試論U形渠道拋物線形量水堰推廣應(yīng)用研究
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李峰1由 分享
摘要針對東雷抽黃灌區(qū)的現(xiàn)狀與存在的問題，引進了“U形渠道平底拋物線形無喉道量水槽”，介紹了該量水槽的優(yōu)點，提出了推廣的技術(shù)要點和改進點，以為該成果的推廣應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞U形渠道；拋物線形量水堰；東雷抽黃灌區(qū)；陜西渭南
東雷抽黃是以黃河為水源的大型高揚程多級電力提灌工程，灌溉面積5.074萬hm2，有效灌溉面積4.27萬hm2，灌區(qū)共有梯形干渠7條、U形支渠42條、U形斗渠389條、U形分引渠3 820條，正常年份平均斗口用水量7 000萬m3。灌區(qū)已形成優(yōu)質(zhì)蘋果基地2萬hm2和小雜果基地6 666.67 hm2。灌溉事業(yè)的發(fā)展極大地改善了灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活條件，推動了灌區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展。
U形渠具有占地少、水力條件好、整體性能優(yōu)良和方便管理等諸多優(yōu)點，但沒有與其完善配套的量水堰。該文對“U形渠道平底拋物線形無喉道量水堰”科研成果進行總結(jié)，提出了推廣技術(shù)要點和改進點，以使該成果能在陜西省乃至全國得到更好地推廣應(yīng)用。
1灌區(qū)現(xiàn)狀與存在的問題
20世紀(jì)70年代以來，我國廣泛采用U形斷面襯砌渠道，因其水力條件好、過流能力大、輸沙能力強，抗凍抗折、防滲防淤、整體性能好、省工省料、占地少和管理方便等優(yōu)點，特別適合在揚程高、抽水成本大的抽水灌區(qū)應(yīng)用，其經(jīng)濟效益十分可觀。但是沒有與其完善配套的量水堰。隨著U形渠道的廣泛應(yīng)用，其量水計量征費難的問題已成為灌區(qū)管理的難題，其原因主要有以下幾點：①現(xiàn)有巴歇爾、無喉道等量水堰只適用于矩形和梯形渠道，如原狀嫁接在U形渠道上時，由于上、下游水力條件的改變及過流段連接不善，而失去量水功能或量水誤差較大；②以往采用流速儀和浮標(biāo)測量水量的方法，因U形渠道部分過水面積難以計算準(zhǔn)確，平均流速難以確定，操作不便；③這種渠堰不配，甚至有渠無堰的現(xiàn)象，使灌區(qū)由此浪費水量數(shù)百萬立方米之多，損失在數(shù)百萬元以上，使行水組織無法準(zhǔn)確計量征費和計劃配水。這也成為影響基層行水干部與灌區(qū)群眾關(guān)系，造成個別行水干部“坑農(nóng)”、 “虧農(nóng)”等不廉政行為的重要因素和條件[1]。
2對策研究
量水堰是不可代替的量水設(shè)施（如同水表、電表），U形支渠、斗渠、分引渠道量水堰是各管理總站、段斗、村組3級水管組織按計劃調(diào)配水量、結(jié)算水帳、按量計費的依據(jù)處，是管理局對各管理總站、基層段斗行水組織年度供水目標(biāo)任務(wù)、經(jīng)濟指標(biāo)考核的量化口，也是各項灌溉系數(shù)的施測點。解決U形渠道量水難，訂好供水單位與灌農(nóng)買賣雙方的“公平秤”尤為重要。對此，管理局抽調(diào)技術(shù)人員，設(shè)立專項資金，成立項目技術(shù)攻關(guān)組，先將巴歇爾堰、無喉道堰原狀嫁接到U形渠道上，因水流條件的改變，未能形成量水曲線，未達到量水效果；后邀請科研院校專家教授來灌區(qū)實地調(diào)研，結(jié)合實際，應(yīng)用高校科研技術(shù)成果，走出一條引進試驗、創(chuàng)新成果、推廣應(yīng)用的道路。
3引進新型量水堰
