灌區(qū)末級(jí)渠道量水設(shè)施水流水力特性數(shù)值模擬

李 超，王立新，肖 宇，路新川

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古大學(xué)，呼和浩特 010021；3.黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司，太原 030002）

0 引言

灌區(qū)量水是合理配置水資源的基礎(chǔ)，是推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要手段。建設(shè)現(xiàn)代化節(jié)水灌區(qū)急切需要研發(fā)精度高、計(jì)算簡(jiǎn)便、便于施工且造價(jià)低的量水設(shè)備。為提高量水設(shè)施的適用性和精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)研發(fā)出針對(duì)各類(lèi)渠道不同形式的量水槽、量水堰達(dá)百種。尤其是巴歇爾和無(wú)喉道量水槽因水頭損失小，抗淤堵性能好、精度高等優(yōu)點(diǎn)而在灌區(qū)內(nèi)廣泛應(yīng)用[1]。量水槽的原理是通過(guò)在量水槽內(nèi)形成臨界流，從而建立上游水位與流量的單一函數(shù)關(guān)系，利用量測(cè)上游水位推求渠道流量變化[2]。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于各量水槽結(jié)構(gòu)形式及水流流態(tài)、流量范圍、測(cè)流精度等差異較大，研究不同形式量水槽的水流流態(tài)并選擇精度高、水頭損失小的量水槽對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水和水資源優(yōu)化配置有重要的意義。

針對(duì)不同形式的量水槽廣大學(xué)者開(kāi)展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)和野外觀測(cè)。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）的方法能夠較為精準(zhǔn)高效地模擬量水設(shè)施水流水力參數(shù)及流態(tài)分布，并使模擬流體運(yùn)動(dòng)軌跡、流速、壓強(qiáng)等物理量可視化呈現(xiàn)[3-7]。根據(jù)不同的渠道形狀及流量量測(cè)特征要求，以模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬方法，分析量水槽內(nèi)水面線、流態(tài)及弗勞德數(shù)等相關(guān)參數(shù)，探索各種流量和渠道斷面下機(jī)翼形、長(zhǎng)喉道等不同結(jié)構(gòu)形式量水槽的測(cè)流公式[8-11]。尤其是巴歇爾槽自1922年被Parshall 在文丘里量水槽基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)出來(lái)后，很多學(xué)者開(kāi)展了巴歇爾槽的水力特性、水位～流量關(guān)系及水頭損失方面的研究[12,13]。向德華[14]采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析了槽底為水平的類(lèi)巴歇爾槽在不同流量下的流速、壓力及相分布規(guī)律，為類(lèi)巴歇爾槽的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。許虎[15]通過(guò)數(shù)值模擬方法分析了巴歇爾槽不同進(jìn)口連接段形式對(duì)水頭損失、水面線、測(cè)流誤差、流速及壓強(qiáng)影響的變化情況，指出采取進(jìn)口連接段過(guò)渡的巴歇爾槽相比無(wú)連接段過(guò)渡水流流線更平緩，水頭損失更小，且來(lái)流量越大，測(cè)流精度相對(duì)誤差越小。對(duì)于上下游條件變幅較大的渠道，采用斷面量水法或均勻流公式存在較大誤差，白靜[16]基于實(shí)時(shí)測(cè)定2 個(gè)斷面的水位變化，通過(guò)求解水動(dòng)力學(xué)模型而得到斷面的流量。相比于求解水動(dòng)力學(xué)方程，采用量水槽進(jìn)行流量測(cè)定更加快捷、方便和簡(jiǎn)單，但各種量水槽結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同，對(duì)于量測(cè)的流量變化范圍靈敏度不同。同時(shí)，在量水槽的槽型選擇時(shí)還應(yīng)考慮有效水頭、最大淹沒(méi)度、水頭損失等因素。需要細(xì)致、微觀地分析不同類(lèi)型量水槽內(nèi)部的水流水力特性，探究不同流量情況下各量水槽測(cè)量精度的敏感性。同時(shí)，綜合考慮影響流態(tài)、水頭損失等方面的因素，針對(duì)不同測(cè)流工況選擇精度高、水頭損失小的量水槽，從而保障渠道高效輸水和數(shù)字化、智慧化灌區(qū)建設(shè)。

