明渠非標準斷面法測流水位流量關系的率定及影響因素分析

梁慧真,宗全利,2*,劉貞姬,謝炎,劉冬冬

(1. 石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子832000; 2. 青島農業大學資源與環境學院,山東 青島266109)

灌區量水是實現灌區計劃用水目標和節水農業的關鍵措施.為適應中國經濟、社會等方面的發展,實現灌區量水設備現代化的要求顯得尤為迫切.灌區量水設備正向著信息化和規范化方向發展.但目前,人工測流仍是灌區的常用量水方法,即使是自動化量水程度比較高的灌區也需要利用人工測流結果進行校核.僅依靠人工進行流量計算,測流效率較低且耗時耗力.若可以率定出精確的渠道斷面水位流量關系曲線,測流人員只需觀測固定斷面水位就能快速推算出流量.中國新疆等西北干旱灌區灌溉渠系配套完善,引水和末級灌溉主要通過明渠渠系完成,灌區渠道常采用標準斷面法、測水箱等方式量水,這2種量水方式均需要利用渠道斷面水位流量關系進行測流.因此率定出精確的水位流量關系曲線對于新疆灌區量水工作來說十分必要.

在實際灌區量水過程中,利用標準斷面法量水有時很難滿足無沖刷或淤積及變動回水影響等要求[1],尤其對于渠系引水量較小且含沙量大的新疆等干旱區渠系,渠道淤積現象頻繁,對量水影響較大,出現非標準斷面量水.此外,非標準斷面量水問題還包括:標準斷面形成的穩定水位流量關系因受變動回水、泥沙沖淤、洪水漲落、水生植物、冬季結冰等因素影響而變為不穩定的水位流量關系.對此,劉煥芳[2]對穩定的和受泥沙沖淤、漲水退水等因素形成的不穩定的水位流量關系曲線的成因進行了分析.對于水位流量關系曲線的率定,李守義等[3]利用迭代法解決了多泥沙渠道水位流量關系的多曲線擬合問題.孫昭華等[4]對受回水影響的河道水位流量關系確定方法進行了研究.WANG等[5]提出了一種適合梯形渠道的水位流量關系優化方法.李應求等[6]基于Box-Cox變換模型對水位流量關系曲線進行了擬合.SINGH等[7]采用Tsallis熵來對水位流量曲線進行了推導;KASHANI等[8]利用智能算法建立了水位流量關系.KAVOUSIZADEH等[9]提出了一種適用于建立明渠水位流量關系的新方法.丁佩等[10]用綜合校正法對受洪水漲落及回水變動綜合影響的水位流量關系進行了研究.此外,也有學者就貝葉斯方法、遺傳算法、神經網絡等方法對水位流量關系進行研究并取得了相應的成果[11-13].

前人的研究大多是針對天然河道,而對干旱區灌溉渠道的研究相對較少,且較少考慮泥沙淤積、回水等因素對渠道水位流量關系的影響.新疆等西北干旱灌區,渠道來水含沙量大,若忽略泥沙淤積對測流的影響,將會對灌區量水的測流精度造成很大影響.

文中以新疆第三師某團場25處渠道量水斷面為研究對象,對量水斷面水位流量關系曲線進行率定和誤差分析,并對影響流量擬合參數的因素進行分析,以期能夠為灌區自動化量水提供率定依據,為當地灌區量水工作效率的提高及農業量水信息化的實現提供參考.

1 研究區概況

新疆第三師某團場地勢平坦,灌溉面積1.512萬hm2,地表水多年平均懸移質含沙量為4.26 kg/m3,泥沙含量較大,渠道流速在0.4 m/s左右.境內共有3條干渠(中干渠、四支干渠和八支干渠)向該團輸水灌溉,另有支渠47條、斗渠241條.在該研究區共設計了25處測量點,均位于四支干渠和八支干渠及其支渠上,位于分水閘附近的測量點主要分布在分水閘后50～100 m處,在渠道供水時利用標準斷面法量水.圖1為新疆第三師某團場渠系分布圖,主要渠系及測量點分布如圖所示.研究區25處測量點所在渠道斷面的各水力要素如表1所示,表中b為渠道底寬,m為邊坡系數,i為水面比降,對于水位流量穩定的渠道斷面,i為渠道坡降.

表1 渠道量水斷面水力要Tab.1 Hydraulic elements of channel water measuring sections

圖1 新疆第三師某團場渠系分布圖Fig.1 Distribution map of channel system of regiment farm of the Third Division of Xinjiang

2 研究方法

2.1 測流原理與曲線檢驗方法

2.1.1標準斷面法測流原理

標準斷面法量水是利用穩定的渠道斷面水位流量關系進行推流的一種灌區常用量水方法.渠道斷面水位流量關系是否穩定與其過水斷面的各水力要素有關,梯形明渠流量計算公式為

(1)

式中:Q為過水斷面流量,m3/s;v為過水斷面平均流速,m/s;A為過水斷面面積,m2;H為過水斷面水深,m;Ra為渠道粗糙系數.

