麦文慧，王红雨，马利军，李星，柴鹏翔

(宁夏大学土木与水利工程学院, 宁夏 银川 750021)

渠道远程自动测控一体化闸门是实现灌区信息化管理的关键设备，对于实现灌区精确配水、科学调度和信息化管理具有重要作用[1].为此，国内学者研究开发了一些现代化闸门测控产品，张从鹏等[2]基于ARM的硬件平台，设计开发了闸门终端和控制中心应用软件，并在不同灌区的闸门上进行了试验，结果显示该控制系统能够稳定运行.史中兴等[3]结合移动网络、智能手机和超声波等新技术，研发了灌区闸门测控一体化设备，并在大型灌区进行了应用和验证.相对于国内的自动化控制设备，澳大利亚Rubicon公司研发的全渠道控制设备具有技术先进，使用寿命长等优点[4]，已应用于宁夏及周边地区，而对于该设备在国内其他灌区的应用情况，也有学者进行了分析.曾国雄[5]通过监测试验和性价比分析，认为Rubicon测控一体化闸门计量精度高，且使用寿命长.宋增芳等[6]分析了疏勒河昌马南干渠灌区Rubicon测控一体化闸门的运行数据，发现由于汛期大量泥沙入渠，干扰传感器正常工作，测得的水位、流量等数据精度较差.谢学东等[7]分析了宁夏南山台扬水灌区的Rubicon测控一体化闸门的使用情况，认为在高含沙水灌区，测流系统中的超声波流量计的适用性、可靠性和稳定性等方面都有待于进一步研究与完善.

宁夏南山台扬水灌区从黄河引水，含沙量较大，多年来一直采用无喉道量水槽人工观测计量，通过观测上下游水位，配以较成熟的一套操作规程，可以获得较准确的计算流量.然而，这种传统测流设备和方法却难以满足现代化灌区自动量水和水量自动控制等目标要求.2015年开始该灌区受益于节水配套改造项目的实施，在干渠沿线安装Rubicon测控一体化槽闸9台，测控一体化板闸流量计54台并配备了Rubicon灌溉系统管理软件.

为定量分析含沙量对Rubicon测控一体化板闸测流精度的影响，文中进行实地调研，主要通过走访灌区基层技术管理人员、查阅无喉道量水槽和测控一体化板闸的实时测流数据，了解含沙量变化以及水位传感器、测流闸门在不同时期的运行情况.以无喉道量水槽测流结果作为对照，分析测控一体化板闸在汛期渠道水含沙量较大和非汛期渠道水含沙量较小时的测流精度，并利用ANSYS Fluent对测控一体化板闸在不同含沙量情况下的水力性能进行研究，结合其测流原理，分析含沙量对测流精度的影响机制，以便为Rubicon测控一体化板闸在多泥沙渠道中的推广应用提供决策依据.

1 材料与方法

1.1 测控一体化板闸测流方法

测控一体化板闸是Rubicon公司的研发成果之一，是集流量计和闸门于一体的自动化控水设备，拥有精确计量流量、高精度控制闸门、全太阳能驱动和无线通讯等功能，采用底部过流的方式，如图1所示.

图1 测控一体化板闸示意图

测控一体化板闸使用Sonaray声波阵列技术进行测流，如图2所示.通过8个水平面，在计量箱内进行流速采样，每个计量平面采用超声波交叉传输对该平面所有流速场采样，然后通过对水平流速分布进行垂直整合，构成三维流速分布.即通过多路径横断面绘制出流速状态，记录计量箱内流速分布的3D形态，监测瞬时流量和总流量，提供精确的用水记录.

图2 Sonaray声波阵列技术原理示意图

1.2 试验设计

1.2.1 项目区概况

南山台扬水灌区位于中卫市黄河南岸，总灌溉面积1.44万hm2，主要采用无喉道量水槽进行支渠流量监测，难以适应现代化灌区信息化管理的要求.2015年灌区安装测控一体化闸门，实现了干、支、斗等各级渠道量水、配水和输水的自动化监测与调控，构建了从渠道输配水到田间用水匹配合理，节水效果显著的控制与管理系统.

