一種長(zhǎng)距離輸水渠道糙率原型觀測(cè)測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種長(zhǎng)距離輸水渠道糙率原型觀測(cè)測(cè)定方法，是一種水工設(shè)計(jì)參數(shù)的 觀測(cè)測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 糙率（Λ)是渠道表面的粗糙程度和邊壁形狀不規(guī)則的綜合表征，也是表達(dá)水流經(jīng) 過(guò)渠道所受阻力的綜合系數(shù)，反映了渠道工程的設(shè)計(jì)、施工、管理水平。糙率是決定渠道過(guò) 水能力的重要參數(shù)，對(duì)于長(zhǎng)距離輸水渠道，實(shí)際糙率與設(shè)計(jì)糙率的微小偏差，將對(duì)工程造價(jià) 及日后運(yùn)行管理產(chǎn)生重大影響。通過(guò)原型觀測(cè)準(zhǔn)確測(cè)定渠道的真實(shí)糙率，一方面可為復(fù)核 渠道的實(shí)際過(guò)流能力提供參數(shù)，從而為工程運(yùn)行調(diào)度服務(wù)；另一方面，通過(guò)積累渠道糙率的 成果，為后續(xù)同類型渠道設(shè)計(jì)、施工與管理提供經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低投資提供 參考。
[0003] 糙率的影響因素十分復(fù)雜，致使η值不易準(zhǔn)確確定，而且無(wú)法直接獲得，需要通過(guò) 其他水力要素的原型觀測(cè)，利用公式計(jì)算求得。糙率原型觀測(cè)中，流量滿P上下游測(cè)量斷面 水深J是主要的量測(cè)對(duì)象，也是決定糙率測(cè)定效果是否可靠的關(guān)鍵。由于測(cè)量?jī)x器均存在 固有的基本誤差，對(duì)于長(zhǎng)距離輸水渠道，微小的儀器基本誤差可能導(dǎo)致嚴(yán)重的糙率測(cè)定偏 差。如在一次測(cè)量中，水尺的測(cè)量精度達(dá)0.5_，海流儀的測(cè)量流速精度達(dá)±1.5%。然而在 7個(gè)測(cè)試段中，有3段的糙率測(cè)定結(jié)果不確定度接近10%，成為不可靠數(shù)據(jù)。這不僅浪費(fèi)了 大量的人力、物力，還錯(cuò)失了原型觀測(cè)的寶貴時(shí)機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種長(zhǎng)距離輸水渠道糙率原型觀測(cè)測(cè)定 方法。所述的方法采用對(duì)于長(zhǎng)距離輸水渠道十分重要的高精度的測(cè)定公式，充分考慮渠道 沿程的斷面、底坡、邊坡等參數(shù)均分段變化，避免結(jié)構(gòu)尺寸方面的誤差因素。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種長(zhǎng)距離輸水渠道糙率原型觀測(cè)測(cè)定方法，所述 方法的步驟如下： 初擬糙率原型觀測(cè)方案的步驟：用于初擬原型觀測(cè)流量'確定下游測(cè)量斷面位置，確 定該斷面水深Λ。，初擬測(cè)量斷面間距 計(jì)算上游測(cè)量斷面水深的步驟：用于根據(jù)渠道結(jié)構(gòu)及水力參數(shù)沿程變化情況，劃分求 解分段單元，并設(shè)定統(tǒng)一的仿真計(jì)算距離步長(zhǎng)?，以從為上游邊界條件，Λ。為下游邊界條 件，以設(shè)計(jì)糙率^為計(jì)算糙率，求解明渠恒定漸變流方程：
計(jì)算上游測(cè)量斷面水深_Fi。，式中，X為渠道沿程距離，J為渠道水深，力為水面寬，6^為 渠道底坡，為水力坡度，旗=^ ·'砂/流量，J為斷面面積，A為水力半徑，/7為渠道 m- 糙率，未使用腳標(biāo)則表示所有參數(shù)均為X所對(duì)應(yīng)位置上的參數(shù)； 計(jì)算靈敏系數(shù)的步驟：用于將各個(gè)渠道參數(shù)和水力參數(shù)帶入公式： ?η=εχ?〇^ ε2?γχ+ CiCly2 求解系數(shù) 其中：
3流量靈敏系數(shù)，:_::= ^為上游水深靈敏系數(shù)，·為下 游水深靈敏系數(shù)； 計(jì)算測(cè)量?jī)x器的均方根差的步驟：用于將流量測(cè)量?jī)x器的基本誤差水位量測(cè)儀器 的基本誤差4帶入公式：