本研究采用數(shù)值模擬方法分別模擬了不同流量下巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽的水流水力特性，分析各流量下模擬精度、水面線、流速、流態(tài)、流線、水頭損失的變化及影響因素，為不同情況下灌區(qū)末級(jí)渠道量水設(shè)施的選型和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 物理結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB∕T21303—2017）中的規(guī)定[17]，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸建立巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽的三維物理模型。巴歇爾槽由進(jìn)口段、收縮段、喉道段、擴(kuò)散段、出口段及上下游水尺組成。其中，各段長(zhǎng)度依次為2.243 m、1.325 m、0.6 m、0.9 m 和2.176 m，各段坡降依次為-0.25、0、0.375、-0.167 和0.143，喉道寬度為0.25 m。長(zhǎng)喉道槽由進(jìn)口段、收縮段、喉道段、擴(kuò)散段組成。其中，各段長(zhǎng)度依次為1.0 m、0.9 m、0.8 m 和1.3 m，喉道為矩形斷面，底檻高度為0.4 m，喉道寬度為0.7 m。巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽的上、下游渠道均為梯形斷面，渠道底寬為0.4 m，邊坡系數(shù)m=0.414，上游段長(zhǎng)度為20 m，下游段長(zhǎng)度為15 m，從而保證水流有足夠的行進(jìn)長(zhǎng)度，以供紊流充分發(fā)展。應(yīng)用GAMBIT軟件進(jìn)行物理建模，構(gòu)建的巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽三維結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2所示。

圖1 巴歇爾槽幾何模型Fig.1 Geometric model of Parshall flume

圖2 長(zhǎng)喉道槽幾何模型Fig.2 Geometric model of long-throated flume

1.2 模型控制方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[18]的湍動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程分別為：

式中：ρ為流體密度，kg∕m3；ui為速度分量，m∕s；t為時(shí)間，s；xi、xj分別為i和j流向分量，m；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；μt為渦黏性系數(shù)，μt=ρ Cμ k2∕ε；Gk為時(shí)均速度梯度引起的紊動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb為浮力引起的紊動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，對(duì)于不可壓縮流體，Gb=0；YM為可壓縮紊流中的脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)，YM= 2ρ ε M2t；C1ε為模型系數(shù)，取1.44；C2ε為模型系數(shù)，取1.92；C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，當(dāng)主流方向與重力方向平行時(shí)，有C3ε=1，而當(dāng)主流方向與重力方向垂直時(shí)，則有C3ε=0；k為湍動(dòng)能，m2∕s2；ε為湍動(dòng)能耗散率，m2∕s3；σk為湍動(dòng)能對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)，取1.0；σε為湍動(dòng)能耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，取1.3；Sk、Sε為分別為用戶定義的源項(xiàng)。

明渠水流屬于含有自由表面的水流流動(dòng)，涉及到氣-液2相流，本文采用處理互不交融交界面的VOF （Volume of Fluent）模型來(lái)模擬自由表面。VOF 模型中假設(shè)水和空氣具有相同的速度，在每一個(gè)網(wǎng)格單元中，水和空氣的體積分?jǐn)?shù)之和等于1，即：

式中：αw為計(jì)算域中每一個(gè)控制單元內(nèi)水的體積分?jǐn)?shù)；αa為計(jì)算域中每一個(gè)控制單元內(nèi)空氣的體積分?jǐn)?shù)。

1.3 控制方程求解方法與邊界條件

1.3.1 方程離散及求解方法

由于量水槽中的水流流動(dòng)屬于三維瞬態(tài)對(duì)流擴(kuò)散問(wèn)題，控制方程的離散采用有限體積法，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。離散方程的求解采用2次壓力修正的PISO （Pressure-Implicit with Splitting of Operators） 算法。VOF方法中Y方向設(shè)置重力加速度值為-9.81 m∕s2。

1.3.2 邊界條件

渠道進(jìn)口分別設(shè)置氣液2相進(jìn)口邊界，上部空氣采用壓力進(jìn)口，壓強(qiáng)大小與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相同，下部水流采用流量進(jìn)口。巴歇爾槽進(jìn)口流量分別設(shè)置為0.120 m3∕s、0.156 m3∕s、0.210 m3∕s、0.238 m3∕s，分別對(duì)應(yīng)工況1、工況2、工況3、工況4 等四種工況。長(zhǎng)喉道槽進(jìn)口流量分別設(shè)置為0.057 m3∕s、0.220 m3∕s、0.393 m3∕s、0.487 m3∕s，也對(duì)應(yīng)其工況1、工況2、工況3、工況4 等4 種工況。出口邊界為自由出流，壁面設(shè)置采用壁面函數(shù)法。進(jìn)口邊界的湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率的計(jì)算為：

