CN107607482B

CN107607482B - 河流动态泥沙含量测量方法

Info

Publication number: CN107607482B
Application number: CN201710772246.4A
Authority: CN
Inventors: 张开骁; 肖枷利; 雷撼; 张爱梅; 邹华
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: CN107607482A

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

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，L为光程长度；

6)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；

即可求出C(h)；

令

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：所述混合溶液的质量为1000g。