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。     

机翼形量水槽的试验研究

渠道量水设施对灌区节水、实现水资源高效可持续利用具有重要意义,研究具有结构简单、水头损失小、量水精度较高、流量计算公式简明的渠道量水设备,是灌区迫切需要的灌溉管理应用技术之一。该文提出了一种仿真机翼形状的渠道量水设施,在U形渠道中通过12种量水槽收缩比进行了系统的组合试验,试验结果表明：该量水槽过流顺畅,水头损失小,试验数据资料表现出极好的相关性,相关系数为R²=0.9988。应用量纲分析法建立的流量公式具有量纲和谐性,拟合的具有指数形式的流量计算公式简明实用,流量计算平均误差小于3%,临界淹没度可达0.92。     

平板闸门自由-淹没孔流统一流量率定模型

中国灌区的常用量水方法中,利用水工建筑物尤其是闸门量水是目前应用最为广泛的,但传统的闸门过流公式林林总总,实际应用中需区分自由、淹没流态选择对应的公式,理论值与实测值偏差较大,该研究拟提出一种基于实测数据率定的形式简单、可应用于多种流态的流量计算模型。主要采用三维数值模拟的方法,通过建立实际水闸的三维流体力学模型,研究不同流态下的闸门水力特性,并结合室内模型试验和野外原型观测提出基于实测数据率定的流量计算模型。研究步骤为：1）验证基于实测数据的率定模型的有效性及精确性;2）分析该模型应用于闸门不同流态的率定效果,判断其是否可用于自由及淹没孔流建立统一的流量关系;3）对所提出的模型方法进行野外实测数据验证,并进行误差来源分析。结果表明：1）该模型能够进行区分流态的率定且精度较高,90.63%的数据误差在5%以内;2）该模型能够统一自由-淹没孔流率定,使用仿真数据进行统一率定时数据误差在5%以内的占比为86.67%,使用南水北调中线某闸门8、10、11月份验证模型精度可达到77.64%的数据误差在5%以内,95%以上数据误差在10%以内的效果。该模型具有简单、光滑连续的特点,在实际工程应用中建议通过大量实测提高模型精度。     

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。     

用于梯形渠道的仿翼形便携式量水槽水力性能

机翼形量水设施水力条件优、量水精度高,但翼形曲线的复杂性制约其推广,为此,该研究基于结构简单的仿翼形便携式量水槽,探究其在末级梯形渠道的适用性。模型试验设计5组收缩比、7组流量进行水力性能试验,在此基础上,基于FLOW-3D软件对比分析仿翼形与机翼形量水槽水力性能的差异,深入研究不同收缩比对仿翼形量水槽水力性能的影响。研究结果表明：数值模拟与试验结果的水深数据吻合,误差小于4.91%,数值模拟的方法准确可靠;简化后未改变机翼形过流顺畅、雍水高度小等特点;所有工况上游佛汝德数均小于0.5,雍水高度小于7.6 cm,满足测流精度和渠道安全的要求,收缩比在0.60～0.64范围时,量水槽水力性能最优;基于能量方程及临界流原理建立的流量公式精度较高,平均测流误差为2.75%。该研究表明仿翼形保持了原机翼形良好的水力性能,测流精度高且曲线形式简单,便于推广,对于促进灌区末级梯形渠道便携式量水槽的推广具有实用价值。     

基于SSA-BP算法的仿鸮翼形量水槽水力性能

为了设计出构造简单、水力性能优良,同时能满足灌区量水需求的量水槽,该研究根据鸮翼曲线提出了一种仿鸮翼形渠道量水设施。首先,利用基于麻雀搜索算法的BP神经网络（SSA-BP）优化鸮翼展向比,得到最小水头损失的量水槽线形,并探究了优化后的量水槽在输水渠道的适用性。进一步地,在8种流量工况下,选用6组收缩比开展测流试验,结合FLOW-3D数值模拟分析仿鸮翼形量水槽水头损失、弗劳德数、壅水高度、临界淹没度等水力参数,建立测流公式。试验表明,基于SSA-BP优化的仿鸮翼形量水槽具有良好的测流性能,在建议收缩比0.60～0.66范围内,其水头损失为7.75%～14.21%,临界淹没度为0.812～0.898,上游壅水高度为0.84～3.16 cm,上游弗劳德数均小于0.42,符合灌区量水要求。建立的测流公式,平均测流误差为1.49%,测流精度较高。仿鸮翼形量水槽各项水力性能指标优良,能满足灌区测量精度,针对灌区优化水资源配置、精细化用水具有一定的推广价值。     

灌区梯形量水堰测流改进研究

该文针对标准梯形量水堰在灌区量水中存在的问题,提出改进标准梯形量水堰及其测流公式,并对其进行了试验研究。通过室内试验和对标准梯形堰测流公式的研究分析,得出了改进后梯形量水堰的测流公式;同时,还进行了该量水堰的测流精度分析和原型观测试验,结果表明：改进的梯形量水堰的测流方法及其计算精度完全满足国家农业量水的要求,可以用于田间渠道流量的量测。     

