[導(dǎo)讀] 明渠流量測量是灌溉用水管理的基本條件，傳統(tǒng)的測流方法盡管很多，但絕大多數(shù)需要人工參與判別水流流態(tài)以選取流量公式及其它相關(guān)參數(shù)或采用成本較高的特制測流裝置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力不經(jīng)濟(jì)。這里利用微處理器技術(shù)和人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)出用于檔水閘門的智能型明渠流量計(jì)，可以自動(dòng)完成流態(tài)判別、流量公式和流量參數(shù)選擇，實(shí)時(shí)獲得明渠流量。它是一種成本低，精度高，安裝使用簡便，可廣泛應(yīng)用的明渠流量測量儀表。
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(shè)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(shè)量水設(shè)備量水，如各種堰槽、噴嘴、分流計(jì)、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(jīng)濟(jì)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(shí)，閘門在渠道安裝位置不同。閘底結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)，工作人員必須根據(jù)觀測的水位、閘門開啟度判別出流形態(tài)，再選擇相應(yīng)的流量公式和流量系數(shù)，計(jì)算流量或根據(jù)預(yù)先繪制的水位流量關(guān)系圖求取流量。顯然，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量計(jì)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(jì)，利用現(xiàn)代微處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)和電子技術(shù)，根據(jù)閘門上下游水位和閘門開度，自動(dòng)判別流態(tài)，并選擇相應(yīng)的流量公式和流量系數(shù)，進(jìn)人預(yù)先設(shè)定的計(jì)算流程，計(jì)算流量，實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)測量，為灌區(qū)自動(dòng)化信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(shí)用堰坎、寬頂堰坎等，出流形式包括自由出流和淹沒出流。當(dāng)閘門開啟度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，閘門下沿與液面脫離，出現(xiàn)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(zhì)，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(zhǔn)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(shù)，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(shù)；B為閘孔寬度；閘孔流速系數(shù)Φ主要依閘孔進(jìn)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(shí)，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?yōu)椋℉0- hz），從而影響到閘孔的泄流能力。類似于前面的推導(dǎo)，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(shù)，一般認(rèn)為與閘孔自由出流的流量系數(shù)相同。
hz需借助動(dòng)量方程專門計(jì)算。取斷面c-c 和斷面2-2間水體為隔離體，并認(rèn)為斷面c-c、2-2上的壓強(qiáng)符合靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律，因此可得：
式中：
將其代人上式，并與式（4）聯(lián)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(jìn)而由式（4）求得流量。
2.3 閘孔出流流量計(jì)算流程
平板型閘門可測參數(shù)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(xué)推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)標(biāo)定可獲取流速系數(shù)Φ和收縮系數(shù)ε。在獲得上述參數(shù)后，利用式（3）~（5）尚無法直接求取流量Q，須根據(jù)一定的流程采用試算法進(jìn)行計(jì)算。閘孔出流情況下其計(jì)算流程為：
步驟一：閘前水頭H0的推算。
假定H0＝H，利用（3）式計(jì)算Q，根據(jù)Q計(jì)算
再計(jì)算
以新的H0再次計(jì)算Q，如此重復(fù)計(jì)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(dāng)下游實(shí)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(shí)，將出現(xiàn)淹沒出流。因此，判斷的關(guān)鍵是計(jì)算躍后共軛水深。其計(jì)算公式為：
式中Frc稱為佛汝德數(shù)。
工程上認(rèn)為當(dāng)h′c>e時(shí)為淹沒出流。根據(jù)上一步計(jì)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(jì)算的流量即為此時(shí)的流量。否則進(jìn)人步驟三。
步驟三：以步驟一推算的H0并按照式（4）、式（5）計(jì)算流量Q，再計(jì)算此時(shí)的υ0和H0，與步驟一相同重復(fù)計(jì)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(tài)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(tài)判定和流量計(jì)算進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[1]詳細(xì)列出了其它情況下的流態(tài)判別條件和流量計(jì)算公式及相關(guān)系數(shù)值。
3 智能型明渠流量計(jì)的硬件組成
智能型明渠流量計(jì)是以微處理器為核心的流量信息處理系統(tǒng)。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(jù)前面介紹的方法實(shí)時(shí)分析通過閘門水流的流態(tài)，選擇合適的流量計(jì)算流程和算式進(jìn)行流量計(jì)算，將結(jié)果就地顯示。同時(shí)經(jīng)輸出接口以有線或無線方式遠(yuǎn)傳，以便構(gòu)成灌區(qū)信息管理系統(tǒng)。也可儲存在附加的存儲器中，由工作人員定期轉(zhuǎn)存到相應(yīng)的信息系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
為了適應(yīng)目前通行的各種現(xiàn)場總線，通信接口設(shè)計(jì)為插件結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要裝配不同插件。電源系統(tǒng)既可采用交流電源供電，也可采用蓄電池供電，以便適應(yīng)現(xiàn)場測量需要。
4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
智能型明渠流量計(jì)要解決的核心問題是根據(jù)擋水閘門上游和下游水位及閘門開啟度數(shù)據(jù)自動(dòng)、準(zhǔn)確地判定流態(tài)，依據(jù)流態(tài)選取合適的流量計(jì)算公式，進(jìn)人相應(yīng)的計(jì)算流程。同時(shí)，為了保證測量精度，能夠自動(dòng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境對溫度、水流密度等因素造成的水位誤差進(jìn)行修正。
從目前大多數(shù)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(diǎn)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(shù)量分，有單孔和多孔；從建筑物進(jìn)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(shù)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，由程序指導(dǎo)操作人員以菜單形式手工選擇，以便在流態(tài)判定、流量計(jì)算中選擇正確的流程和參數(shù)。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(xué)上的堰流，否則為閘孔出流。無論堰流還是閘孔出流，根據(jù)閘后渠底結(jié)構(gòu)和下游水位不同，都有可能出現(xiàn)自由出流和淹沒出流兩種流態(tài)。堰流或閘孔出流、自由出流或淹沒出流均由軟件系統(tǒng)自動(dòng)判別。
各種情況下的流速系數(shù)、流量系數(shù)、收縮系數(shù)及其它水力參數(shù)，以表的形式存儲于微處理器的內(nèi)存中。軟件的主流程如圖3所示。
5 結(jié)束語
智能型明渠流量計(jì)在實(shí)驗(yàn)室與壓力式水位計(jì)聯(lián)合進(jìn)行了測流試驗(yàn)，根據(jù)閘門不同開度，水流流態(tài)的自動(dòng)判別準(zhǔn)確率達(dá)到99%。在水位計(jì)、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(yīng)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(shù)據(jù)，它們的精度直接影響流量的精度，因此實(shí)際使用時(shí)必須按照國家相關(guān)規(guī)范選擇和安裝水位計(jì)。同時(shí)，相關(guān)流態(tài)情況下的流速系數(shù)、流量系數(shù)是與渠道形狀、閘門安裝形式等因素有關(guān)。該流量計(jì)按照目前國內(nèi)普遍使用的平板和弧形閘門進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)場情況不符，可以通過標(biāo)定獲取相關(guān)參數(shù)。