金塔灌區(qū)實(shí)用量水技術(shù)

1、目 錄目 錄01 概 述12 灌區(qū)量水方法22.1常用量水方法簡介22.2.1利用水工建筑物量水22.2.2利用水尺量水32.2.3利用特設(shè)設(shè)備量水32.2.4利用儀表類流量計(jì)量水42.2.5利用流速儀量水42.2.6自動(dòng)量水42.2開展本次流量測算工作采用的量水技術(shù)53 實(shí)用量水技術(shù)簡介63.1利用水閘量水63.1.1準(zhǔn)備工作63.1.2設(shè)置水尺63.1.3水流狀態(tài)及適用條件73.1.4流量計(jì)算式與流量系數(shù)83.2利用水尺量水103.3流速儀法103.4薄壁堰183.4.1三角形堰193.4.2 矩形堰213.4.3梯形堰流量計(jì)算方法241 概 述灌區(qū)量水是合理調(diào)度和利用水資源、優(yōu)化水資源配

2、置、促進(jìn)節(jié)約用水、正確執(zhí)行用水計(jì)劃、加強(qiáng)用水管理的必要措施，也是衡量灌區(qū)灌溉管理水平和灌溉水利用率高低的重要技術(shù)手段。通過灌區(qū)量水，可積累不同類型的渠道、不同水文年的農(nóng)作物灌溉用水資料，分析核算灌區(qū)灌溉水的利用效率，檢驗(yàn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水定額合理性的必要手段。也為涼州區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的用水需求，明晰水權(quán)，建立水市場，構(gòu)建行政管理與市場機(jī)制相結(jié)合的水權(quán)制度體系，加快節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。今年開始，我們對全灌區(qū)的渠道利用率、渠系利用率、灌溉水利用率進(jìn)行跟蹤調(diào)查、測算。采用活動(dòng)、固定的量水設(shè)施（設(shè)備），采用相同和不同的量水方法，對灌區(qū)灌溉水量作逐年觀測，積累資料，為灌區(qū)在水權(quán)水價(jià)改革，確

3、定灌溉定額，實(shí)行計(jì)量收費(fèi)提供可靠依據(jù)。由于灌區(qū)渠道類型較多，現(xiàn)已有的量水方法達(dá)幾十種，適用條件及利弊不一，這里僅略加介紹，合理選擇使用。2 灌區(qū)量水方法2.1常用量水方法簡介量水方法很多，大致可分為下列幾類：利用水工建筑物量水，利用水尺量水，利用特設(shè)設(shè)備量水，利用儀表類流量計(jì)量水，利用流速儀量水，自動(dòng)量水等。利用水工建筑物量水灌溉渠系上設(shè)有各種類型的配套建筑物，如水閘、渡槽、倒虹吸、涵管、跌水等。只要這些建筑物的過流符合一定的量水水力學(xué)條件，即可用作量水。其原理為通過量測過水建筑物上下游的水位，根據(jù)不同流態(tài)的流量計(jì)算公式，選用適當(dāng)?shù)牧髁肯禂?shù)，推求出過水流量和累計(jì)水量。其優(yōu)點(diǎn)既可減少因灌溉系統(tǒng)設(shè)

4、置量水設(shè)施所產(chǎn)生的水頭損失，又可節(jié)省大量附加量水設(shè)備的建設(shè)費(fèi)用，一舉兩得。因此，若流量系數(shù)經(jīng)過率定，達(dá)到一定精度，應(yīng)盡可能利用水工建筑物量水。利用水尺量水在斷面穩(wěn)定，沒有回水影響的渠段內(nèi)，設(shè)置水尺觀測水位，利用率定好的水位流量關(guān)系，求得流量。該方法簡便易行，設(shè)備費(fèi)用低，容易被廣大職工群眾所掌握。關(guān)鍵是測流渠段的水流應(yīng)不受下游節(jié)制閘或壅水建筑物回水的影響，即測流斷面的流量隨水位呈單值函數(shù)關(guān)系變化，流量與水位呈唯一對應(yīng)關(guān)系。 利用特設(shè)設(shè)備量水特設(shè)設(shè)備通常指三角堰、矩形堰、平坦V型堰、巴歇爾量水槽、無喉道量水槽、簡易量水檻及柱形量水槽等等。一般由行進(jìn)渠槽、量水建筑物和下游段三部分組成。通過量水建筑物

