金塔灌区实用量水技术.doc

目 录目 录01 概 述12 灌区量水方法22.1常用量水方法简介22.2.1利用水工建筑物量水22.2.2利用水尺量水32.2.3利用特设设备量水32.2.4利用仪表类流量计量水42.2.5利用流速仪量水42.2.6自动量水42.2开展本次流量测算工作采用的量水技术53 实用量水技术简介63.1利用水闸量水63.1.1准备工作63.1.2设置水尺63.1.3水流状态及适用条件73.1.4流量计算式与流量系数83.2利用水尺量水103.3流速仪法103.4薄壁堰183.4.1三角形堰193.4.2 矩形堰213.4.3梯形堰流量计算方法241 概 述灌区量水是合理调度和利用水资源、优化水资源配置、促进节约用水、正确执行用水计划、加强用水管理的必要措施，也是衡量灌区灌溉管理水平和灌溉水利用率高低的重要技术手段。通过灌区量水，可积累不同类型的渠道、不同水文年的农作物灌溉用水资料，分析核算灌区灌溉水的利用效率，检验农业、工业、生活、生态用水定额合理性的必要手段。也为凉州区经济社会发展的用水需求，明晰水权，建立水市场，构建行政管理与市场机制相结合的水权制度体系，加快节水型社会建设提供科学依据。今年开始，我们对全灌区的渠道利用率、渠系利用率、灌溉水利用率进行跟踪调查、测算。采用活动、固定的量水设施（设备），采用相同和不同的量水方法，对灌区灌溉水量作逐年观测，积累资料，为灌区在水权水价改革，确定灌溉定额，实行计量收费提供可靠依据。由于灌区渠道类型较多，现已有的量水方法达几十种，适用条件及利弊不一，这里仅略加介绍，合理选择使用。2 灌区量水方法2.1常用量水方法简介量水方法很多，大致可分为下列几类：利用水工建筑物量水，利用水尺量水，利用特设设备量水，利用仪表类流量计量水，利用流速仪量水，自动量水等。2.2.1利用水工建筑物量水灌溉渠系上设有各种类型的配套建筑物，如水闸、渡槽、倒虹吸、涵管、跌水等。只要这些建筑物的过流符合一定的量水水力学条件，即可用作量水。其原理为通过量测过水建筑物上下游的水位，根据不同流态的流量计算公式，选用适当的流量系数，推求出过水流量和累计水量。其优点既可减少因灌溉系统设置量水设施所产生的水头损失，又可节省大量附加量水设备的建设费用，一举两得。因此，若流量系数经过率定，达到一定精度，应尽可能利用水工建筑物量水。2.2.2利用水尺量水在断面稳定，没有回水影响的渠段内，设置水尺观测水位，利用率定好的水位流量关系，求得流量。该方法简便易行，设备费用低，容易被广大职工群众所掌握。关键是测流渠段的水流应不受下游节制闸或壅水建筑物回水的影响，即测流断面的流量随水位呈单值函数关系变化，流量与水位呈唯一对应关系。 2.2.3利用特设设备量水特设设备通常指三角堰、矩形堰、平坦V型堰、巴歇尔量水槽、无喉道量水槽、简易量水槛及柱形量水槽等等。一般由行进渠槽、量水建筑物和下游段三部分组成。通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩，使其上下游形成一定的水位差，从而得到较为稳定的水位流量关系。它不可避免的会带来一定的水头损失，使用时应根据具体边界条件和不同的精度要求，选择相应的特设设备。2.2.4利用仪表类流量计量水仪表类流量计的优点是结构简单、量测直观、计量简便、能累计水量。此类设备对过水断面有两个要求：一是必须规则标准、容易计算面积；二是必须满管出流，出水口被下游最低水位所淹没。其结构组成为节流元件（过水涵管），计数仪表等，如电磁流量计、农用分流式量水计、灌溉量水水表等。