為驗(yàn)證數(shù)值模擬和邊界條件的有效性，采用《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB∕T 21303-2017）中給定的巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽流量公式進(jìn)行模擬流量驗(yàn)證。規(guī)范中給定的巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽流量計(jì)算公式分別為：

式中：Q為流量，m3∕s；h1為上游水尺水頭，m；W為巴歇爾槽喉道寬度，m；CD為流量系數(shù)，CD=(H1/L-0.07)0.018；H1為上游渠段總水頭，m；L為喉段長(zhǎng)度，m；CV為行進(jìn)流速系數(shù)；h為水位計(jì)實(shí)測(cè)水頭，m；bc為長(zhǎng)喉道槽喉道寬度，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬精度分析

表1 和表2 分別給出了巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽不同工況下模擬流量與計(jì)算流量的對(duì)比。從表1 和表2 可以看出，巴歇爾槽數(shù)值模擬流量與計(jì)算流量基本吻合，2者最大誤差僅為2.16%，且隨流量增加，模擬流量與計(jì)算流量的誤差值逐漸減?。婚L(zhǎng)喉道槽數(shù)值模擬流量與計(jì)算流量誤差略大于巴歇爾槽，隨流量增加，模擬誤差值逐漸增大。但巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽數(shù)值模擬流量與計(jì)算流量的誤差值均在10%以內(nèi)，說(shuō)明模擬結(jié)果可靠，可用于理論分析。

表1 巴歇爾槽模擬與實(shí)測(cè)流量對(duì)比Tab.1 Comparison between simulated and measured discharge of Parshall flume

表2 長(zhǎng)喉道槽模擬與實(shí)測(cè)流量對(duì)比Tab.2 Comparison between simulated and measured discharge of long-throated flume

2.2 水力特性分析

2.2.1 水面線分析

巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽設(shè)置上、下游渠道坡降均為1∕800，采用VOF 法處理水氣交界面，確定水體積分?jǐn)?shù)αw=0.5 的等值線為水面線。圖3、圖4 分別給出了巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽各工況下的水面線變化圖。以巴歇爾槽喉道進(jìn)口處為0-0斷面，沿X方向-1.325 m 之前為進(jìn)口段，-1.325～0 m 為收縮段，0～0.6 m 為喉道段，0.6～1.5 m 為擴(kuò)散段，擴(kuò)散段之后為出口段。

圖3 巴歇爾槽不同流量下水面線Fig.3 Water surface profile of Parshall flume at different discharge

圖4 長(zhǎng)喉道槽不同流量下水面線Fig.4 Water surface profile of long-throated flume at different discharge

從圖3可以看出，水流流經(jīng)量水槽進(jìn)口段、收縮段、喉道段時(shí)，由于流道逐漸縮窄，水流受平面上的束窄產(chǎn)生側(cè)向和垂向的收縮，上游水位呈先壅高后又在收縮段逐漸降低的形態(tài)。水流由喉道段流向下游擴(kuò)散段時(shí)，由于擴(kuò)散段坡降增大和流道擴(kuò)寬，水流流速增加，過(guò)流斷面面積減小，槽內(nèi)水位進(jìn)一步降低。在經(jīng)過(guò)巴歇爾槽時(shí)水流流態(tài)依次為緩流、臨界流、急流3種流態(tài)，各流量下水面線過(guò)渡平緩，沒(méi)有因流動(dòng)邊界變化而產(chǎn)生明顯的漩渦。

從圖4可以看出，由于受到量水槽側(cè)向收縮和底部抬高影響，水流在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)喉道槽進(jìn)口段和收縮段時(shí)水面略有抬升，水面波動(dòng)較大。在喉道段處，受槽底頂托作用影響，過(guò)流斷面減小，流速增加，水面明顯降落。由于擴(kuò)散段量水槽底部為垂直跌坎，水面進(jìn)一步迅速跌落，跌坎末端處水流從急流過(guò)渡到緩流，形成水躍，水面和坎腳處發(fā)生劇烈旋滾。

分別計(jì)算巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽不同流量下渠道段和喉道段臨界水深如圖5和圖6所示。從圖5、圖6中可以看出，臨界水深隨著流量的增加而增加。2種量水槽前渠道段在最小流量Q=0.057 m3∕s 時(shí)臨界水深為0.112 m，在最大流量Q=0.487 m3∕s時(shí)為0.366 m。由于受喉道段尺寸及斷面形狀變化影響，巴歇爾槽喉道段同流量下臨界水深較上游渠道水深大，而長(zhǎng)喉道槽喉道段同流量下臨界水位較上游渠道段水深小。結(jié)合2種量水槽渠道水面線分析，各流量情況下，渠道段水深均大于臨界水深，水流流態(tài)為緩流；而量水槽喉道處水深均小于臨界水深，水流流態(tài)為急流。水流流態(tài)從緩流過(guò)渡到急流，導(dǎo)致水面線在槽內(nèi)降低，發(fā)生明顯的水跌現(xiàn)象。