“U形渠道平底拋物線形無喉道量水槽”（簡稱拋物線形量水堰）是西北農(nóng)林科技大學(xué)研究的技術(shù)成果，在國家科技部、農(nóng)業(yè)部、水利部聯(lián)合召開的全國農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)評估會上確定為農(nóng)業(yè)節(jié)水大面積推廣項目。在西農(nóng)大教授指導(dǎo)下，在加西干五斗、東雷四支渠上各試驗修建1座拋物線形量水堰。在試運行中，技術(shù)人員多次運用三角堰、流速儀和無喉道堰同時進行3個灌季的測試校驗，其結(jié)果表明：該堰不僅適應(yīng)多泥沙水流量水，且具有量水精度高、過流能力強、泥沙影響小、水頭損失小、省工省料等優(yōu)點，是多泥沙灌區(qū)U形渠道上理想的量水設(shè)施[2]。
經(jīng)測校資料對比分析，拋物線形量水堰顯現(xiàn)出以下優(yōu)點：
?。?）該堰結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，省工省料，造價低廉，堅固耐用。在U形渠道上，不計上、下游30～50 m的“U”改“梯”費用，僅安裝歇爾堰的費用包括：支渠2 864元，斗渠860元，分引渠360元；而安裝拋物線形量水堰的費用包括：支渠392元，斗渠180元，分引渠130元。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，該堰可節(jié)省費用達83%。
?。?）量水精度高。經(jīng)過試驗觀測，該堰斷面上寬下窄，水位對流量的變化反應(yīng)比較靈敏，因此量水精度高。一般平均誤差在3.2%以內(nèi)（小于5%的灌溉量水誤差要求），精確測量的最小流量為5 L/s，最大流量可測到1 500 L/s。
（3）壅水高度小，過流能力強。由于拋物線形斷面與U形斷面面積相同時，其水力半徑大于U形斷面，因而水流所受阻力小，壅水高度小，具有較強的過水能力。
?。?）不致泥沙淤積。由于該堰是平底開敞式，在已成渠道上安裝，不會引起渠道淤積。
?。?）自由流態(tài)穩(wěn)定，適應(yīng)性強。這種量水堰在適用比降范圍內(nèi)均未發(fā)生過淹沒出流現(xiàn)象。
?。?）使用方便。在測流時只需讀出上游水尺，即可由量水手冊查得過堰流量。
?。?）拋物線形斷面與U形渠道斷面相協(xié)調(diào)，U形渠道尺寸改變時，拋物線的形狀口也隨之變化，但流量公式及量水
精度不變。
因此，不論從水流運動規(guī)律分析，還是從建筑物的外觀上看，這種量水堰與U形渠道協(xié)調(diào)良好，尤其是泥沙影響小，量水精度高，使用方便，不破壞原渠道，很適合在灌區(qū)U形渠道上廣泛應(yīng)用。
4拋物線形量水堰的推廣方法
為了使項目推廣工作順利進行，根據(jù)灌區(qū)實際，在四大灌溉系統(tǒng)全面進行選點示范，并不斷總結(jié)設(shè)計、制模、施工驗收的經(jīng)驗，完善各項規(guī)章制度，采取了“引進、試驗、示范、推廣”四步走的技術(shù)路線和“五統(tǒng)一，四保證、三把關(guān)、三驗收”的工作方法[3]。
“五統(tǒng)一”即統(tǒng)一測量渠道參數(shù)、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一制做堰板、統(tǒng)一施工步驟及要求、統(tǒng)一驗收標(biāo)準(zhǔn)。首先，由科室統(tǒng)一設(shè)計出拋物線形量水堰定型圖和水位流量表計算程序，印發(fā)拋物線形量水堰施工與維護方法。其次，根據(jù)各管理總站按要求報來的U形渠道斷面幾何尺寸和比降使用情況等有關(guān)參數(shù)，計算出量水堰的設(shè)計技術(shù)參數(shù)及堰口拋物線方程。第三，由專人按照拋物線方程計算的數(shù)據(jù)，在五合板上點匯堰口拋物線，切割成施工堰板。第四，在實際修建中，嚴(yán)格按照設(shè)計施工圖施工。最后由管理局、總站及管理處組織驗收。另外，根據(jù)灌區(qū)渠道分散，且修建量水堰量大面廣、戰(zhàn)線長、要求嚴(yán)格的特點，從一開始就要求做好四保證，即組織保證、技術(shù)保證、質(zhì)量保證、人員保證，“三把關(guān)”即把好渠道技術(shù)測量關(guān)、堰板放線關(guān)、施工質(zhì)量關(guān)，“三驗收”即技術(shù)員現(xiàn)場驗收、總站按工序驗收、管理局竣工驗收。
