麥文慧，王紅雨，馬利軍，李星，柴鵬翔

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

渠道遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)控一體化閘門是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息化管理的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精確配水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理具有重要作用[1].為此，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究開發(fā)了一些現(xiàn)代化閘門測(cè)控產(chǎn)品，張從鵬等[2]基于ARM的硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了閘門終端和控制中心應(yīng)用軟件，并在不同灌區(qū)的閘門上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行.史中興等[3]結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、智能手機(jī)和超聲波等新技術(shù)，研發(fā)了灌區(qū)閘門測(cè)控一體化設(shè)備，并在大型灌區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證.相對(duì)于國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化控制設(shè)備，澳大利亞Rubicon公司研發(fā)的全渠道控制設(shè)備具有技術(shù)先進(jìn)，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[4]，已應(yīng)用于寧夏及周邊地區(qū)，而對(duì)于該設(shè)備在國(guó)內(nèi)其他灌區(qū)的應(yīng)用情況，也有學(xué)者進(jìn)行了分析.曾國(guó)雄[5]通過(guò)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和性價(jià)比分析，認(rèn)為Rubicon測(cè)控一體化閘門計(jì)量精度高，且使用壽命長(zhǎng).宋增芳等[6]分析了疏勒河昌馬南干渠灌區(qū)Rubicon測(cè)控一體化閘門的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于汛期大量泥沙入渠，干擾傳感器正常工作，測(cè)得的水位、流量等數(shù)據(jù)精度較差.謝學(xué)東等[7]分析了寧夏南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)的Rubicon測(cè)控一體化閘門的使用情況，認(rèn)為在高含沙水灌區(qū)，測(cè)流系統(tǒng)中的超聲波流量計(jì)的適用性、可靠性和穩(wěn)定性等方面都有待于進(jìn)一步研究與完善.

寧夏南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)從黃河引水，含沙量較大，多年來(lái)一直采用無(wú)喉道量水槽人工觀測(cè)計(jì)量，通過(guò)觀測(cè)上下游水位，配以較成熟的一套操作規(guī)程，可以獲得較準(zhǔn)確的計(jì)算流量.然而，這種傳統(tǒng)測(cè)流設(shè)備和方法卻難以滿足現(xiàn)代化灌區(qū)自動(dòng)量水和水量自動(dòng)控制等目標(biāo)要求.2015年開始該灌區(qū)受益于節(jié)水配套改造項(xiàng)目的實(shí)施，在干渠沿線安裝Rubicon測(cè)控一體化槽閘9臺(tái)，測(cè)控一體化板閘流量計(jì)54臺(tái)并配備了Rubicon灌溉系統(tǒng)管理軟件.

為定量分析含沙量對(duì)Rubicon測(cè)控一體化板閘測(cè)流精度的影響，文中進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，主要通過(guò)走訪灌區(qū)基層技術(shù)管理人員、查閱無(wú)喉道量水槽和測(cè)控一體化板閘的實(shí)時(shí)測(cè)流數(shù)據(jù)，了解含沙量變化以及水位傳感器、測(cè)流閘門在不同時(shí)期的運(yùn)行情況.以無(wú)喉道量水槽測(cè)流結(jié)果作為對(duì)照，分析測(cè)控一體化板閘在汛期渠道水含沙量較大和非汛期渠道水含沙量較小時(shí)的測(cè)流精度，并利用ANSYS Fluent對(duì)測(cè)控一體化板閘在不同含沙量情況下的水力性能進(jìn)行研究，結(jié)合其測(cè)流原理，分析含沙量對(duì)測(cè)流精度的影響機(jī)制，以便為Rubicon測(cè)控一體化板閘在多泥沙渠道中的推廣應(yīng)用提供決策依據(jù).

1 材料與方法

1.1 測(cè)控一體化板閘測(cè)流方法

測(cè)控一體化板閘是Rubicon公司的研發(fā)成果之一，是集流量計(jì)和閘門于一體的自動(dòng)化控水設(shè)備，擁有精確計(jì)量流量、高精度控制閘門、全太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)和無(wú)線通訊等功能，采用底部過(guò)流的方式，如圖1所示.

