2%,其中收缩比0.547、0.439平板测流相对误差均小于5%,满足灌区量水要求。同一收缩比板型,相对水头损失随着流量增大而减小,不同收缩比板型,相对水头损失随着板型收缩比增大而增大,除收缩比0.715平板在小流量(本试验大约为10L/s)测流时,相对水头损失比在10%以上,其余平板测流时相对水头损失均小于10%,其中收缩比为0.439和0.337平板最大水头损失不超过上游总水头6%。经过综合分析,选择0.547到0.439为平板最佳收缩比测流范围。研究可为灌区量水设施的改进提供依据。     

利用地下水模型模拟分析灌区适宜井渠灌水比例

为了获取泾惠渠灌区适宜井渠灌水比例,科学合理地确定农业节水方案,该文综合应用ArcGIS和PMWIN地下水模拟软件建立了灌区的地下水分布模拟模型,根据灌区历年农业用水实际情况设定了10种灌溉情景模拟灌区地下水位的变化趋势,通过地下水模型分析研究了灌区井渠灌水比例。利用VB程序语言改写EVT蒸发蒸腾子程序包,使其能模拟非线性蒸发,潜水蒸发量计算精度得到较大改进。研究表明:1)渠首有效灌溉引水量在3.7～4.1亿m3,井渠灌水比例控制在0.35～0.55,基本可以保持灌区地下水采补平衡;2)渠首有效灌溉引水量在1.5～2.0亿m3,井渠灌水比例控制在0.5～0.7,也能实现灌区地下水采补平衡;3)目前井渠灌水比例在0.9～1.2,已引起灌区地下水超采。建议井渠灌水比例控制在0.5～0.7,加大农业节水力度、增加水价财政补贴、进行地下水人工调蓄,实现灌区水资源高效持续利用。     

南水北调中线工程总干渠冰期输水调控仿真研究

冰情演变数值模拟是解决南水北调中线工程冰期输水安全与效益问题的重要手段。该文建立了南水北调中线工程总干渠冰期输水调控仿真模型,包含明渠非恒定流、浮冰盖下非恒定流、水温、冰花输移、封冻、冰盖增厚、融冰和闸门调节等仿真功能,且推荐京石段水面热交换系数取值18 W/(m2•℃),冰面热交换系数取值26 W/(m2•℃)为参数较优取值,参数率定工况下水温平均绝对误差为0.07 ℃,冰盖厚度平均绝对误差为0.67 cm,封冻时刻误差小于1 d,表明该模型在水温、封冻时刻、冰盖厚度等方面的模拟具有一定的准确度,可为相关研究提供参数取值参考。同时在京石段工程上应用该模型,进一步证实了模型及参数取值在大尺度冰情模拟上具有一定适用度,模型具备模拟冰情演变全过程及对应水力响应和闸门群调控过程的功能,揭示了渠系冰期输水水力响应变化特性,认为PI控制器可实现冰期水力响应控制和维护运行状态稳定作用。     

基于无量纲性能指标的渠系控制器参数优化

为研究性能指标对渠系控制器参数优化的效果,该文基于无量纲性能指标,利用MATLAB程序"渠系控制仿真系统"整定了PI控制器参数,同时进行了仿真对比分析。在梳理渠系控制指标领域现有研究成果的基础上,文章首先以渠池固有参数对现有渠系性能指标进行无量纲化处理及追加,并进一步衡量各水位、流量、时间指标的相关性和代表性建立了含权重的综合指标。在程序"渠系控制仿真系统"平台上,采用实例验证法结合2个设计流量约为170 m3/s、8 m3/s的不同规模渠系进行了分析验证。结果表明:无量纲性能指标能够比较不同渠系的控制优劣,并可确定其优化目标数量级;以综合指标在E-3数量级为控制器优化目标,可同时满足各单一无量纲性能指标的优化要求,较好地均衡系统逐项动态性能;流量指标和闸门开度指标存在高耦合关系,在2个实例中其相关度分别为0.995、0.993;控制器比例系数—流量指标变化曲线存在敏感与否的分区,时间积分常数对水位指标敏感,作用曲线呈"U"型。研究提出的无量纲性能指标及综合指标可比较不同规模渠系控制系统性能,也适用于渠系的控制器参数优化设计,对中国大量的调水工程渠道运行调度及灌区渠网调控具有一定的参考价值。     

井渠结合灌区用水效率指标尺度效应研究框架

现有灌溉用水效率尺度效应的研究大部分集中在地表水灌区,而较少涉及地下水利用灌区,该文针对井渠结合灌区存在地下水回归利用的实际情况,以河北省石津灌区为背景,在国际水管理研究院（IWMI）提出的水收支方法的基础上引入回归水利用指标,提出了在井渠结合灌区进行用水效率指标尺度变化规律研究的工作框架。在所提出的框架中,评价指标选择IWMI体系,数据获取手段主要为资料收集和试验观测,尺度划分方式按照现有灌区管理模型分为灌区,干渠,分干,支渠和田间5个尺度。研究成果展现了灌溉用水效率尺度效应研究所涉及到的指标选取、尺度划分、水收支解析、水平衡要素数据获取方式、回归水分析5个方面的工作过程。该框架对于开展中国北方井渠结合灌区的节水灌溉尺度效应研究有着一定的参考价值和借鉴意义。     

灌溉渠道直读式挡板量水计试验及应用

有利于推广应用的灌溉渠道量水设施不但要求具有一定的测量精度,还要满足测量方便、成本适中的要求,为此该文提出一种直读式挡板量水计。该量水计由挡水板、分流水表及水表井组成。根据流体力学理论,证明了在孔口自由出流和淹没出流两种情况下,渠道流量与通过水表的流量之比值近似于常数的结论。在U形渠道上进行的试验也表明,在自由流和淹没流两种流态情况下,该比值均接近于常数,最大测流误差分别为3.60%和5.45%。该量水计具有结构简单、成本低廉、测量方便、精度可靠的特点,适用于小型灌溉渠道量水。