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水 利 学 报

２０２５年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０２ － ０２５３ － １３

末级渠道测控闸门自由出流流量模型试验研究

刘恬恬，吴文勇，胡雅琪，李子明
（中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 １０００４８）

摘要：当前农业灌溉末级渠道出口无测流设备或者设备精度偏低，获得的出口流量误差较大，以致难以实现渠系
的智能配水任务。为此研制开发了一套可以精确测量末级渠道出口流量的测控闸门设备。本文分析了测控闸门的
水力特性，并对测控闸门不同开度 ｅ下的流态进行了辨识，之后基于布金汉（Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ）定理和最小二乘法，建
立了闸门结构测流模型，最后对模型精度进行了分析评价。研究结果表明：测控闸门相对开度较高时，过闸水流
为堰流，反之为孔流，两者流态转变的阈值临界相对开度（ ｅ?Ｈ） 为 １．０３３；根据测控闸门不同开度所构建的闸门
ｃ
测流结构的流量计算模型的相对误差平均值为 ４．７％，比矩形薄壁堰测流公式的计算精度平均提高 ２６．３％，孔流模
型误差小于 ２．９％；测控闸门的 ｅ?Ｈ＞０．１４时，为大孔口出流，孔口流量系数为 ０．７；反之为小孔口出流，孔口流
ｃ
量系数为 ０．８４６。研究成果可为末级渠道智能闸门流量监控技术的精度提升提供借鉴。
关键词：测控闸门；流量系数；量纲分析；精度评价；末级渠道量水
＋
中图分类号：ＴＶ６９８．１８
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０５１５
１ 研究背景

渠道量水精度提升对灌区科学调度和节约用水至关重要 ［１ － ２］ 。随着现代测流技术的应用，国内外
灌区干、支渠的量水技术已得到快速发展 ［３ － ４］ ，然而，经济适用的末级渠道量控设备量水精度偏低，
制约着灌区的现代化进程。
闸门调控是输配水系统中常见的流量控制手段，依靠调整闸门开度来控制流量，在缓坡渠道中表
现出较好的适应性 ［５］ 。测控闸门存在堰流与孔流两种流态，不同流态的流量计算存在差异，因此，闸
门流态判别是进行流量精确计算的前提。Ａｌｍｉｎａｇｏｒｔａ等 ［６］ 对矩形闸门无孔流态和孔口流态之间的水力
过渡进行了分析；杨志 ［７］ 针对干渠闸门提出了自由出流和淹没出流的判别条件；郭永鑫等 ［８］ 针对弧形
闸门提出将综合能耗系数作为闸孔淹没出流的流态辨识参数；杨林等 ［９］ 结合具体工程分析了双向翻转
弧形闸门不同过闸流态下的水力特性。目前针对过闸堰流的流量计算多采用矩形薄壁堰经验公式，但
测控闸门属于厚壁测流结构，其水流特性与传统矩形薄壁堰有本质区别，以致矩形薄壁堰计算公式结
果误差较大，可能导致过闸流量被高估。为精准计算过闸流量，Ｓｉｌｖａ等 ［１０］ 提出闸下流量可以通过能
量—动量法、孔口流量方程和量纲分析来确定；Ｆｅｒｒｏ ［１１ － １２］ 借助量纲分析、自相似理论和动量方程，推
导了自由出流条件下薄壁平板闸门水位—流量关系，并将其推广至淹没出流。王文娥等 ［１３］ 对 Ｕ型渠
道中的量水平板建立了流量计算模型。管光华等 ［１４］ 结合理论分析和数值模拟，建立了基于实测数据率
定的平板闸门水位—流量模型，其模型准确度较高。李琳等 ［１５］ 研究了梯形板闸在自由出流条件下的流
态和水面变化，并建立了流量计算方法。吴润兰等 ［１６］ 对适用于大中型灌区的测控一体闸进行了流量精

收稿日期：２０２４ － ０８ － ０９；网络首发日期：２０２５ － ０１ － ０７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２５０１０６．１３５１．００１
基金项目：国家重点研发计划课题项目 （２０２２ＹＦＤ１９００８０４）
作者简介：刘恬恬（ １９９５ － ），博士生，主要从事渠系测控设备研发与数值模拟研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｔｉａｎ６１３＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：吴文勇（１９７７ － ），博士，正高级工程师，主要从事节水灌溉理论技术与装备研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｗｕｗｅｎｙｕ＠１２６．ｃｏｍ
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