周义仁，石先德

(太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

随着我国经济与社会的快速发展，水资源短缺形势越来越严峻，我国农业用水占总用水量70%左右，农田有效灌溉面积已经达到0.6 亿hm2，在占有耕地面积一半的有效灌溉面积上生产了全国90%以上的经济作物，实现水资源的优化配置对保障国家粮食安全具有重要意义[1]。而灌区精准量水是实现水资源合理配置和水资源可持续发展的关键所在。目前我国灌区内各大干渠、支渠都已经基本实现了标准化渠道的建设，而且量水精度也都可以达到较高的水平[2]。流速面积法以及水力学法是目前灌区测量渠道流量的主要方法。其中流速面积法是基于渠道过水断面水流流速分布规律，通过测量典型点或断面平均流速，进而利用明渠水流连续性方程计算得到总流量。水力学法通常需要利用明渠均匀流理论并且借助特设量水设施测量渠道流量。流速面积法通常适用于大型渠道，且测流仪器投入成本较大，而水力学法通常需要结合水工建筑物进行测流，且对渠道水流水头损失较大[3]。由于各个地区农业生产方式以及水源等条件存在一定的差异，所以对斗渠以及农渠的量水设施并不健全，有一些农户量水直接凭借经验放水，导致了用水不合理现象频繁发生。所以研发更加廉价、量水精度更高、适用范围更加广泛的测流仪器势在必行[4]。

1 摆杆式测流仪测流试验原理与方法

1.1 摆杆式测流仪测流原理简介

测流装置结构见图1。

1-调平装置；2-不锈钢支架；3、8-水平仪；4-超声波探头；5-电源及数据处理模块；6-角度传感器;7-测流摆杆；9-液晶显示器；10-可伸缩钢架图1 摆杆式测流装置机械图

测流摆杆7可绕转轴沿水流方向摆动，当圆柱形摆杆放置于流动的水中时会受到阻力和升力作用，受到的阻力又称为圆柱绕流阻力。在实际流动中，流体作用在被绕流物体上的阻力基本上可以分为两类：第一种是由于黏性摩擦引起的阻力，称为摩擦阻力；另一种是由于压差而产生的阻力，称为压差阻力(形状阻力)[5]。当摆杆7放置在流动的水中时，摆杆因所受到水的阻力、升力以及自身的重力三者产生的力矩而达到平衡。所以在同一渠道同一坡度下，如果渠道过水断面瞬时流量相同，那么摆杆的旋转角度也必定相同。利用摆杆的旋转角度与渠道过水断面瞬时流量建立关系曲线，在相同渠道下，得知摆杆旋转角度便可以得知渠道瞬时流量。

1.2 试验概况

试验在太原理工大学水流实验大厅中进行，试验条件具备完整的一套地下水循环系统，水泵将地下水库中储备的水抽出，通过阀门与水泵的控制可以调节通过管道的水的流量，利用安装的管道流量计可以在显示面板上看到进入渠道的水流累计流量与瞬时流量的大小。当水通过管道进入渠道后，设置稳流池来稳定水流，让水流进入D50 U型渠道之后尽量的保持平稳状态，不至于产生太大的波浪影响测流精度。水流经过U型渠道之后可以利用薄壁三角堰再次进行率定[6]，以确保流量测量的准确性。

U型渠道为D50型，其主要参数为：渠深 0.5 m，渠道底弧半径 0.25 m，底弧圆心角 163°，渠道倾角8.5°，渠顶宽度0.58 m，渠道坡度分别为1/500、1/1 000、1/2 000、1/5 000以及1/10 000。根据水泵性能以及流量计的稳定性，最终选定测流范围为：0～600 m3/h。摆杆式明渠测流系统执行测流任务示意图见图2。

图2 测流试验示意图

2 试验结果与分析

2.1 摆杆式明渠测流仪测流公式量纲分析

摆杆式明渠测流仪的测流计算公式可以通过量纲分析法推导得到。由试验可以发现影响摆杆式明渠测流装置测流流量Q的主要因素有：过水断面水力半径R、水的密度ρ、重力加速度g、测流摆杆密度ρ杆、测流摆杆长度L、测流摆杆直径D、测流摆杆被水推动的水平位移d、水中泥沙浓度S、水动力黏滞系数v、渠道糙率n以及渠道坡度i有关。

根据π定理及以上影响因素写出函数关系[7]：

f(Q,R,ρ,g,ρ杆,L,D,d,S,v,n,i)=0

(1)

选取d，g，ρ杆三个相互独立的量作为研究基本物理量，剩余物理量组成无量纲π的个数为12-3=9个，所以无量纲数方程为：

F(π1,π2,π3,π4,π5,π6,π7,π8,π9)=0

(2)

最终得到：

F(π1,π2,π3,π4,π5,π6,π7,π8,π9)=

(3)

因此可以推导出：

(4)

因此：

(5)

又因为杆在水中移动的水平距离d=Lsinθ(θ为摆杆在摆动后与竖直方向的夹角)，所以：

(6)

则：

(7)

式(7)中系数K与过水断面水力半径R、水的密度ρ、测流摆杆密度ρ杆、测流摆杆直径d、水中泥沙浓度S、水动力黏滞系数v、渠道糙率n以及渠道坡度i有关，可以直接通过试验获得系数K的值。

2.2 摆杆式明渠测流仪试验结果分析

图3 D50U型渠道不同坡度下流量与关系

由图3得到摆杆式明渠测流装置摆杆摆动角度θ与渠道断面瞬时流量之间的拟合公式，见表1。

表1 D50U型渠道不同坡度下摆杆式测流仪测流流量

3 研究结论

灌区渠道量水是实现水资源可持续发展的重中之重，本文提出一种基于摆动杆件的明渠测流装置，这种测流装置不需要借助水工建筑物以及流速仪，其主要是利用摆杆在渠道中受到水流作用力后摆动的角度与渠道过水断面瞬时流量的拟合关系进行测流。通过不同坡度下的D50 U型渠道进行试验，得出以下结论：

(3)摆杆式明渠测流装置在1/500、1/1 000、1/2 000、1/5 000和1/10 000坡度下线性相关系数分别为0.956 5、0.985 3、0.981 9、0.978 7、0.979 9，随着坡度的减缓，公式中系数K不断增大，式中K与坡度i成反比；

(4)摆杆式明渠测流装置是基于渠道过水断面瞬时流量与摆杆角度之间关系进行测流的，该装置可以适用于所有类型渠道，且装置制作成本较低，测流所用测杆对渠道水流水头损失较小，经试验发现测流误差较小，为明渠测流提供了一种较为可靠的测流方法。