[导读] 明渠流量测量是灌溉用水管理的基本条件，传统的测流方法尽管很多，但绝大多数需要人工参与判别水流流态以选取流量公式及其它相关参数或采用成本较高的特制测流装置，费时费力不经济。这里利用微处理器技术和人工智能技术，设计出用于档水闸门的智能型明渠流量计，可以自动完成流态判别、流量公式和流量参数选择，实时获得明渠流量。它是一种成本低，精度高，安装使用简便，可广泛应用的明渠流量测量仪表。
1 引言
明渠（人工渠道、天然渠道和未充满水的管道）水流可能是恒定流，也可能是非恒定流；可能是均匀流，也可能是非均匀流。渠道断面形状有梯形、矩形、圆形和U型等。针对不同的情况，研制出多种测量流量（以下简称为量水）的方法和设施，大致可分为利用水工建筑物量水，如启闭式闸涵、跌水口、涵管放水口、渡槽、倒虹吸等；利用特设量水设备量水，如各种堰槽、喷嘴、分流计、水表等；利用仪表或其它特制的装置量水。而其中利用水工建筑物量水是最经济的方法。
常见的挡水闸门可分为平板型和拱型两种，其水力特性明显不同。同时，闸门在渠道安装位置不同。闸底结构不同、边坡形状不同、水力特性也不同。此外，即便同一闸门随着开启度的变化，水流通过闸门时水力特性可能从自由出流过渡过淹没出流。因此，在利用启闭式挡水闸门量水时，工作人员必须根据观测的水位、闸门开启度判别出流形态，再选择相应的流量公式和流量系数，计算流量或根据预先绘制的水位流量关系图求取流量。显然，无法实现实时流量计量，工作人员工作量也很大。针对此种情况，提出的用于档水闸门的智能型明渠流量计，利用现代微处理器技术、传感器技术和电子技术，根据闸门上下游水位和闸门开度，自动判别流态，并选择相应的流量公式和流量系数，进人预先设定的计算流程，计算流量，实现流量的自动测量，为灌区自动化信息系统提供基础数据保障。
2 平板型闸门的水力特性分析
垂直安装的平板型挡水闸门闸底分无底坎（平坎）、实用堰坎、宽顶堰坎等，出流形式包括自由出流和淹没出流。当闸门开启度达到一定数值时，闸门下沿与液面脱离，出现闸孔出流的极限情况，即堰流。闸后又分为有跌坎和无跌坎两种情况。从而，对于上述不同情况，流体通过闸门的水力特性将有所不同。为了说明流体水力特性本质，以水平地面、二维闸孔自由出流和淹没出流加以分析。
2.1 闸孔自由出流
图1（a）为自由出流情况，若以渠底为基准面，对1-1、c-c 断面列写伯努利方程得
〔1）
这里，阻力损失hω主要是局部损失
令
则式（1）写为
即
〔2）
令
为流速系数，υc为收缩断面平均流速。由ε=Ac/A，Ac=B·hε=ε·B·e，A=B·e，hc=εe，可得闸孔自由出流流量公式
（3）
式中：μ＝Φe为闸孔自由出流流量系数；B为闸孔宽度；闸孔流速系数Φ主要依闸孔进口条件而定，对无底坎闸，Φ= 0.95~1.0；ε主要决定于闸底坎及闸门形式、闸门相对开度e/H的值。
2.2 闸孔淹没出流
图1（b）为水平底面、二维闸孔淹没出流。此时，收缩断面被淹没，主流水深仍为hc，旋涡表面水深为hz。由于收缩断面被淹没，出流的有效作用水头由（H0- hc）变为（H0- hz），从而影响到闸孔的泄流能力。类似于前面的推导，对过流断面1-1和收缩断面c-c 写伯努利方程，最后可得闸孔淹没出流的流量公式为
（4）
式中：μ为闸孔淹没出流的流量系数，一般认为与闸孔自由出流的流量系数相同。
hz需借助动量方程专门计算。取断面c-c 和断面2-2间水体为隔离体，并认为断面c-c、2-2上的压强符合静水压强分布规律，因此可得：
式中：
将其代人上式，并与式（4）联立求解，得
（5）
式中
。
如果已知H0、ht及闸门开度e，即可由（5）式求得hz，进而由式（4）求得流量。
2.3 闸孔出流流量计算流程
