1 引言

 

      明渠（人工渠道、天然渠道和未充滿水的管道）水流可能是恒定流，也可能是非恒定流；可能是均勻流，也可能是非均勻流。渠道斷面形狀有梯形、矩形、圓形和U型等。針對不同的情況，研制出多種測量流量（以下簡稱為量水）的方法和設施，大致可分為利用水工建筑物量水，如啟閉式閘涵、跌水口、涵管放水口、渡槽、倒虹吸等；利用特設量水設備量水，如各種堰槽、噴嘴、分流計、水表等；利用儀表或其它特制的裝置量水。而其中利用水工建筑物量水是最經濟的方法。

 

      常見的擋水閘門可分為平板型和拱型兩種，其水力特性明顯不同。同時，閘門在渠道安裝位置不同。閘底結構不同、邊坡形狀不同、水力特性也不同。此外，即便同一閘門隨著開啟度的變化，水流通過閘門時水力特性可能從自由出流過渡過淹沒出流。因此，在利用啟閉式擋水閘門量水時，工作人員必須根據觀測的水位、閘門開啟度判別出流形態，再選擇相應的流量公式和流量系數，計算流量或根據預先繪制的水位流量關系圖求取流量。顯然，無法實現實時流量計量，工作人員工作量也很大。針對此種情況，提出的用于檔水閘門的智能型明渠流量計，利用現代微處理器技術、傳感器技術和電子技術，根據閘門上下游水位和閘門開度，自動判別流態，并選擇相應的流量公式和流量系數，進人預先設定的計算流程，計算流量，實現流量的自動測量，為灌區自動化信息系統提供基礎數據保障。

 

      2 平板型閘門的水力特性分析

 

      垂直安裝的平板型擋水閘門閘底分無底坎（平坎）、實用堰坎、寬頂堰坎等，出流形式包括自由出流和淹沒出流。當閘門開啟度達到一定數值時，閘門下沿與液面脫離，出現閘孔出流的極限情況，即堰流。閘后又分為有跌坎和無跌坎兩種情況。從而，對于上述不同情況，流體通過閘門的水力特性將有所不同。為了說明流體水力特性本質，以水平地面、二維閘孔自由出流和淹沒出流加以分析。

 

      2.1 閘孔自由出流

 

 

 

 

 

      圖1（a）為自由出流情況，若以渠底為基準面，對1-1、c-c 斷面列寫伯努利方程得

 

             〔1）

 

      這里，阻力損失hω主要是局部損失

 

      

 

      令

 

      

 

      則式（1）寫為

 

              

      即

 

           〔2）

 

      令

 

      

 

      為流速系數，υc為收縮斷面平均流速。由ε=Ac/A，Ac=B·hε=ε·B·e，A=B·e，hc=εe，可得閘孔自由出流流量公式

 

            （3）

 

      式中：μ＝Φe為閘孔自由出流流量系數；B為閘孔寬度；閘孔流速系數Φ主要依閘孔進口條件而定，對無底坎閘，Φ= 0.95~1.0；ε主要決定于閘底坎及閘門形式、閘門相對開度e/H的值。

 

      2.2 閘孔淹沒出流

 

      圖1（b）為水平底面、二維閘孔淹沒出流。此時，收縮斷面被淹沒，主流水深仍為hc，旋渦表面水深為hz。由于收縮斷面被淹沒，出流的有效作用水頭由（H0- hc）變為（H0- hz），從而影響到閘孔的泄流能力。類似于前面的推導，對過流斷面1-1和收縮斷面c-c 寫伯努利方程，最后可得閘孔淹沒出流的流量公式為

 

             （4）

 

      式中：μ為閘孔淹沒出流的流量系數，一般認為與閘孔自由出流的流量系數相同。

 

      hz需借助動量方程專門計算。取斷面c-c 和斷面2-2間水體為隔離體，并認為斷面c-c、2-2上的壓強符合靜水壓強分布規律，因此可得：

 

      

 

      式中：

 

      

 

      將其代人上式，并與式（4）聯立求解，得

 

                （5）

           

      式中

 

      。

 

      如果已知H0、ht及閘門開度e，即可由（5）式求得hz，進而由式（4）求得流量。

 

      2.3 閘孔出流流量計算流程

 

      平板型閘門可測參數為閘前水位H、閘后下游水位ht和閘門開啟度e，通過水力學推導或實驗標定可獲取流速系數Φ和收縮系數ε。在獲得上述參數后，利用式（3）~（5）尚無法直接求取流量Q，須根據一定的流程采用試算法進行計算。閘孔出流情況下其計算流程為：