圖1 測(cè)控一體化板閘示意圖

測(cè)控一體化板閘使用Sonaray聲波陣列技術(shù)進(jìn)行測(cè)流，如圖2所示.通過(guò)8個(gè)水平面，在計(jì)量箱內(nèi)進(jìn)行流速采樣，每個(gè)計(jì)量平面采用超聲波交叉?zhèn)鬏攲?duì)該平面所有流速場(chǎng)采樣，然后通過(guò)對(duì)水平流速分布進(jìn)行垂直整合，構(gòu)成三維流速分布.即通過(guò)多路徑橫斷面繪制出流速狀態(tài)，記錄計(jì)量箱內(nèi)流速分布的3D形態(tài)，監(jiān)測(cè)瞬時(shí)流量和總流量，提供精確的用水記錄.

圖2 Sonaray聲波陣列技術(shù)原理示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 項(xiàng)目區(qū)概況

南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)位于中衛(wèi)市黃河南岸，總灌溉面積1.44萬(wàn)hm2，主要采用無(wú)喉道量水槽進(jìn)行支渠流量監(jiān)測(cè)，難以適應(yīng)現(xiàn)代化灌區(qū)信息化管理的要求.2015年灌區(qū)安裝測(cè)控一體化閘門，實(shí)現(xiàn)了干、支、斗等各級(jí)渠道量水、配水和輸水的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與調(diào)控，構(gòu)建了從渠道輸配水到田間用水匹配合理，節(jié)水效果顯著的控制與管理系統(tǒng).

南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)利用黃河岸邊的抽水泵站直接從黃河引水灌溉，由于揚(yáng)水泵站(灌區(qū)水源地)距黃河寧蒙段的下河沿水文測(cè)站僅10 km.因此，下河沿水文測(cè)站黃河水含沙量資料對(duì)南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)水源含沙量分析具有重要的參考價(jià)值.

根據(jù)下河沿水文站2018年7—10月逐日平均含沙量資料，最大值達(dá)到了94.00 kg/m3.2019年，第一次沙峰形成時(shí)間為6月27日，含沙量為5.19 kg/m3.第二次泥沙主要為蘭州以上來(lái)沙，沙峰形成時(shí)間為7月31日9時(shí)，沙峰含沙量為7.66 kg/m3[8].考慮從黃河引水到灌區(qū)會(huì)經(jīng)過(guò)泵站沉沙池的沉淀作用，綜合2018年和2019年含沙量數(shù)據(jù)，在模擬計(jì)算時(shí)灌區(qū)渠道水最大含沙量取15.00 kg/m3.

根據(jù)黃河多年泥沙資料[9]，粒徑小于0.05 mm的泥沙占比超過(guò)70%，且南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)引水方式?jīng)]有發(fā)生較大的實(shí)質(zhì)性改變，參考1985年干渠淤沙和水源含沙粒徑統(tǒng)計(jì)情況[10]，水源中71.8%的懸沙粒徑小于0.05 mm，而干渠淤沙中只有1.5%，因此可以認(rèn)為，粒徑小于0.05 mm的懸沙基本都通過(guò)閘門進(jìn)入了支渠，故在模擬計(jì)算時(shí)沙粒粒徑取0.05 mm.

1.2.2 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證測(cè)控一體化板閘在高含沙水渠道中的測(cè)流精度，利用比較成熟的無(wú)喉道量水槽作為對(duì)照，對(duì)比分析測(cè)控一體化板閘分別在汛期和非汛期的測(cè)流結(jié)果.文中在南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)選取了18條無(wú)喉道量水槽完好且測(cè)流條件較好的支渠，2018年3—11月整個(gè)灌溉期，每逢灌水日觀測(cè)無(wú)喉道量水槽上下游水位，選取對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到無(wú)喉道量水槽測(cè)流值，并記錄同一時(shí)間測(cè)控一體化板閘的測(cè)流值.

圖3為無(wú)喉道量水槽和測(cè)控一體化板閘的布置圖，測(cè)控一體化板閘距無(wú)喉道量水槽30 m，因此，不會(huì)影響到無(wú)喉道量水槽的測(cè)流結(jié)果.