南山台扬水灌区利用黄河岸边的抽水泵站直接从黄河引水灌溉，由于扬水泵站(灌区水源地)距黄河宁蒙段的下河沿水文测站仅10 km.因此，下河沿水文测站黄河水含沙量资料对南山台扬水灌区水源含沙量分析具有重要的参考价值.

根据下河沿水文站2018年7—10月逐日平均含沙量资料，最大值达到了94.00 kg/m3.2019年，第一次沙峰形成时间为6月27日，含沙量为5.19 kg/m3.第二次泥沙主要为兰州以上来沙，沙峰形成时间为7月31日9时，沙峰含沙量为7.66 kg/m3[8].考虑从黄河引水到灌区会经过泵站沉沙池的沉淀作用，综合2018年和2019年含沙量数据，在模拟计算时灌区渠道水最大含沙量取15.00 kg/m3.

根据黄河多年泥沙资料[9]，粒径小于0.05 mm的泥沙占比超过70%，且南山台扬水灌区引水方式没有发生较大的实质性改变，参考1985年干渠淤沙和水源含沙粒径统计情况[10]，水源中71.8%的悬沙粒径小于0.05 mm，而干渠淤沙中只有1.5%，因此可以认为，粒径小于0.05 mm的悬沙基本都通过闸门进入了支渠，故在模拟计算时沙粒粒径取0.05 mm.

1.2.2 试验方案

为了验证测控一体化板闸在高含沙水渠道中的测流精度，利用比较成熟的无喉道量水槽作为对照，对比分析测控一体化板闸分别在汛期和非汛期的测流结果.文中在南山台扬水灌区选取了18条无喉道量水槽完好且测流条件较好的支渠，2018年3—11月整个灌溉期，每逢灌水日观测无喉道量水槽上下游水位，选取对应的数学模型计算得到无喉道量水槽测流值，并记录同一时间测控一体化板闸的测流值.

图3为无喉道量水槽和测控一体化板闸的布置图，测控一体化板闸距无喉道量水槽30 m，因此，不会影响到无喉道量水槽的测流结果.

图3 测流平面布置图

1.3 数据分析方法

将测控一体化板闸和无喉道量水槽测流数据进行对比，以无喉道量水槽测流结果为基准，分析研究含沙量对测控一体化闸门测流精度的影响.采用回归系数b，决定系数R2和均方根误差RMSE拟合度检验指标对2种测流方法分别在汛期(6—10月)和非汛期(11月—次年5月)的测流结果进行对比判断，回归系数b越接近于1.0，说明二者的测流值越接近；决定系数R2越接近于1.0，说明二者测流结果的有效性越高；均方根误差RMSE越小，说明2种方法的测流结果更加准确.回归系数b计算式为

(1)

决定系数R2计算式为

(2)

均方根误差RMSE计算式为

(3)

1.4 数值模拟模型

1.4.1 模型选择

ANSYS Fluent软件中描述多相流的方法有欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法，其中欧拉-欧拉法是目前水沙运动数值模拟中应用最广泛的多相流模型，包括体积模型(VOF)、混合模型(Mixture Model)及欧拉模型(Eulerian Model)，欧拉模型是多相流模型中较为严格、复杂的模型，完整地考虑了相间耦合、相间滑移及紊流扩散，也参照单相流中对脉动项的模拟方法对颗粒紊流脉动进行模拟[11].

灌溉水经沉沙池过滤后，沙粒体积占灌溉水的比率远小于10%，因此沙粒在明渠中的运动属于稀相流，选取Eulerian多相流模型可以更真实地模拟含沙水流经测控一体化板闸时的水力性能.由于测控一体化板闸闸孔出流属于湍流，采用湍流RNGk-ε模型使方程闭合.利用Fluent软件的分离隐式稳态求解器对各控制方程进行求解，并采用SIMPLE算法对速度和压力的耦合进行处理，各参数的离散均采用二阶精度的迎风格式[12].

