闸门调控下的灌溉渠道非恒定流数值模拟研究

摘要

中国水资源供需矛盾日益尖锐,但农业用水浪费非常严重,一个不容忽视的原因是中国灌区水量与流量调控技术粗放落后.闸门在灌溉渠道中起着调节流量、控制水位的作用,其开度的变化直接影响到渠道中的水流状况,研究闸门开度变化所引起的渠道水流状况的过渡过程及其影响因素对优化闸门调节方式,从而改进灌区流量调控技术有重要意义.该文对闸门调控下灌溉渠道中的明渠非恒定流过渡过程进行了初步研究.研究内容主要包括两个方面:(1)渠段运行及闸门的调控方式和闸下出流.对灌区常用的上游定水深、下游定水深和常蓄量三种渠段运行方式的优势和不足进行了比较.讨论了闸门的调控方式即顺序调控、同步调控和选择调控的使用情形.对闸孔自由出流和淹没出流时流量和流量系数公式进行了分析和讨论,借鉴Prabhata拟合的闸孔出流流量系数函数式,并应用其于该文数值求解圣·维南方程的编程之中.(2)灌溉渠道非恒定流的数值模拟及结果分析.数值模拟采用了矩形网格特征线法,研究对象为由节制闸控制的单个渠段,研究得出的主要结论有:①上游定水深,下游变流量时渠段上游流量和下游水深(或下游定水深,上游变流量时下游流量和上游水深)经历一段时间后都趋于稳定,且流量趋近的稳定值为渠段另一端流量调节的目标值;初始流量和调节时间相同时,流量变幅越大引起的渠段水流波动越大,趋于稳定的时间越长.②在其它条件均相同的情况下,渠段按下游定水深运行优于按上游定水深运行.③在流量调节时段内,闸孔出流流量系数基本呈线性规律变化;在流量调节时段外,流量系数仍有变化,且流量变幅越大,流量系数的变化越强烈,随着闸门上游端水深趋于稳定,流量系数的变化逐渐减弱,最后该系数趋于一个稳定值.④在流量调节时段内,闸孔出流不出现自由出流向淹没出流(或淹没出流向自由出流)过渡时,流量对时间的线性变化几乎对应于闸门开度对时间的直线变化;闸孔出流出现自由出流向淹没出流(或淹没出流向自由出流)过渡时,闸门开度成折线形式的变化,可以拟合成以时间为自变量的线性分段函数.在流量调节时段外,闸门开度呈波浪状,并趋于一个稳定的开度G<,o稳定>,这个开度并不等于流量调节结束时的闸门开度G<,o调节>,在流量变幅为正时,G<,o稳定>较G<,o调节>小;而在流量变幅为负时,G<,o稳定>较G<,o调节>大.⑤该文依据下面三个条件确定了闸门开度的线性调节函数式:闸门调节前的开度值;流量按某一线性规律调节为某一流量时,闸门的稳定开度G<,o稳定>;流量调节时段内闸门开度随时间变化的拟合曲线斜率k和截距l.闸门开度按给出的线性函数式调节时,闸孔出流流量随时间基本按线性规律变化;闸孔出流出现自由出流向淹没出流(或淹没出流向自由出流)转变时,流量过程线呈折线,而后流量基本维持稳定不变.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究历史及现状

1.2.1国外研究历史和现状

1.2.2国内研究历史和现状

1.3本文的研究内容和方法

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

第二章灌溉渠道中的非恒定流及数值方法

2.1明渠非恒定流基本理论及控制方程组

2.2明渠非恒定流的水位流量关系

2.3灌溉渠道中的非恒定流

2.4灌溉渠道非恒定流的数值方法

2.4.1特征线法

2.4.2差分法

第三章边界条件及初始条件

3.1内边界条件

3.1.1汉点处流量及能量相容条件

3.1.2闸门处的流量及能量相容条件

3.1.3其它类型的内边界条件

3.2外边界条件

3.2.1流量为时间的函数

3.2.2流量为水位的函数

3.2.3水位为时间的函数

3.3初始条件

第四章灌溉渠道的运行控制及闸门调控方式

4.1灌溉渠道的运行及控制方式

4.1.1灌溉渠道及渠段的运行方式

4.1.2灌溉渠道的控制方式

4.2灌溉渠道中的闸门及调控方式

4.2.1闸门类型

4.2.2闸门的调控方式

4.3闸下出流

4.3.1闸下出流的四种状况

4.3.2闸孔出流

4.3.3闸孔自由出流和淹没出流的经验公式

第五章闸门调控下的灌溉渠道非恒定流过渡过程

5.1需水或引水流量变化下的渠段非恒定流过渡及闸门调控过程

5.1.1上游定水深，下游流量按某一线性规律改变

5.1.2下游定水深，上游流量按某一线性规律改变

5.2闸门开度调节引起的渠段非恒定流过渡过程

5.2.1上游定水深时的下游闸门调控

5.2.2下游定水深时的上游闸门调控

第六章结论

致谢

参考文献

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