那海珍

(大连云康科技有限公司，辽宁 大连 116000)

0 引 言

阜新地区位于辽宁的西部，属于水资源十分短缺的区域，近些年来，随着大型灌区的建设，阜新地区的水资源量得到一定程度的补充，水资源供需矛盾得到一定程度的缓解[1]。大型灌区取水渠系工程设计的重点在于取水能力，而糙率是取水能力设计的重要指标[2]。近些年来，对于大型灌区渠系取水能力计算取得一定研究成果，这其中大都采用基于恒定流的方法进行渠系取水能力的计算，而对于大型灌区而言，其由于受到进水口闸门起闭的影响，水流流态总体为非恒定流，即水量和水位随着进水口闸门起闭总体为动态变化的，因此采用基于恒定流的方法进行渠系取水能力计算存在一定的局限性，一般误差相对较高。当前，在一些地区大型灌区工程设计中逐步采用基于非恒定流的渠系取水能力的计算，计算结果均表明要好于传统基于恒定流的计算方法。但水动力学方法在阜新地区还未得到相关应用，为此文章以阜新地区的大型灌区为具体实例，结合水动力学方法对其渠系取水能力进行计算，从而分析水动力学方法在阜新地区大型灌区渠系取水能力计算的适用性，也可拓展该方法在阜新地区渠系取水能力设计领域的应用。

1 研究方法

基于水动力学原理构建大型灌区取水渠系糙率计算，通过设置上下监测断面对模型的上下边界水位流量进行设置，模型能量平衡计算方程为：

(1)

式中：Q为断面流量，m3/s；Z为断面水位，m；A为过水断面面积，m2；x和μ为输水隧洞水平和横向方向距离，m；g为重力加速度，m3/s；t为时段计算步长，h；α为流速系数；Sf为水力学坡比，‰；B为断面水面宽度，m。文章采用Preissman四点加权差分方程对构建的水动力学模型进行求解，求解方程为：

(2)

式中：θ为加权系数；f为水位计算值，m和流量计算值，m3/s。

2 工程实例分析

2.1 试验断面布设和计算边界的设定

采用水动力学方法的关键在于上下边界的确定，文章上下边界为断面水位-流量关系，因此需要对上下游边界进行水位、流量的观测，试验中共设置3个断面，每个断面均进行水位、流量数据的测定，各断面之间的间距相同，均为50m。主要采用座型多普勒测流仪进行水位-流量关系的测定。为了降低泥沙淤积对流量测定的影响，在距离地面高度为10cm的位置放置水位-流量关系的监测仪器，采用U型钢板对仪器下部进行加固防护，此外为减低漂浮物对仪器影响，加长处理U型板的保护范围，对迎水侧进行密封处理[3-5]。

2.2 水位-流量测定结果

通过对不同闸门开启高度下的水位-流量进行观测，不同断面在不同闸门开启高度下的水位和流量观测结果见表1和表2。

表1 边界水位监测数据

表2 边界流量监测数据

文章以输水隧洞的上、中、下3个断面的水位-流量作为水动力学计算的边界条件，从各监测断面的水位变化可看出，不同时间大型灌区渠系取水能力计算的水位变幅总体在0.5m的范围内，且受到闸门起闭的影响，取水渠系内部水流水位变化随着时间变化较大，呈现较为明显的非恒定流变化，从上、中、下3个断面水位变化可看出，从上到下其水位沿程逐步减小[6-8]。从各边界断面的流量监测结果可看出，在相同水位下上断面流量要高于下断面流量，这主要是受到取水渠系沿程水量损失的影响。从各边界断面的流量监测结果可看出，随着闸门起闭高度的变化，各监测断面流量随着闸门起闭高度的影响，流量总体呈现动态变化，但流量动态变化的幅度较小，这主要是因为大型灌区河道渠系通过近些年的综合治理，其沿程水量损失有所减少，使得其流量变化幅度有所降低[9-11]。

2.3 渠系糙率的推求计算

结合渠系上、中、下游3个断面的水位-流量监测数据对其不同水位条件下的流量、水深进行糙率的计算，并和大型灌区的的设计糙率进行对比分析，分析结果如表3所示。

表3 大型灌区取水渠系糙率计算结果

从计算的各取水时间实测流量可看出，阜新地区大型灌区的取水流量总体较小，采用建立好的水动力学方法结合上、中、下游3个边界水位流量关系对不同水深和流量条件下的糙率进行了计算，通过计算结果表明研究大型灌区的取水渠系的糙率值低于0.01，和实际糙率之间的吻合度较高，计算糙率和设计糙率之间的总体误差可保持在10%以内。可见采用水动力学方法计算的大型灌区取水渠系的糙率值可有效满足糙率的计算精度要求，这主要是因为水动力学方法是基于非恒定流建立的计算模型，符合大型灌区受闸门起闭影响下的水流流量和水位变化较大，为非恒定流，因此相比于传统采用基于恒定流的计算方法很难满足其糙率的准确计算[12-14]。

2.4 合理性分析

在不同取水时间下阜新地区大型灌区取水渠系糙率计算的基础上，采用比测试验分析的方式对大型灌区的糙率计算结果进行合理性分析，分析结果见表4所示。

表4 大型灌区取水渠系糙率计算合理性分析结果

从合理性分析结果可看出，采用水动力学方法对大型灌区渠系糙率进行计算，并采用计算的糙率进行流量的反推，结合渠系实测流量和推求的流量进行误差分析，从误差分析来确定文章计算的大型灌区渠系河道糙率的合理性，从分析结果可看出，推求的渠系流量和实测流量之间的误差低于5%，具有较好的精度，因此文章计算的糙率具有合理性。

3 结 论

1)演技渠系各监测断面流量随着闸门起闭高度的影响，流量总体呈现动态变化，但流量动态变化的幅度较小，这主要是因为大型灌区河道渠系通过近些年的综合治理，其沿程水量损失有所减少，使得其流量变化幅度有所降低。

2)基于非恒定流建立的计算模型，符合大型灌区受闸门起闭影响下的水流流量和水位变化较大，为非恒定流，因此相比于传统采用基于恒定流的计算方法很难满足其糙率的准确计算。