一种长距离输水渠道糙率原型观测测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种长距离输水渠道糙率原型观测测定方法，是一种水工设计参数的 观测测定方法。
【背景技术】
[0002] 糙率（Λ)是渠道表面的粗糙程度和边壁形状不规则的综合表征，也是表达水流经 过渠道所受阻力的综合系数，反映了渠道工程的设计、施工、管理水平。糙率是决定渠道过 水能力的重要参数，对于长距离输水渠道，实际糙率与设计糙率的微小偏差，将对工程造价 及日后运行管理产生重大影响。通过原型观测准确测定渠道的真实糙率，一方面可为复核 渠道的实际过流能力提供参数，从而为工程运行调度服务；另一方面，通过积累渠道糙率的 成果，为后续同类型渠道设计、施工与管理提供经验，为后续工程优化设计，降低投资提供 参考。
[0003] 糙率的影响因素十分复杂，致使η值不易准确确定，而且无法直接获得，需要通过 其他水力要素的原型观测，利用公式计算求得。糙率原型观测中，流量满P上下游测量断面 水深J是主要的量测对象，也是决定糙率测定效果是否可靠的关键。由于测量仪器均存在 固有的基本误差，对于长距离输水渠道，微小的仪器基本误差可能导致严重的糙率测定偏 差。如在一次测量中，水尺的测量精度达0.5_，海流仪的测量流速精度达±1.5%。然而在 7个测试段中，有3段的糙率测定结果不确定度接近10%，成为不可靠数据。这不仅浪费了 大量的人力、物力，还错失了原型观测的宝贵时机。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种长距离输水渠道糙率原型观测测定 方法。所述的方法采用对于长距离输水渠道十分重要的高精度的测定公式，充分考虑渠道 沿程的断面、底坡、边坡等参数均分段变化，避免结构尺寸方面的误差因素。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种长距离输水渠道糙率原型观测测定方法，所述 方法的步骤如下： 初拟糙率原型观测方案的步骤：用于初拟原型观测流量'确定下游测量断面位置，确 定该断面水深Λ。，初拟测量断面间距 计算上游测量断面水深的步骤：用于根据渠道结构及水力参数沿程变化情况，划分求 解分段单元，并设定统一的仿真计算距离步长?，以從为上游边界条件，Λ。为下游边界条 件，以设计糙率^为计算糙率，求解明渠恒定渐变流方程：
计算上游测量断面水深_Fi。，式中，X为渠道沿程距离，J为渠道水深，力为水面宽，6^为 渠道底坡，为水力坡度，旗=^ ·'砂/流量，J为断面面积，A为水力半径，/7为渠道 m- 糙率，未使用脚标则表示所有参数均为X所对应位置上的参数； 计算灵敏系数的步骤：用于将各个渠道参数和水力参数带入公式： ?η=εχ?〇^ ε2?γχ+ CiCly2 求解系数 其中：
3流量灵敏系数，:_::= ^为上游水深灵敏系数，·为下 游水深灵敏系数； 计算测量仪器的均方根差的步骤：用于将流量测量仪器的基本误差水位量测仪器 的基本误差4带入公式：
计算测量仪器的均方根差〃 评估原型观测方案的相对不确定度的步骤：用于将测量仪器的均方根差带入公 式： 〇J n ^ K1 对初拟原型观测流量從和初拟测量断面间距/〇进行评估，如果上式成立则将初拟原型 观测流量從确定为原型观测流量β将初拟测量断面间距/〇确定为测量断面间距Ζ，并进入 "实测的步骤"，否则进入下一步骤，其中，本为糙率测定允许相对不确定度； 调整的步骤：用于对初拟原型观测流量從和初拟测量断面间距/〇进行调整，如果 I C11 > I C2丨，则增加兑，如果I C1 K I C2丨，则增加/〇,之后回到"计算上游测量断 面水深的步骤"； 实测的步骤：用于根据确定的下游测量断面位置和测量断面间距Z设置测量仪器，实 测流量W，以及上游测量断面水深和下游测量断面水深r2; 计算的步骤：用于以实测的下游测量断面水深Λ为下游边界条件，以实测的流量W为 渠道流量，设定糙率试算初始值i/ = AT馬，其中：馬为设定糙率试算的下边界值， 求解方程：
获得沿程水深分布，从而得到试算的上游测量断面水深，未使用脚标则表示所有参 数均为X所对应位置上的参数； 判断的步骤：用于对 Lr/ -Ji I > 〇. OOlm 进行判断，如果上式成立，则修正糙率值，=Y +馬，将修正糙率值，作为新的试算糙 率Y并回到"计算的步骤"，否则结束计算，将试算糙率Y作为糙率测定值4俞出，其中馬 为修正糙率时所取的差量。
[0006] 进一步的，所述的糙率测定允许相对不确定度本的取值范围是：1%~5%。
[0007] 进一步的，所述的糙率试算的下边界值馬的取值范围是：0. 005~0. 01。
