基于含沙量對水流監測的影響

萬　青

(漳衛南運河聊城河務局，山東 臨清 252600)

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基于含沙量對水流監測的影響

萬青

(漳衛南運河聊城河務局，山東 臨清 252600)

摘要：河道中含沙量的不同往往會引起河床形態的變化,進而導致水流的變化,對其監測造成影響。通過結合分析，建立模型，量化分析含沙量不同導致的系列復雜現象，并針對泥沙展開研究，結合模擬技術，對水文監測提出建議意見。

關鍵詞：河床形態；水流變化；建立模型；模擬技術；水文監測

1研究現狀

從古至今，中國是遭受洪災最為嚴重的國家之一，多段江河下游往往只能通過堤防展開保護設施。因而，水流監測在防洪、航運中就顯得尤為重要，通過了解河勢變化與河道變化規律，結合現代科技，結合數據，建立監控預測模型往往在治理整改、質量管理控制工程中發揮著關鍵的作用。在研究實踐中，河沙是影響河床與水流的關鍵因素，常常造成洪水災害頻發發生，高含沙水流的間歇緩急，甚至引起小水大災的現象發生。河道行洪調洪能力大幅下降，其形成機理是由水沙作用導致。

由于含沙量大到一定程度后，水流性質與一般攜沙水流相較發生在性質成分上產生了很大的變化，從而導致河床發生嚴重變形。

2模型的建立

水沙條件的變化是河床形態發生調整的一個極為重要的原因，在河流地貌學的研究中，這也直接導致了水流的系列變化。在以往的探討中，常常結合過程響應模型實驗方法，研究驗證不同含沙量水流的相關復雜響應，并結合變化的水沙條件進行定性預測。

著名研究學者Schumm在1969年建立了一組預測關系，在這之中，關于輸沙率變化，水流調整，河床形態變化計算公式為：

QS+≈B+,h-,λ+,S+,P-QS-

≈B-,h+,λ-,S-,P+

(1)

式中：Q為輸沙率；B為河寬；h為水深；λ為波長；S為坡降；P為曲率。

“+”符號代表著該變量增加，“—”代表著該變量減小，“≈”代表變量對應關系

當流量變化較小的時候，Qs的變化即可等同認為是含沙率的變化。在這關系式中，依托大多數低含沙量河流演變規律得到的結論。但往往由于樣本的不同，含沙量范圍的不同也會導致結論發生變化。有的最大含沙量與河床橫斷面水流形態的變化甚至與Schumm模式相反，不同的結論只是表述了河床演變形態的影響因素。對于河床形態，水流變化調整的復雜演變行為，需要通過相關的模型實驗進行對比修正。通過對以往的工作積累總結，結合系列資料，進行非線性過程調整的進一步研究，結合模型數據手段對橫縱向平面形態展開探究。

2.1模型建立原理

在地貌演化類比法則中，過程響應模型依托系統論模型化中“異構同工”原理。通過修改調整各種河型參數來建立不同的河型。其核心理論認為地貌形態的關鍵在于作用過程，注意廣闊地貌統計特征。系統原型與模擬之間的共同點主要取決于相似的形態統計特征，相似的層次結構組成與物質比例組成，相似的相對時間量度與系統演變相對變化速率，變量間因果關系，物質更替規律，能量消耗渠道方式與其他相關作用相似匹配。模型條件達到后，河型水流過程基本相似，那么在模型中所得到的相關數據結論可以類比到原型中，即為過程響應模型。

2.2模型原理設計

在塑造河流初始河型中，過程響應模型一般要遵循相關步驟規則。實驗通過模擬河型的基礎設定，仿真由于不同含沙量導致河床前后狀態變化，從而觀察水流的具體狀況。在實驗前期中模擬河床具備通常河流所有的基本特性，符合泥沙的起動規則，與不同含沙量水流對于河床形態變化的影響原理即可較好的仿真再現原貌。首先在設計中，主要有兩大部分，分別是河床再造與調整含沙量對于河床形態水流狀態的影響。前者實驗目的通過塑造特定形態特征的河床作為后續相關實驗探究的基礎。便于之后實驗的順利開展，過程不必過于嚴謹，主要中小流量作為載流，并根據目的需要不斷調整含沙量以觀察流量變化，到達加快實驗進程的作用。河床塑造實驗完成后，可以觀察模擬水流漲落過程，長時高含沙流水過程，通過對比調整流量時間與含沙量，觀察水流河床變化的主導因素。并可以比較預設參數根據橫斷面形態的調整取得流量數值。

2.3模型硬件設計

模型裝置主要有水沙循環供應、載體水槽、數據圖像采集三大系統結構組成。在水沙循環供應系統中，有供水水庫，水泵，輸送管道，流量統計裝置等設備。載體水槽系統是梯級模型水槽，其入口高，出口低，形成模擬上中下游水段。出口處設置小型塵沙池，通過控制與水槽基準面達到調節含沙量的目的。在循環供水裝置中，通過定量輸入攪拌，是的水庫注入相應比例的水沙流量，滿足要求后，輸入輸送管道，通過置于管道上的流量計控制統計流量，水沙的初始動能在通過消能設備后，進入載體水槽，展開模擬流動。河道水沙在出口處經過沉淀后，再次進入供水水庫，雖然可能會使得水沙比例調節出現誤差，但能控制在本模擬實驗的精度要求以內，以便于循環利用。含沙量通過分別控制水沙量進行調整，可以節約大量模擬成本。

3模型結果與分析

3.1模型結果

在幾組實驗中，通過逐漸增加含沙量，控制完成清水到高含沙流的變化。通過獲取斷面條件下形態參數的平均值作為河床橫斷面的表征參數。其中，形態參數主要有橫斷面河寬、水深、寬深比構成，通過分析統計數據，得到以下圖形。

