一种非接触式推移质输沙率的测量装置及测量方法与流程

本发明涉及一种非接触式推移质输沙率的测量装置及测量方法，属于河流动力学中的输沙技术领域。

背景技术：

推移质输沙率是指单位时间内通过测验断面的推移质泥沙质量，它是河流动力学研究的一个关键问题。在理论上，它是研究推移质运动和河床冲淤规律的理论基础；在实践中它也是解决河床演变计算、物理模型试验以及数学模拟计算不可缺少的工具。国内外有许多学者对推移质进行了研究，关于推移质输沙率公式较多，但公认的精度较高的输沙率公式还未得到普遍接受。主要原因有两方面，一方面，对推移质运动过程并不清晰，另一方面，局限于当前推移质的测量手段，尚无较为准确的推移质实测资料，导致推移质输沙率公式中的参数并不适用于天然河道，因此，给实际应用带来了巨大的困难。

推移质取样方法是推移质测量的重要方法，它将取样器直接放置在河底采集推移质，通过称重得到推移质的输沙率。推移质取样器的形式有许多，主要有开敞式、网式和匣式等，目前我国采用较多的是匣式。也有利用放射性标志法观测卵石运动，用放射性吸收法观测沙浪运动，进而得到天然河道推移质输沙率。在实验室中，多采用在断面上挖一条深槽，测量推移质装满深槽的时间，其主要特点是每隔一段时间后停水，取出深槽中的泥沙测量质量，这种方法不能连续测量推移质的输沙率。近年来，有学者对推移质输沙测量装置进行了改进，在深槽的下方增加了盛沙装置，盛沙装置的下方放置电子秤，并连接电脑，通过电脑记录不同时刻通过该断面的推移质质量，该方法实现了推移质的实时测量，但该装置由于需要在深槽的下方设置测量装置，故在垂向上需要较大的空间，尤其是在水槽试验过程中，为了避免在水槽中部改装水槽，通常只能把它放置在尾门处，只能测量水槽的平均推移质输沙率。因此，现阶段推移质测量装置存在复杂、难以实时测量、难以任意测量的不足。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种非接触式推移质输沙率的测量装置及测量方法，实现推移质输沙率的实时测量，以及测量区域任意点推移质单宽输沙率的测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种非接触式推移质输沙率的测量装置，该测量装置包括三角形推移质收集装置、高程测量装置和控制分析系统；其中，三角形推移质收集装置包括母槽和子槽，母槽固定于推移质输沙率测量点，子槽放置于母槽内；母槽的横截面为梯形，且梯形的上底比下底长，母槽的上下面均为敞开式；子槽的横截面为三角形，子槽向上的一面与母槽的上下面平行，且为敞开式；子槽放置于母槽内时，子槽的向上的一面低于母槽的上面；

高程测量装置包括马达、螺杆和激光测距探头，激光测距探头设置于螺杆上，且激光测距探头对准子槽横截面顶点，螺杆与马达相连，螺杆固定于三角形推移质收集装置上方，激光测距探头与控制分析系统相连，控制分析系统通过马达控制螺杆转动，螺杆转动带动激光测距探头沿垂直水流方向从河流一岸向另一岸运动。

一种非接触式推移质输沙率的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，采样推移质输沙率测量点区域的泥沙，对泥沙样品进行粒径分析，确定泥沙的级配，计算得到泥沙的平均粒径；

步骤2，测量泥沙样品的干容重；

步骤3，计算步骤1平均粒径泥沙对应的水下休止角，根据水下休止角确定三角形推移质收集装置的放置角度；

步骤4，将三角形推移质收集装置固定在所需要测量推移质输沙率的区域；

步骤5，在三角形推移质收集装置上方布置高程测量装置，用于测量三角形推移质收集装置子槽槽底的高程；

步骤6，根据子槽槽底某一点前后两次测量的高程计算子槽的淤积泥沙体积，并记录前后两次测量的时间；

步骤7，根据淤积泥沙体积得到淤积的泥沙质量，将淤积的泥沙质量除以前后两次测量的时间间隔得到推移质体积输沙率，将河流断面所有点的推移质体积输沙率乘以泥沙样品的干容重得到河流断面的推移质输沙率。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤1所述泥沙的平均粒径的计算公式为：

其中，D_p为泥沙的平均粒径，n为泥沙粒径分组的组数，d_j为泥沙级配分析得到的第j组粒径，为第j组粒径所占的比例。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤3所述水下休止角的计算公式为：

其中，D_p为泥沙的平均粒径，单位mm，θ为水下休止角。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤3所述三角形推移质收集装置的放置角度如下：三角形推移质收集装置母槽和子槽左、右斜面的角度均取1.5θ，其中，θ为水下休止角。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤5所述测量三角形推移质收集装置子槽槽底的高程的方法为：控制激光测距探头对准子槽底部，沿垂直水流方向从河流一岸向另一岸运动，移动过程中每隔1cm测量子槽底部散点的槽底高程，并记录移动到该点的时间；当激光测距探头移到另一岸边缘后，迅速返回到起始点，准备重新开始下一次的测量，返回过程中不记录测点高程和时间。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤6所述淤积泥沙体积的计算方法为：

激光测距探头移动过程中每隔1cm测量一个高程点，则沿垂直水流方向从河流一岸到另一岸一条线上测量的点的个数为：N＝B/0.01，B表示河流的宽度，测量点的坐标计算式为：x_i＝(i-1)×0.01，i＝1,2,…为正整数；

