一种长距离输水渠道糙率原型观测测定方法

摘要

本发明涉及一种长距离输水渠道糙率原型观测测定方法，包括：初拟糙率原型观测方案；计算上游测量断面水深；计算灵敏系数；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；调整；实测；计算；判断。本发明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、测量断面间距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，确定合理值，并据此开展糙率原型观测。在计算环节，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糙率，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。

说明书

技术领域

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

糙率（n）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。

糙率的影响因素十分复杂，致使n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Q和上下游测量断面水深y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0.5mm，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

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。

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Q₀，确定下游测量断面位置，确定该断面水深y₂₀，初拟测量断面间距L₀；

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dx，以Q₀为上游边界条件，y₂₀为下游边界条件，以设计糙率n_d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y₁₀，式中，x为渠道沿程距离，y为渠道水深，B为水面宽，s₀为渠道底坡，s为水力坡度，Q为流量，A为断面面积，R为水力半径，n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；

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=C₁dQ+C₂dy₁+C₃dy₂

求解系数C₁~C₃，

其中：为流量灵敏系数，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M₁，水位量测仪器的基本误差M₂带入公式：

计算测量仪器的均方根差σ_n；

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σ_n带入公式：

σ_n/n_d≤K₁

对初拟原型观测流量Q₀和初拟测量断面间距L₀进行评估，如果上式成立则将初拟原型观测流量Q₀确定为原型观测流量Q，将初拟测量断面间距L₀确定为测量断面间距L，并进入“实测的步骤”，否则进入下一步骤，其中，K₁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Q₀和初拟测量断面间距L₀进行调整，如果│C₁│＞│C₂│，则增加Q₀，如果│C₁│≤│C₂│，则增加L₀，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L设置测量仪器，实测流量Q’，以及上游测量断面水深y₁和下游测量断面水深y₂；

计算的步骤：用于以实测的下游测量断面水深y₂为下游边界条件，以实测的流量Q’为渠道流量，设定糙率试算初始值n’=n_d-K₂，其中：K₂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y₁’，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

|y₁’-y₁|＞0.001m

进行判断，如果上式成立，则修正糙率值n”=n’+K₃，将修正糙率值n”作为新的试算糙率n’并回到“计算的步骤”，否则结束计算，将试算糙率n’作为糙率测定值n输出，其中K₃为修正糙率时所取的差量。

进一步的，所述的糙率测定允许相对不确定度K₁的取值范围是：1%~5%。

进一步的，所述的糙率试算的下边界值K₂的取值范围是：0.005~0.01。

进一步的，所述的修正糙率时所取的差量K₂的取值范围是：0.0001~0.0003。

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Q、测量断面间距L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Q和L值。在此基础上，开展糙率原型观测。在n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n。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

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

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

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Q₀，确定下游测量断面位置，确定该断面水深y₂₀，初拟测量断面间距L₀。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。

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dx，以Q₀为上游边界条件，y₂₀为下游边界条件，以设计糙率n_d为计算糙率，求解明渠恒定渐变流方程：

（1）

计算上游测量断面水深y₁₀，式中，x为渠道沿程距离，y为渠道水深，B为水面宽，s₀为渠道底坡，s为水力坡度，，Q为流量，A为断面面积，R为水力半径，n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。

糙率的影响因素十分复杂，致使n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：

（2）

进行计算，式中，n为渠道糙率，Q为流量（m³/s），s₀为底坡，g为重力加速度，y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，L为上下游测量断面间距，A为断面面积（m²），R为水力半径（m），如图2所示，其中：

。

为计算上游测量断面水深y₁₀，使用微分形式的明渠恒定渐变流方程：

（3）

式中：x为渠道沿程距离，y为渠道水深，B为水面宽，s₀为渠道底坡，s为水力坡度，，Q为流量，A为断面面积，R为水力半径，n为渠道糙率。

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dx。对于输水渠道，为保证水面线连接平顺，dx通常设定在50m~100m。以Q₀为上游边界条件，y₂₀为下游边界条件，以设计糙率n_d（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n，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y₁₀。

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=C₁dQ+C₂dy₁+C₃dy₂

求解系数C₁~C₃，

其中：为流量灵敏系数，为上游水深灵敏系数，为下游水深灵敏系数。

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：

设变量，，，则上式变换为：

dn=C₁dQ+C₂dy₁+C₃dy₂（4）

将上述各个步骤所计算和确定的水深y₁₀、y₂₀、流量Q₀、设计糙率n_d等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~C₃。C₁为流量灵敏系数，C₂、C₃为水深灵敏系数。