其缺点是易被渠中水草等杂物缠绕。2.2.5利用流速仪量水流速仪测流可以不改变渠道布置、不设任何建筑物。但对测流断面选择要求较高，要求渠段平直、水流均匀、无漩涡和回流，水流方向与断面垂直等。由于流速测点多，测量繁杂，不宜经常使用，通常用于其它测量方法的流量系数率定。2.2.6自动量水为减少劳动强度，提高量测准确度，并及时向灌区管理部门提供可靠的水位、流量、水量及闸门开度等技术参数，在骨干渠系上建立灌区自动化量测系统已成为发展趋势。该系统由微机、传感器、控制电路、传输机构等组成，其原理是通过传感器对量水建筑物或量水设备上、下游水位进行及时采样，根据数学模型实现对流量的计量，并累积水量。如重庆水文仪器厂生产的WML型微电脑明渠流量计，在观测井内通过超声波非接触测量水位，通过数学模型计算流量，并累计水量。2.2开展本次流量测算工作采用的量水技术由上述可见，灌区量水方法和量水设备种类繁多。但根据实践经验、渠道条件和外部环境等可知，许多方法并不实用。从经济适用的角度出发，结合灌区的实际情况，建议采取如下测量方法进行流量的测定：（1）灌区的渠首，当有控制闸时，优先采用水闸进行量水；（2）灌区的渠首，当没有控制闸时，优先采用水尺法进行量水；（3）灌区各级渠道采用流速仪法进行量水；（4）当末级渠道有跌坎时，可优先考虑布置矩形薄壁堰或三角形薄壁堰进行量水；3 实用量水技术简介从经济适用的角度出发，结合我灌区的实际情况，农业灌溉水利用率测算工作，渠道流量的测量主要采用水闸、水尺法、流速仪法、简易量水槛、矩形薄壁堰、梯形薄壁堰或三角形薄壁堰等方法进行。为使广大水利职工在开展工作时便于操作，下面把各种方法做一个简要的介绍。3.1利用水闸量水渠首的控制建筑物一般为进水闸，水闸既是控制建筑物，也可利用水闸泄流能力量水，一般采用以下几个步骤和方法：3.1.1准备工作首先检查水闸的完好情况。建筑物应该完好无损，闸门不漏水，如有缺陷应先行修缮；复核闸底高程、闸孔净宽和其它几何尺寸，并标注于事先绘好的平面图和纵剖面图中，以便查用。3.1.2设置水尺水流状态的判别和过闸流量的计算，主要是根据水位，而水位数值均依靠水尺测读，因此水尺的设置非常重要，具体要求为：上游水尺：设在上游距建筑物约3倍闸前最大水深处；下游水尺：设在水流出口处以下，距建筑物约等于单孔宽度的1.52.0倍处；门后水尺：直接安设在闸后侧墙上，水尺距离闸门约1/4单孔闸宽（但不能超过40cm）。以上三种水尺的零点均应与闸底在同一水平面上。也可不设置水尺，而是在该测量位置，用连通管将水引入岸边观测井内，井内立水尺观测水位。启闸高度水尺直接安设在闸槽边缘的边墩上，水尺零点与闸孔全关闭时的闸门顶部齐平。但闸孔侧墙边墩不高时，水尺零点应设在闸孔全关闭时的闸门顶部向下2/3闸门高度处。3.1.3水流状态及适用条件水闸量水存在四种水流状态，不同的状态，流量计算式和流量系数均不同。a、闸门全开自由出流：闸门升起，其开启高度e与上游水深之比大于0.65，即e/H0.65；闸门下缘高于水面，下游水深hH与H之比小于0.7，即hH/H0.7，在水力学中属于自由堰流。b、闸门全开淹没出流：闸门下缘高于水面，e/H0.65，hH/H0.7；在水力学中属于淹没堰流。c、有闸控制自由出流：e/H0.65，水流触及闸门下缘流过，门后水深h1小于启闸高度，即h1e，闸门底边未被下游水面淹没，在水力学中属于闸孔自由出流。 d、有闸控制淹没出流：e/He，闸门下缘被水面淹没，在水力学中属于淹没闸孔出流。3.1.4流量计算式与流量系数根据水尺读数，首先进行流态判别，再通过相应的流量公式进行计算。