CN103675328A - 一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法，该方法先假定恒定状态、水流方向无浓度梯度条件下简化扩散方程，然后根据泥沙扩散理论做出假设，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量，最后得到悬移质泥沙群体的沉速，本发明可同时适用于实验室和现场，针对细颗粒悬移质，不管实际中是否发生絮凝，该方法都能适用，该方法可以测得沉速沿水深的分布以及沉速随含沙量的变化，较传统的测量方法效果更好。

Description

一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法

技术领域

本发明属于泥沙颗粒沉速研究领域，尤其涉及一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法。

背景技术

在细颗粒泥沙的四个主要物理过程，即侵蚀、沉降、沉积和固结过程中，沉降速度对于认识和模拟泥沙的输移是尤为重要的一个环节。泥沙颗粒沉速的理论研究中，单颗粒的沉降特性已基本明确，粗颗粒的沉降主要受惯性控制，绕流阻力系数为常数，雷诺数较高(Re＞103)，而细颗粒的沉降则主要受粘性控制，一般采用适用于低雷诺数(Re＜＝0.4)的Stokes公式。对于悬移质，尤其是较细的粘性砂和粉砂，在沉降过程中受布朗运动、差速沉降及水流紊动的影响可能发生絮凝，其沉速的变化可达到一个数量级，很难基于理论分析直接求解其沉速，Stokes公式也不再适用。

研究颗粒群体沉速的方法可以分为两大类：沉降试验和流态化试验。流态化方法让流体在垂直容器中自下而上地流动，使得容器内的固体颗粒以一定的浓度悬浮在流体中，此时流体的断面平均流速即为相应浓度颗粒的群体沉速，避免了繁琐而粗糙的沉速计算过程。但该方法仅适用于粒径相对较粗的颗粒，对于沉速较小的细颗粒，试验中很难控制也不易观察其是否达到了稳定的悬浮状态。此外，细颗粒泥沙容易产生絮凝现象，流态化方法很难避免对絮凝结构产生紊动剪切等影响。传统的沉降试验法，如底抽管法或者重复深度吸管法，先让固体颗粒在流体介质中沉降，然后间隔固定时间从沉降筒的不同深度取样，并测量样本的颗粒浓度得到浓度分布及变化过程，进而推求沉速。此方法比较粗糙，沉速计算精度较低，而且不同的取样方法都会对颗粒沉降产生或多或少的干扰，对细颗粒泥沙的干扰尤其明显。例如，欧文管(Owen，1971)类型的接触式测量，通过取样测算浓度进而计算沉速，对个人操作较为敏感(如每次取样快慢不同等)、低浓度时精度较差(样本颗粒数较少不易测量)，尤其对细沙而言，取样容易破坏絮凝结构，导致实验室测得的沉速会比现场测得值小1至2个数量级(Manning，2004a；Owen，1971)。Mantovanelli(2005)研发的SEDVEL(Sedimentation Velocity)是较新的一种接触式测量设备，通过取样检测高灵敏度位移变化来估算沉降泥沙质量，进而计算沉速，但只适用于低浓度。粒子图像技术在亮背景上拍摄暗色泥沙颗粒(或相反)以捕捉颗粒的运动来计算沉速，如INSSEV(Manninget al.，2004b)、VIS(Van Leussen and Cornelisse，1993)、PIV测泥沙沉速(金文等，2005)等。该方法能测得絮凝结构的详细信息，可适用较高的浓度，但不能直接测量浓度，且观测窗口的尺度只有毫米的量级，受分辨率的限制，可观测到的粒径仅限于0.02～0.1mm。较新的激光衍射测量技术(Mikkelsenand Pejrup，2001；Fugate and Friedrichs，2002；等)，其缺陷是只能在低浓度条件下工作(0.2～0.5kg/m3)，适用的粒径范围是0.005mm～0.56mm，太细或者太粗的颗粒都会影响测量的精度，目前应用不多。

此外，上述测量仪器和方法多集中于实验室内的研究，同时适用于实验室和现场测量的方法较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法，旨在解决现有的泥沙群体沉速测量方法适用范围窄、测量精度低的问题。

本发明是这样实现的，一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法，根据泥沙扩散理论间接测得，紊流中的细颗粒泥沙，一方面因各层水团交换而引起泥沙的交换，另一方面因重力作用而发生沉降，当二者达到平衡状态时，可用扩散方程描述。假定恒定状态，并且水流方向无浓度梯度，则扩散方程可简化为：

ωS_v+ε_ydS_v/dy＝0           (1)

式中：ω是泥沙沉速，S_v是泥沙浓度，ε_y是泥沙扩散系数。

可以看出，如果泥沙浓度和扩散系数已知的话，即可获得泥沙的沉速。

根据泥沙的扩散理论，一般有如下假定：

${-\mathrm{\ϵ}}_y{\mathrm{dS}}_v/\mathrm{dy}=\stackrel{\‾}{v^{\′}{S}_v^{\′}}---\left(2\right)$

式中：v为垂向流速，上标′和-分别代表脉动值和平均值。

(1)、(2)两式合并可得：     (3)

