灌溉渠道直读式柱形量水槽研制及应用

魏宝国

摘要：随着我国社会经济的发展，对农业节水的要求越来越高，根据作物需水要求按需配水、计量供水将是农业供水的发展方向，因此研究经济实用的量水设施具有十分重要的现实意义。

关键词：灌溉渠道柱形量水槽

Abstract: with the development of our social economy, and water saving agriculture to demand more and more, according to water crops requirements as required with water, measuring water supply will be the development direction of agricultural water supply, so the study of the amount of economic and practical water facilities has very important practical significance.

Keywords: irrigation channels bar quantity sink

中图分类号：S607+.1 文献标识码：A文章编号：

绪 论

研究背景

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是人类赖以生存与发展的生命源泉。水资源的合理开采与可持续利用直接关系到全面建设小康社会目标的实现，且已成为全社会的共识[1]。随着全球水资源供需矛盾的日益加剧，合理利用水资源，提高水资源利用率已成为世界各国所面临的一个重要而又迫切的问题。我国是一个水资源比较短缺的国家，同时由于降水在时空分布上极不平衡，再加上水资源分布和工农业用水结构不相适应，用水效率不高，用水浪费以及水污染严重，更加剧了我国水资源的短缺与不足。全国正常年份缺水量约400亿m3，水资源危机严重制约我国社会经济的发展[2]。

随着社会经济的发展，城乡生活及工农业用水的增加，用水结构将进一步调整，对供水保障要求更高。节约用水、高效用水是缓解我国水资源供需矛盾的根本途径，发展高效节水型农业是我国的基本战略目标之一[3]。

农业用水占我国总用水量的70%以上，发展节水型农业、推广节水灌溉技术、提高灌溉管理水平是促进农业可持续发展，保障我国粮食安全，实现水资源高效可持续利用的战略举措[4]。在农业节水灌溉技术的推广应用中，灌区量水是一项基础的、关键性的技术，是灌区灌溉用水管理的基本条件，是促进节约用水，提高灌水质量和灌溉效率的有力措施，是实行计划用水和精确引水、输水、配水和节水灌溉的重要手段，也是核订和计收水费的主要依据[5]。水利部在1999年5月下发的《关于全面加强节约用水的指导意见》中，明确要求逐步完善计量设施，实行按用水量计量收费；2005年4月我国发布的《中国节水技术政策大纲》指出要加快发展灌区量测水技术，鼓励研究、开发与推广精度高、造价低、适用性强、操作简便、便于管理和维护的小型量水设备[6、7]。因此，灌区量水技术是中国实行节水农业的关键技术之一，对节约用水和计划用水具有十分重要的意义。

国外量水槽研究发展现状

国外对量水槽的研究及应用最早，1920年Parshall提出了Parshall量水槽，克服了长喉道量水槽尺寸大、喉道长等缺点，在流量较小的灌区渠道上适用较好。1967-1972年Skogerboe等提出了矩形无喉道量水槽，因其无喉道而得名，现已广泛应用于矩形和梯形渠道。但由于其临界淹没度较小（0.6～0.8），而缓坡渠道上多产生淹没出流，测量精度低。对于上述两种量水槽，主要使用水位与流量的关系进行测流，因风浪或水流本身紊动，难于准确读出水位，因而影响测流精度[14-17]。

在利用圆柱体进行渠道量水研究方面，1985年Hager W H 提出了柱形量水槽，从理论上分析了一个圆柱体或圆锥筒垂直安装在等截面的渠槽中可以量测流量的原理，并通过室内试验证明流量校正系数是上游能量和渠道收缩宽度的函数，建立了相应的标准计算方程[ 21]；1993年Samani Z和Magallanez H通过室内试验测定了一种简易活动量水槽的水力特征，这种量水槽由边坡为1：1的梯形渠道和垂直安装在渠内轴线上的圆管组成，并计算出了这种简易量水槽的率定公式[ 22]。

国内量水槽研究发展现状

我国从20世纪50年代就开始灌区量水技术的研究和应用，经过50多年的发展，在适用性、精度等方面得到逐步提高，目前灌区量水设备及设施已达100多种[8]。但是，在渠道量水方面，堰类量水建筑物如薄壁堰、宽顶堰等一般要求抬高底坎，容易造成淤积；孔类量水装置如孔板、喷嘴等要求有压出流且孔口较小，水头损失大，易引起泥沙、杂草等的壅积或堵塞。利用量水槽进行渠道量水，具有壅水高度小、不易淤积、理论量水精度较高，但实际应用难以准确观测水位，因此影响量水精度。自动化量水设施或仪表虽精读方便，精度也较高，但存在投资及维护费用高的缺点，现阶段还难以普遍推广。

主要研究成果

1、研发了三种类累计直读式量水槽

（1）A型累计直读量水槽

A型累计直读量水槽直接在柱形量水槽上加一普通水表构成。柱形量水槽加上水表后，可以根据水表读数间接地测出渠道通过的累计水量。这时不必要求产生临界流，即出流可以为淹没流。圆柱直径可适用减小，只要能形成“无坎宽顶堰流”即可。由于水表只需1mm的水头差可即运转，因此在实际应用时，只要能在柱筒内安装水表，管径可尽量取小值，以减少水头损失。