5推廣的技術(shù)要點及改進點
在引進推廣原有技術(shù)成果的同時，針對灌區(qū)含沙量高、斷面要素多變的問題，不斷探索和研究，擴大了該量水堰的使用范圍，編制了計算CV值及水深流量關(guān)系的計算機程序，總結(jié)出迭代法的待定系數(shù)，提高了運算速度，創(chuàng)造性地推廣了這一技術(shù)。
技術(shù)要點：①嚴(yán)把渠道技術(shù)參數(shù)測量計算關(guān)。對每條渠道都要認(rèn)真量測、精確繪圖，計算出渠道的斷面參數(shù)作為設(shè)計依據(jù)。②嚴(yán)把制模施工、驗收關(guān)。制定出《U形渠道拋物線形量水堰安裝與維護辦法》，規(guī)范了各項技術(shù)要點和具體要求[4]。③嚴(yán)格測試校核。為了避免推廣工作盲目追求數(shù)量、速度，要求每個堰必須經(jīng)過1年測校合格后，方可使用，創(chuàng)造出“兩步法”測量水深，達到不同施測者，水深都相同的效果。設(shè)計了《R=XXXU形渠底弓形面積查補表》，使面積計算誤差減小到0.38%。
改進點：①設(shè)計了拋物線形量水堰各項技術(shù)參數(shù)，水位流量查對表；改進了計算流速系數(shù)CV迭代計算方法，使計算速度提高了4倍，取得關(guān)鍵性技術(shù)突破。②將該堰由斗渠應(yīng)用推廣到支渠，應(yīng)用渠道斷面半徑由0.3 m擴大到0.6 m，流量由0.3 m3/s擴大到2.0 m3/s。③將該堰推廣到已成緩比降多泥沙渠道，使比降達到1/2 500左右。
6結(jié)語
該技術(shù)成果在東雷灌區(qū)的應(yīng)用推廣，解決灌區(qū)U形渠道量水難和用水糾紛矛盾等問題，保證了灌區(qū)的水量調(diào)配、水帳結(jié)算、按量計費的準(zhǔn)確、公平、合理，更進一步驗證了拋物線形量水堰具有的優(yōu)點。如果說U形渠道是最佳的過水?dāng)嗝嫘问?，而拋物線形量水堰就是最優(yōu)的量水形式。由于東雷灌區(qū)先試先行推廣應(yīng)用了該堰，為大面積推廣應(yīng)用總結(jié)出了經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ)。隨后，陜西省水利廳將拋物線形量水堰編入《灌區(qū)量水》，使灌區(qū)量水又增添了一種新型量水設(shè)施，陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局又將拋物線形量水堰發(fā)布為陜西省推薦性地方標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的實施將會促進U形渠道量水技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。
7參考文獻
[1] 朱風(fēng)書，馬孝義.U型渠道拋物線形移動式量水堰板研究[].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18（3）：36-40.
[2] 馬孝義，朱曉群，王文娥，等.U形渠道拋物線形量水槽設(shè)計多媒體軟件的研制[J].水土保持研究，2002，9（2）：78-81.
[3] 吉慶豐，沈波，李國安.灌區(qū)量水設(shè)施研究開發(fā)進展[J].灌溉排水學(xué)報，2001（4）：69-72.