流量系数根据水闸类型和出口形状而定。不同类型水闸，在不同流态下的流量计算式和流量系数见表3.1。25表3.1 流量计算式及流量系数项目闸门全开自由出流闸门全开淹没出流有闸控制自由出流有闸控制淹没出流示意图流量计算式流量系数渐变形翼墙0.3250.8500.6000.620平面翼墙0.3100.8250.5800.600八字形翼墙0.3300.8600.6200.640多孔形水口0.3300.8600.6400.640表中公式符号意义如下：Q过闸流量，m3/s；H上游水深，m；hH下游水深，m；、流量系数；b闸孔净宽，m；h1门后水深，m；e启闸高度，m；Z上游与下游水位差，m；g重力加速度。上述流量系数，可供实际使用时参考。但为验证和提高测验精度，最好进行现场率定，率定方法可采用流速仪法，根据实测流量反推流量系数，流速仪法测定流量的方法见后所述。3.2利用水尺量水渠首（渠道首部）附近渠道一般比较规则、衬砌较好，这是利用水尺量水的有利条件。在渠道内设立一水位尺，利用流速仪测定不同水位时的相应流量，绘制水位流量关系曲线，只要读出水尺读数便可查出相应流量。为了提高水位流量关系曲线的相关性、准确性，从渠道最低水深到最大水深至少要均匀地选择5个不同的水深用流速仪法测量流量，进而绘制水位流量关系曲线。3.3流速仪法用流速仪测量渠道流量的方法是将整个过水断面分成若干部分，如图3.4.1是将断面分成n个部分（n=8）。每个部分的面积以来表示，相应于这部分面积的平均流速以来表示，这样每部分的流量为：=整个断面的流量为各部分流量的总和，即：q=+上述测量渠道流量的方法，叫面积流速流法，其主要工作就是布设测流垂线（如图3.4.1中的垂线）和测流垂线上测流点流速的测量。具体步骤和方法如下：（1）测速垂线的布设和定位测速垂线的布设原则：分布应该大致均匀，在水深和流速最大的主流及其附近，应布设13根垂线；在过流断面转折点应布设垂线；布设渠边的垂线时，不能离水边太远，应不大于水面宽度的10%，断面内任意相邻两条垂线间距不应超过水面宽度的20%；垂线的定位可通过卷尺量测定位在测流桥上。（2）测速垂线上测速点的布设流速测点的分布是根据流速沿水深的规律性和测流的方法、水深大小及仪器的尺寸而定，一般要求按表3.4.1的规定。表3.4.1 测流垂线测速点的分布水深（m）测速点布设1.5两点法（0.2，0.8水深）1.53.0三点法（0.2，0.6，0.8水深）3.0五点法（0.0，0.2，0.6，0.8，1.0水深）（3）测点流速测量测点流速公式： =式中：测点流速； 转子的总转数； 测速历时； 、由检定所决定的常数。在测量测点流速时应注意以下事项：测速通常由渠底测至水面，流速仪放到测点后，稍停片刻，待水流正常后，再开始进行测速；不论用哪种流速仪，都应注意它的高速、低速允许范围，若实际流速大于或小于这个允许的范围，则必须调换流速仪；每个测点的测速历时一般不短于100s，当测点上流速脉动现象严重时，测速历时应适当延长；流速仪因故受损，在无其它备用仪器调换而又必须继续使用时，则应将受损情况在资料中注明，并在测速后立即进行比测，求得受损后的修正系数，将所测流速加以修正。（4）流量计算测点流速的计算按上述方法进行计算。计算垂线平均流速垂线流速的计算方法，要视垂线上测速点的多少而有不同的计算公式：一点法 = 即以0.6h处的流速为垂线平均流速，h为垂线处的渠道水深；二点法 =三点法 =五点法 =计算流量以测速垂线为分界线，将渠道横断面划分为若干部分（见图3.4.2）,然后按下列步骤进行：a 计算部分面积按三角形、梯形、矩形分别计算。