半圆柱形量水槽试验研究与设计

第一章 绪论随着全球水资源供需日渐紧张，水资源的高效利用已成为世界各国迫切需要解决的问题。 当前，我国水资源紧缺现状严峻，属于干旱缺水严重国家。由于时空分布不均、水土资源不匹配、利用率不高、水浪费和水源污染等特点，造成当前我国水资源的紧缺。我国正常年份缺水量逐年增加，目前已增至 500 多亿 m3，其中农业占 300 亿 m3，水危机严重阻碍了我国城镇现代化进程。水资源紧缺，已造成生态环境日渐恶化，加剧了工业、农业及生态环境用水矛盾的激化。 我国农业需求量十分大。根据 2021 年国家的水资源公告，我国全年用水总量 6095亿 m3，农业用水约 3870 亿 m3，农业用水占全国用水总量的 63.5％，其中百分之九十用于农田灌溉。十二五规划以来，我国城镇化和工业化建设得到迅速发展，但与农业用水争水矛盾日渐突显，农业用水压力越来越大。我国农业灌溉效率低，由此大部分水没被充分利用而造成浪费，同时水资源保护力度不足，截至 2021 年底我国农田灌溉水利用系数仅为 0.53，仅为发达国家的 66.3％，而我国单方水粮食生产率约 1 千克，不到发达国家生产率的 50％。2021 年国家文件提出 20 年需将灌溉水有效利用系数提升 2 个百分点。当前农业水资源紧缺、水土资源不匹配、水浪费和水源污染严重的严峻形势要求我国亟待发展节水型农业，同时它也是当前国内经济社会能否可持续发展的关键所在。因此，农业节水灌溉新技术的大力推广和灌溉管理水平的有待提高是实现我国水源安全和粮食安全，推广三农经济绿色发展的关键之举。同时它的战略地位和作用显著。1.1 灌区量水的特点灌区量水实测流量虽不同于江河的大流量量测测，其测流流量较小，但要求较江河测流严格，如次数、时间、精度方面。因此，量水设施的选择应有如下几点特点： （1） 较高的量测精确度。 （2） 经济耐用，观测方便。 （3） 造价低廉，施工简易。应尽可能合理利用当地的水工建筑物，避免型式复杂，造价高。 （4） 观测要简易，可行，便于群众掌握。 （5） 水头损失小，观测范围大。 （6） 抗干扰能力强。 灌区量水实测流量虽不同于江河的大流量量测测，其测流流量较小，但要求较江河测流严格，如次数、时间、精度方面。因此，量水设施的选择应有如下几点特点： （1） 较高的量测精确度。 （2） 经济耐用，观测方便。 （3） 造价低廉，施工简易。应尽可能合理利用当地的水工建筑物，避免型式复杂，造价高。 （4） 观测要简易，可行，便于群众掌握。 （5） 水头损失小，观测范围大。 （6） 抗干扰能力强。...........1.2 灌区常用的量水方法灌区量水的主要任务是量测水位或流量。流量的量测主要是明渠水流的测量。明渠过流断面和流速随流量变化而变化，因此相对于其他测流方法较复杂。介绍目前灌区采用的主要几种测流方法。主要测定某断面各点流速及过流断面面积，再根据连续方程 ?进行积分求解，从而计算出流量。多用于某时间点的临时测流。 先测出明渠渠道水深，然后计算水面坡降和平均过流断面面积，利用明渠均匀流公式求算水力半径，最后再将其代入阻力公式计算流量，如曼宁公式。稀释法分为两种方法：一是等速注入法。将一定浓度的示踪剂，以均匀的注入量持续地注入测验渠段的上游断面，通过测定下游取样断面的示踪剂浓度来推求流量；一是一次注入法。将一定浓度和体积的示踪剂一次全部倾注人测验渠段的上游断面，在下游取样断面连续测定示踪剂浓度过程来推求流量。多用于大江大河量测。 ............第二章 U 形渠道半圆柱形量水槽的试验设计2.1 试验目的与内容目前灌区使用的量水槽普遍存在这样的问题：流量公式计算复杂、结构复杂、水头损失大、操作复杂等问题。因此研究具有结构简易、价格适中、精度合理、水头损失小、操作简便的量水槽已成为必要，有利于发展节水农业，提高灌溉水效率。 本试验采用模型试验研究方法，在 D40 和 D60 两种规格 U 形渠道中分别选取 4 种不同收缩比进行试验，旨在研究这种 U 形渠道量水槽的测流规律是否如预期一样，提出简便实用，便于群众掌握的流量计算公式，验证流量公式量水精度，并研究该量水槽水力性能指标如临界淹没度、壅水高度、水头损失，验证是否能满足明渠测流规范要求或者在满足规范要求情况下指标是否更优，从而为半圆柱形量水槽的在农田推广应用奠定基础。.........2.2 试验系统概述本次试验地点选在西北农林科技大学北校区灌排试验站。半圆柱形量水槽修筑在 U形渠道内壁两侧，喉口断面中心线与渠道中心轴线保持一致。U 形渠道基本参数见表 2-1,三角堰上上游水深测量仪器采用精度为±0.1mm 的 SCM60 测针。测量前应先校准零点，测针是否与水平线垂直。试验中测量读数时需视线与刻度保持同一水平，同时测量中需测针针尖刚好接触水面方能读数。多次测量以保证量测精确度。 