CN110794114A - 一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,该方法将基于电磁感应原理的示踪剂嵌入泥沙颗粒中,并根据测量河段的卵石推移质泥沙等级,调配示踪剂泥沙颗粒的配比,使之与天然河道一致。对示踪剂泥沙颗粒进行编号,将编号后的示踪剂泥沙平铺在河道断面特征点前的疏浚坑中,开启电磁示踪剂的陆地跟踪装置,记录不同泥沙颗粒的运动轨迹及对应的时间。基于记录的卵石推移质的运动过程,得到河道断面特征点处的推移质输沙率。测量河道断面的流速分布,根据流速分布将特征点处的推移质输沙率转换到全断面,进而得到河道断面的卵石推移质输沙率。本发明方法能够测量天然河道的卵石推移质输沙率,也可以进行沿程推移质输沙率的观测。

Description

一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法
技术领域
本发明涉及一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,属于河流泥沙运动力学技术领域。
背景技术
卵石推移质大量存在于天然河道中,尤其山区河道。山区河流具有比降大,洪峰暴涨暴落等特点。洪季洪水期间,河道流速增大迅速,大量的卵石在水流的作用下输移到河道下游,在展宽的河道或者滩地上形成淤积,改变水流的流态。对于通航河道,由于卵石的推移与淤积,河道的水深变化剧烈,在局部可能产生碍航现象,威胁通航安全。卵石的堆积也会引起河道水流的变化,螺旋流、剪切流、泡漩水是山区河流固有的水流特征,是威胁航道安全的重要典型现象。
此外,卵石推移质输移的定量确定对于设计河道断面形态,研究沉积物的连续性有重要的作用。该参数可以使工程师和从业人员能够确定上游和当地河床的净侵蚀量,进而给出河流的形态演变趋势。测量卵石推移质输移量的方法主要是在运输过程中对床面的泥沙进行取样,通过称重的方法得到推移质输沙率。当推移质输沙率较大时,单位时间内通过断面的推移质泥沙较多,难于收集大量的泥沙,因此,该方法在实际应用范围并不广。
推移质输沙率的实际测量也成为河流动力学研究的难点。推移质输沙率的定义是:一定水流及床沙组成条件下,河道处于近似冲淤平衡状态时,单位时间内通过过水断面推移质的数量。通过泥沙颗粒的数量,在已知泥沙颗粒密度的条件下,数量也可以转化为质量或重量。因此,只需要记录某一断面推移质的输移数量即可得到推移质的输沙率。近年来,随着电磁感应技术的快速发展,基于电磁感应原理的电磁感应示踪剂不断被采用。将该示踪剂嵌入泥沙颗粒中,则可以监测单个泥沙颗粒的运行轨迹,该技术使测量卵石推移质的运动成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,测量天然河道的卵石推移质输沙率,也可以进行沿程推移质输沙率的观测。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,包括如下步骤:
步骤1,在所测量河道取样,确定该河道的实测卵石河床泥沙组成,将泥沙分为5级,确定每级泥沙对应泥沙颗粒的百分比,每级中选择泥沙颗粒粒径的最大值和最小值的平均,作为该级的代表粒径;
步骤2,对于每级泥沙,选取90颗粒径为代表粒径大小的泥沙颗粒,计算得到泥沙颗粒的平均质量mj,mj为第j级泥沙对应的泥沙颗粒的平均质量;将每级泥沙的90颗泥沙颗粒均分为第1、2、3组,则每组中共有150颗泥沙颗粒;
步骤3,将步骤2得到的每组泥沙颗粒,根据步骤1每级泥沙对应泥沙颗粒的百分比进行调配,使调配后每组中每级泥沙对应泥沙颗粒的百分比与步骤1的百分比一致,记录每组中每级泥沙对应泥沙颗粒的数量,并按泥沙等级从小到大,对调配后的每组泥沙颗粒进行编号,则第1组编号为1~N,第2组编号为N+1~2N,第3组编号为2N+1~3N,N<150,在每个编号的泥沙颗粒中放入电磁感应示踪剂;
步骤4,在所测量河道选取河道断面,定义人面向所测量河道下游时的左侧为河道左岸,人面向所测量河道下游时的右侧为河道右岸,将河道断面等分为10段,每段中间点作为特征点,将特征点从左岸至右岸依次编号为1-10;分别在1号特征点、5号特征点和10号特征点上游疏浚长0.3m、宽0.3m、深0.2m的疏浚坑;
步骤5,将步骤3得到的第1组示踪剂泥沙颗粒均匀铺在1号特征点上游的疏浚坑内,将步骤3得到的第2组示踪剂泥沙颗粒均匀铺在5号特征点上游的疏浚坑内,将步骤3得到的第3组示踪剂泥沙颗粒均匀铺在10号特征点上游的疏浚坑内,开启示踪剂的陆地跟踪装置,记录不同泥沙颗粒的运动距离及对应的时间;