b 计算部分平均流速中间部分，其部分平均流速为相邻两垂线平均流速的算术平均值。如： 渠边部分平均流速等于自渠边算起第一条垂线平均流速乘以流速系数，如： 的确定办法如下：当渠道边坡为斜坡时，采用0.7；当渠道边坡为陡坡或直立时，采用0.9。c 计算部分流量部分流量等于部分平均流速与相应部分面积之乘积，即 d 计算断面流量断面流量等于各部分流量的代数和，即+例2：现有某工程一条干渠上一横断面，其尺寸如图3.4.3所示，现采用流速仪法测其流量，如何布设测流垂线和测流点？解：（1）测流垂线：A渠边垂线：根据测流垂线布设原则，渠边垂线与渠边的距离不能超过水面宽度的10%，故渠边垂线至渠边的距离不应超过100cm；同时考虑到断面转折点（即斜坡底）要布设一根垂线（见图垂线2、垂线6），其与渠边的距离为150 cm，兼顾均匀布置的原则，岸边垂线布置在垂线2、6与岸边的中间位置，即距渠边75 cm。B中间垂线：垂线1、2、6、7确定后，中间尚有700 cm渠段没有布置垂线，根据相邻两垂线间间距不能超过水面宽度20%及均匀布置原则，中间再均匀布置3根垂线，垂线间距为175 cm，小于水面宽度的20%（20 cm），满足要求。（2）垂线上测速点垂线1、垂线7处的水深为0.75m1.5m，故垂线布置二个流速测点，分别距渠底 0.2、0.8倍水深，即距渠底15 cm和60 cm；垂线2、垂线3、垂线4、垂线5、垂线6处的水深为1.5m，故垂线需布置3个流速测点，分别距渠底0.2、0.6、0.8倍水深，即距渠底30 cm、90 cm、120 cm。流速测点的位置见图3.4.3。3.4薄壁堰在顺直渠道上竖直安装一块垂直于水流流向的具有锐缘的薄壁堰板,堰板上留有一定几何形状的缺口用以通过水流，这就是薄壁堰。薄壁堰过堰流量的大小取决于堰上水头、堰板缺口几何形状及流量系数等因素。薄壁堰由行近渠道、堰板、下游渠道和观测设备四部分组成，各部分的尺寸及位置见图3.5。 薄壁堰一般可分为三角形薄壁堰和矩形薄壁堰两种。3.4.1三角形堰三角形薄壁堰是一种测流精度较高的堰，主要是利用竖直薄板上的V形缺口进行测流，如图3.5.1所示。堰口宽度，cm；T侧边宽度，cm；B堰的安装宽度，即行近渠槽宽度，B=b+2T，cm；h堰上游水头，cm；hmax堰上游最大水头，cm；h缺口高度，h= hmax +5，cm；P1相对于渠底的堰顶高程，cm；a堰顶夹角，（）。缺口顶角的二等分线应铅直，并与渠道两侧的边墙等距离。顶角的范围是20100，通常使用的是为90的直角三角形堰。其流量计算公式为：式中：过堰流量，m3/s； CD流量系数； 三角堰的顶角； h堰上游水头。3.4.2 矩形堰 矩形堰的结构如图3.5.2所示。 其流量按下列公式计算。（1）不淹没无侧收缩（b=B）巴赞公式适用条件为：0.2mP上1.13m，b2m，0.1mH1.24m雷包克公式式中：适用条件为：0.15mP上1.22m， H4 P上 全苏水工科学研究院公式 罗斯公式 适用条件为：低锐缘堰， 0.06（2）不淹没、有侧收缩（bB） 流量公式 （3）淹没溢流a 淹没准则 当Z0，且时，下游水位影响过堰流量，即属于淹没堰。值，由表3.5.2-1查取，表中的值按下式计算： 式中：H为堰上水头，m。表5.3.2-1 值0.100.200.300.400.500.751.001.502.000.420.890.840.800.780.760.730.730.760.820.460.880.