對某一固定渠道而言,n,m,b,i為定值,因此流量Q可以表示為水深H的函數.渠道標準斷面量水的水位流量關系式宜用冪函數[1]表示為

Q=KHμ,

(2)

式中:K為擬合系數;μ為擬合指數.

將實測流量值及其對應水位繪制成散點圖,根據式(2),利用回歸分析法擬合出擬合參數K和μ.如屬于穩定的水位流量關系,可通過點帶重心,繪出一條平滑連續的曲線,使數據點均勻地分布在曲線兩側,即得到量水斷面的水位流量關系曲線.

2.1.2水位流量關系曲線檢驗方法

對于率定出的水位流量關系曲線,還應進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗,當3項檢驗結果均滿足要求時,則可利用該水位流量關系曲線進行推流[14].

1) 符號檢驗

(3)

式中:μ為統計量;k為測點偏離曲線的正號或負號個數;n為測點總數.

2) 適線檢驗

將測點水位由低至高排序,從第2點開始統計偏離正負符號變換的次數,按式(4)計算μ值并與文獻[14]中表5給定的顯著性水平α的μ1-α比較,若滿足μ<μ1-α則認為合理.

(4)

式中:k為變換符號次數,k<0.5(n-1)時進行檢驗,否則不進行此檢驗.

3) 偏離數值檢驗

(5)

(6)

3 結果與分析

3.1 標準斷面法測流的水位流量關系

圖2為2021年3月測量點35和37處的水位流量測量結果.可以看出,這2處的水位流量點分布比較密集,均呈帶狀,且數據點不是依時間次序呈系統偏離,屬于穩定的水位流量關系.根據式(2)得到2個斷面的水位流量關系擬合結果為Q=2.854 7H2.071 4(R2=0.980 6),Q=3.104 4H1.838 7(R2=0.973 7).實測值與擬合值的相對誤差最大值分別為5.49%和5.73%,表明所率定的水位流量關系曲線是穩定的.

圖2 穩定的水位流量關系曲線Fig.2 Stable stage-discharge relation curves

對25處測量點的水位流量關系曲線進行擬合,擬合結果如表2所示.從表中可以看出,有14處斷面的水位流量關系曲線擬合方程的R2大于0.85,平均相對誤差最小值為0.9%,最大值為6.4%,屬于穩定的水位流量關系.說明該部分測流斷面選取比較合理,沒有受到泥沙淤積或回水等因素的影響.但仍有11處測量點的水位流量關系不穩定,其測流斷面屬于非標準斷面,需進行特殊的分析.

表2 水位流量關系曲線擬合及相對誤差計算結果Tab.2 Stage-discharge relation curve fitting and relative error calculation results

3.2 非標準斷面法測流的水位流量關系

3.2.1受變動回水影響的水位流量關系

以測量點71和109為例,測量點71所在渠道內無泥沙淤積等因素影響,但斷面流量較小,測流時下游閘門開度較小,對水流形成阻礙,使水流出現回流現象;測量點109所在渠道底部有較少量泥沙,無回水等因素影響,水流流速幾乎為0,測流時下游閘門處于關閉狀態,下游水位不斷抬高,導致水流出現回水現象.圖3—5分別為測量點71和109的水位流量、水位流速和水位面積關系曲線圖.

圖3 水位流量關系Fig.3 Stage-discharge relation

圖4 水位流速關系Fig.4 Stage-velocity relation

圖5 水位面積關系Fig.5 Stage-area relation

從圖3—5可以看出,受回水影響的水位流量關系、水位流速關系的數據點分布比較散亂,而水位面積關系數據點則密集地分布在一條帶上.這主要是因為渠道水流受到下游渠道閘門開度等因素影響,下游水位發生變化,使測流斷面受下游回水的頂托,導致該測流斷面的水面比降發生變化,從而引起了測流斷面流速和流量的變化.同水位下比降大的水位流量(流速)關系點偏向曲線右側,比降小的水位流量(流速)關系點偏向左側,所以水位流量關系曲線和水位流速關系曲線的數據點呈散亂分布.水面比降越大,流速和流量越大;比降越小,流速和流量越小.

根據實測結果,25處測量點中有5處斷面為受變動回水影響不穩定的水位流量關系,說明實際渠系水量分配的調度運行對流量測量有較大影響.測流應盡可能在渠道運行調度穩定一段時間,下游水位的漲落不再影響測流斷面水位后進行,從而可有效避免變動回水引起的不穩定水位流量關系.