其中，在模型中，最大含沙量數據單位為g?L-1，河寬與水深為cm，描點劃線后，并繪制趨勢預測曲線，便于后續展開更為深入的探究。

通過研究變量之間關系，得到了回歸預測的拋物曲線，建立了橫斷面之間參數與含沙變量之間的數學關系，可以表達如下：

河寬變量與橫斷面變量關系式：y=-0.0006x2+0.2918x+156.98R2=0.65

水深變量與橫斷面變量關系式：y=2×10-5x2-0.0089x+3.1724R2=0.73

寬深變量與橫斷面變量關系式：y=-0.0006x2-0.2344x+62.134R2=0.92

由上式可有看出，通過變量比值體現橫斷面形態變化，變化趨勢比文獻模型調整范圍小，但模擬點更為集中，易于觀察出更為明顯的變化趨勢，通過調整顯著性，對于數值并不比深究。主要根據函數關系發現變化方向與客觀定性的變化趨勢。對于橫斷面形態變化與最大含沙量變化之間的數值定量關系可能體現的并不確切。

3.2橫斷面演變分析

結合實驗數據，得到變化趨勢，當含沙量較小時，在水流中的泥沙攜帶量少于飽和攜沙能力狀態下的水流攜沙量。而水流的多余能量將持續對河床做功。導致河道被不斷沖刷，河深不斷加深，致使寬深比逐漸變小，而河床的心態也由于水深客觀的改變而發生變化。隨著含沙量的不斷增加，水流攜沙力逐漸到達飽和狀態。當上游含沙過多時，水流能量不足以全部攜帶流走。首先模擬主槽發生泥沙堆積，河底不斷抬高，水深變淺，寬深比例不斷增大，并且水面寬度也不斷加大。

隨著含沙量超過水流攜沙力臨界值之后，隨著量的繼續增大，河床形態與各變量的變化趨勢逐漸加大，即變化加速度增大。在文獻研究理論中，對于低含沙量的一般小型河流而言，當含沙量達到200kg/m3時， 泥沙淤積最為嚴重，水深度變淺，寬深比達到最大。如果含沙量繼續增大，達到高含沙水流界定范疇，河道水流演變將發生巨大變化。將出現河道淤積，從而導致水流漫出，亂流入灘。灘地高程也將大大增加。在高含沙水流的范疇中，水流攜沙所需要的能量相比之下變得較小，演變成沖擊力比重更大的一相流。使得主槽河底沖刷更為嚴重，同時出現水深變深，河邊岸堆積淤沙泥，河寬變下，隨著寬深比減小。

3.3縱向平面變化

在研究中，比降曲率常常作為平面變化的變量指標。其中比降與曲率在低高含沙中變化趨勢截然相反。含沙量較低時，河道由于處于淤積狀態，比降隨著含沙量增大而增大，并且上游淤泥大于下游淤泥。在高含沙水流中，沖刷較為強烈，比降隨含沙量增大而減小。低含沙水流范圍中，含沙量增大，水流所需要能量也越大。到達高含沙水流后，泥沙所需的懸浮力減小，攜沙力增強，因此水流中泥沙流動所需要的能量也變小。因此常常通過河道流道彎曲實現降低單位能量消耗減小沖刷的目的。

4強化水文監測

隨著社會經濟人口的飛速發展與增長，通過水文監測對河充分利用，作為自然龐大的經濟資源，無論是發展企業，還是平常生活所需都產生了依賴。通過水利工程的建成利用，河道水域的開發治理，都依托與演變規律。通過上述分析水文監測是國民經濟與社會的重要保障的基礎工作。

對于水流檢測中，通過研究水位流量關系展開率定之外，還可以通過水位檢測。作為水文檢測中的基本觀測要素，是應該積累的重要資料。做到定期觀測水位，汛期應該適當增加觀測次數。尤其是價值較高的具有代表性的特征值不可以漏測。同時也可以根據該河的用途與性質，制定相關的監測計劃。為供水計劃提供依據，實體與之相互結合，混合模型也突出了廣闊的前景。

傳統研究中往往只是針對泥沙動力，河床演變進行研究。實際與多門研究是相互交叉的，例如力學，地理地貌學、環境生態等都有較大的聯系。通過與現代生態的模型結合，進一步深入研究，提高監測研究，打造健康河流與生態河流，這也是今后發展的主流趨勢。通過數值模型的家里。達到監測，計算，預測決策的在水監測的工作中，首先應該開展科學嚴謹的規范管理，不僅僅學習優秀的質量控制管理檢驗，制定符合具體實際的管理控制條例，完善執行性與管理方法。提高水文監測的質量與過程優化控制。在整個過程中，將質量管理貫徹之中，做到從源頭把控，從流程優化，對結果嚴謹分析。依托質檢工作的建立，構架客觀可行的評測標準，同時完善相關制度，使得工作效率與工作精度提高。在結合現在科技設備，管理優化保障的前提喜愛，實現科學化與規范化得管理，推動水文水流監測工作的穩步提升。

5結語

水流監測對于防汛防洪，供水預測都有著不容忽視的關鍵作用，含沙量的變化也是影響其的關鍵因素。因此，對于人民生命財產安全與地方經濟的發展都需要關鍵資料。結合前人經驗，運用現代科學手段，探索出新的方法與對策，使得水文監測工作的質量得到保障與提高，為整個經濟發展與整體運作作出貢獻。

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文章編號：1007-7596(2016)04-0154-03

[收稿日期]2016-03-12

[作者簡介]萬青(1980-)，女，山東臨清人，工程師。

中圖分類號：TV123

文獻標識碼：B