圖3 測(cè)流平面布置圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

將測(cè)控一體化板閘和無(wú)喉道量水槽測(cè)流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以無(wú)喉道量水槽測(cè)流結(jié)果為基準(zhǔn)，分析研究含沙量對(duì)測(cè)控一體化閘門測(cè)流精度的影響.采用回歸系數(shù)b，決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE擬合度檢驗(yàn)指標(biāo)對(duì)2種測(cè)流方法分別在汛期(6—10月)和非汛期(11月—次年5月)的測(cè)流結(jié)果進(jìn)行對(duì)比判斷，回歸系數(shù)b越接近于1.0，說(shuō)明二者的測(cè)流值越接近；決定系數(shù)R2越接近于1.0，說(shuō)明二者測(cè)流結(jié)果的有效性越高；均方根誤差RMSE越小，說(shuō)明2種方法的測(cè)流結(jié)果更加準(zhǔn)確.回歸系數(shù)b計(jì)算式為

(1)

決定系數(shù)R2計(jì)算式為

(2)

均方根誤差RMSE計(jì)算式為

(3)

1.4 數(shù)值模擬模型

1.4.1 模型選擇

ANSYS Fluent軟件中描述多相流的方法有歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法，其中歐拉-歐拉法是目前水沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中應(yīng)用最廣泛的多相流模型，包括體積模型(VOF)、混合模型(Mixture Model)及歐拉模型(Eulerian Model)，歐拉模型是多相流模型中較為嚴(yán)格、復(fù)雜的模型，完整地考慮了相間耦合、相間滑移及紊流擴(kuò)散，也參照單相流中對(duì)脈動(dòng)項(xiàng)的模擬方法對(duì)顆粒紊流脈動(dòng)進(jìn)行模擬[11].

灌溉水經(jīng)沉沙池過(guò)濾后，沙粒體積占灌溉水的比率遠(yuǎn)小于10%，因此沙粒在明渠中的運(yùn)動(dòng)屬于稀相流，選取Eulerian多相流模型可以更真實(shí)地模擬含沙水流經(jīng)測(cè)控一體化板閘時(shí)的水力性能.由于測(cè)控一體化板閘閘孔出流屬于湍流，采用湍流RNGk-ε模型使方程閉合.利用Fluent軟件的分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器對(duì)各控制方程進(jìn)行求解，并采用SIMPLE算法對(duì)速度和壓力的耦合進(jìn)行處理，各參數(shù)的離散均采用二階精度的迎風(fēng)格式[12].

1.4.2 物理模型和邊界條件設(shè)定

閘門尺寸為0.6 m×0.6 m，設(shè)置在深0.6 m，寬0.6 m，渠底比降為1∶1 000的矩形支渠中，計(jì)量箱長(zhǎng)971 mm.由于支渠水流方向與干渠垂直，因此閘前水流速度接近于0，同時(shí)在計(jì)量箱前設(shè)置5 m長(zhǎng)的緩沖段，確保水流能夠緩慢進(jìn)入計(jì)量箱內(nèi).坐標(biāo)原點(diǎn)取在渠道進(jìn)口斷面渠底中心點(diǎn)處，沿渠道順?biāo)鞣较驗(yàn)閤軸正方向，y軸沿渠寬方向與x軸相交于坐標(biāo)原點(diǎn)，沿渠底到渠頂為z軸正方向，利用ANSYS ICEM建立測(cè)控一體化板閘在矩形渠道中的三維模型.六面體網(wǎng)格單元具有排列整齊，易于收斂的優(yōu)點(diǎn)，故采用六面體網(wǎng)格單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分析.采用8 cm×8 cm×8 cm的單元對(duì)渠道上下游段劃分網(wǎng)格，閘前計(jì)量箱和閘后水流水力條件復(fù)雜且為重點(diǎn)觀察對(duì)象，因此計(jì)量箱和閘后1.5 m處采取加密網(wǎng)格處理[13]，單元格尺寸為4 cm×4 cm×4 cm.

根據(jù)測(cè)控一體化板閘的實(shí)際運(yùn)行情況，水流入口設(shè)為速度入口邊界條件，沙粒與水流給定相同的流速，上部的氣體入口設(shè)為壓力入口，計(jì)算前渠道充滿氣體.出口部分給壓力出口邊界條件，渠道的整個(gè)底板以及邊墻為固壁邊界，給定無(wú)滑移邊界條件，黏性底層采用壁函數(shù)處理，考慮重力作用.

顆粒設(shè)為沙粒，密度為2 650 kg/m3.根據(jù)含沙量資料，取顆粒直徑為0.05 mm，含沙量取0，5，10，15 kg/m3共4個(gè)水平，收斂精度為 10-4.

2 結(jié)果與分析

2.1 流量對(duì)比分析

選6條有代表性的支渠進(jìn)行流量對(duì)比分析，如圖4所示.

