陆浑灌区渠道水力要素动态测定及自动化管理研究

陆浑灌区渠道水力要素动态测定及自动化管理研究摘要针对目前东一干渠上段渠道水位、流量、渗漏量观测难、任务大而繁琐、数据精确率低等现状，论述了陆浑灌区渠道水位、流量遥测遥报系统开发管理、区间渠道动态渗漏量、用水量、渠道利用系数、糙率等水力要素自动测定及明渠均匀流设计等方面技术，最终建立水位流量关系、明渠均匀流水力要素等数学模型及相关数据库，研究开发灌区用水自动化管理系统。关键词渠道；利用系数；渗漏；测定；探索1、概述陆浑东一干渠上段自汝阳县内埠分水闸引水，沿丘陵地区等高线蜿蜒向北伸展，途经汝阳、伊川、偃师二县一市，至偃师境内的山张隧洞进口，总长49.449km。渠道于1975年2月动工修建，1978年12月竣工，1981年12月进行第一次试通水，1983年5月开灌。渠道设计引水流量45m3/s，共有过沟填方坝65座，累计长3.338km；渡槽4座，累计长1691.85m；穿岭隧洞8条，累计长4786.10m；共有节退闸6座，计17孔；跨渠桥梁88座，还有长1259.00m的石渠段。东一干渠上段设计灌溉面积0.32万hm2，共有支渠1条，直斗农渠5条，提灌站28座，目前实灌溉面积0.13万hm2，涉及汝阳、伊川、两县4乡共42个行政村，受益人口达8万多人。东一干渠管理处设在伊川县东2.000km的水寨镇，现有在职职工46名，管理处在沿渠分设6个管理段，处机关设股室4个。东一干渠上段自建成至今已运行近32a，累计通水157次，引水30多亿m3，累计灌溉农田300多万亩次，增产粮食近6亿kg，灌区运行为豫西地区农业发展做出了巨大贡献。近几年来，干渠又陆续向伊川县二电厂、三电厂、碳素厂和二铝厂、三铝厂、电解铝厂供应工业用水，未来几年有可能向郑州市供城市用水。干渠运行为沿线城镇乡村源源不断供应工农业血液，为豫西工农业经济的发展和腾飞做出了巨大的贡献，并成为豫西经济发展不可缺少的宝贵资源。2、存在的问题陆浑东一干渠自建成以来，由于一直担任农业灌溉任务，水源丰富，1999年后，随着沿线工业产业的迅猛崛起，工业及城市用水迅猛增大，加上陆浑水库每年来水减少，干渠输水能力的局限，使得沿线用水异常紧张，争水、抢水、超用水、抢配额现象时有发生，干渠计量任务逐年加大，干渠渗漏、利用系数及区间计量精度要求越来越高。而干渠因渠线长、分水口门多、建筑物及渠道工程差异渗漏量不一，且动态运行，很难精确测量，导致部分数据只能进行粗算、估算，造成很多供用水双方不必要的争议。陆浑现有管理模式及管理方法一直比较粗放，6个段水位测报全部是人工2h一观测，然后口头电话汇报，数据因人为操作影响很大，误报、错报、漏报、延时报等现象时有发生，导致水位数据部分失真。东一干渠目前测流点只在渠首和渠尾设2个测站，每站有3名技术人员专职负责用流速仪测流，每天测报一次，耗费大量人力物力，且因天气和人为因素影响，导致部分数据无法正常使用。为解决以上问题，我们决定采用在6个段分设测站点，每个测站安装目前最先进的自计水位计及遥测遥报装置（远程自计水位计自动测报装置），使用精密流速仪和经验丰富的技术人员对每个测站处渠道断面进行测流，并逐步建立在同水位、不同季节、不同条件（干渠全部混凝土护砌、土渠道、间断护砌、加流量涨水雍水状态、减流量降水状态、渠道淤积状态、杂草丛生情况等）下渠道水位与流量关系数据库，然后通过分析，绘制出该测站水位与流量关系曲线，推导出不同条件下测流修正系数，从而通过读取水位直接得出该测站渠道断面流量。