圖5 各工況下巴歇爾槽渠道段和喉道段臨界水深Fig.5 Critical depth of Parshall flume at channel and throat section for different discharge

圖6 各工況下長(zhǎng)喉道槽渠道段和喉道段臨界水深Fig.6 Critical depth of long-throated flume at channel and throat section for different discharge

2.2.2 流速及流線分析

圖7 給出了中心縱斷面（Z=0 切面）巴歇爾槽附近的流速分布及流線圖。從圖7 可以看出，不同流量下水流流過(guò)進(jìn)口段、收縮段時(shí)受斷面束窄作用影響，流速逐漸增加。流速變化和渠道邊界會(huì)影響渠道內(nèi)斷面流線形狀，流線在渠道段處相互平行，水流流態(tài)為均勻流；進(jìn)口段和收縮段受邊界條件影響，底部流線出現(xiàn)收縮，水流流態(tài)為漸變流；喉道段及擴(kuò)散段流線曲率明顯增加，水流流態(tài)為急變流；在出口段及下游渠道，流線又逐漸趨于平行，水流流態(tài)也從急變流過(guò)渡為均勻流。整個(gè)過(guò)程水流流態(tài)變化依次為均勻流——漸變流——急變流——均勻流。圖8給出了中心軸線斷面平均流速沿程變化，可以看出在喉道進(jìn)口-0.5 m 以前斷面處流速增加緩慢，在-0.5～0.5 m 處由于斷面束窄和槽底坡度增加，流速顯著增大；在喉道出口0.5 m 以后的斷面，由于受擴(kuò)散段負(fù)坡影響，流速呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，最后流速趨于穩(wěn)定。在整個(gè)巴歇爾槽的進(jìn)口段-收縮段-喉道段-擴(kuò)散段-出口段內(nèi)，流速呈現(xiàn)緩慢增大——顯著增大——直線增大——略有減小——增大穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

圖7 巴歇爾槽中心縱斷面（Z=0切面）量水槽附近的流速及流線分布Fig.7 Water velocity and streamlines of Parshall flume at Z=0 section

圖8 巴歇爾槽中心軸線斷面平均流速沿程變化Fig.8 Parshall flume mean velocity varies along the way at Z=0 section

圖9給出不同流量情況下巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽喉道處的臨界流速?？梢钥闯隽克圻M(jìn)口處各流量水流流速均小于臨界流速，水流流態(tài)為緩流；在量水槽出口處流速均大于臨界流速，水流在經(jīng)過(guò)量水槽時(shí)，流態(tài)從緩流轉(zhuǎn)化為急流。圖10 給出了中心縱斷面（Z=0切面）長(zhǎng)喉道槽附近的流速分布及流線圖。從圖10 可以看出，受長(zhǎng)喉道槽底部抬升對(duì)水流的頂托作用，水深減小，流速逐漸增大，在喉道末端跌坎處，流速達(dá)到最大值，4 種工況下流速峰值分別為1.48 m∕s、2.48 m∕s、2.91 m∕s、3.00 m∕s。在擴(kuò)散段處，由于下游水位抬升，水流在擴(kuò)散段進(jìn)口底部和水面處形成漩渦，消耗一部分水流能量，導(dǎo)致流速降低，擴(kuò)散段之后流速增加并趨于穩(wěn)定，水流在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)喉道槽不同位置處流速變化為增大——減小——增大的過(guò)程。上游渠道內(nèi)流線基本平行，水流流態(tài)為均勻流，長(zhǎng)喉道槽及擴(kuò)散段處，流線急劇收縮，曲率增大，水流流態(tài)為急變流；擴(kuò)散段以后流線又趨于平行，流態(tài)又逐漸轉(zhuǎn)化為均勻流，因此水流在長(zhǎng)喉道槽內(nèi)流態(tài)的變化過(guò)程為均勻流——急變流——均勻流。

圖9 巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽喉道處臨界流速Fig.9 Parshall flume and long-throated flume critical velocity at throat section