5、主體段過水?dāng)嗝娴目茖W(xué)收縮，使其上下游形成一定的水位差，從而得到較為穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。它不可避免的會(huì)帶來一定的水頭損失，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體邊界條件和不同的精度要求，選擇相應(yīng)的特設(shè)設(shè)備。利用儀表類流量計(jì)量水儀表類流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、量測直觀、計(jì)量簡便、能累計(jì)水量。此類設(shè)備對過水?dāng)嗝嬗袃蓚€(gè)要求：一是必須規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)、容易計(jì)算面積；二是必須滿管出流，出水口被下游最低水位所淹沒。其結(jié)構(gòu)組成為節(jié)流元件（過水涵管），計(jì)數(shù)儀表等，如電磁流量計(jì)、農(nóng)用分流式量水計(jì)、灌溉量水水表等。其缺點(diǎn)是易被渠中水草等雜物纏繞。利用流速儀量水流速儀測流可以不改變渠道布置、不設(shè)任何建筑物。但對測流斷面選擇要求較高，要求渠段平直、水

6、流均勻、無漩渦和回流，水流方向與斷面垂直等。由于流速測點(diǎn)多，測量繁雜，不宜經(jīng)常使用，通常用于其它測量方法的流量系數(shù)率定。自動(dòng)量水為減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高量測準(zhǔn)確度，并及時(shí)向灌區(qū)管理部門提供可靠的水位、流量、水量及閘門開度等技術(shù)參數(shù)，在骨干渠系上建立灌區(qū)自動(dòng)化量測系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)由微機(jī)、傳感器、控制電路、傳輸機(jī)構(gòu)等組成，其原理是通過傳感器對量水建筑物或量水設(shè)備上、下游水位進(jìn)行及時(shí)采樣，根據(jù)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對流量的計(jì)量，并累積水量。如重慶水文儀器廠生產(chǎn)的WML型微電腦明渠流量計(jì)，在觀測井內(nèi)通過超聲波非接觸測量水位，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算流量，并累計(jì)水量。2.2開展本次流量測算工作采用的量水技術(shù)由上述可

7、見，灌區(qū)量水方法和量水設(shè)備種類繁多。但根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、渠道條件和外部環(huán)境等可知，許多方法并不實(shí)用。從經(jīng)濟(jì)適用的角度出發(fā)，結(jié)合灌區(qū)的實(shí)際情況，建議采取如下測量方法進(jìn)行流量的測定：（1）灌區(qū)的渠首，當(dāng)有控制閘時(shí)，優(yōu)先采用水閘進(jìn)行量水；（2）灌區(qū)的渠首，當(dāng)沒有控制閘時(shí)，優(yōu)先采用水尺法進(jìn)行量水；（3）灌區(qū)各級渠道采用流速儀法進(jìn)行量水；（4）當(dāng)末級渠道有跌坎時(shí)，可優(yōu)先考慮布置矩形薄壁堰或三角形薄壁堰進(jìn)行量水；3 實(shí)用量水技術(shù)簡介從經(jīng)濟(jì)適用的角度出發(fā)，結(jié)合我灌區(qū)的實(shí)際情況，農(nóng)業(yè)灌溉水利用率測算工作，渠道流量的測量主要采用水閘、水尺法、流速儀法、簡易量水檻、矩形薄壁堰、梯形薄壁堰或三角形薄壁堰等方法進(jìn)行。為使

8、廣大水利職工在開展工作時(shí)便于操作，下面把各種方法做一個(gè)簡要的介紹。3.1利用水閘量水渠首的控制建筑物一般為進(jìn)水閘，水閘既是控制建筑物，也可利用水閘泄流能力量水，一般采用以下幾個(gè)步驟和方法：準(zhǔn)備工作首先檢查水閘的完好情況。建筑物應(yīng)該完好無損，閘門不漏水，如有缺陷應(yīng)先行修繕；復(fù)核閘底高程、閘孔凈寬和其它幾何尺寸，并標(biāo)注于事先繪好的平面圖和縱剖面圖中，以便查用。設(shè)置水尺水流狀態(tài)的判別和過閘流量的計(jì)算，主要是根據(jù)水位，而水位數(shù)值均依靠水尺測讀，因此水尺的設(shè)置非常重要，具體要求為：上游水尺：設(shè)在上游距建筑物約3倍閘前最大水深處；下游水尺：設(shè)在水流出口處以下，距建筑物約等于單孔寬度的1.52.0倍處；門后

