CN107607482A - 河流动态泥沙含量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了河流动态泥沙含量测量方法，通过在河流不同高度取样烘干，加水配置混合溶液，通过单色光测量标准混合溶液的吸光度，求出最优单色光波长范围，构建稳态模型，通过模型计算出河流的泥沙含量，方便快捷。

Description

河流动态泥沙含量测量方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种河流动态泥沙含量测量方法。

背景技术

随着经济社会的发展以及光谱技术的进步，光谱技术在水环境监测与水 质参数定量反演的应用日趋广泛，方法也不断发展与成熟。根据实测透射光 谱数据，可以分析研究区域的悬浮泥沙浓度与粒度分布规律，初步探究两者 之间的关系，以及光谱与悬浮泥沙浓度、粒度变化的响应关系，但是，光谱 测量泥沙仍然存在偶然误差大，测量精度低等问题。实际河流是几乎不存在 静止的泥沙沉降，河流中时刻存在向下的水流，因此，水流流速也将对泥沙 产生影响，另一方面，泥沙将可能产生起动，进一步影响泥沙沉降。泥沙的 起动指的是在一定的床面上，逐渐增大水流强度，直到使床沙从静止转入运 动，即使对单颗泥沙颗粒来说，由于所受的瞬时作用底速或拖曳力有脉动特 性，由于沙粒大小、形状、位置具有变异性，所以，额泥沙的起动是具有一 定随机性的，但在一定的特定条件下，从宏观上进行观察的话，可以从实验 学的现象观察中得出泥沙具有弱动、中动、普动等三种不同判别标准，存在 一定的宏观必然性。当水流中含有泥沙时，水流的紊动特性会发生明显的改变，从而引起泥沙的一些特性如沉速发生改变，给准确测量泥沙含量带来困 难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供河流动态泥沙含量测量方法，

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明的河流动态泥沙含量测量方法，包括如下步骤：

1)将6个取样桶放入河流中取样得到泥沙标本，具体为：

将6个同规格圆筒型取样桶(圆筒直径DD、高HH)等间距叠放在一个位 于其轴心的固定杆上，每个取样桶可以沿固定杆上下方向调节其与相邻取 样桶间的间距HHH，将固定杆竖直插入河流待测点，调节取样桶间距HHH， 使得最上方第1个取样桶上边沿与第6个取样桶上边沿间距等于待测点河 流深度H的5/6，每个取样桶间距相等，最上方第1个取样桶上边沿与水面 间距为河流深度H的1/12，经过时间T小时后取出取样桶，沥干其内部的 水分，然后再用烘干机去除水分，得到烘干的泥沙标本，称重，得到质量 m1、m2、m3、m4、m5、m6(单位：g)的泥沙标本，分别贴上标签1、2、3、 4、5、6备用；

2)将经过烘干的泥沙标本，混合均匀并加水配成标准混合溶液，具体为： 将经过烘干的泥沙标本，按比例(m1/m6)：(m2/m6)：(m2/m6)：(m4/m6)： (m5/m6)：(m6/m6)(单位：g)均匀混合并加水配成标准混合溶液， 以备实验测量。

3)通过单色光测量标准混合溶液的吸光度，求出最优单色光波长范围， 具体为：先摇晃均匀标准混合溶液，混合溶液质量为1000g，通过单 色光测上述混合溶液的吸光度A，单色光的波长范围在400nm到800nm 之间取值，由朗伯-比尔定律A＝εCL可以得到泥沙浓度其中， L为光程长度，ε为吸光度系数，针对不同河流还可以通过实验室光 谱测量来优选其最优单色光波长，例如采用紫外可见分光光度计测量 上述标准混合溶液在400nm—800nm之间的吸光度，得到泥沙溶液的 光谱图，得到吸光度没有突变扰动的数个优化测量区间，分别计算每 个优化测量区间与标准混合溶液浓度的线性相关系数R，得到一个相 关系数最大的最优测量区间，即得到最优单色光的波长范围。

4)继续测量标准混合溶液吸光度与时间的关系A＝αe^-βt，t是溶液水平静 置时间，求出系数α，β。

5)由A＝εCL与A＝αe^-βt，即可以得到静水条件下泥沙浓度C与所处深度h 关系εCL＝αe^-β(h/ω)，其中，h为测量点到水面的垂直距离(即水的深 度)，ω为泥沙沉降速度，其大小取决于泥沙的粒径，可以通过实验求 出。