2.2.3 水頭損失變化

圖11 給出了不同流量情況下巴歇爾槽與長(zhǎng)喉道槽水頭損失比。從圖11 可以看出，在相同流量下長(zhǎng)喉道槽水頭損失明顯大于巴歇爾槽，但巴歇爾槽水頭損失隨流量增大而增加，2者呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系；而長(zhǎng)喉道槽水頭損失隨流量增大而減少，2者呈負(fù)對(duì)數(shù)減小關(guān)系。

圖11 各流量下巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽水頭損失比Fig.11 Water head loss ratio of Parshall flume and long-throated flume at different discharge

水流流過(guò)量水槽時(shí)，水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。由于量水槽內(nèi)水流為局部水力現(xiàn)象，加之水流流程較短，沿程水頭損失可忽略不計(jì)，水頭損失主要為局部水頭損失。巴歇爾槽的局部水頭損失由槽身側(cè)向逐漸縮小后再逐漸擴(kuò)大及槽底坡度起伏變化所引起。長(zhǎng)喉道槽的局部水頭損失由槽身側(cè)向的逐漸縮小后再逐漸擴(kuò)大及槽底突升突降所引起。巴歇爾槽喉道斷面面積A喉與渠道斷面面積A渠之比A喉∕A渠=0.211，長(zhǎng)喉道槽喉道斷面面積A喉與渠道斷面面積A渠之比A喉∕A渠=0.520，在收縮角度小于15°時(shí)，各側(cè)向收縮比下的局部水頭損失系數(shù)均小于0.005；同樣，在擴(kuò)散角度小于15°時(shí)，不同擴(kuò)散斷面比下局部水頭損失系數(shù)也均小于0.10。因此，將巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽在槽身側(cè)向逐漸縮小和逐漸擴(kuò)大的局部水頭損失系數(shù)統(tǒng)一確定為0.105。巴歇爾槽4 種工況下槽身側(cè)向斷面變化產(chǎn)生的水頭損失占總水頭損失的比例依次為21.6%、21.3%、16.0%和14.3%，表明隨流量增加，渠道側(cè)向收縮和擴(kuò)大產(chǎn)生的水頭損失逐漸減小。長(zhǎng)喉道槽4種工況下槽身側(cè)向斷面變化產(chǎn)生的水頭損失占總水頭損失的比例依次為2.2%、4.1%、6.1%和8.3%，表明隨流量增加，渠道側(cè)向收縮和擴(kuò)大產(chǎn)生的水頭損失逐漸增加。由于斷面?zhèn)认蜃兓鸬乃^損失占總水頭損失比重均小于25%，由此可知，水流經(jīng)過(guò)量水槽時(shí)的水頭損失主要為槽底起伏變化所引起的局部水頭損失。巴歇爾槽底部變化比較平順，而長(zhǎng)喉道槽在喉道進(jìn)口和出口處存在突升和突降，引起水流內(nèi)部及表面發(fā)生旋滾，增加了水頭損失，因此，同流量情況下，巴歇爾槽水頭損失明顯小于長(zhǎng)喉道槽。

3 討 論

灌溉渠道系統(tǒng)量水的方式、設(shè)施和儀器已經(jīng)有很多種，不同量水槽的水力特性不同，導(dǎo)致其測(cè)量精度、適用范圍也不一樣。因此，采用不同類(lèi)型量水槽進(jìn)行支渠以下小型渠道量水，從而滿足精度高、使用方便、水頭損失小、抗干擾性強(qiáng)、測(cè)量范圍廣的要求。

從量測(cè)精度來(lái)看，巴歇爾槽量水精度明顯高于長(zhǎng)喉道槽，且隨著流量的增加精度越來(lái)越高。從不同流量情況下水面線變化可以看出，水流進(jìn)入量水槽后由于喉道斷面束窄，導(dǎo)致上游渠道水位抬升，流速減小，水面平穩(wěn)，在喉道及擴(kuò)散段，由于坡底起伏變化平緩，且發(fā)生距離較短，流速增加，水面平滑降落，流線穩(wěn)定，從而保證了測(cè)量的精度。長(zhǎng)喉道槽量水精度隨著流量增加精度逐漸降低，水流在進(jìn)入長(zhǎng)喉道槽后，槽底抬升，上游水位壅高，由于長(zhǎng)喉道槽前段進(jìn)口為直角進(jìn)口，水流內(nèi)部發(fā)生旋滾，水面波動(dòng)大，尤其是長(zhǎng)喉道槽末端為垂直跌坎，在水流底部及表面均發(fā)生劇烈漩渦，水面波動(dòng)劇烈，加之流量增加，下游水位抬升，自由出流程度降低，導(dǎo)致流量越大測(cè)量精度越差。