确定第i点和i+1点间在第k次测量时的泥沙淤积体积为：

其中，x_i和x_i+1分别为第i点和i+1点的坐标，l(i,k)、l(i+1,k)分别为第i点和i+1点第k次测量的泥沙高程，θ为水下休止角；

将第i点第k+1次计算得到的泥沙淤积体积减去第k次的泥沙淤积体积，得到第i点和i+1点间相邻两次的泥沙淤积体积，即：ΔV(i,k)＝V(i,k+1)-V(i,k)。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤7所述河流断面的推移质输沙率的计算方法为：

第i点和i+1点间相邻两次测量的时间间隔为Δt(i,k)＝t(i,k+1)-t(i,k)，t(i,k+1),t(i,k)分别表示第i点在第k+1、k次测量的时间，则第i点和i+1点间的推移质体积输沙率为g_b(i,k)＝ΔV(i,k)/Δt(i,k)，河流断面的推移质输沙率为γ_s'为泥沙样品的干容重。

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：

本发明非接触式推移质输沙率的测量装置及测量方法，实现了推移质输沙率的实时、连续测量，以及测量区域任意点输沙率的测量。

附图说明

图1是本发明非接触式推移质输沙率的测量装置置于测量区域的剖面图。

图2是本发明中三角形推移质收集装置的局部放大图。

图3是本发明中高程测量装置的局部放大图。

其中，1-三角形推移质收集装置，2-高程测量装置，3-控制分析系统，11-固定支架，12-母槽，13-子槽，21-马达，22-激光测距探头，23-螺杆。

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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。

如图1所示，一种非接触式推移质输沙率的测量装置主要包括三部分：三角形推移质收集装置1、高程测量装置2、控制分析系统3。

三角形推移质收集装置由母槽12和子槽13(三角槽)组成，如图2所示。母槽用于推移质测量定位，将其放置于推移质测量点，母槽为横截面为梯形，梯形截面的上、下面均为开敞式，类似于漏斗状，母槽梯形断面的两侧设有固定支架11，用于固定母槽不移动；在母槽上放置子槽，子槽为截面为三角形，其中向上的侧面完全开口，上游来的推移质泥沙可以进入子槽中，当子槽泥沙装满时，可以将子槽取出，换空的子槽放入母槽中。

高程测量装置包括马达21、激光测距探头22和螺杆23，如图3所示。激光测距探头放置在螺杆上，螺杆与马达相连，马达和螺杆均固定在推移质收集装置上方。通过马达控制螺杆转动，螺杆的转动带动激光测距探头的左右运动。高程测量装置与控制分析系统相连，控制分析系统安装在电脑中，通过电脑控制激光测距探头的运动、数据的采集。

一种非接触式推移质输沙率的测量方法采用以下步骤：

(1)对研究区域的沙样进行粒径分析，确定泥沙的分组粒径d_j以及对应的该组粒径所占的比例根据公式确定沙样的平均粒径，n为泥沙粒径分组的组数，根据泥沙颗粒水下休止角计算公式确定沙样的水下休止角。

(2)测量泥沙样品的干容重γ_s'。

(3)设定三角形推移质收集装置中母槽和子槽的的坡角均为1.5θ(即图1中∠AOC和∠BOD)。

(4)将三角形推移质收集装置放入需要测量推移质的位置。在该装置上方螺杆和激光测距探头，并将激光测距探头与控制分析系统相连。通过控制分析系统设定激光测距探头的运行速度。

(5)测量初始地形高程z(i,0)，将其作为参考高程，其值为：z(i,0)＝0；

测量三角形推移质收集装置三角深槽槽底高程的方法为：控制激光测距探头对准深槽底部O点，沿垂直水流方向(即河流宽度的方向)从左侧向右侧运动，移动过程中每隔1cm测量深槽内该点的槽底高程，并记录移动到该点的时间。当激光测距探头移到右侧边缘后，迅速返回到左侧起始点，准备重新开始下一次的测量，返回过程中不记录测点高程和时间。其中，初始状态下三角深槽内无泥沙时所测的高程设为0m，并以该高程作为参考零点。

(6)试验开始后，通过激光测距探头测量三角形推移质收集装置子槽中线上的高程z(i,k)，i为横向的测点编号，k为测量的次数编号，以及对应的测量时间t(i,k)。

(7)计算第k次测量时泥沙的淤积厚度l(i,k)＝z(i,k)-z(i,1)＝z(i,k)，l(i,k)为第i点第k次测量的泥沙厚度；由于激光测距探头移动过程中每隔1cm测量一个高程点，一条线上测量的点的个数为：N＝B/0.01，测量点的坐标计算式为：x_i＝(i-1)×0.01，式中，B为三角槽的长度，i为测点个数，i＝1,2,…。

(8)计算第k次测量时推移质收集器中任意相邻两测点间(第i点和第i+1点)泥沙的体积：

同理，可计算第k+1次测量时推移质收集器中任意相邻两测点间泥沙的体积：

式中，x_i和x_i+1分别为第i点和i+1点的坐标，l(i,k)、l(i+1,k)分别为第i点和i+1点第k次测量的泥沙厚度，l(i,k+1)、l(i+1,k+1)分别为第i点和i+1点第k+1次测量的泥沙厚度。

(9)计算第k次和k+1次测量时段内推移质泥沙的淤积体积：

ΔV(i,k)＝V(i,k+1)-V(i,k)

即可得到收集装置中任意相邻两测点间在Δt(i,k)＝t(i,k+1)-t(i,k)时间内的推移质输移体积。

(10)收集装置中任意相邻两测点间的推移质体积输沙率为：g_b(i,k)＝ΔV(i,k)/Δt(i,k)，全断面的推移质输沙率为γ_s'为泥沙的干容重。

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。