9、水尺：直接安設(shè)在閘后側(cè)墻上，水尺距離閘門約1/4單孔閘寬（但不能超過40cm）。以上三種水尺的零點(diǎn)均應(yīng)與閘底在同一水平面上。也可不設(shè)置水尺，而是在該測量位置，用連通管將水引入岸邊觀測井內(nèi)，井內(nèi)立水尺觀測水位。啟閘高度水尺直接安設(shè)在閘槽邊緣的邊墩上，水尺零點(diǎn)與閘孔全關(guān)閉時(shí)的閘門頂部齊平。但閘孔側(cè)墻邊墩不高時(shí)，水尺零點(diǎn)應(yīng)設(shè)在閘孔全關(guān)閉時(shí)的閘門頂部向下2/3閘門高度處。水流狀態(tài)及適用條件水閘量水存在四種水流狀態(tài)，不同的狀態(tài)，流量計(jì)算式和流量系數(shù)均不同。a、閘門全開自由出流：閘門升起，其開啟高度e與上游水深之比大于0.65，即e/H>0.65；閘門下緣高于水面，下游水深hH與H之比小于0.7，即

10、hH/H<0.7，在水力學(xué)中屬于自由堰流。b、閘門全開淹沒出流：閘門下緣高于水面，e/H0.65，hH/H0.7；在水力學(xué)中屬于淹沒堰流。c、有閘控制自由出流：e/H<0.65，水流觸及閘門下緣流過，門后水深h1小于啟閘高度，即h1<e，閘門底邊未被下游水面淹沒，在水力學(xué)中屬于閘孔自由出流。 d、有閘控制淹沒出流：e/H<0.65，水流觸及閘門下緣流過，門后水深h1>e，閘門下緣被水面淹沒，在水力學(xué)中屬于淹沒閘孔出流。流量計(jì)算式與流量系數(shù)根據(jù)水尺讀數(shù)，首先進(jìn)行流態(tài)判別，再通過相應(yīng)的流量公式進(jìn)行計(jì)算。流量系數(shù)根據(jù)水閘類型和出口形狀而定。不同類型水閘，在不同流態(tài)下的流

11、量計(jì)算式和流量系數(shù)見表3.1。表3.1 流量計(jì)算式及流量系數(shù)項(xiàng)目閘門全開自由出流閘門全開淹沒出流有閘控制自由出流有閘控制淹沒出流示意圖流量計(jì)算式流量系數(shù)漸變形翼墻0.3250.8500.6000.620平面翼墻0.3100.8250.5800.600八字形翼墻0.3300.8600.6200.640多孔形水口0.3300.8600.6400.640表中公式符號意義如下：Q過閘流量，m3/s；H上游水深，m；hH下游水深，m；、流量系數(shù)；b閘孔凈寬，m；h1門后水深，m；e啟閘高度，m；Z上游與下游水位差，m；g重力加速度。上述流量系數(shù)，可供實(shí)際使用時(shí)參考。但為驗(yàn)證和提高測驗(yàn)精度，最好進(jìn)行現(xiàn)場率

12、定，率定方法可采用流速儀法，根據(jù)實(shí)測流量反推流量系數(shù)，流速儀法測定流量的方法見后所述。3.2利用水尺量水渠首（渠道首部）附近渠道一般比較規(guī)則、襯砌較好，這是利用水尺量水的有利條件。在渠道內(nèi)設(shè)立一水位尺，利用流速儀測定不同水位時(shí)的相應(yīng)流量，繪制水位流量關(guān)系曲線，只要讀出水尺讀數(shù)便可查出相應(yīng)流量。為了提高水位流量關(guān)系曲線的相關(guān)性、準(zhǔn)確性，從渠道最低水深到最大水深至少要均勻地選擇5個(gè)不同的水深用流速儀法測量流量，進(jìn)而繪制水位流量關(guān)系曲線。3.3流速儀法用流速儀測量渠道流量的方法是將整個(gè)過水?dāng)嗝娣殖扇舾刹糠?，如圖3.4.1是將斷面分成n個(gè)部分（n=8）。每個(gè)部分的面積以來表示，相應(yīng)于這部分面積的平均流