[0008] 进一步的，所述的修正糙率时所取的差量馬的取值范围是：0. 0001~0. 0003。
[0009] 本发明产生的有益效果是：本发明所述方法利用测量不确定度理论，评估原型观 测方案的科学性，分析水位、流量测量仪器的精度及流量仏测量断面间距Z对糙率测定结 果不确定性的综合影响，并可根据设定的相对不确定度，确定合理的满卩以直。在此基础上， 开展糙率原型观测。在Λ的计算环节，精细考虑长距离输水渠道结构和水力特性的沿程变 化，采用微分形式的恒定渐变流方程试算求解/7。本发明有助于提供糙率原型观测方案的合 理性，能够科学、快速设定原型观测方案，提高工作效率，避免不必要的人力、物力浪费。
【附图说明】
[0010] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0011] 图1是本发明的实施例一所述方法的流程图； 图2是本发明的实施例一所述方法的字母标记示意图。
【具体实施方式】
[0012] 实施例一： 本实施例是一种长距离输水渠道糙率原型观测测定方法，所述方法的步骤如下，所述 方法的流程如图1所示： 初拟糙率原型观测方案的步骤：用于初拟原型观测流量'确定下游测量断面位置，确 定该断面水深Λ。，初拟测量断面间距4。首先对被测渠道进行勘察和观测，根据渠道的多 年运行情况选定其多年平均输水流量为原型观测流量，同时选择断面形状规则、渠道走向 平顺的渠段，在其下游设置测量断面，量测该断面的水深，初拟测量断面间距，确定上游测 量断面。如果是新设计的一条渠道，则寻找一条与新设计的渠道类似的渠道进行调研，同时 拟定上述数据。图2是一段两道节制闸之间渠道的示意图，以说明一些符合的意义。
[0013] 计算上游测量断面水深的步骤：用于根据渠道结构及水力参数沿程变化情况，划 分求解分段单元，并设定统一的仿真计算距离步长?，以從为上游边界条件， Λ。为下游边 界条件，以设计糙率^为计算糙率，求解明渠恒定渐变流方程：
计算上游测量断面水深_Fl。，式中，X为渠道沿程距离，J为渠道水深，力为水面宽，6·。为 Ila:: 渠道底坡，S为水力坡度，$ 5 ,砂/流量，^为断面面积，A为水力半径，/7为渠道 糙率，未使用脚标则表示所有参数均为X所对应位置上的参数。
[0014] 糙率的影响因素十分复杂，致使值不易准确确定，而且无法直接获得，要通过其 他水力要素的原型观测，利用公式计算求得。通常使用的糙率计算公式为式：
进行计算，式中，λ为渠道糙率，^为流量(m3/s)，6·。为底坡，完为重力加速度，j为水深 (m)，下标" 1"为渠道上游测量断面，下标"2"为渠道下游测量断面，Z为上下游测量断面间 距，J为断面面积（m 2)，劝水力半径（m)，如图2所示，其中：
[0015] 为计算上游测量断面水深Λ。，使用微分形式的明渠恒定渐变流方程：
式中：χ为渠道沿程距离，J为渠道水深，及为水面宽，5·。为渠道底坡，S为水力坡度， s = ^为流量，J为断面面积，为水力半径，Λ为渠道糙率。 ...参
[0016] 根据渠道结构及水力参数沿程变化情况，划分求解分段单元，并设定统一的仿真 计算距离步长Λ。对于输水渠道，为保证水面线连接平顺，?通常设定在50m~100m。以" 为上游边界条件，Λ。为下游边界条件，以设计糙率& (即设计阶段设计方根据施工工艺等 因素设定的渠道糙率)为计算糙率A采用标准四阶龙格-库塔法求解微分形式的明渠恒定 渐变流方程（3 )，获得沿程水深分布，推算出上游测量断面水深。
[0017] 计算灵敏系数的步骤：用于将各个渠道参数和水力参数带入公式： dn^CxdQ^ Qdyj+ Qdy2 求解系数 其中：隹纖丨为流量灵敏系数，:翁为上游水深灵敏系数_为下游 ：i dQ 水深灵敏系数。
[0018] 测量仪器的误差是必须考虑的因素，而传统的测量公式没有考虑测量仪器误差的 影响，计算的方法是： 将式（2)按一阶泰勒公式形式展开，略去高阶误差项，可得：
?η=εχ?〇^ C2CJy1+ C^dy2 (4) 将上述各个步骤所计算和确定的水深J1。、Λ。、流量從、设计糙率水力学参数及复 核过的渠道结构参数带入式（4)，求解系数C1为流量灵敏系数，C2、G为水深灵敏系 数。
[0019] 计算测量仪器的均方根差的步骤：用于将流量测量仪器的基本误差i(，水位量测 仪器的基本误差4带入公式：
计算测量仪器的均方根差〃 "。
[0020] 考虑多种因素的误差影响，可以使用各种方式，本实施例采用了均方根差的方法， 因此需要计算各个仪器所造成误差的均方根差。
[0021] 设流量测量仪器的基本误差4 (m3/s)，水位量测仪器的基本误差#2 (m)。将仪器 的误差与灵敏系