${\mathrm{\ωS}}_v=\stackrel{\‾}{v^{\′}{S}_v^{\′}}$

由ADV直接测得瞬时流速，而瞬时含沙量则需标定声波强度和含沙量的关系，根据事先标定好的关系，将声波强度转化为含沙量，得到与流速同步的瞬时含沙量。

进一步，ADV用于室内试验和现场测量时，需要分别进行标定声强和含沙量的关系。

效果汇总

本发明可同时适用于实验室和现场，针对细颗粒悬移质，不管实际中是否发生絮凝，该方法都能适用，该方法可以测得沉速沿水深的分布以及沉速随含沙量的变化，较传统的测量方法效果更好。

附图说明

图1是本发明悬移质泥沙群体沉速的检测方法的流程图。

图2是三峡库区现场测量河段及测点布置。

图3是利用ADV同步测得的瞬时垂向流速和含沙量关系图。

图4是利用本发明测得的三峡库区泥沙群体沉速。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法的流程，如图所示，本发明是这样实现的，一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法包括假定恒定状态、水流方向无浓度梯度、简化扩散方程S101，根据泥沙扩散理论做出假设S102，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量S103，得到悬移质泥沙群体沉速S104。具体步骤如下：

第一步，假定恒定状态、水流方向无浓度梯度、简化扩散方程。

根据泥沙扩散理论间接测得，紊流中的细颗粒泥沙，一方面因各层水团交换而引起泥沙的交换，另一方面因重力作用而发生沉降，当二者达到平衡状态时，可用扩散方程描述。假定恒定状态，并且水流方向无浓度梯度，则扩散方程可简化为：

ωS_v+ε_ydS_v/dy＝0     (1)

式中：ω是泥沙沉速，S_v是泥沙浓度，ε_y是泥沙扩散系数。

可以看出，如果泥沙浓度和扩散系数已知的话，即可获得泥沙的沉速。

第二步，根据泥沙扩散理论做出假设。

根据泥沙的扩散理论，一般有如下假定：

${-\mathrm{\ϵ}}_y{\mathrm{dS}}_v/\mathrm{dy}=\stackrel{\‾}{v^{\′}{S}_v^{\′}}---\left(2\right)$

式中：v为垂向流速，上标′和-分别代表脉动值和平均值。

(1)、(2)两式合并可得：

${\mathrm{\ωS}}_v=\stackrel{\‾}{v^{\′}{S}_v^{\′}}---\left(3\right)$

第三步，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量。

由ADV直接测得瞬时流速，而瞬时含沙量则需标定声波强度和含沙量的关系，根据事先标定好的关系，将声波强度转化为含沙量，得到与流速同步的瞬时含沙量。

第四步，根据公式(3)得出悬移质泥沙群体沉速。

进一步，ADV用于室内试验和现场测量时，需要分别进行标定声强和含沙量的关系。

工作原理

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图2所示，三峡库区现场测量河段及测点布置如下：忠县黄花城的弯道以及分叉处布置8个测量断面，每条断面布置3-4条垂线，共计27条垂线。奉节河段在瞿塘峡入口以及梅溪河入汇处布置5个断面，共计14条垂线。总计在河床的41处实施测量。于2012年汛期7月底至8月初完成测量。现场测量时，三峡入库流量约为50000m³/s。

如图2所示，利用ADV同步测得瞬时垂向流速和含沙量，二者的脉动值即可获得，根据公式(3)即可测得三峡库区泥沙群体沉速，如图4所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法，其特征在于，所述的悬移质泥沙群体沉速的检测方法，先假定恒定状态、水流方向无浓度梯度条件下简化扩散方程，然后根据泥沙扩散理论做出假设，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量，最后得到悬移质泥沙群体的沉速。

2.如权利要求1所述的悬移质泥沙群体沉速的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，根据泥沙扩散理论间接测得，紊流中的细颗粒泥沙，一方面因各层水团交换而引起泥沙的交换，另一方面因重力作用而发生沉降，当二者达到平衡状态时，可用扩散方程描述；假定恒定状态，并且水流方向无浓度梯度，则扩散方程可简化为：

ωS_v+ε_ydS_v/dy＝0            (1)

式中：ω是泥沙沉速，S_v是泥沙浓度，ε_y是泥沙扩散系数；

第二步，根据泥沙的扩散理论，一般有如下假定：

${-\mathrm{\ϵ}}_y{\mathrm{dS}}_v/\mathrm{dy}=\stackrel{\‾}{v^{\′}{S}_v^{\′}}---\left(2\right)$

式中：v为垂向流速，上标′和-分别代表脉动值和平均值；

(1)、(2)两式合并可得：       (3)

${\mathrm{\ωS}}_v=\stackrel{\‾}{v^{\′}{S}_v^{\′}}$

第三步，由ADV直接测得瞬时流速，而瞬时含沙量则需标定声波强度和含沙量的关系，根据事先标定好的关系，将声波强度转化为含沙量，得到与流速同步的瞬时含沙量；

第四步，根据公式(3)得出悬移质泥沙群体沉速。

3.如权利要求1所述的悬移质泥沙群体沉速的检测方法，其特征在于，ADV用于室内试验和现场测量时，需要分别进行标定声强和含沙量的关系。

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