然后，通过积累自动水位测报装置测报的水位数据及水位流量曲线对应关系数据，输入计算机，建立数据库，利用已经编制好的专业计算机程序，将6个测站数据汇总整理，即可直接读出某一瞬时各个测站流量，通过扣除各个测站之间开启闸门用水流量（计时测定，实验时，确定某一时刻上下游测站断面流量，在此时刻同时测量闸门恒定出口流量，实验最好分区间用水和区间不用水两种情况），即可计算出两个测站之间的渗漏流量和某一时段两站之间的渗漏水量，从而计算出该渠段的渠道利用系数，具体计算公式如下：Q渗漏=QI-QⅡ-観闸?=QⅡ/QIW=Q渗漏*HQI—某一时刻上游测站测报流量（m3/s）；QⅡ—某一时刻下游测站测报流量（m3/s）；Q渗漏—某一时刻两测站之间总渗漏流量（m3/s）；W—某一时段两站之间的总渗漏水量（m3）；観闸—某一时刻两测站之间闸门累计用水流量（m3/s）；H—某一时间段（s）；ç—渠道利用系数。测量注意事项。1）在干渠两渠段放水水位基本稳定后测量。2）尽可能保证渠首放水流量稳定，以避免雍水、降水曲线对流量的干扰。3）测量时尽可能保证两测站之间闸门关闭不用水，减少分流测量误差，若有用水要在某一特定测量时间精确测出闸门出流，以便计算时扣除。4）水位流量关系要根据不同季节套用不同水位流量关系，或者乘以校正系数。在测量出某一时刻某两个测站之间渗漏流量后，如果该渠段渠道断面和比降大小相同或接近，渠道全部护砌，可以考虑该渠段为明渠均匀流，则用某一时刻区间损失流量（渗漏流量）除以两测站区间长度，计算出每千米或每米的单位渗漏流量，从而由渠首流量减去单位渗漏流量与渠道长度的乘积，推算出渠道任意一处的过水流量。计算公式如下：Q单位渗漏=Q渗漏/LQL任=QI-Q单位渗漏*L任上QL任=QⅡ+Q单位渗漏*L任下Q单位渗漏-某一时刻两测站之间单位渗漏流量（m3/s/m）（m3/s/m）L-QI、QⅡ两测站之间渠道的长度（m）；L任上-渠道某处距离上游测站渠道长度（m）；L任下-渠道某处距离下游测站渠道长度（m）；QL任-渠道某处距离上游或下游测站渠道长度L任上、或L任下处渠道流量（m3/s）；Q渗漏-某一时刻两测站之间长度L米区间总渗漏流量（m3/s）；QI--某一时刻上游测站断面测报流量（m3/s）；QⅡ-某一时刻下游测站断面测报流量（m3/s）；在测量出渠道各个桩号处不同水位流量后，通过断面流量计算谢才公式（Q=鵆RI）反算出不同渠道防渗材料的谢才系数，再通过曼宁公式（C=1/n*R1/6）反算出渠道糙率。C=Q/（?RI）n=（R1/6）/CQ-某断面流量（m3/s）；?-过水断面面积（m2）；C-谢才系数（m0.5/S），一般用曼宁公式计算；R-水力半径（m）；I-水力半径，明渠均匀流中与渠道比降相同。通过以上方法，建立相应的水力数学模型，可以比较精确的测量出某一时刻某渠段在不同水位、不同流量下的渗漏量、渠道利用系数、糙率等水力要素，同时可以反算出渠道任意某一处即时过水流量，通过长期积累数据，建立6测站处水位流量关系曲线（分季节）、区间渗漏量与水位关系曲线，逐步建立健全水位、流量、水利半径、糙率等水利技术要素数据库，将数据传入电脑，利用编好的专业管理程序，连接LED显示屏，便可以直观看到渠道运行情况及工程安全状况，也可以观测到某区间的用水情况。3、总结此自动测报系统使用不仅对于提高灌区自动化管理水平及水利用效率，对挖掘陆浑灌区潜能、提高灌区效益、节约水资源，提高灌溉保证率具有重要作用，而且对管理单位渠道安全监护、水量调度、用水调节及供水有着十分重要的意义，同时能够给明渠均匀流计算、节水加固方案制定及节水工程实施后工程方案效果分析、类似工程设计等方面提供重要的基础性数据和科研参考。自动化测报系统使用开创了渠道渗漏动态精确测量的先河，对于明渠均匀流精细科研具有基础性参考价值，在同类大中型灌区有广泛的应用推广和使用价值。