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M₁，水位量测仪器的基本误差M₂带入公式：

计算测量仪器的均方根差σ_n。

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。

设流量测量仪器的基本误差M₁（m³/s），水位量测仪器的基本误差M₂（m）。将仪器的误差与灵敏系数相乘，作为一个影响因素，并将多个影响因素，求其均方根差。

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σ_n带入公式：

σ_n/n_d≤K₁

对初拟原型观测流量Q₀和初拟测量断面间距L₀进行评估，如果上式成立则将初拟原型观测流量Q₀确定为原型观测流量Q，将初拟测量断面间距L₀确定为测量断面间距L，并进入“实测的步骤”，否则进入下一步骤，其中，K₁为糙率测定允许相对不确定度，通常设定1%~5%。其设定依据是：对于长距离输水渠道，糙率多在0.013~0.015，K₁值设为5%时对应的糙率误差在0.001左右，测定精度可以接受；K₁值设为1%时对应的糙率误差在0.0002左右，测定精度优良，完全可满足工程需求。对于距离长，可用水头宝贵的输水渠道，K₁宜取小值。

根据确定的Q和L则可以确定上游断面y₁的位置。

调整的步骤：用于对初拟原型观测流量Q₀和初拟测量断面间距L₀进行调整，如果│C₁│＞│C₂│，则增加Q₀，如果│C₁│≤│C₂│则增加L₀；之后回到“计算上游测量断面水深的步骤”。

调整Q或L：

如果│C₁│＞│C₂│，表明dn对dQ更为灵敏，将Q增加一个增量，回到“计算上游测量断面水深的步骤”再次进行试算。

如果│C₁│≤│C₂│，表明dn对dy更为灵敏，将L增加一个增量，回到“计算上游测量断面水深的步骤”再次进行试算。

确定Q增量时，应参照日常运行时渠道节制闸行程，以方便操作管理，不引发威胁渠道安全的大幅水位流量波动为原则；确定L增量时，以50m~100m为宜，增量过小对灵敏系数影响不显著，计算效率低，增量过大易导致L过大，增加通讯、测量费用和测量结果的不确定性。对于距离长输水渠道，L增量可取大值。

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L设置测量仪器，实测流量Q’，以及上游测量断面水深y₁和下游测量断面水深y₂。

按照确认后的方案，实施糙率原型观测。采用流速仪断面测流精测法（或者走航式声学多普勒流速剖面仪）施测流量Q’，采用高精度水准仪施测上游测量断面水深y₁和下游测量断面水深y₂。

计算的步骤：用于以实测的下游测量断面水深y₂为下游边界条件，以实测的流量Q’为渠道流量，设定糙率试算初始值n’=n_d-K₂，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y₁’，未使用脚标则表示所有参数均为x所对应位置上的参数。K₂用于设定糙率试算的下边界值，其大小反映了人们对糙率设计值与测定值间的偏差范围的判定。根据工程经验，K₂取值范围0.005~0.01，长距离输水渠道的该偏差范围通常在±0.005以内，建议K₂取0.005。

采用标准四阶龙格-库塔法求解方程，获得沿程水深分布，从而得到试算的上游测量断面水深y₁’。

判断的步骤：用于对

|y₁’-y₁|＞0.001m

进行判断，如果上式成立，则修正糙率值n”=n’+K₃，K₃为修正糙率时所取的差量，鉴于渠道工程上糙率测定精度达到0.0002即为优良，因此，K₃的取值0.0001~0.0003。将修正糙率值n”作为新的试算糙率n’并回到“计算的步骤”，否则结束计算，将试算糙率n’作为糙率测定值n输出。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于糙率测定允许相对不确定度K₁的取值范围细化。本实施例所述的糙率测定允许相对不确定度K₁的取值范围是：1%~5%。

K₁取值反映了人们对糙率测定精度要求的高低，对于水头充裕、距离较短的渠道工程，糙率误差的影响相对较小，人们对测量精度要求可较低，允许K₁取大值；对于水头紧张、距离较长的渠道工程，糙率误差的影响相对较大，人们对测量精度要求高，K₁宜取小值。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于糙率试算的下边界值K₂的取值范围的细化。本实施例所述的糙率试算的下边界值K₂的取值范围是：0.005~0.01。

K₂取值反映了人们对糙率设计值与测定值间偏差范围的判定，主要受渠道设计与施工水平影响。对于长距离输水渠道，通常设计单位工程经验丰富，设计方案论证充分，施工机械化水平高，质量控制严格，糙率设计值与测定值间偏差小，通常在0.005以内，可取小值；对于中小规模渠道，设计与施工水平相对较低，糙率设计值与测定值间偏差大，可达到0.01，宜取大值。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于修正糙率时所取的差量K₃的取值范围细化。本实施例所述的修正糙率时所取的差量K₃的取值范围是：0.0001~0.0003。

K₃反映了糙率修正的精度，对于水头充裕、距离较短的渠道工程，糙率修正精度要求较宽松，K₃可取大值；对于水头紧张、距离较长的渠道工程，糙率修正精度要求严格，K₃宜取小值。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如各个系数的取值范围、各个步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。