圖4 測(cè)流結(jié)果對(duì)比

由圖4可以看出，景A-1支渠、彩A-2支渠、達(dá)A-1支渠、豐A-2支渠、敬A-1支渠在整個(gè)灌溉期中，測(cè)控一體化板閘的測(cè)流值相對(duì)于無(wú)喉道量水槽的測(cè)流值均偏大，且汛期相對(duì)誤差大于非汛期；只有城A-2支渠非汛期的測(cè)控一體化板閘測(cè)流值小于無(wú)喉道量水槽測(cè)流值，而汛期的測(cè)控一體化板閘測(cè)流值仍大于無(wú)喉道量水槽測(cè)流值.可能是因?yàn)檠雌诠喔人沉枯^大，影響了測(cè)控一體化板閘的測(cè)量精度，使其測(cè)流結(jié)果偏大.

2.2 汛期與非汛期測(cè)流結(jié)果對(duì)比分析

圖5對(duì)汛期和非汛期的測(cè)流結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.由圖可知，非汛期的回歸系數(shù)均在0.82～1.24，決定系數(shù)在0.666～0.995，均方根誤差均在0～0.043，汛期的回歸系數(shù)在0.81～1.25，決定系數(shù)均在0.621～0.995，均方根誤差均在0～0.045.相對(duì)于汛期，非汛期的回歸系數(shù)和決定系數(shù)更接近于1，均方根誤差更接近于0，表明汛期含沙量較大時(shí)，測(cè)控一體化板閘測(cè)流結(jié)果較差，含沙量對(duì)其測(cè)流精度有一定影響.

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 模型驗(yàn)證

測(cè)控一體化板閘流量計(jì)是通過(guò)Sonaray聲波陣列技術(shù)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，但其結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)平板閘門相同，故出流的水流狀態(tài)相同.文中利用ANSYS Fluent對(duì)閘孔開度為0.1，0.2 m時(shí)，不同閘前水位所對(duì)應(yīng)清水的出流量進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與前人對(duì)傳統(tǒng)閘門的研究成果以及測(cè)控一體化板閘實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性.

儒可夫斯基應(yīng)用理論分析方法對(duì)閘后收縮斷面進(jìn)行了分析，得出在無(wú)側(cè)收縮的條件下平板閘門的垂直收縮系數(shù)ε2與閘孔相對(duì)開度e/Ho的關(guān)系[14].

利用所建模型模擬平板閘門過(guò)流的水面線，得到收縮斷面水深并計(jì)算出垂直收縮系數(shù)，并通過(guò)查表得到對(duì)應(yīng)閘孔開度的理論垂直收縮系數(shù)，將模擬值ε2s與理論值ε2c進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1,表中e為閘孔開度，Ho為閘前水位，Hc為收縮水深.從表中可以看出，垂直收縮系數(shù)模擬值ε2s與理論值ε2c差別較小，最大誤差δ為7.23%.

閘孔出流的流量可按閘孔出流公式(4)計(jì)算，流量系數(shù)按南京水利科學(xué)研究院的經(jīng)驗(yàn)公式(5)計(jì)算[14]為

(4)

(5)

式中：σs為淹沒(méi)系數(shù)，自由流時(shí)淹沒(méi)系數(shù)取1；μ為流量系數(shù)；B為閘門寬度,m.

表1 垂直收縮系數(shù)模擬值和查表值對(duì)比

在南山臺(tái)揚(yáng)水灌區(qū)調(diào)研時(shí)收集到該灌區(qū)冬灌期間比較完整的Rubicon測(cè)控一體化板閘測(cè)流記錄數(shù)據(jù)，包括測(cè)流設(shè)備自動(dòng)記錄自由出流狀態(tài)時(shí)測(cè)控一體化板閘上游水位、閘孔開度及其對(duì)應(yīng)的閘孔過(guò)流量測(cè)量值.冬灌期間渠道水泥沙含量相對(duì)較低，對(duì)Rubicon測(cè)控一體化板閘測(cè)流精度的影響相對(duì)較小，其實(shí)測(cè)結(jié)果較為精確.文中選取了灌區(qū)水流條件較好的一條支渠，模擬相同條件下的閘孔出流量，并與測(cè)控一體化板閘的測(cè)流值、南京水利科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式(4)和式(5)計(jì)算值分別進(jìn)行對(duì)比，如表2所示,表中Qc為計(jì)算流量，Qm為實(shí)測(cè)流量，Qs為模擬流量.