1.4.2 物理模型和边界条件设定

闸门尺寸为0.6 m×0.6 m，设置在深0.6 m，宽0.6 m，渠底比降为1∶1 000的矩形支渠中，计量箱长971 mm.由于支渠水流方向与干渠垂直，因此闸前水流速度接近于0，同时在计量箱前设置5 m长的缓冲段，确保水流能够缓慢进入计量箱内.坐标原点取在渠道进口断面渠底中心点处，沿渠道顺水流方向为x轴正方向，y轴沿渠宽方向与x轴相交于坐标原点，沿渠底到渠顶为z轴正方向，利用ANSYS ICEM建立测控一体化板闸在矩形渠道中的三维模型.六面体网格单元具有排列整齐，易于收敛的优点，故采用六面体网格单元对计算区域进行分析.采用8 cm×8 cm×8 cm的单元对渠道上下游段划分网格，闸前计量箱和闸后水流水力条件复杂且为重点观察对象，因此计量箱和闸后1.5 m处采取加密网格处理[13]，单元格尺寸为4 cm×4 cm×4 cm.

根据测控一体化板闸的实际运行情况，水流入口设为速度入口边界条件，沙粒与水流给定相同的流速，上部的气体入口设为压力入口，计算前渠道充满气体.出口部分给压力出口边界条件，渠道的整个底板以及边墙为固壁边界，给定无滑移边界条件，黏性底层采用壁函数处理，考虑重力作用.

颗粒设为沙粒，密度为2 650 kg/m3.根据含沙量资料，取颗粒直径为0.05 mm，含沙量取0，5，10，15 kg/m3共4个水平，收敛精度为 10-4.

2 结果与分析

2.1 流量对比分析

选6条有代表性的支渠进行流量对比分析，如图4所示.

图4 测流结果对比

由图4可以看出，景A-1支渠、彩A-2支渠、达A-1支渠、丰A-2支渠、敬A-1支渠在整个灌溉期中，测控一体化板闸的测流值相对于无喉道量水槽的测流值均偏大，且汛期相对误差大于非汛期；只有城A-2支渠非汛期的测控一体化板闸测流值小于无喉道量水槽测流值，而汛期的测控一体化板闸测流值仍大于无喉道量水槽测流值.可能是因为汛期灌溉水含沙量较大，影响了测控一体化板闸的测量精度，使其测流结果偏大.

2.2 汛期与非汛期测流结果对比分析

图5对汛期和非汛期的测流结果进行了对比分析.由图可知，非汛期的回归系数均在0.82～1.24，决定系数在0.666～0.995，均方根误差均在0～0.043，汛期的回归系数在0.81～1.25，决定系数均在0.621～0.995，均方根误差均在0～0.045.相对于汛期，非汛期的回归系数和决定系数更接近于1，均方根误差更接近于0，表明汛期含沙量较大时，测控一体化板闸测流结果较差，含沙量对其测流精度有一定影响.

2.3 数值模拟分析

2.3.1 模型验证

测控一体化板闸流量计是通过Sonaray声波阵列技术进行流量监测，但其结构形式与传统平板闸门相同，故出流的水流状态相同.文中利用ANSYS Fluent对闸孔开度为0.1，0.2 m时，不同闸前水位所对应清水的出流量进行模拟，将模拟结果与前人对传统闸门的研究成果以及测控一体化板闸实测结果进行对比来验证模型的可靠性.

儒可夫斯基应用理论分析方法对闸后收缩断面进行了分析，得出在无侧收缩的条件下平板闸门的垂直收缩系数ε2与闸孔相对开度e/Ho的关系[14].

利用所建模型模拟平板闸门过流的水面线，得到收缩断面水深并计算出垂直收缩系数，并通过查表得到对应闸孔开度的理论垂直收缩系数，将模拟值ε2s与理论值ε2c进行对比分析，结果见表1,表中e为闸孔开度，Ho为闸前水位，Hc为收缩水深.从表中可以看出，垂直收缩系数模拟值ε2s与理论值ε2c差别较小，最大误差δ为7.23%.

闸孔出流的流量可按闸孔出流公式(4)计算，流量系数按南京水利科学研究院的经验公式(5)计算[14]为

(4)

(5)

式中：σs为淹没系数，自由流时淹没系数取1；μ为流量系数；B为闸门宽度,m.