6)根根据泥沙与水流的情况求出起动系数、水流对泥沙沉降系数以及泥 沙沉降系数，再通过计算得到泥沙含量，具体为：考虑河流中时刻存 在向下的水流与泥沙的起动，设泥沙起动数为D，沉降数为J，水流 流速为V,水流流速与水平面的夹角为θ，则D＝α_dV sinθ， 其中，α_d为起动系数，β_j为水流对泥沙沉降系数， γ为泥沙沉降系数，设编号6泥沙含量为C6，可以得到编号1、2、3、 4、5的泥沙含量分别为m1*C6/m6、m2*C6/m6、m3*C6/m6、m4*C6/m6、 m5*C6/m6，分别将编号1、2、3、4、5、6的泥沙含量m1*C6/m6、m2*C6/m6、 m3*C6/m6、m4*C6/m6、m5*C6/m6、C6代入上面两个式子，可以求出α_d、 β_j、γ；

当泥沙起动数等于沉降数，即D＝J时，河流泥沙分布达到稳态分布， 由公式即可求出C(h)；

令h₀点的泥沙浓度等于整个河流整体的泥沙浓度 的平均值，因此我们要准确测量某点河流动态泥沙含量，只要将测量点或 取水点设置在某点深度h₀处即可。

本发明的有益效果是：为了准确测量某点河流动态泥沙含量，基于泥沙含 量吸光度测量实验和泥沙沉降规律，以及实际河流中存在的水流及泥沙启动现 象，建立了一套河流动态泥沙含量准确测定方法。该方法不仅可以准确测量河 流的泥沙含量，还具有测量方法简单、实用的特点，对特定的监测点而言，通 过区间优化以及监测点位置选取，可以实现通过单波长吸光度的测量来准确测 量该点以及整个河流动态泥沙含量，只要经过一个取样点的单波长测量即可得 到河流泥沙准确含量，简化了繁杂的测量操作，降低了数据采集数量以及计算 量，尤其适合水质实时在线的动态监控与长周期、大数据的实验测量研究

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为河流动态泥沙含量的测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和 特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚 明确的界定。

如图1所示，河流动态泥沙含量测量方法，包括如下步骤：

(1)将6个同规格圆筒型取样桶(圆筒直径DD 5cm、高HH 20cm)等间距 叠放在一个位于其轴心的固定杆上，每个取样桶可以沿固定杆上下方向调节其 与相邻取样桶间的间距HHH，将固定杆竖直插入南京某河流待测点，待测点河流 深度H＝3m，调节取样桶间距HHH为50cm，使得最上方第1个取样桶上边沿与第 6个取样桶上边沿间距等于250cm，每个取样桶间距50cm，最上方第1个取样桶 上边沿与水面间距为25cm，经过时间T＝2小时后取出取样桶，沥干其内部的水 分，然后再用烘干机去除水分，得到烘干的泥沙标本，称重，得到质量m1＝0.15g、 m2＝0.22g、m3＝0.40g、m4＝0.86g、m5＝1.93g、m6＝4.35g的泥沙标本6组，分别 贴上标签1、2、3、4、5、6备用；

(2)分别取上述6组标本0.03g、0.05g、0.09g、0.20g、0.44g、1g均匀 混合并加水配成1000g的混合溶液，得到泥沙浓度C＝0.001* (m1+m2+m3+m4+m5+m6)/m6＝1.82g/L的标准混合溶液；

(3)先摇晃均匀标准混合溶液，通过单色光测上述混合溶液的吸光度 A＝3.83656，单色光的波长范围在400nm到800nm之间取值，由朗伯-比尔定律 A＝εCL可以得到泥沙浓度其中，L＝5cm为光程长度，求出吸光度系数 ε＝0.4216L/(g*cm)，采用紫外可见分光光度计测量上述6种不同标签配置的泥 沙溶液在400nm—800nm之间的吸光度，得到泥沙溶液的光谱图，分析上述6组 光谱图，得到吸光度没有突变扰动的数个优化测量区间，分别计算每个优化测 量区间与6种不同标签配置的泥沙溶液浓度的线性相关系数R，得到一个相关系 数最大的最优测量区间，最终得到最优单色光的波长范围为480--520nm；

(4)继续测量标准混合溶液吸光度与时间的关系，由A＝αe^-βt求出系数 α＝1.2621，β＝0.025157。

(5)由A＝εCL与A＝αe^-βt，即可以得到静水条件下泥沙浓度C与所处深度h 关系εCL＝αe^-β(h/ω)，其中，h为测量点到水面的垂直距离(即水的深度)，本待 测点泥沙沉降速度ω为0.262cm/s。

(6)本待测点水流流速为V＝0.96m/s,水流流速与水平面的夹角θ为9.8度。 由α_d＝0.4635、β_j＝0.4632、γ＝0.0005，可得到D＝α_dVsinθ0.07574，

