小渠道流量快速判定方法研究报告

小渠道流量快速判定方法研究”1 研究目的小渠道流量作为灌区普查的调查内容之一，因无法直接判断成为灌区普查内容中最难确定的项。为了结合普查要求和普查指标要求，借助现场资料，以简单方便的手段和方法判断普查渠道流量并进行分级，使渠道流量普查数据真实、合理，普查工作便捷、高效。则基于影响渠道流量的直观因素提出快速判定渠道流量的方法是十分必要的，对推动灌区普查的顺利开展具有重要的实际意义。2 目标要求结合普查要求及专题研究内容，目标要求包括：1）对过流能力在0.21.0m3/s的灌溉渠道、灌排结合渠道进行过流能力快速判断，并分级。分级包括0.20.5m3/s和0.51.0m3/s两级。2）对过流能力在0.63.0m3/s的排水沟过流能力进行快速判断，并分级。分级包括0.61.0m3/s和1.03.0m3/s两级。 对渠道和沟过流能力的判定主要以渠道或沟首部位置的判定结果为准。3 研究内容1） 提出直接确定渠道和排水沟流量的判定依据；2） 对于不能直接判定的情况，建立各类渠道或沟的断面尺寸与流量之间的对应表。4 研究结果4.1 流量判定基本方法本研究提出了直接判定和根据渠道或沟断面尺寸间接判定渠道或沟首部流量的方法。4.1.1 直接判定法当调查人员能获得该渠道或沟的设计资料或历史量水资料时可采用直接判定法确定渠道或沟流量。直接判定的依据有以下几种情况：1） 该渠道或沟的设计资料犹存，且调查人员能够获得，则渠道或沟流量取当初的设计流量。2） 调查人员对该渠道或沟历史过流情况非常了解，凭历史过流情况能大致估计其流量的，则渠道或沟流量可采用调查人员的经验值。3） 该渠道或沟首部附近具有量水设施的（如涵闸量水建筑物、倒虹吸管、渡槽、各种量水槽等），则调查人员可以向当地配水人员了解以往的实测流量情况，并以此作为该渠道或沟的流量。4.1.2断面推导法当所调查的渠道或沟不具备直接判定法的条件时，则需要根据渠道所处的地形条件、渠道表面材质和覆盖状况、渠道断面形状等对渠道流量进行间接估算。1） 渠道流量估算公式灌溉渠道或沟一般都是正坡明渠，渠道设计时为了水流平稳和施工方便，在一个渠段内通常采用同一个过水断面和同一个比降，渠床表面要具有相同的糙率。因此，在此采用明渠均匀流公式对渠道流量进行粗略估算，计算公式如下： （1） 式中： Q渠道设计流量，m3/s;A渠道断面面积，m2；n渠床糙率系数；R水力半径，m；i渠底比降。 2） 渠道流量影响要素分类 由渠道流量估算公式可知，影响渠道流量的主要因素包括渠底比降，渠床表面状况和渠道断面形状。a.渠或沟底比降设计渠道底坡比降时通常需考虑渠道沿线地面坡度、下级渠道进水口的水位要求、渠床土质、水源含沙情况、渠道设计流量大小等因素。通过查阅南北方灌区渠道设计资料，对于流量为1m3/s以下的渠道，渠底坡降的主要范围在1/501/5000,本研究在该范围内设置了7个水平进行计算（1/50,1/100, 1/200，1/500，1/1000，1/2000，1/5000）。对于渠道比降的判定调查员一方面可根据渠道所处的地形状况、所引水源含沙情况、渠床土质等基本情况对渠底坡降进行大致估计；另一方面也可通过辅助手段量算获取，比如借助两分水口特征高程和分水口间距离推算，或者利用水准仪进行测量。排水沟的纵坡主要决定于地形坡度，为了排水通畅和防止冲刷，田间排水沟纵坡一般为0.0040.006，本课题取0.005，即1/200对排水沟流量进行估算。b.渠道断面形状渠道断面形状是影响渠道流量的主要因素，由式（1）知渠道断面面积和水力半径都取决于断面形状和尺寸。通过调查了解目前渠道最为主要的断面形状包括矩形断面、梯形断面和U形断面，对于长期过水的土渠，由于水流冲刷、泥沙淤积等影响，渠道断面与最初设计的标准断面存在一定差异，但调查员在估计其流量时，应尽力把渠道断面近似概化为标准断面，然后查对应的流量表对其流量进行判定。为了使调查员在进行渠道流量普查时能相对简单地大致估算出渠道流量，则最后给出的流量表则是渠道断面尺寸与流量的对应表。对于以上三种渠道断面，根据断面面积和水力半径计算时所需断面参数和调查员普查时参数尽量易测的原则，确定出针对每种断面形状，调查员普查时需提供的断面参数。A） 矩形断面矩形断面示意图见图1，其断面面积和水力半径的计算公式如式（2）和（3）。依据断面参数确定原则，取渠道断面宽和渠道深度来建立其与流量的对应关系。调查员在普查时需测量渠道底宽和渠道深度，然后查相应的流量表便可。 