表1 垂直收缩系数模拟值和查表值对比

在南山台扬水灌区调研时收集到该灌区冬灌期间比较完整的Rubicon测控一体化板闸测流记录数据，包括测流设备自动记录自由出流状态时测控一体化板闸上游水位、闸孔开度及其对应的闸孔过流量测量值.冬灌期间渠道水泥沙含量相对较低，对Rubicon测控一体化板闸测流精度的影响相对较小，其实测结果较为精确.文中选取了灌区水流条件较好的一条支渠，模拟相同条件下的闸孔出流量，并与测控一体化板闸的测流值、南京水利科学研究院经验公式(4)和式(5)计算值分别进行对比，如表2所示,表中Qc为计算流量，Qm为实测流量，Qs为模拟流量.

由表2可知，冬灌期间含沙量较少时，测控一体化板闸实际测流值与模拟值、经验公式计算值较为接近.

表2 测控一体化板闸模拟流量与实测流量对比

2.3.2 水力性能分析

为研究含沙水流经测控一体化板闸时的水力性能，利用所建立的模型分别模拟闸前水位和闸孔开度一定时，不同含沙量所对应的计量箱内水流结构、闸后收缩断面流速分布以及闸孔出流情况.

1) 含沙量对计量箱内流动结构的影响.

超声波流量计直接检测到的是超声波传播路径上的线平均速度，而测控一体化板闸流量计需要测量的是计量箱整个断面上的平均速度，二者之间需要换算[15].因此，流体的断面流速分布情况对计算计量箱内的平均流速非常重要.利用所建模型对闸孔开度为0.1 m，闸前水位为0.7 m这一工况进行模拟，图6为计量箱内平面xz的流线图，在平面xz选取3条沿z轴方向的直线Line 1，Line 2和Line 3，图7为所选3条直线的流速分布图，图中h为距离渠底的高度.由图可知，流体流过计量箱时，由于固体壁面无滑移条件，紧贴壁面的流体速度为0 ，而断面中间的流体受影响最小，流速最大，且靠近闸孔处流速较大，形成较大速度梯度.在含沙量范围内，细颗粒泥沙对计量箱内流速的分布情况影响很小.

图6 计量箱内流线图

图7 计量箱内流速分布图

2) 含沙量对闸后收缩段水力特性影响.

不同含沙量所对应的闸后收缩断面水流流速和湍动能分布如图8所示.

图8 闸后收缩断面水力性能

水力参数如表3所示,表中m为含沙量，va为平均流速.

表3 不同含沙量的闸门测流水力参数

由图8a和表3可知，随着水深的增大，收缩断面的流速呈先增大后减小的趋势，且流速分布受含沙量影响不大，但存在一定规律，即闸孔开度和闸前水位相同时，含沙量越大，收缩断面的流速越大，而收缩水深越小，通过闸孔的含沙水的流量不变.由图8b可知，清水的湍动能最大，随着含沙量的增大，收缩断面的湍动能减小，是因为含沙量的增加会使水流的黏性增大，密度增大，从而对水流湍动起到遏制作用.

3 结 论

1) 相对于无喉道量水槽而言，测控一体化板闸的测流数据普遍偏大，但在非汛期含沙量较小时，其测流值的回归系数和决定系数更接近于1，均方根误差更接近于0，表明该工况下的测流精度较高.

2) 利用ANSYS Fluent模拟明渠含沙水测流是可行的.由模拟结果可知，计量箱内紧贴壁面的流体速度为0，断面中间流速较大，且靠近闸孔处流速最大，形成较大速度梯度，而含沙量对计量箱内的流速分布影响很小.水流的湍动能随含沙量的增大而减小，体现出一定的制紊作用.

3) 与计量箱内过流断面的水力性能相比，测控一体化板闸闸后收缩断面的流速和湍动能较大，清水的湍动能最大，随着含沙量的增大，闸后收缩断面的湍动能逐渐减小而流速分布无明显变化.

4) 含沙量对Rubicon测控一体化板闸测流精度的影响，主要是因为含沙水中的沙粒对超声波的衰减作用以及含沙水的制紊作用.