(7)当泥沙起动数等于沉降数，即D＝J时，河流泥沙分布达到稳态分布， 由公式即可求出C(h)＝-0.00688*e^(h/0.262)。

(8)令h₀点的泥沙浓度等于整个河流整体的泥沙浓度 的平均值，因此我们要准确测量本待测点河流动态泥沙含量，只要将测量取水 点设置在本待测点深度h₀＝2.36m处即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种河流动态泥沙含量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将6个取样桶放入河流中取样得到泥沙标本；

2)将经过烘干的泥沙标本，混合均匀并加水配成标准混合溶液；

3)通过单色光测量标准混合溶液的吸光度，求出最优单色光波长范围；

4)继续测量标准混合溶液吸光度与时间的关系A＝αe^-βt，t是溶液水平静置时间，求出系数α，β；

5)由A＝εCL与A＝αe^-βt，即可以得到静水条件下泥沙浓度C与所处深度h关系εCL＝αe^-β(h/ω)，其中，h为测量点到水面的垂直距离,即水的深度，ω为泥沙沉降速度；

6)根根据泥沙与水流的情况求出起动系数、水流对泥沙沉降系数以及泥沙沉降系数，再通过计算得到泥沙含量。

2.根据权利要求1所述的一种河流动态泥沙含量测量方法，其特征在于：所述步骤1)将6个取样桶放入河流中取样得到泥沙标本具体为：将6个同规格圆筒型取样桶等间距叠放在一个位于其轴心的固定杆上，每个取样桶可以沿固定杆上下方向调节其与相邻取样桶间的间距HHH，将固定杆竖直插入河流待测点，调节取样桶间距HHH，使得最上方第1个取样桶上边沿与第6个取样桶上边沿间距等于待测点河流深度H的5/6，每个取样桶间距相等，最上方第1个取样桶上边沿与水面间距为河流深度H的1/12，经过时间T小时后取出取样桶，沥干其内部的水分，然后再用烘干机去除水分，得到烘干的泥沙标本，称重，得到质量m1、m2、m3、m4、m5、m6的泥沙标本，分别贴上标签1、2、3、4、5、6备用。

3.根据权利要求1所述的一种河流动态泥沙含量测量方法，其特征在于：所述步骤2)将经过烘干的泥沙标本，混合均匀并加水配成标准混合溶液具体为：将经过烘干的泥沙标本，按比例(m1/m6)：(m2/m6)：(m2/m6)：(m4/m6)：(m5/m6)：(m6/m6)均匀混合并加水配成标准混合溶液，以备实验测量。

4.根据权利要求1所述的一种河流动态泥沙含量测量方法，其特征在于：所述步骤3)通过单色光测量标准混合溶液的吸光度，求出最优单色光波长范围具体为：先摇晃均匀标准混合溶液，通过单色光测上述混合溶液的吸光度A，单色光的波长范围在400nm到800nm之间取值，由朗伯-比尔定律A＝εCL可以得到泥沙浓度其中，L为光程长度，ε为吸光度系数，针对不同河流还可以通过实验室光谱测量来优选其最优单色光波长，例如采用紫外可见分光光度计测量上述标准混合溶液在400nm—800nm之间的吸光度，得到泥沙溶液的光谱图，得到吸光度没有突变扰动的数个优化测量区间，分别计算每个优化测量区间与标准混合溶液浓度的线性相关系数R，得到一个相关系数最大的最优测量区间，即得到最优单色光的波长范围。

5.根据权利要求1所述的一种河流动态泥沙含量测量方法，其特征在于：所述步骤6)根根据泥沙与水流的情况求出起动系数、水流对泥沙沉降系数以及泥沙沉降系数，再通过计算得到泥沙含量具体为：考虑河流中时刻存在向下的水流与泥沙的起动，设泥沙起动数为D，沉降数为J，水流流速为V,水流流速与水平面的夹角为θ，则D＝α_dVsinθ，其中，α_d为起动系数，β_j为水流对泥沙沉降系数，γ为泥沙沉降系数，设编号6泥沙含量为C6，可以得到编号1、2、3、4、5的泥沙含量分别为m1*C6/m6、m2*C6/m6、m3*C6/m6、m4*C6/m6、m5*C6/m6，分别将编号1、2、3、4、5、6的泥沙含量m1*C6/m6、m2*C6/m6、m3*C6/m6、m4*C6/m6、m5*C6/m6、C6代入上面两个式子，可以求出α_d、β_j、γ；

当泥沙起动数等于沉降数，即D＝J时，河流泥沙分布达到稳态分布，由公式即可求出C(h)；

令h₀点的泥沙浓度等于整个河流整体的泥沙浓度的平均值，因此我们要准确测量某点河流动态泥沙含量，只要将测量点或取水点设置在某点深度h₀处即可。

6.根据权利要求1所述的一种河流动态泥沙含量测量方法，其特征在于：所述混合溶液的质量为1000g。