明渠测流长喉槽结构优化及设计理论研究

长喉槽是一种水头损失小，测流精度高，结构简单的明渠量水建筑物，是一种新型的量水建筑物，目前的计算理论存在如下缺陷：没有考虑侧向收缩造成的局部水头损失的影响；没有确定水头损失最小的进口收缩比；没有确定最佳的体型设计参数。该文通过一系列的水力学实验，确定最优收缩比为1∶3；最佳运行范围为堰上水头与喉长的比值为0.07～0.7；设计流量时的设计取值为0.6；并对收缩段水头损失的计算公式进行修正。通过以上改进，量水公式误差由5%减小到1.5%，淹没可达0.928。     

灌溉渠道闸门调控过程中的非恒定流研究

灌溉中的水量与流量调度是一个动态过程,渠灌区因流量调度不当导致的弃水是灌溉水损失的重要因素,为了准确调控渠道中的流量,对灌溉渠道干渠在配水过程中分水闸调节产生流量变化而引起的非恒定流问题进行了研究。数学模型以圣·维南方程描述,数值求解应用特征线法,并采用矩形特征差分网格二阶精度格式。模拟给出了不同调节流量、调节时间相应于不同初始流量、水位和调控方式情况下的模拟渠段上、下游边界处的流量与水位过渡过程     

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。     

黄河下游引黄灌区渠道水利用系数估算方法

以山东簸箕李引黄灌区为例，根据3种实测方法得到的渠道渗漏水量损失观测数据，利用理论方法确定渠床渗透系数和地下水顶托修正系数。在对干渠以下各级渠道进行概化分类的基础上，采用回归分析方法建立灌区干渠以下各级渠道渗漏水量损失与流量间的相关关系，给出依据渠道流量估算渠道水利用系数的经验公式。由于该估算方法仅根据渠道流量即可获得相应的渠道水利用系数，故具有简便可行、实用性强的显著特点，为黄河下游灌区制定灌溉输配水计划提供了合理依据。     

U形渠道抛物线形移动式量水堰板研究

该文提出了U形渠道抛物线形移动式量水堰板，研究量水堰板的壅水高度、临界淹没度、喉口水深-流量关系与渠道断面、比降和喉口收缩比的关系，给出了喉口收缩比范围和流量系数计算公式，分析了其测流误差。研究表明：U形渠道抛物线形移动式量水堰板，量水精度较高，结构简单, 造价低，使用方便，可用于各种小U形灌排渠道的移动式测流。     

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。     

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。     

变水位静水法在渠道水利用系数计算中的应用

静水法是测验渠道渗漏水平、计算渠道水利用系数的试验方法之一,其测验精度高于动水法。尤其对于衬砌渠道,其测验精度更能得到体现。而变水位静水法是分析变动流量渠道水利用系数的适用方法。该文以水量平衡为依据,分析了渠道水利用系数的计算过程,以及当渠道水深变化时渠道水利用系数计算中相关因素的变化规律,并将渠道水利用系数计算过程概化为6步。以石津灌区四干三分干南四支混凝土衬砌渠道0+054~0+475渠段的变水位静水法和流量观测为实据,展示了衬砌渠道水利用系数的计算过程,计算水深介于0.56~0.99 m之间,渠道水利用系数为0.988~0.991之间。实例分析结果表明:随着渠道水深的增加,虽流量和渗漏强度均增加,但渠道水利用系数随水深呈增加趋势,该实例在水深大于0.7 m时,渠道水利用系数变化趋势渐趋平缓。可见,当渠道流量不稳定时,渠道水利用系数宜采用变水位静水法结合流量进行计算。     

卫星遥感影像在农田灌排系统识别中的应用研究

利用监督分类、NDVI指数、屏幕数字化等遥感影像处理方法在黄河下游的山东簸箕李灌区开展农田灌排系统识别的应用研究。在对采用卫星遥感影像(SPOT、LANDSAT、ERS)识别的灌区农田灌排沟渠可视化效果进行分析、对比与评价的基础上，完成对农田灌排系统的数字化处理，得到灌排沟渠在灌区内的分布状况及总长度估值。研究表明，对SPOT XS影像进行屏幕数字化处理似乎是用来识别农田灌排沟渠的理想途径，估算的灌区干、支、斗三级沟渠的总长度具有较好的精度，然而要对农田灌排系统进行精确地分级划类还有赖于遥感识别技术、GPS定位方法与实地调查工作的紧密结合。     

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。     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水位流量关系数值模拟

目前为适应我国多数渠道断面方式和灌区管理方式,开发研制新型量水配套设施对灌区节水起着至关重要的作用。利用Fluent 6.3大型流体力学数值仿真软件,结合有限体积法、RNG k-ε湍流模型和VOF模型,在不同渠道底坡上对不同量水槽水位流量进行数值模拟试验研究。结果表明:（1）量水槽流态上游水面平稳属于缓流,量水槽槽内水流为急流,可知由缓流过度到急流必然会发生临界流,量水槽沿程弗劳德数可知量水槽喉口附近扩散段内产生临界流;（2）弧底梯形渠道无喉道量水槽具有较好的水位流量关系,渠道收缩比ε与渠道比降i对形成单值稳定的水位流量关系有较大的影响,随着渠道尺寸增大同时收缩比ε减小,量水槽水位流量逐渐在较大的底坡范围内形成统一的水位流量关系。（3）流量系数与量水槽宽和收缩比具有较好的线性关系,同时流量系数随R,H、ε的增大而变大,回归分析建立的量水槽流量公式,测流公式平均误差值小于5%,说明弧底梯形渠道无喉道量水槽测流是可行的,满足明渠测流要求。研究成果对灌区渠道量水槽的设计优化提供了一定的参考和建议。