[4] 譚培根.推廣U型渠道平底拋物線無喉量水堰的技術(shù)要點[J].陜西水利，1999（B12）：19-20.
關(guān)鍵詞U形渠道；拋物線形量水堰；東雷抽黃灌區(qū)；陜西渭南
東雷抽黃是以黃河為水源的大型高揚程多級電力提灌工程，灌溉面積5.074萬hm2，有效灌溉面積4.27萬hm2，灌區(qū)共有梯形干渠7條、U形支渠42條、U形斗渠389條、U形分引渠3 820條，正常年份平均斗口用水量7 000萬m3。灌區(qū)已形成優(yōu)質(zhì)蘋果基地2萬hm2和小雜果基地6 666.67 hm2。灌溉事業(yè)的發(fā)展極大地改善了灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活條件，推動了灌區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展。
U形渠具有占地少、水力條件好、整體性能優(yōu)良和方便管理等諸多優(yōu)點，但沒有與其完善配套的量水堰。該文對“U形渠道平底拋物線形無喉道量水堰”科研成果進行總結(jié)，提出了推廣技術(shù)要點和改進點，以使該成果能在陜西省乃至全國得到更好地推廣應(yīng)用。
1灌區(qū)現(xiàn)狀與存在的問題
20世紀(jì)70年代以來，我國廣泛采用U形斷面襯砌渠道，因其水力條件好、過流能力大、輸沙能力強，抗凍抗折、防滲防淤、整體性能好、省工省料、占地少和管理方便等優(yōu)點，特別適合在揚程高、抽水成本大的抽水灌區(qū)應(yīng)用，其經(jīng)濟效益十分可觀。但是沒有與其完善配套的量水堰。隨著U形渠道的廣泛應(yīng)用，其量水計量征費難的問題已成為灌區(qū)管理的難題，其原因主要有以下幾點：①現(xiàn)有巴歇爾、無喉道等量水堰只適用于矩形和梯形渠道，如原狀嫁接在U形渠道上時，由于上、下游水力條件的改變及過流段連接不善，而失去量水功能或量水誤差較大；②以往采用流速儀和浮標(biāo)測量水量的方法，因U形渠道部分過水面積難以計算準(zhǔn)確，平均流速難以確定，操作不便；③這種渠堰不配，甚至有渠無堰的現(xiàn)象，使灌區(qū)由此浪費水量數(shù)百萬立方米之多，損失在數(shù)百萬元以上，使行水組織無法準(zhǔn)確計量征費和計劃配水。這也成為影響基層行水干部與灌區(qū)群眾關(guān)系，造成個別行水干部“坑農(nóng)”、 “虧農(nóng)”等不廉政行為的重要因素和條件[1]。
2對策研究
量水堰是不可代替的量水設(shè)施（如同水表、電表），U形支渠、斗渠、分引渠道量水堰是各管理總站、段斗、村組3級水管組織按計劃調(diào)配水量、結(jié)算水帳、按量計費的依據(jù)處，是管理局對各管理總站、基層段斗行水組織年度供水目標(biāo)任務(wù)、經(jīng)濟指標(biāo)考核的量化口，也是各項灌溉系數(shù)的施測點。解決U形渠道量水難，訂好供水單位與灌農(nóng)買賣雙方的“公平秤”尤為重要。對此，管理局抽調(diào)技術(shù)人員，設(shè)立專項資金，成立項目技術(shù)攻關(guān)組，先將巴歇爾堰、無喉道堰原狀嫁接到U形渠道上，因水流條件的改變，未能形成量水曲線，未達到量水效果；后邀請科研院校專家教授來灌區(qū)實地調(diào)研，結(jié)合實際，應(yīng)用高校科研技術(shù)成果，走出一條引進試驗、創(chuàng)新成果、推廣應(yīng)用的道路。
3引進新型量水堰