計(jì)算測(cè)量?jī)x器的均方根差〃 評(píng)估原型觀測(cè)方案的相對(duì)不確定度的步驟：用于將測(cè)量?jī)x器的均方根差帶入公 式： 〇J n ^ K1 對(duì)初擬原型觀測(cè)流量從和初擬測(cè)量斷面間距/〇進(jìn)行評(píng)估，如果上式成立則將初擬原型 觀測(cè)流量從確定為原型觀測(cè)流量β將初擬測(cè)量斷面間距/〇確定為測(cè)量斷面間距Ζ，并進(jìn)入 "實(shí)測(cè)的步驟"，否則進(jìn)入下一步驟，其中，本為糙率測(cè)定允許相對(duì)不確定度； 調(diào)整的步驟：用于對(duì)初擬原型觀測(cè)流量從和初擬測(cè)量斷面間距/〇進(jìn)行調(diào)整，如果 I C11 > I C2丨，則增加兌，如果I C1 K I C2丨，則增加/〇,之后回到"計(jì)算上游測(cè)量斷 面水深的步驟"； 實(shí)測(cè)的步驟：用于根據(jù)確定的下游測(cè)量斷面位置和測(cè)量斷面間距Z設(shè)置測(cè)量?jī)x器，實(shí) 測(cè)流量W，以及上游測(cè)量斷面水深和下游測(cè)量斷面水深r2; 計(jì)算的步驟：用于以實(shí)測(cè)的下游測(cè)量斷面水深Λ為下游邊界條件，以實(shí)測(cè)的流量W為 渠道流量，設(shè)定糙率試算初始值i/ = AT馬，其中：馬為設(shè)定糙率試算的下邊界值， 求解方程：
獲得沿程水深分布，從而得到試算的上游測(cè)量斷面水深，未使用腳標(biāo)則表示所有參 數(shù)均為X所對(duì)應(yīng)位置上的參數(shù)； 判斷的步驟：用于對(duì) Lr/ -Ji I > 〇. OOlm 進(jìn)行判斷，如果上式成立，則修正糙率值，=Y +馬，將修正糙率值，作為新的試算糙 率Y并回到"計(jì)算的步驟"，否則結(jié)束計(jì)算，將試算糙率Y作為糙率測(cè)定值4俞出，其中馬 為修正糙率時(shí)所取的差量。
[0006] 進(jìn)一步的，所述的糙率測(cè)定允許相對(duì)不確定度本的取值范圍是：1%~5%。
[0007] 進(jìn)一步的，所述的糙率試算的下邊界值馬的取值范圍是：0. 005~0. 01。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的修正糙率時(shí)所取的差量馬的取值范圍是：0. 0001~0. 0003。
[0009] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明所述方法利用測(cè)量不確定度理論，評(píng)估原型觀 測(cè)方案的科學(xué)性，分析水位、流量測(cè)量?jī)x器的精度及流量仏測(cè)量斷面間距Z對(duì)糙率測(cè)定結(jié) 果不確定性的綜合影響，并可根據(jù)設(shè)定的相對(duì)不確定度，確定合理的滿卩以直。在此基礎(chǔ)上， 開(kāi)展糙率原型觀測(cè)。在Λ的計(jì)算環(huán)節(jié)，精細(xì)考慮長(zhǎng)距離輸水渠道結(jié)構(gòu)和水力特性的沿程變 化，采用微分形式的恒定漸變流方程試算求解/7。本發(fā)明有助于提供糙率原型觀測(cè)方案的合 理性，能夠科學(xué)、快速設(shè)定原型觀測(cè)方案，提高工作效率，避免不必要的人力、物力浪費(fèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0011] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述方法的流程圖； 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一所述方法的字母標(biāo)記示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 實(shí)施例一： 本實(shí)施例是一種長(zhǎng)距離輸水渠道糙率原型觀測(cè)測(cè)定方法，所述方法的步驟如下，所述 方法的流程如圖1所示： 初擬糙率原型觀測(cè)方案的步驟：用于初擬原型觀測(cè)流量'確定下游測(cè)量斷面位置，確 定該斷面水深Λ。，初擬測(cè)量斷面間距4。首先對(duì)被測(cè)渠道進(jìn)行勘察和觀測(cè)，根據(jù)渠道的多 年運(yùn)行情況選定其多年平均輸水流量為原型觀測(cè)流量，同時(shí)選擇斷面形狀規(guī)則、渠道走向 平順的渠段，在其下游設(shè)置測(cè)量斷面，量測(cè)該斷面的水深，初擬測(cè)量斷面間距，確定上游測(cè) 量斷面。如果是新設(shè)計(jì)的一條渠道，則尋找一條與新設(shè)計(jì)的渠道類似的渠道進(jìn)行調(diào)研，同時(shí) 擬定上述數(shù)據(jù)。圖2是一段兩道節(jié)制閘之間渠道的示意圖，以說(shuō)明一些符合的意義。