圆筒直立于渠道过水断面中央，一般采用混凝土管，壁厚5cm，内径以便于安装水表为宜，安装高度略低于渠道最小水位。装配时筒底及水表进出口处注意密封，确保筒体具有较好的防渗漏性能，以便能正常测读。水表过流方向与渠道的水流方向一致。

A型柱形累计直读量水槽结构见图1。A型柱形累计直读量水槽适用于渠道水位（流量）变化不大的渠道。

图1 安装在U形渠道上的A型直读累计量水槽简图

（2）B型累计直读量水槽

B型累计直读累计流量量水槽由一圆筒、两块挡板和一个普通水表组成，其结构见图2。圆筒结构与A型量水槽相似。两块挡板对称安装于过圆筒两侧，挡板采用钢筋混凝土板，挡板底缘略低于渠道水位，挡板顶缘与渠顶相平。水表的选用与安装方法也与A型量水槽基本相似。水表进口也设喇叭口，喇叭口前设置不锈钢丝滤网。

制作时，先预制圆筒、挡板、盖板等，筒体与水表及水表水进出水口及滤网安装后，再到现场装。装配时筒底及水表进出口处注意密封，确保筒体具有较好的防渗漏性能，以便能正常测读。水表过流方向与渠道的水流方向一致。

图2安装在U形渠道上的B型直读累计量水槽简图

（3）C型累计直读量水槽

有些渠道断面很小，如有的U形渠道口宽只有0.5m左右。对这种小型渠道，若将柱形放置在渠道中，阻水影响较铁大，因此宜将圆柱体安装在渠道一侧，渠中只设挡板，从而形成C型累计直读量水槽。C形量水槽的结构见图3。

图3安装在U形渠道上的C型直读累计量水槽简图

2、阐述了三种累计直读式量水槽的测流原理

（1）A型直读式量水槽在流量或水位变化不大的情况下，流道流量和水表流量之比值M接近于常数（实际应用时可采用常见流量或水位情况下的M值），因此可以根据通过水表的水量乘以M值即通过渠道的水量。

（2）B型和C型直读式量水槽在理论上可证明通过渠道的流量与通过水表的流量比M为常数，一系列的试验也证了这了结论，因此可以根据通过水表的水量乘以M值得到通过渠道的水量。

3、研究总结了柱形累计直读式量水槽制作与安装方法

根据施工工艺程序，柱形直读式量水槽的一般制安步骤为：

（1）根据试点渠道的大小，确定适宜的圆柱直径，并制作圆柱筒钢模图纸，交付给机械厂加工钢模。

（2）浇筑混凝土圆柱筒、混凝土挡板及混凝土井盖，为安装防盗锁，井盖预留锁孔。

（3）设计简易防盗锁，绘制图纸，交机械厂加工制作。为了防锈，对锁体进行了镀锌处理。

（4）在预制场地，对圆柱筒安装水表、进出水管、过滤网，对井盖安装防盗锁。防盗锁形状与安装完防盗锁的井盖如图2-2所示。

（5）将圆柱筒、井盖和挡板等运至渠道现场，根据渠道类型，选择适宜的量水槽型式，选定适当位置安装量水槽。

4、总结了累计直计式量水槽现场率定的方法

由于每条渠道的大小、过水能力、渠壁糙率等均不同，故其正常使用时的 值也不同，现场率定的最终目的即是确定各条渠道的 值。现场率定方法为：

（1）开启斗农渠闸门，使其按正常灌溉时稳定运行；

（2）用LS1206B型流速仪测出渠道正常运行的流速 （取3次的平均值），量出水面宽度 和水深 ；

（3）读取水表起止读数，记录过表水量，并用秒表测取相应历时。

（4）计算时段内渠道通过水量 和水表通过的水量 ，两者之比即为流量比 值。

成果创新性

本课题在所涉及的研究领域内，具有如下创新：

（1）研发了三种累计直读式量水槽，即A型累计直读式量水槽、B型累计直读式量水槽和C型累计直读式量水槽。阐明了其结构构造、测流原理，以及测流计算方法。三种量水槽均具有造价低廉、测读方便、测流精度较高的优点。

（2）提出了上述三种量水槽的制作、安装与定率方法。通过试点应用，发现并解决了推广应用中出现的实际问题，例如，解决了风对水表的影响问题，研制出了一种防盗井盖。

本项目提出的三种类型量水槽，适合我国现阶段实际情况，具有较好的推广应用价值，对渠道量水技术的发展做出了较大贡献，对于促进灌区管理水平的提高和节水灌溉发展的也具有重要的现实意义。

实际应用情况

本课题研究开发的三种累计直读式量水槽已投入试点的推广。2008年淮阴区农田水利试验站的淮涟灌区试点安装了5个柱形累计直读式量水槽。2009年的上一年的基础上作了进一步试点应用。2009年5月下旬至6月上旬，在淮涟灌区安装量水槽70座，在竹络坝灌区安装68座。

与此同时，三种累计直读式量水槽的江都市沿运灌区进行了试点应用。2008年的五支渠上试点安装了5座A型量水槽，2009年五支上各斗渠除三条斗渠采用其他量水设备，其余全部安装了本课题开发的累计直读式量水槽。另外，在崔桥、石桥、苏圩、卯庄等10条特斗等上也安装了累计直读式量水槽。

在三个灌区的试验点应用表明，该量水槽能满足灌溉量水要求，同时又经济实用，受到了所在灌区管理人员的良好评价。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。