13、速以來表示，這樣每部分的流量為：=×整個(gè)斷面的流量為各部分流量的總和，即：q=×+×+×+×+×上述測量渠道流量的方法，叫面積流速流法，其主要工作就是布設(shè)測流垂線（如圖中的垂線）和測流垂線上測流點(diǎn)流速的測量。具體步驟和方法如下：（1）測速垂線的布設(shè)和定位測速垂線的布設(shè)原則：分布應(yīng)該大致均勻，在水深和流速最大的主流及其附近，應(yīng)布設(shè)13根垂線；在過流斷面轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)布設(shè)垂線；布設(shè)渠邊的垂線時(shí)，不能離水邊太遠(yuǎn)，應(yīng)不大于水面寬度的10%，斷面內(nèi)任意相鄰兩條垂線間距不應(yīng)超過水面寬度的20%；垂線的定位可通過卷尺量測定位在測流橋上。（2）測速垂線上測

14、速點(diǎn)的布設(shè)流速測點(diǎn)的分布是根據(jù)流速沿水深的規(guī)律性和測流的方法、水深大小及儀器的尺寸而定，一般要求按表的規(guī)定。表3.4.1 測流垂線測速點(diǎn)的分布水深（m）測速點(diǎn)布設(shè)1.5兩點(diǎn)法（0.2，0.8水深）1.53.0三點(diǎn)法（0.2，0.6，0.8水深）3.0五點(diǎn)法（0.0，0.2，0.6，0.8，1.0水深）（3）測點(diǎn)流速測量測點(diǎn)流速公式： =式中：測點(diǎn)流速； 轉(zhuǎn)子的總轉(zhuǎn)數(shù)； 測速歷時(shí)； 、由檢定所決定的常數(shù)。在測量測點(diǎn)流速時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：測速通常由渠底測至水面，流速儀放到測點(diǎn)后，稍停片刻，待水流正常后，再開始進(jìn)行測速；不論用哪種流速儀，都應(yīng)注意它的高速、低速允許范圍，若實(shí)際流速大于或小于這個(gè)允許的

15、范圍，則必須調(diào)換流速儀；每個(gè)測點(diǎn)的測速歷時(shí)一般不短于100s，當(dāng)測點(diǎn)上流速脈動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，測速歷時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長；流速儀因故受損，在無其它備用儀器調(diào)換而又必須繼續(xù)使用時(shí)，則應(yīng)將受損情況在資料中注明，并在測速后立即進(jìn)行比測，求得受損后的修正系數(shù)，將所測流速加以修正。（4）流量計(jì)算測點(diǎn)流速的計(jì)算按上述方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算垂線平均流速垂線流速的計(jì)算方法，要視垂線上測速點(diǎn)的多少而有不同的計(jì)算公式：一點(diǎn)法 = 即以0.6h處的流速為垂線平均流速，h為垂線處的渠道水深；二點(diǎn)法 =三點(diǎn)法 =五點(diǎn)法 =計(jì)算流量以測速垂線為分界線，將渠道橫斷面劃分為若干部分（見圖3.4.2）,然后按下列步驟進(jìn)行：a 計(jì)算部分面積按三