 

      步驟一：閘前水頭H0的推算。

 

      假定H0＝H，利用（3）式計算Q，根據Q計算

 

      

 

      再計算

 

      

 

      以新的H0再次計算Q，如此重復計算，直至相鄰兩次Q的差值小于控制誤差。

 

      步驟二：判別出流條件（自由出流還是淹沒出流）。

 

      當下游實際水深ht 大于以收縮端面水深為躍前水深的躍后共軛水深時，將出現淹沒出流。因此，判斷的關鍵是計算躍后共軛水深。其計算公式為：

 

             

 

      式中Frc稱為佛汝德數。

 

      工程上認為當h′c>e時為淹沒出流。根據上一步計算的Q求取υc及共軛水深，判定出流狀況。如果為自由出流，則步驟一計算的流量即為此時的流量。否則進人步驟三。

 

      步驟三：以步驟一推算的H0并按照式（4）、式（5）計算流量Q，再計算此時的υ0和H0，與步驟一相同重復計算直至相鄰兩次Q的差值小于控制誤差，即為淹沒出流流量。

 

      2.4 啟閉式擋水閘門流態判別和流量公式

 

      前面針對平板型平底安裝的閘門在閘孔出流（也稱為有閘控制出流）情況下流態判定和流量計算進行了分析，文獻[1]詳細列出了其它情況下的流態判別條件和流量計算公式及相關系數值。

 

      3 智能型明渠流量計的硬件組成

 

      智能型明渠流量計是以微處理器為核心的流量信息處理系統。它接收來自擋水閘門上游、下游水位及閘門開啟度傳感器信號，依據前面介紹的方法實時分析通過閘門水流的流態，選擇合適的流量計算流程和算式進行流量計算，將結果就地顯示。同時經輸出接口以有線或無線方式遠傳，以便構成灌區信息管理系統。也可儲存在附加的存儲器中，由工作人員定期轉存到相應的信息系統。其硬件結構如圖2所示。

 

 

 

      為了適應目前通行的各種現場總線，通信接口設計為插件結構，可根據需要裝配不同插件。電源系統既可采用交流電源供電，也可采用蓄電池供電，以便適應現場測量需要。

 

      4 軟件系統設計

 

      智能型明渠流量計要解決的核心問題是根據擋水閘門上游和下游水位及閘門開啟度數據自動、準確地判定流態，依據流態選取合適的流量計算公式，進人相應的計算流程。同時，為了保證測量精度，能夠自動根據現場環境對溫度、水流密度等因素造成的水位誤差進行修正。

 

      從目前大多數垂直安裝的明渠擋水閘門看，可分為以下3類：閘底平、閘后無跌坎，閘后底寬等于或大于入口寬；閘后有跌坎，離閘不超過40cm，閘后底寬等于或大于入口寬；帶弧形閘門，閘底平，閘門支點處無跌坎。

 

      從閘門安裝位置分，有渠中安裝和渠邊安裝；從放水孔數量分，有單孔和多孔；從建筑物進口型式（即翼墻型式）分，有漸變形翼墻、非漸變平翼墻和八字形翼墻。這些變化都將影響流量系數。在軟件設計時，由程序指導操作人員以菜單形式手工選擇，以便在流態判定、流量計算中選擇正確的流程和參數。閘門升起，其開度e與閘前上游水位之比大于0.65，即e/H>0.65屬于水力學上的堰流，否則為閘孔出流。無論堰流還是閘孔出流，根據閘后渠底結構和下游水位不同，都有可能出現自由出流和淹沒出流兩種流態。堰流或閘孔出流、自由出流或淹沒出流均由軟件系統自動判別。

 

      各種情況下的流速系數、流量系數、收縮系數及其它水力參數，以表的形式存儲于微處理器的內存中。軟件的主流程如圖3所示。

 

      5 結束語

 

      智能型明渠流量計在實驗室與壓力式水位計聯合進行了測流試驗，根據閘門不同開度，水流流態的自動判別準確率達到99%。在水位計、閘門開度僅精度為1%的情況下，流量測量最大誤差小于2%。完全可以滿足工程測流的需要，具有良好的應用前景。

 

 

 

      需要指出的是，流量的測量是基于閘前和閘后水位和閘門開度數據，它們的精度直接影響流量的精度，因此實際使用時必須按照國家相關規范選擇和安裝水位計。同時，相關流態情況下的流速系數、流量系數是與渠道形狀、閘門安裝形式等因素有關。該流量計按照目前國內普遍使用的平板和弧形閘門進行設計，如果現場情況不符，可以通過標定獲取相關參數。