在蒋沛等人在 D40 规格 U 形渠道试验研究基础上，本试验拟在 D60 和 D40 两种渠道规格下分别选取 4 种不同收缩比的量水槽，量水槽结构见图 2-3，基本参数见表 2-2 半圆柱形量水槽由修筑在 U 形渠道内两侧半圆柱体组成，其中心线与渠道中心线重合。当水流经过该量水槽时，由于半圆柱形量水槽对渠道的束窄，形成侧收缩，势能减小，动能增大，即流速加大，形成缓流-急流-缓流的流态转变，使槽前上游水位与过槽流量形成稳定的水位-流量关系，在喉口处形成临界流。............第三章 U 形渠道半圆柱形量水槽测流理论分析 ......183.1 半圆柱形量水槽的测流原理 .....183.2 U 形渠道过水断面水力计算 ......183.3 半圆柱形量水槽临界水深计算 .......203.4 半圆柱形量水槽基本流量公式推求 ....213.5 量纲分析与建立 ....233.6 本章小结 ......24第四章 量水槽的试验研究与性能分析 ......254.1 水位流量关系 ....254.2 流量公式的建立 ....284.3 测流精度分析 .........294.4 量水槽上游佛汝德数 ......334.5 临界淹没度 ......344.6 壅水高度 ......354.7 水头损失 ......364.8 本章小结 ......39第五章半圆柱形量水槽标准化设计和制作工艺研究 .....405.1 量水槽收缩比选择 .... 405.2 量水槽半圆柱半径的确定 ......... 405.3 半圆柱形量水槽曲面面积计算 ........ 415.4 制作材料的选择 ........ 425.5 量水槽模具设计 ........ 435.6 量水槽的安装 ..... 43第四章 量水槽的试验研究与性能分析U 形渠道半圆柱形量水槽的测流原理是当水流流经半圆柱形量水槽时，由于渠道过流断面对水流的缩窄而形成侧收缩，并在喉口处附近形成临界水深，从而使得上游水位与流量线性关系明显，线性相关性系数平方数值接近 1，从而可通过量测渠道上游水深来计算通过量水槽的流量。本文对在 D60 和 D40 两种规格 U 形渠道半圆柱形量水槽性能进行了试验，分别采用 4 种收缩比进行组合试验，得到了不同工况下的数据。根据试验数据，分析了量水槽的水位流量关系，拟合了具有量纲和谐性的流量公式，对量水槽的水力性能各项指标进行了分析研究。4.1 水位流量关系根据第三章推导的 U 形渠道半圆柱形量水槽临界水深公式（3-18）和试验数据可以计算出 D40 和 D60 两种规格 U 形渠道下不同尺寸半圆柱形量水槽不同流量下的临界水深h ，将其数值与试验所测得上游水深 h 绘于直角坐标系中，临界水深与上游水深关系见图 4.1、4.2。根据第三章推导的 U 形渠道半圆柱形量水槽上游水头公式（3-19）和试验数据可以计算出 D40 和 D60 两种规格 U 形渠道下半圆柱形量水槽不同收缩比不同流量下的量水槽上游水头 H，将其数值与试验所测得上游水深 h 绘于直角坐标系中，上游水头与上游水深关系见图 4.3、4.4。 将试验中所测得上游水深和流量数据绘制于直角坐标系中，见图4-5、4-6。从图4-5、4-6 中可以看出上游水深与流量之间呈指数关系，同一流量下上游水深随收缩比的增大而减小。在田间实际运用中，由于渠道规格已定，因此应选择较大收缩比的量水槽以满足不影响测流情况下过流大流量。较大收缩比量水槽测流精度是否满足要求尚需考证。量水槽量测精度将在下文进行分析。............结论本文对 D40 和 D60 两种规格渠道分别采用 4 种收缩比进行模型试验，并对试验数据进行分析，得出以下几点结论：依据文丘里型量水槽的测流原理，根据能量方程及临界流方程，量水槽上游佛汝德数 Fr?0.45，满足明渠规范要求。同一收缩比 Fr 随流量的增加而减小，且与收缩比关于，收缩比愈大，Fr 也较大。由于 U 形渠道的过水断面面积并非水深的线性函数，佛汝德数 Fr 与流量关于，随流量的增大而减小，但线性关系不是很明显。 U 形渠道半圆柱形量水槽临界淹没度范围 0.8 至 0.93，均值为 0.85，最高值为 0.93。因此有较大的自由出流范围，不易造成淹没出流，保证了流量量测的精确性。壅水高度随流量的增大而增大，随收缩比增大而减小，因此在实际应用过程中应选择较大收缩比量水槽。但不宜过大，否则会影响测流精度。半圆柱形量水槽造成的局部水头损失较小，且随流量的增大而增大，随收缩比的增大而减小，占上游水头比值较小。在实际运用中可以通过采用特殊方法对半圆柱形量水槽外形进行抹面，如纯水泥。通过对两种规格 U 形渠道的半圆柱形量水槽进行试验，综合分析半圆柱形量水槽水力性能指标，得出了 U 形渠道半圆柱形量水槽适宜的收缩比为 0.48~0.59。给出了半圆柱形量水槽的标准化设计中量水槽半圆柱半径的迭代公式与曲面计算公式，为半圆柱形量水槽模板制作工艺提供了理论基础，为半圆柱形量水槽在田间实际运用奠定了基础。 .........参考文献(略)