一種長距離輸水渠道糙率原型觀測測定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種長距離輸水渠道糙率原型觀測測定方法，是一種水工設計參數的 觀測測定方法。
【背景技術】
[0002] 糙率（Λ)是渠道表面的粗糙程度和邊壁形狀不規則的綜合表征，也是表達水流經 過渠道所受阻力的綜合系數，反映了渠道工程的設計、施工、管理水平。糙率是決定渠道過 水能力的重要參數，對于長距離輸水渠道，實際糙率與設計糙率的微小偏差，將對工程造價 及日后運行管理產生重大影響。通過原型觀測準確測定渠道的真實糙率，一方面可為復核 渠道的實際過流能力提供參數，從而為工程運行調度服務；另一方面，通過積累渠道糙率的 成果，為后續同類型渠道設計、施工與管理提供經驗，為后續工程優化設計，降低投資提供 參考。
[0003] 糙率的影響因素十分復雜，致使η值不易準確確定，而且無法直接獲得，需要通過 其他水力要素的原型觀測，利用公式計算求得。糙率原型觀測中，流量滿P上下游測量斷面 水深J是主要的量測對象，也是決定糙率測定效果是否可靠的關鍵。由于測量儀器均存在 固有的基本誤差，對于長距離輸水渠道，微小的儀器基本誤差可能導致嚴重的糙率測定偏 差。如在一次測量中，水尺的測量精度達0.5_，海流儀的測量流速精度達±1.5%。然而在 7個測試段中，有3段的糙率測定結果不確定度接近10%，成為不可靠數據。這不僅浪費了 大量的人力、物力，還錯失了原型觀測的寶貴時機。
【發明內容】
[0004] 為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種長距離輸水渠道糙率原型觀測測定 方法。所述的方法采用對于長距離輸水渠道十分重要的高精度的測定公式，充分考慮渠道 沿程的斷面、底坡、邊坡等參數均分段變化，避免結構尺寸方面的誤差因素。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：一種長距離輸水渠道糙率原型觀測測定方法，所述 方法的步驟如下： 初擬糙率原型觀測方案的步驟：用于初擬原型觀測流量'確定下游測量斷面位置，確 定該斷面水深Λ。，初擬測量斷面間距 計算上游測量斷面水深的步驟：用于根據渠道結構及水力參數沿程變化情況，劃分求 解分段單元，并設定統一的仿真計算距離步長?，以從為上游邊界條件，Λ。為下游邊界條 件，以設計糙率^為計算糙率，求解明渠恒定漸變流方程：
計算上游測量斷面水深_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，未使用腳標則表示所有參數均為X所對應位置上的參數； 計算靈敏系數的步驟：用于將各個渠道參數和水力參數帶入公式： ?η=εχ?〇^ ε2?γχ+ CiCly2 求解系數 其中：
3流量靈敏系數，:_::= ^為上游水深靈敏系數，·為下 游水深靈敏系數； 計算測量儀器的均方根差的步驟：用于將流量測量儀器的基本誤差水位量測儀器 的基本誤差4帶入公式：
計算測量儀器的均方根差〃 評估原型觀測方案的相對不確定度的步驟：用于將測量儀器的均方根差帶入公 式： 〇J n ^ K1 對初擬原型觀測流量從和初擬測量斷面間距/〇進行評估，如果上式成立則將初擬原型 觀測流量從確定為原型觀測流量β將初擬測量斷面間距/〇確定為測量斷面間距Ζ，并進入 "實測的步驟"，否則進入下一步驟，其中，本為糙率測定允許相對不確定度； 調整的步驟：用于對初擬原型觀測流量從和初擬測量斷面間距/〇進行調整，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"計算上游測量斷 面水深的步驟"； 實測的步驟：用于根據確定的下游測量斷面位置和測量斷面間距Z設置測量儀器，實 測流量W，以及上游測量斷面水深和下游測量斷面水深r2; 計算的步驟：用于以實測的下游測量斷面水深Λ為下游邊界條件，以實測的流量W為 渠道流量，設定糙率試算初始值i/ = AT馬，其中：馬為設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量斷面水深，未使用腳標則表示所有參 數均為X所對應位置上的參數； 判斷的步驟：用于對 Lr/ -Ji I > 〇. OOlm 進行判斷，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"計算的步驟"，否則結束計算，將試算糙率Y作為糙率測定值4俞出，其中馬 為修正糙率時所取的差量。
[0006] 進一步的，所述的糙率測定允許相對不確定度本的取值范圍是：1%~5%。
[0007] 進一步的，所述的糙率試算的下邊界值馬的取值范圍是：0. 005~0. 01。