平板型闸门可测参数为闸前水位H、闸后下游水位ht和闸门开启度e，通过水力学推导或实验标定可获取流速系数Φ和收缩系数ε。在获得上述参数后，利用式（3）~（5）尚无法直接求取流量Q，须根据一定的流程采用试算法进行计算。闸孔出流情况下其计算流程为：
步骤一：闸前水头H0的推算。
假定H0＝H，利用（3）式计算Q，根据Q计算
再计算
以新的H0再次计算Q，如此重复计算，直至相邻两次Q的差值小于控制误差。
步骤二：判别出流条件（自由出流还是淹没出流）。
当下游实际水深ht 大于以收缩端面水深为跃前水深的跃后共轭水深时，将出现淹没出流。因此，判断的关键是计算跃后共轭水深。其计算公式为：
式中Frc称为佛汝德数。
工程上认为当h′c>e时为淹没出流。根据上一步计算的Q求取υc及共轭水深，判定出流状况。如果为自由出流，则步骤一计算的流量即为此时的流量。否则进人步骤三。
步骤三：以步骤一推算的H0并按照式（4）、式（5）计算流量Q，再计算此时的υ0和H0，与步骤一相同重复计算直至相邻两次Q的差值小于控制误差，即为淹没出流流量。
2.4 启闭式挡水闸门流态判别和流量公式
前面针对平板型平底安装的闸门在闸孔出流（也称为有闸控制出流）情况下流态判定和流量计算进行了分析，文献[1]详细列出了其它情况下的流态判别条件和流量计算公式及相关系数值。
3 智能型明渠流量计的硬件组成
智能型明渠流量计是以微处理器为核心的流量信息处理系统。它接收来自挡水闸门上游、下游水位及闸门开启度传感器信号，依据前面介绍的方法实时分析通过闸门水流的流态，选择合适的流量计算流程和算式进行流量计算，将结果就地显示。同时经输出接口以有线或无线方式远传，以便构成灌区信息管理系统。也可储存在附加的存储器中，由工作人员定期转存到相应的信息系统。其硬件结构如图2所示。
为了适应目前通行的各种现场总线，通信接口设计为插件结构，可根据需要装配不同插件。电源系统既可采用交流电源供电，也可采用蓄电池供电，以便适应现场测量需要。
4 软件系统设计
智能型明渠流量计要解决的核心问题是根据挡水闸门上游和下游水位及闸门开启度数据自动、准确地判定流态，依据流态选取合适的流量计算公式，进人相应的计算流程。同时，为了保证测量精度，能够自动根据现场环境对温度、水流密度等因素造成的水位误差进行修正。
从目前大多数垂直安装的明渠挡水闸门看，可分为以下3类：闸底平、闸后无跌坎，闸后底宽等于或大于入口宽；闸后有跌坎，离闸不超过40cm，闸后底宽等于或大于入口宽；带弧形闸门，闸底平，闸门支点处无跌坎。
从闸门安装位置分，有渠中安装和渠边安装；从放水孔数量分，有单孔和多孔；从建筑物进口型式（即翼墙型式）分，有渐变形翼墙、非渐变平翼墙和八字形翼墙。这些变化都将影响流量系数。在软件设计时，由程序指导操作人员以菜单形式手工选择，以便在流态判定、流量计算中选择正确的流程和参数。闸门升起，其开度e与闸前上游水位之比大于0.65，即e/H>0.65属于水力学上的堰流，否则为闸孔出流。无论堰流还是闸孔出流，根据闸后渠底结构和下游水位不同，都有可能出现自由出流和淹没出流两种流态。堰流或闸孔出流、自由出流或淹没出流均由软件系统自动判别。
各种情况下的流速系数、流量系数、收缩系数及其它水力参数，以表的形式存储于微处理器的内存中。软件的主流程如图3所示。
5 结束语
智能型明渠流量计在实验室与压力式水位计联合进行了测流试验，根据闸门不同开度，水流流态的自动判别准确率达到99%。在水位计、闸门开度仅精度为1%的情况下，流量测量最大误差小于2%。完全可以满足工程测流的需要，具有良好的应用前景。
需要指出的是，流量的测量是基于闸前和闸后水位和闸门开度数据，它们的精度直接影响流量的精度，因此实际使用时必须按照国家相关规范选择和安装水位计。同时，相关流态情况下的流速系数、流量系数是与渠道形状、闸门安装形式等因素有关。该流量计按照目前国内普遍使用的平板和弧形闸门进行设计，如果现场情况不符，可以通过标定获取相关参数。