步骤6,根据不同泥沙颗粒的运动距离及对应的时间,计算得到单位时间内第i个疏浚坑中第j级泥沙对应的泥沙颗粒运动的平均距离及对应的输沙率,从而求得第i个疏浚坑中所有泥沙颗粒的输沙率,即第i个疏浚坑对应特征点的推移质输沙率,i=1,2,3,j=1,2,…,5;
步骤7,测量步骤4选取的河道断面的宽度以及1-10号特征点的平均流速ul
步骤8,根据5号特征点的推移质输沙率以及各特征点的平均流速,计算河道断面上每个特征点的推移质输沙率,根据每个特征点的推移质输沙率计算得到河道断面的推移质输沙率。
作为本发明的一种优选方案,步骤6所述第i个疏浚坑对应特征点的推移质输沙率为:
其中,mj为第j级泥沙对应的泥沙颗粒的平均质量,nij为第i个疏浚坑中第j级泥沙对应的泥沙颗粒的数量,Lijk为第i个疏浚坑第j级泥沙对应的第k个泥沙颗粒的运动距离,Δt为第i个疏浚坑第j级泥沙对应的第k个泥沙颗粒的运动时间。
作为本发明的一种优选方案,步骤8所述河道断面上每个特征点的推移质输沙率为:
其中,Gbl为l号特征点的推移质输沙率,l=1,2,…,10,Gb5为5号特征点的推移质输沙率,ul为l号特征点的平均流速,u5为5号特征点的平均流速,η为修正系数。
作为本发明的一种优选方案,所述修正系数η的取值为:
当特征点为1号-4号时,
当特征点为6号-10号时,
其中,Gb1、Gb5、Gb10分别为1号、5号、10号特征点的推移质输沙率,u1、u5、u10分别为1号、5号、10号特征点的平均流速。
作为本发明的一种优选方案,步骤8所述河道断面的推移质输沙率为:
其中,Gbl为l号特征点的推移质输沙率,B为河道断面的宽度,η为修正系数,ul为l号特征点的平均流速,u5为5号特征点的平均流速,Gb5为5号特征点的推移质输沙率。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、本发明通过示踪的方法,选取代表性的泥沙,监测代表粒径泥沙不同时刻运行的位置和时间,进而根据代表性泥沙所占的比例反推某一区域卵石推移质输移的量。该方法可以测量天然河道的卵石推移质输沙率,也可以进行沿程推移质输沙率的观测。
2、本发明研究了各种环境中的沉积物输移情况,了解河床的形态变化,为河道的治理提供科学依据,可应用于航道整治、岸滩防护、河道演变分析等工程领域。
附图说明
图1是本发明卵石推移质输沙率测量布置图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本发明提供一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,具体步骤如下:
(1)选取任意一条卵石河流,测量水面宽度B。
(2)如图1所示,人面向河道下游,定义左侧为河道左岸,右侧为河道的右岸。将河道断面从左至右等分为10段,取每段的中心点为特征点,并通过GPS进行特征点定位,特征点从左至右依次编号为1、2、…、10,距左岸的距离分别为
(3)在断面特征点上布置流速仪,实时测量特征点的平均流速u1、u2、…、u10和水深h1、h2、…、h10
(4)在所测量河段取样,分析该河段的卵石河床泥沙级配;将测量后的泥沙级配分为5级,每级取对应的平均粒径作为代表粒径。即假设D1~D2为第1级泥沙级配对应的泥沙颗粒的粒径范围,D1为最小值,D2为最大值,则第1级泥沙级配对应的泥沙颗粒的代表粒径为D5~D6为第5级泥沙级配对应的泥沙颗粒的粒径范围,D5为最小值,D6为最大值,则第5级泥沙级配对应的泥沙颗粒的代表粒径为X1、X2、…、X5为每级泥沙级配对应泥沙颗粒所占的百分比,且
(5)对于每级泥沙级配对应的代表粒径,选取90个粒径为代表粒径的泥沙颗粒,采用电子称测量每个颗粒的质量,计算得到泥沙颗粒的平均质量,记为mj,j的范围为1~5。每级泥沙级配的90个泥沙颗粒,分为1、2、3组,每组共150个泥沙颗粒。
(6)分别在第1号特征点、第5号特征点和第10号特征点上游疏浚0.3m长、0.3m宽和0.2m深的立方体坑。
(7)对1至3组泥沙颗粒,按照步骤(4)中的级配百分比进行调配,使调配后各组的泥沙级配与测量区域的天然泥沙级配完全相同。调配好的各组泥沙颗粒,每个泥沙颗粒中放入电磁感应示踪剂,电磁感应示踪剂可以自动发射信息,在陆地上设有接收装置,实时跟踪电磁感应示踪剂的位置。
(8)对放入电磁感应示踪剂的泥沙颗粒进行编号,则第1组编号为1-N,第2组编号为N+1-2N,第3组编号为2N+1-3N,N<150;将1至3组配好级配的示踪剂泥沙颗粒均匀铺在1号、5号和10号特征点上游的疏浚坑内。
(9)开启电磁感应读取器接收装置,记录示踪卵石泥沙运行的距离Lijk及对应的运行时间Δt。对于任一级中某粒径卵石泥沙颗粒的运行平均距离为式中i为疏浚坑,取值范围1、2、3;j为测量区域泥沙的级配数,取值范围为1~5;nij为第i座疏浚坑中第j级示踪剂泥沙颗粒的个数;Lijk为第i个疏浚坑中,第j级第k个示踪剂泥沙颗粒的运动距离。单位时间内第i座疏浚坑中第j级示踪剂泥沙运动的平均距离为:对应的输沙率为mj为第j级示踪剂泥沙颗粒的平均质量。