[0008] 進一步的，所述的修正糙率時所取的差量馬的取值范圍是：0. 0001~0. 0003。
[0009] 本發明產生的有益效果是：本發明所述方法利用測量不確定度理論，評估原型觀 測方案的科學性，分析水位、流量測量儀器的精度及流量仏測量斷面間距Z對糙率測定結 果不確定性的綜合影響，并可根據設定的相對不確定度，確定合理的滿卩以直。在此基礎上， 開展糙率原型觀測。在Λ的計算環節，精細考慮長距離輸水渠道結構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。本發明有助于提供糙率原型觀測方案的合 理性，能夠科學、快速設定原型觀測方案，提高工作效率，避免不必要的人力、物力浪費。
【附圖說明】
[0010] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0011] 圖1是本發明的實施例一所述方法的流程圖； 圖2是本發明的實施例一所述方法的字母標記示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 實施例一： 本實施例是一種長距離輸水渠道糙率原型觀測測定方法，所述方法的步驟如下，所述 方法的流程如圖1所示： 初擬糙率原型觀測方案的步驟：用于初擬原型觀測流量'確定下游測量斷面位置，確 定該斷面水深Λ。，初擬測量斷面間距4。首先對被測渠道進行勘察和觀測，根據渠道的多 年運行情況選定其多年平均輸水流量為原型觀測流量，同時選擇斷面形狀規則、渠道走向 平順的渠段，在其下游設置測量斷面，量測該斷面的水深，初擬測量斷面間距，確定上游測 量斷面。如果是新設計的一條渠道，則尋找一條與新設計的渠道類似的渠道進行調研，同時 擬定上述數據。圖2是一段兩道節制閘之間渠道的示意圖，以說明一些符合的意義。
[0013] 計算上游測量斷面水深的步驟：用于根據渠道結構及水力參數沿程變化情況，劃 分求解分段單元，并設定統一的仿真計算距離步長?，以從為上游邊界條件， Λ。為下游邊 界條件，以設計糙率^為計算糙率，求解明渠恒定漸變流方程：
計算上游測量斷面水深_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，未使用腳標則表示所有參數均為X所對應位置上的參數。
[0014] 糙率的影響因素十分復雜，致使值不易準確確定，而且無法直接獲得，要通過其 他水力要素的原型觀測，利用公式計算求得。通常使用的糙率計算公式為式：
進行計算，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" 1"為渠道上游測量斷面，下標"2"為渠道下游測量斷面，Z為上下游測量斷面間 距，J為斷面面積（m 2)，勸水力半徑（m)，如圖2所示，其中：
[0015] 為計算上游測量斷面水深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] 根據渠道結構及水力參數沿程變化情況，劃分求解分段單元，并設定統一的仿真 計算距離步長Λ。對于輸水渠道，為保證水面線連接平順，?通常設定在50m~100m。以" 為上游邊界條件，Λ。為下游邊界條件，以設計糙率& (即設計階段設計方根據施工工藝等 因素設定的渠道糙率)為計算糙率A采用標準四階龍格-庫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，推算出上游測量斷面水深。
[0017] 計算靈敏系數的步驟：用于將各個渠道參數和水力參數帶入公式： dn^CxdQ^ Qdyj+ Qdy2 求解系數 其中：隹纖丨為流量靈敏系數，:翁為上游水深靈敏系數_為下游 ：i dQ 水深靈敏系數。
[0018] 測量儀器的誤差是必須考慮的因素，而傳統的測量公式沒有考慮測量儀器誤差的 影響，計算的方法是： 將式（2)按一階泰勒公式形式展開，略去高階誤差項，可得：
?η=εχ?〇^ C2CJy1+ C^dy2 (4) 將上述各個步驟所計算和確定的水深J1。、Λ。、流量從、設計糙率水力學參數及復 核過的渠道結構參數帶入式（4)，求解系數C1為流量靈敏系數，C2、G為水深靈敏系 數。
[0019] 計算測量儀器的均方根差的步驟：用于將流量測量儀器的基本誤差i(，水位量測 儀器的基本誤差4帶入公式：
計算測量儀器的均方根差〃 "。
[0020] 考慮多種因素的誤差影響，可以使用各種方式，本實施例采用了均方根差的方法， 因此需要計算各個儀器所造成誤差的均方根差。
[0021] 設流量測量儀器的基本誤差4 (m3/s)，水位量測儀器的基本誤差#2 (m)。將儀器 的誤差與靈敏系