3.2.2受淤積影響的水位流量關系

由于研究區地勢平坦,縱坡在0.3‰～0.9‰,渠道流速大多約0.4 m/s,加之地表水多年平均懸移質含沙量為4.26 kg/m3,泥沙含量很大,造成渠道淤積明顯.如測量點59所在渠道坡降較小,水流速度較慢,渠道內無變動回水、洪水漲落及水生植物等因素影響.根據2021年3月28日現場觀測結果,渠道淤積厚度達32 cm,淤積較為嚴重,渠道兩側堆積了大量人工清理出的泥沙.

圖6為測量點59水位相關曲線.

圖6 測量點59水位相關曲線Fig.6 Correlation curve of stage at measuring point 59

從圖6可以看出,受淤積影響的水位與流量、流速、面積關系曲線的數據點分布較散亂,但流速、面積與流量的變化不是相應的,流速、面積與流量的關系沒有呈現一定規律性.根據實測結果,25處測量點中有6處為受淤積影響的不穩定水位流量關系,說明渠道淤積對流量測量有一定影響.當淤積達到一定厚度(如測量點59的32 cm),則會形成明顯的不穩定水位流量關系,從而影響測流結果.因此,在實際應用過程中,當斷面僅受沖淤影響有沖淤變化,但在沖淤前后仍可保持穩定時,可以在沖刷或淤積前后,分時段確定不同的水位流量關系.

3.3 不同水位流量關系檢驗結果及誤差分析

3.3.1穩定水位流量關系檢驗結果及誤差分析

以測量點35為例,根據已率定的水位流量關系(如圖2a所示),對其進行誤差和三項檢驗計算.檢驗結果及誤差計算如表3所示,表中Q實和Q計分別為實測和計算流量.經過計算,所率定測量點的水位流量關系曲線的三項檢驗均能通過檢驗,相對誤差最大值為5.49%,精度滿足要求,可用于流量推算.

表3 穩定水位流量關系檢驗結果及誤差統計(測點35)Tab.3 Test results and error statistics of stable stage-discharge relation (measuring point 35)

3.3.2不穩定的水位流量關系檢驗結果及誤差分析

4 討 論

從式(1)中可以看出,流量與渠道粗糙系數、邊坡系數、底寬、坡降和水深有關.由于所率定出的穩定水位流量關系曲線的渠道均為混凝土襯砌,施工工藝基本相同,渠道粗糙系數和邊坡系數基本相同.因此,主要分析渠道底寬、坡降對流量擬合參數K和μ的影響.

4.1 渠道底寬對流量擬合參數的影響

選取研究區中渠道粗糙系數、邊坡系數相同的渠道斷面,比較其底寬對流量擬合參數的影響.結果如圖7所示.

圖7 不同底寬渠道的流量擬合參數Fig.7 Flow fitting parameters for channels with different bottom widths

在渠道粗糙系數、坡降、施工工藝基本相同的情況下,渠道量水斷面流量擬合參數與渠道底寬呈正相關關系.在底寬一定時,流量擬合參數還與渠道坡降有關.在同一渠道底寬下,選取坡降不同的若干渠道,因此在圖7中同一底寬下會對應若干擬合參數;相同底寬情況下,渠道坡降越大,擬合參數也越大.

4.2 渠道比降對流量擬合參數的影響

選擇研究區中粗糙系數、邊坡系數、底寬相同的渠道,比較其坡降對流量擬合參數的影響,結果如圖8所示.隨著渠道坡降的增加,其流量擬合公式的擬合參數逐漸減小,即渠道量水斷面流量擬合參數與渠道坡降呈負相關關系.在同一渠道坡降下,選取底寬不同的若干渠道,所以在同一坡降下會對應若干擬合參數.文中的渠道位于干旱灌區的新疆南疆地區,泥沙含量較大,與以往研究的渠道運行條件有所不同;其次研究共選取了14處不同渠道測量點且每個坡降均選取了若干個渠道參數,而現有研究中的渠道坡降資料較少,這進一步證明文中結果的可靠性.

圖8 不同坡降渠道的流量擬合參數Fig.8 Flow fitting parameters of channels with diffe-rent slopes

5 結 論

1) 在渠系引水量較小且含沙量大的新疆等干旱區明渠中,非標準斷面法測流占有較大比率.對于受回水影響的斷面測流時,應盡可能在渠道運行調度穩定一段時間,下游水位的漲落不再影響測流斷面水位后進行;當測流斷面僅受沖淤影響有沖淤變化,但在沖淤前后仍保持穩定時,可以在淤積前后,分時段確定不同的水位流量關系.

2) 水位流量關系的流量擬合參數受渠道粗糙系數、邊坡系數、底寬和坡降等因素影響.在渠道粗糙系數、邊坡系數及坡降相同的條件下,流量擬合參數與渠道底寬總體呈正相關關系;在渠道粗糙系數、邊坡系數及底寬相同的條件下,流量擬合參數與渠道坡降總體呈負相關關系.

3) 在實際應用中,率定出量水斷面精準的水位流量關系曲線能夠提高量水工作效率,并能夠為后續灌區自動化量水設備測流準確性的校核提供重要參考依據.