[0013] 計(jì)算上游測(cè)量斷面水深的步驟：用于根據(jù)渠道結(jié)構(gòu)及水力參數(shù)沿程變化情況，劃 分求解分段單元，并設(shè)定統(tǒng)一的仿真計(jì)算距離步長(zhǎng)?，以從為上游邊界條件， Λ。為下游邊 界條件，以設(shè)計(jì)糙率^為計(jì)算糙率，求解明渠恒定漸變流方程：
計(jì)算上游測(cè)量斷面水深_Fl。，式中，X為渠道沿程距離，J為渠道水深，力為水面寬，6·。為 Ila:: 渠道底坡，S為水力坡度，$ 5 ,砂/流量，^為斷面面積，A為水力半徑，/7為渠道 糙率，未使用腳標(biāo)則表示所有參數(shù)均為X所對(duì)應(yīng)位置上的參數(shù)。
[0014] 糙率的影響因素十分復(fù)雜，致使值不易準(zhǔn)確確定，而且無(wú)法直接獲得，要通過(guò)其 他水力要素的原型觀測(cè)，利用公式計(jì)算求得。通常使用的糙率計(jì)算公式為式：
進(jìn)行計(jì)算，式中，λ為渠道糙率，^為流量(m3/s)，6·。為底坡，完為重力加速度，j為水深 (m)，下標(biāo)" 1"為渠道上游測(cè)量斷面，下標(biāo)"2"為渠道下游測(cè)量斷面，Z為上下游測(cè)量斷面間 距，J為斷面面積（m 2)，勸水力半徑（m)，如圖2所示，其中：
[0015] 為計(jì)算上游測(cè)量斷面水深Λ。，使用微分形式的明渠恒定漸變流方程：
式中：χ為渠道沿程距離，J為渠道水深，及為水面寬，5·。為渠道底坡，S為水力坡度， s = ^為流量，J為斷面面積，為水力半徑，Λ為渠道糙率。 ...參
[0016] 根據(jù)渠道結(jié)構(gòu)及水力參數(shù)沿程變化情況，劃分求解分段單元，并設(shè)定統(tǒng)一的仿真 計(jì)算距離步長(zhǎng)Λ。對(duì)于輸水渠道，為保證水面線連接平順，?通常設(shè)定在50m~100m。以" 為上游邊界條件，Λ。為下游邊界條件，以設(shè)計(jì)糙率& (即設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方根據(jù)施工工藝等 因素設(shè)定的渠道糙率)為計(jì)算糙率A采用標(biāo)準(zhǔn)四階龍格-庫(kù)塔法求解微分形式的明渠恒定 漸變流方程（3 )，獲得沿程水深分布，推算出上游測(cè)量斷面水深。
[0017] 計(jì)算靈敏系數(shù)的步驟：用于將各個(gè)渠道參數(shù)和水力參數(shù)帶入公式： dn^CxdQ^ Qdyj+ Qdy2 求解系數(shù) 其中：隹纖丨為流量靈敏系數(shù)，:翁為上游水深靈敏系數(shù)_為下游 ：i dQ 水深靈敏系數(shù)。
[0018] 測(cè)量?jī)x器的誤差是必須考慮的因素，而傳統(tǒng)的測(cè)量公式?jīng)]有考慮測(cè)量?jī)x器誤差的 影響，計(jì)算的方法是： 將式（2)按一階泰勒公式形式展開(kāi)，略去高階誤差項(xiàng)，可得：
?η=εχ?〇^ C2CJy1+ C^dy2 (4) 將上述各個(gè)步驟所計(jì)算和確定的水深J1。、Λ。、流量從、設(shè)計(jì)糙率水力學(xué)參數(shù)及復(fù) 核過(guò)的渠道結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入式（4)，求解系數(shù)C1為流量靈敏系數(shù)，C2、G為水深靈敏系 數(shù)。
[0019] 計(jì)算測(cè)量?jī)x器的均方根差的步驟：用于將流量測(cè)量?jī)x器的基本誤差i(，水位量測(cè) 儀器的基本誤差4帶入公式：
計(jì)算測(cè)量?jī)x器的均方根差〃 "。
[0020] 考慮多種因素的誤差影響，可以使用各種方式，本實(shí)施例采用了均方根差的方法， 因此需要計(jì)算各個(gè)儀器所造成誤差的均方根差。
[0021] 設(shè)流量測(cè)量?jī)x器的基本誤差4 (m3/s)，水位量測(cè)儀器的基本誤差#2 (m)。將儀器 的誤差與靈敏系