從水頭損失來(lái)看，在流量小于0.4 m3∕s 時(shí)，巴歇爾槽水頭損失小于長(zhǎng)喉道槽，隨著流量增加，水頭損失呈指數(shù)增長(zhǎng)。從上面分析可知，巴歇爾槽槽身斷面變化對(duì)水頭損失影響較小，其水頭損失主要由于槽底寬度明顯小于上游渠道，槽體對(duì)上游渠道產(chǎn)生壅水后，上下游水位差增加，流速顯著加大而引起水頭損失增加，且隨著流量增加，壅水作用越明顯，流速增加越劇烈，水頭損失越大。長(zhǎng)喉道槽喉道斷面與上游渠道斷面面積相比變化較小，槽體對(duì)水流的束窄及上游壅水作用不明顯，局部水頭損失主要由槽底直角進(jìn)口與末端垂直跌坎引起的局部水頭損失增大。在小流量情況下，局部水頭損失系數(shù)在水頭損失中起了決定性作用，隨著流量增加，長(zhǎng)喉道槽內(nèi)水位升高，槽底變化所產(chǎn)生的局部水頭損失系數(shù)作用逐漸減弱，因此水頭損失隨流量增加而逐漸減小。

在量水設(shè)施選型時(shí)，要求流量測(cè)量不確定度宜不超過(guò)±5%，且應(yīng)選擇水頭損失小的量水設(shè)施，減小對(duì)渠道過(guò)流能力的影響。根據(jù)《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB∕T21303—2017）的規(guī)定，巴歇爾槽在喉道寬度W=0.250 m時(shí)，流量量測(cè)范圍為0.006～0.561 m3∕s，根據(jù)前面水頭損失分析，隨流量增加，喉道的壅水作用越發(fā)嚴(yán)重，水頭損失也明顯增加，在流量超過(guò)0.3 m3∕s 后，產(chǎn)生的水頭損失占總能量的30%以上，從而嚴(yán)重影響渠道的過(guò)流能力。長(zhǎng)喉道槽流量量測(cè)精度整體較巴歇爾槽偏低，且隨著流量增加精度誤差越來(lái)越大，但最大誤差不超過(guò)10%；隨著流量增加，水頭損失越來(lái)越低，對(duì)渠道的過(guò)流能力影響減小。因此，綜合考慮量水設(shè)施選型時(shí)，當(dāng)量測(cè)流量較小時(shí)，選擇巴歇爾槽作為量水設(shè)施，不但可以獲得較高的量測(cè)精度，且水頭損失小，不影響渠道的過(guò)流能力；當(dāng)量測(cè)流量較大時(shí)，選擇長(zhǎng)喉道槽作為量水設(shè)施，產(chǎn)生的水頭損失小，雖然量測(cè)精度略差，但仍控制在10%范圍以內(nèi)。

4 結(jié) 論

本研究對(duì)巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽不同流量情況下的水流水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了2種不同類(lèi)型量水槽各流量情況下的模擬精度、水面線、流速、流線及水頭損失。主要結(jié)論如下。

（1）巴歇爾槽流量模擬精度整體優(yōu)于長(zhǎng)喉道槽，且巴歇爾槽流量模擬精度隨流量增加而提高，長(zhǎng)喉道槽流量模擬精度隨流量增加而降低。

（2）水流在經(jīng)過(guò)巴歇爾槽和長(zhǎng)喉道槽時(shí)，上游渠道水位抬升，槽體內(nèi)流速增大，水位降低，水流流態(tài)從緩流變?yōu)榧绷?，但整體巴歇爾槽水面線變化較長(zhǎng)喉道槽平穩(wěn)。

（3）巴歇爾槽水頭損失隨流量增大呈指數(shù)增長(zhǎng)，長(zhǎng)喉道槽水頭損失隨流量增大呈負(fù)對(duì)數(shù)減小，當(dāng)流量小于0.4 m3∕s時(shí)，同流量下巴歇爾槽水頭損失小于長(zhǎng)喉道槽；流速變化是巴歇爾槽產(chǎn)生水頭損失的主要原因，而長(zhǎng)喉道槽水頭損失主要源于槽底部斷面突變。

（4）量水設(shè)施選型時(shí)，巴歇爾槽適合渠道小流量量測(cè)，長(zhǎng)喉道更適合渠道大流量量測(cè)。