由表2可知，冬灌期間含沙量較少時(shí)，測(cè)控一體化板閘實(shí)際測(cè)流值與模擬值、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值較為接近.

表2 測(cè)控一體化板閘模擬流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比

2.3.2 水力性能分析

為研究含沙水流經(jīng)測(cè)控一體化板閘時(shí)的水力性能，利用所建立的模型分別模擬閘前水位和閘孔開度一定時(shí)，不同含沙量所對(duì)應(yīng)的計(jì)量箱內(nèi)水流結(jié)構(gòu)、閘后收縮斷面流速分布以及閘孔出流情況.

1) 含沙量對(duì)計(jì)量箱內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響.

超聲波流量計(jì)直接檢測(cè)到的是超聲波傳播路徑上的線平均速度，而測(cè)控一體化板閘流量計(jì)需要測(cè)量的是計(jì)量箱整個(gè)斷面上的平均速度，二者之間需要換算[15].因此，流體的斷面流速分布情況對(duì)計(jì)算計(jì)量箱內(nèi)的平均流速非常重要.利用所建模型對(duì)閘孔開度為0.1 m，閘前水位為0.7 m這一工況進(jìn)行模擬，圖6為計(jì)量箱內(nèi)平面xz的流線圖，在平面xz選取3條沿z軸方向的直線Line 1，Line 2和Line 3，圖7為所選3條直線的流速分布圖，圖中h為距離渠底的高度.由圖可知，流體流過(guò)計(jì)量箱時(shí)，由于固體壁面無(wú)滑移條件，緊貼壁面的流體速度為0 ，而斷面中間的流體受影響最小，流速最大，且靠近閘孔處流速較大，形成較大速度梯度.在含沙量范圍內(nèi)，細(xì)顆粒泥沙對(duì)計(jì)量箱內(nèi)流速的分布情況影響很小.

圖6 計(jì)量箱內(nèi)流線圖

圖7 計(jì)量箱內(nèi)流速分布圖

2) 含沙量對(duì)閘后收縮段水力特性影響.

不同含沙量所對(duì)應(yīng)的閘后收縮斷面水流流速和湍動(dòng)能分布如圖8所示.

圖8 閘后收縮斷面水力性能

水力參數(shù)如表3所示,表中m為含沙量，va為平均流速.

表3 不同含沙量的閘門測(cè)流水力參數(shù)

由圖8a和表3可知，隨著水深的增大，收縮斷面的流速呈先增大后減小的趨勢(shì)，且流速分布受含沙量影響不大，但存在一定規(guī)律，即閘孔開度和閘前水位相同時(shí)，含沙量越大，收縮斷面的流速越大，而收縮水深越小，通過(guò)閘孔的含沙水的流量不變.由圖8b可知，清水的湍動(dòng)能最大，隨著含沙量的增大，收縮斷面的湍動(dòng)能減小，是因?yàn)楹沉康脑黾訒?huì)使水流的黏性增大，密度增大，從而對(duì)水流湍動(dòng)起到遏制作用.

3 結(jié) 論

1) 相對(duì)于無(wú)喉道量水槽而言，測(cè)控一體化板閘的測(cè)流數(shù)據(jù)普遍偏大，但在非汛期含沙量較小時(shí)，其測(cè)流值的回歸系數(shù)和決定系數(shù)更接近于1，均方根誤差更接近于0，表明該工況下的測(cè)流精度較高.

2) 利用ANSYS Fluent模擬明渠含沙水測(cè)流是可行的.由模擬結(jié)果可知，計(jì)量箱內(nèi)緊貼壁面的流體速度為0，斷面中間流速較大，且靠近閘孔處流速最大，形成較大速度梯度，而含沙量對(duì)計(jì)量箱內(nèi)的流速分布影響很小.水流的湍動(dòng)能隨含沙量的增大而減小，體現(xiàn)出一定的制紊作用.

3) 與計(jì)量箱內(nèi)過(guò)流斷面的水力性能相比，測(cè)控一體化板閘閘后收縮斷面的流速和湍動(dòng)能較大，清水的湍動(dòng)能最大，隨著含沙量的增大，閘后收縮斷面的湍動(dòng)能逐漸減小而流速分布無(wú)明顯變化.

4) 含沙量對(duì)Rubicon測(cè)控一體化板閘測(cè)流精度的影響，主要是因?yàn)楹乘械纳沉?duì)超聲波的衰減作用以及含沙水的制紊作用.