图1 矩形横断面示意图 （2） （3）式中：b渠道底宽；h渠道深度；其他符号同上。B） 梯形断面梯形断面示意图见图2，其断面面积和水力半径的计算公式如式（4）和（5）。依据断面参数确定原则，取渠道断面底宽、顶宽和渠道深度来建立其与流量的对应关系。调查员在普查时需测量渠道底宽、顶宽和渠道深度，然后查相应的流量表便可。 图2 梯形横断面示意图 （4） （5）式中：B渠道顶宽；其他符号同上。3）U形断面 图3为U形断面示意图，下部为半圆形，上部为稍向外倾斜的直线段。理论设计要求直线段下切于半圆，外倾角=5。20。，随渠槽加深而增大。理论上断面面积和水力半径计算公式如（6）和（7），但实际普查中考虑到圆弧半径r和外倾角难以测量，因此选取直线段部分的底宽w，渠道顶宽B和直线段部分的垂直高度h2 来建立其与流量的对应关系，经过公式推导可得，由w，B和h2求算圆弧半径r和外倾角的计算公式如式（8）和（9）。调查员在普查时需测量渠道直线段部分的底宽w，渠道顶宽B和直线段部分的垂直高度h2，然后查相应的流量表便可。 图3 U形横断面示意图 （6） （7） （8） （9）c.渠床表面状况式（1）中渠床糙率系数是反映渠床粗糙程度的技术参数。渠床表面状况不一样，糙率系数取值也不同。结合渠床表面情况（土渠或衬砌），本课题主要考虑5种渠床表面状况：1）土渠表面整洁，2）土渠杂草丛生，3）混凝土衬砌（表面光滑较新），4）混凝土衬砌（预制块或比较粗糙），5）浆砌石衬砌。各种渠床表面状况对应的糙率系数取值参照农田水利学第三版（郭元裕,1997），其值分别为0.025、0.03、0.013和0.018，0.025。渠道断面形状应与渠床介质相协调一致，矩形断面仅考虑混凝土衬砌和浆砌石衬砌两种渠床介质即可，不考虑土质渠道；U形断面只考虑预制混凝土块衬砌。对于排水沟的渠床表面主要考虑土渠，糙率系数取值为0.028根据渠底比降，渠道断面形状和渠床表面状况，利用公式（1）可估算出相应的渠道或沟流量。流量估算过程中，考虑到渠道超高影响，即渠道水深要小于渠道深度，对于小型渠道渠道超高一般采用2030cm，本课题中取25cm，计算流量时会用渠道深度减去超高部分，最后得到的仍然是流量与渠道深度之间的对应关系表。4.2 渠道流量查值表及其使用4.2.1 基础数据测量误差要求从流量查值表中的结果可发现，如果以流量估算误差不超过0.1 m3/s为限制条件，断面尺寸的测量误差则与坡降、渠床表面状况、渠道本身的断面大小密切相关，坡降越大，渠床表面糙率越小，断面本身尺寸越大，断面尺寸测量的误差要求就越高。基于此断面尺寸的测量误差最好能控制在0.10.2m。4.2.2 渠道流量查值表使用说明 当调查员不能通过直接判定法确定渠道流量时，则只能采用断面推导法，通过查流量-断面尺寸对应表估算渠道流量并分级。其查表步骤如下： 1）首先判定断面形状，然后确定渠床表面状况，最后估计渠底坡降，通过以上判断的基本条件从流量查值表目录中找出该渠道所对应的流量查值表的编号。2）测量断面尺寸，对于矩形渠道要求测量渠道底宽和深度；梯形断面要求测量渠道底宽、顶宽和渠道深度；U形断面要求测量渠道直线段部分的底宽，渠道顶宽和直线段部分的垂直高度。断面尺寸的测量误差需要满足本课题给出的误差要求。3）估算流量，根据断面尺寸查表便可得出相应的流量，如果断面尺寸不是表中给出的值，断面尺寸值按四舍五入处理，然后查流量。（因为考虑到野外查值时再插值需要计算不方便，所以设定的断面尺寸间距较小，基本为0.1m，测量时取两位后四舍五入便能避免插值的问题出现。）4）流量分级，根据查出的流量值按照分级要求，对流量进行分级便可。4.2.3 流量查值表根据上面考虑的3个影响渠道流量的主要要素，以及相应的水平设置，对于矩形断面本研究给出21个渠道底宽和渠道深度与流量的对应关系表；对于梯形断面本研究给出224个渠道底宽、渠道顶宽和渠道深度与流量的对应关系表；对于U形断面，因为渠道表面一般为混凝土浇制，本研究给出49个渠道直线段部分底宽、渠道顶宽和渠道直线段部分深度与流量的对应关系表；对于排水沟只考虑了梯形断面，土渠以及一种坡降，本研究给出7个渠道底宽、渠道顶宽和渠道深度与流量的对应关系表。各表中断面尺寸查值范围的确定原则是最大可能的覆盖流量范围为0.21 m3/s的所有实际渠道的断面尺寸。最初设定一个跨度较大的范围计算流量与断面尺寸的对应关系，根据流量情况调整最终提供给调查员的断面尺寸范围。渠道断面形状、渠床表面状况和渠底比降不一样，其提供的断面尺寸查