16、角形、梯形、矩形分別計(jì)算。b 計(jì)算部分平均流速中間部分，其部分平均流速為相鄰兩垂線平均流速的算術(shù)平均值。如： 渠邊部分平均流速等于自渠邊算起第一條垂線平均流速乘以流速系數(shù)，如： 的確定辦法如下：當(dāng)渠道邊坡為斜坡時(shí)，采用0.7；當(dāng)渠道邊坡為陡坡或直立時(shí)，采用0.9。c 計(jì)算部分流量部分流量等于部分平均流速與相應(yīng)部分面積之乘積，即 d 計(jì)算斷面流量斷面流量等于各部分流量的代數(shù)和，即+例2：現(xiàn)有某工程一條干渠上一橫斷面，其尺寸如圖所示，現(xiàn)采用流速儀法測其流量，如何布設(shè)測流垂線和測流點(diǎn)？解：（1）測流垂線：A渠邊垂線：根據(jù)測流垂線布設(shè)原則，渠邊垂線與渠邊的距離不能超過水面寬度的10%，故渠邊垂線至渠邊

17、的距離不應(yīng)超過100cm；同時(shí)考慮到斷面轉(zhuǎn)折點(diǎn)（即斜坡底）要布設(shè)一根垂線（見圖垂線2、垂線6），其與渠邊的距離為150 cm，兼顧均勻布置的原則，岸邊垂線布置在垂線2、6與岸邊的中間位置，即距渠邊75 cm。B中間垂線：垂線1、2、6、7確定后，中間尚有700 cm渠段沒有布置垂線，根據(jù)相鄰兩垂線間間距不能超過水面寬度20%及均勻布置原則，中間再均勻布置3根垂線，垂線間距為175 cm，小于水面寬度的20%（20 cm），滿足要求。（2）垂線上測速點(diǎn)垂線1、垂線7處的水深為0.75m1.5m，故垂線布置二個(gè)流速測點(diǎn)，分別距渠底 0.2、0.8倍水深，即距渠底15 cm和60 cm；垂線2、垂線

18、3、垂線4、垂線5、垂線6處的水深為1.5m，故垂線需布置3個(gè)流速測點(diǎn)，分別距渠底0.2、0.6、0.8倍水深，即距渠底30 cm、90 cm、120 cm。流速測點(diǎn)的位置見圖。3.4薄壁堰在順直渠道上豎直安裝一塊垂直于水流流向的具有銳緣的薄壁堰板,堰板上留有一定幾何形狀的缺口用以通過水流，這就是薄壁堰。薄壁堰過堰流量的大小取決于堰上水頭、堰板缺口幾何形狀及流量系數(shù)等因素。薄壁堰由行近渠道、堰板、下游渠道和觀測設(shè)備四部分組成，各部分的尺寸及位置見圖3.5。 薄壁堰一般可分為三角形薄壁堰和矩形薄壁堰兩種。3.4.1三角形堰三角形薄壁堰是一種測流精度較高的堰，主要是利用豎直薄板上的V形缺口進(jìn)行測流

19、，如圖所示。堰口寬度，cm；T側(cè)邊寬度，cm；B堰的安裝寬度，即行近渠槽寬度，B=b+2T，cm；h堰上游水頭，cm；hmax堰上游最大水頭，cm；h缺口高度，h= hmax +5，cm；P1相對于渠底的堰頂高程，cm；a堰頂夾角，（°）。缺口頂角的二等分線應(yīng)鉛直，并與渠道兩側(cè)的邊墻等距離。頂角的范圍是20°100°，通常使用的是為90°的直角三角形堰。其流量計(jì)算公式為：式中：過堰流量，m3/s； CD流量系數(shù)； 三角堰的頂角； h堰上游水頭。3.4.2 矩形堰 矩形堰的結(jié)構(gòu)如圖所示。 其流量按下列公式計(jì)算。（1）不淹沒無側(cè)收縮（b=B）巴贊公式適用條件為：0.2mP上1.13m，b2m，0.1mH1.24m雷包克公式式中：適用條件為：0.15mP上1.22m， H4 P上 全蘇水工科學(xué)研究院公式 羅斯公式 適用條件為：低銳緣堰， 0.06（2）不淹沒、有側(cè)收縮（bB） 流量公式 （3）淹沒溢流a 淹沒準(zhǔn)則 當(dāng)Z0，且時(shí)，下游水位影響過堰流量，即屬于淹沒堰。值，由表-1查取，表中的值按下式計(jì)算： 式中：H為堰上水頭，m。表-1 值0.100.200.300.400.500.751.001.502.000.420.890.840.800.780.760.730.730.760.820.46