“U形渠道平底拋物線形無喉道量水槽”（簡稱拋物線形量水堰）是西北農(nóng)林科技大學(xué)研究的技術(shù)成果，在國家科技部、農(nóng)業(yè)部、水利部聯(lián)合召開的全國農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)評估會上確定為農(nóng)業(yè)節(jié)水大面積推廣項目。在西農(nóng)大教授指導(dǎo)下，在加西干五斗、東雷四支渠上各試驗修建1座拋物線形量水堰。在試運行中，技術(shù)人員多次運用三角堰、流速儀和無喉道堰同時進行3個灌季的測試校驗，其結(jié)果表明：該堰不僅適應(yīng)多泥沙水流量水，且具有量水精度高、過流能力強、泥沙影響小、水頭損失小、省工省料等優(yōu)點，是多泥沙灌區(qū)U形渠道上理想的量水設(shè)施[2]。
經(jīng)測校資料對比分析，拋物線形量水堰顯現(xiàn)出以下優(yōu)點：
?。?）該堰結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，省工省料，造價低廉，堅固耐用。在U形渠道上，不計上、下游30～50 m的“U”改“梯”費用，僅安裝歇爾堰的費用包括：支渠2 864元，斗渠860元，分引渠360元；而安裝拋物線形量水堰的費用包括：支渠392元，斗渠180元，分引渠130元。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，該堰可節(jié)省費用達83%。
?。?）量水精度高。經(jīng)過試驗觀測，該堰斷面上寬下窄，水位對流量的變化反應(yīng)比較靈敏，因此量水精度高。一般平均誤差在3.2%以內(nèi)（小于5%的灌溉量水誤差要求），精確測量的最小流量為5 L/s，最大流量可測到1 500 L/s。
（3）壅水高度小，過流能力強。由于拋物線形斷面與U形斷面面積相同時，其水力半徑大于U形斷面，因而水流所受阻力小，壅水高度小，具有較強的過水能力。
?。?）不致泥沙淤積。由于該堰是平底開敞式，在已成渠道上安裝，不會引起渠道淤積。
?。?）自由流態(tài)穩(wěn)定，適應(yīng)性強。這種量水堰在適用比降范圍內(nèi)均未發(fā)生過淹沒出流現(xiàn)象。
?。?）使用方便。在測流時只需讀出上游水尺，即可由量水手冊查得過堰流量。
?。?）拋物線形斷面與U形渠道斷面相協(xié)調(diào)，U形渠道尺寸改變時，拋物線的形狀口也隨之變化，但流量公式及量水
精度不變。
因此，不論從水流運動規(guī)律分析，還是從建筑物的外觀上看，這種量水堰與U形渠道協(xié)調(diào)良好，尤其是泥沙影響小，量水精度高，使用方便，不破壞原渠道，很適合在灌區(qū)U形渠道上廣泛應(yīng)用。
4拋物線形量水堰的推廣方法
為了使項目推廣工作順利進行，根據(jù)灌區(qū)實際，在四大灌溉系統(tǒng)全面進行選點示范，并不斷總結(jié)設(shè)計、制模、施工驗收的經(jīng)驗，完善各項規(guī)章制度，采取了“引進、試驗、示范、推廣”四步走的技術(shù)路線和“五統(tǒng)一，四保證、三把關(guān)、三驗收”的工作方法[3]。
“五統(tǒng)一”即統(tǒng)一測量渠道參數(shù)、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一制做堰板、統(tǒng)一施工步驟及要求、統(tǒng)一驗收標(biāo)準(zhǔn)。首先，由科室統(tǒng)一設(shè)計出拋物線形量水堰定型圖和水位流量表計算程序，印發(fā)拋物線形量水堰施工與維護方法。其次，根據(jù)各管理總站按要求報來的U形渠道斷面幾何尺寸和比降使用情況等有關(guān)參數(shù)，計算出量水堰的設(shè)計技術(shù)參數(shù)及堰口拋物線方程。第三，由專人按照拋物線方程計算的數(shù)據(jù)，在五合板上點匯堰口拋物線，切割成施工堰板。第四，在實際修建中，嚴(yán)格按照設(shè)計施工圖施工。最后由管理局、總站及管理處組織驗收。另外，根據(jù)灌區(qū)渠道分散，且修建量水堰量大面廣、戰(zhàn)線長、要求嚴(yán)格的特點，從一開始就要求做好四保證，即組織保證、技術(shù)保證、質(zhì)量保證、人員保證，“三把關(guān)”即把好渠道技術(shù)測量關(guān)、堰板放線關(guān)、施工質(zhì)量關(guān)，“三驗收”即技術(shù)員現(xiàn)場驗收、總站按工序驗收、管理局竣工驗收。