(10)对于任一疏浚坑所有粒径泥沙的输沙率为:
(11)根据沙莫夫公式可知,推移质输沙率与流速的4次方成正比。断面上任意一点的输沙率均可参照特征点5来给出,即Gbl为推移质输沙率,下标l为特征点编号,取值范围1至10的整数,η为修正系数。修正系数η的取值,特征点为1至4时,特征点为6至10时,
(12)河段上横向的断面卵石推移质输沙率为:
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,在所测量河道取样,确定该河道的实测卵石河床泥沙组成,将泥沙分为5级,确定每级泥沙对应泥沙颗粒的百分比,每级中选择泥沙颗粒粒径的最大值和最小值的平均,作为该级的代表粒径;
步骤2,对于每级泥沙,选取90颗粒径为代表粒径大小的泥沙颗粒,计算得到泥沙颗粒的平均质量mj,mj为第j级泥沙对应的泥沙颗粒的平均质量;将每级泥沙的90颗泥沙颗粒均分为第1、2、3组,则每组中共有150颗泥沙颗粒;
步骤3,将步骤2得到的每组泥沙颗粒,根据步骤1每级泥沙对应泥沙颗粒的百分比进行调配,使调配后每组中每级泥沙对应泥沙颗粒的百分比与步骤1的百分比一致,记录每组中每级泥沙对应泥沙颗粒的数量,并按泥沙等级从小到大,对调配后的每组泥沙颗粒进行编号,则第1组编号为1~N,第2组编号为N+1~2N,第3组编号为2N+1~3N,N<150,在每个编号的泥沙颗粒中放入电磁感应示踪剂;
步骤4,在所测量河道选取河道断面,定义人面向所测量河道下游时的左侧为河道左岸,人面向所测量河道下游时的右侧为河道右岸,将河道断面等分为10段,每段中间点作为特征点,将特征点从左岸至右岸依次编号为1-10;分别在1号特征点、5号特征点和10号特征点上游疏浚长0.3m、宽0.3m、深0.2m的疏浚坑;
步骤5,将步骤3得到的第1组示踪剂泥沙颗粒均匀铺在1号特征点上游的疏浚坑内,将步骤3得到的第2组示踪剂泥沙颗粒均匀铺在5号特征点上游的疏浚坑内,将步骤3得到的第3组示踪剂泥沙颗粒均匀铺在10号特征点上游的疏浚坑内,开启示踪剂的陆地跟踪装置,记录不同泥沙颗粒的运动距离及对应的时间;
步骤6,根据不同泥沙颗粒的运动距离及对应的时间,计算得到单位时间内第i个疏浚坑中第j级泥沙对应的泥沙颗粒运动的平均距离及对应的输沙率,从而求得第i个疏浚坑中所有泥沙颗粒的输沙率,即第i个疏浚坑对应特征点的推移质输沙率,i=1,2,3,j=1,2,…,5;
步骤7,测量步骤4选取的河道断面的宽度以及1-10号特征点的平均流速ul
步骤8,根据5号特征点的推移质输沙率以及各特征点的平均流速,计算河道断面上每个特征点的推移质输沙率,根据每个特征点的推移质输沙率计算得到河道断面的推移质输沙率。
2.根据权利要求1所述基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,其特征在于,步骤6所述第i个疏浚坑对应特征点的推移质输沙率为:
其中,mj为第j级泥沙对应的泥沙颗粒的平均质量,nij为第i个疏浚坑中第j级泥沙对应的泥沙颗粒的数量,Lijk为第i个疏浚坑第j级泥沙对应的第k个泥沙颗粒的运动距离,Δt为第i个疏浚坑第j级泥沙对应的第k个泥沙颗粒的运动时间。
3.根据权利要求1所述基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,其特征在于,步骤8所述河道断面上每个特征点的推移质输沙率为:
其中,Gbl为l号特征点的推移质输沙率,l=1,2,…,10,Gb5为5号特征点的推移质输沙率,ul为l号特征点的平均流速,u5为5号特征点的平均流速,η为修正系数。
4.根据权利要求3所述基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,其特征在于,所述修正系数η的取值为:
当特征点为1号-4号时,
当特征点为6号-10号时,
其中,Gb1、Gb5、Gb10分别为1号、5号、10号特征点的推移质输沙率,u1、u5、u10分别为1号、5号、10号特征点的平均流速。
5.根据权利要求1所述基于电磁感应原理测量卵石推移质输沙率的方法,其特征在于,步骤8所述河道断面的推移质输沙率为:
其中,Gbl为l号特征点的推移质输沙率,B为河道断面的宽度,η为修正系数,ul为l号特征点的平均流速,u5为5号特征点的平均流速,Gb5为5号特征点的推移质输沙率。
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