5推廣的技術(shù)要點及改進點
在引進推廣原有技術(shù)成果的同時，針對灌區(qū)含沙量高、斷面要素多變的問題，不斷探索和研究，擴大了該量水堰的使用范圍，編制了計算CV值及水深流量關(guān)系的計算機程序，總結(jié)出迭代法的待定系數(shù)，提高了運算速度，創(chuàng)造性地推廣了這一技術(shù)。
技術(shù)要點：①嚴(yán)把渠道技術(shù)參數(shù)測量計算關(guān)。對每條渠道都要認(rèn)真量測、精確繪圖，計算出渠道的斷面參數(shù)作為設(shè)計依據(jù)。②嚴(yán)把制模施工、驗收關(guān)。制定出《U形渠道拋物線形量水堰安裝與維護辦法》，規(guī)范了各項技術(shù)要點和具體要求[4]。③嚴(yán)格測試校核。為了避免推廣工作盲目追求數(shù)量、速度，要求每個堰必須經(jīng)過1年測校合格后，方可使用，創(chuàng)造出“兩步法”測量水深，達到不同施測者，水深都相同的效果。設(shè)計了《R=XXXU形渠底弓形面積查補表》，使面積計算誤差減小到0.38%。
改進點：①設(shè)計了拋物線形量水堰各項技術(shù)參數(shù)，水位流量查對表；改進了計算流速系數(shù)CV迭代計算方法，使計算速度提高了4倍，取得關(guān)鍵性技術(shù)突破。②將該堰由斗渠應(yīng)用推廣到支渠，應(yīng)用渠道斷面半徑由0.3 m擴大到0.6 m，流量由0.3 m3/s擴大到2.0 m3/s。③將該堰推廣到已成緩比降多泥沙渠道，使比降達到1/2 500左右。
6結(jié)語
該技術(shù)成果在東雷灌區(qū)的應(yīng)用推廣，解決灌區(qū)U形渠道量水難和用水糾紛矛盾等問題，保證了灌區(qū)的水量調(diào)配、水帳結(jié)算、按量計費的準(zhǔn)確、公平、合理，更進一步驗證了拋物線形量水堰具有的優(yōu)點。如果說U形渠道是最佳的過水?dāng)嗝嫘问?，而拋物線形量水堰就是最優(yōu)的量水形式。由于東雷灌區(qū)先試先行推廣應(yīng)用了該堰，為大面積推廣應(yīng)用總結(jié)出了經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ)。隨后，陜西省水利廳將拋物線形量水堰編入《灌區(qū)量水》，使灌區(qū)量水又增添了一種新型量水設(shè)施，陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局又將拋物線形量水堰發(fā)布為陜西省推薦性地方標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的實施將會促進U形渠道量水技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。
7參考文獻
[1] 朱風(fēng)書，馬孝義.U型渠道拋物線形移動式量水堰板研究[].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18（3）：36-40.
[2] 馬孝義，朱曉群，王文娥，等.U形渠道拋物線形量水槽設(shè)計多媒體軟件的研制[J].水土保持研究，2002，9（2）：78-81.
[3] 吉慶豐，沈波，李國安.灌區(qū)量水設(shè)施研究開發(fā)進展[J].灌溉排水學(xué)報，2001（4）：69-72.
[4] 譚培根.推廣U型渠道平底拋物線無喉量水堰的技術(shù)要點[J].陜西水利，1999（B12）：19-20.