基于含沙量对水流监测的影响

万　青

(漳卫南运河聊城河务局，山东 临清 252600)



基于含沙量对水流监测的影响

万青

(漳卫南运河聊城河务局，山东 临清 252600)

摘要：河道中含沙量的不同往往会引起河床形态的变化,进而导致水流的变化,对其监测造成影响。通过结合分析，建立模型，量化分析含沙量不同导致的系列复杂现象，并针对泥沙展开研究，结合模拟技术，对水文监测提出建议意见。

关键词：河床形态；水流变化；建立模型；模拟技术；水文监测

1研究现状

从古至今，中国是遭受洪灾最为严重的国家之一，多段江河下游往往只能通过堤防展开保护设施。因而，水流监测在防洪、航运中就显得尤为重要，通过了解河势变化与河道变化规律，结合现代科技，结合数据，建立监控预测模型往往在治理整改、质量管理控制工程中发挥着关键的作用。在研究实践中，河沙是影响河床与水流的关键因素，常常造成洪水灾害频发发生，高含沙水流的间歇缓急，甚至引起小水大灾的现象发生。河道行洪调洪能力大幅下降，其形成机理是由水沙作用导致。

由于含沙量大到一定程度后，水流性质与一般携沙水流相较发生在性质成分上产生了很大的变化，从而导致河床发生严重变形。

2模型的建立

水沙条件的变化是河床形态发生调整的一个极为重要的原因，在河流地貌学的研究中，这也直接导致了水流的系列变化。在以往的探讨中，常常结合过程响应模型实验方法，研究验证不同含沙量水流的相关复杂响应，并结合变化的水沙条件进行定性预测。

著名研究学者Schumm在1969年建立了一组预测关系，在这之中，关于输沙率变化，水流调整，河床形态变化计算公式为：

QS+≈B+,h-,λ+,S+,P-QS-

≈B-,h+,λ-,S-,P+

(1)

式中：Q为输沙率；B为河宽；h为水深；λ为波长；S为坡降；P为曲率。

“+”符号代表着该变量增加，“—”代表着该变量减小，“≈”代表变量对应关系

当流量变化较小的时候，Qs的变化即可等同认为是含沙率的变化。在这关系式中，依托大多数低含沙量河流演变规律得到的结论。但往往由于样本的不同，含沙量范围的不同也会导致结论发生变化。有的最大含沙量与河床横断面水流形态的变化甚至与Schumm模式相反，不同的结论只是表述了河床演变形态的影响因素。对于河床形态，水流变化调整的复杂演变行为，需要通过相关的模型实验进行对比修正。通过对以往的工作积累总结，结合系列资料，进行非线性过程调整的进一步研究，结合模型数据手段对横纵向平面形态展开探究。

2.1模型建立原理

在地貌演化类比法则中，过程响应模型依托系统论模型化中“异构同工”原理。通过修改调整各种河型参数来建立不同的河型。其核心理论认为地貌形态的关键在于作用过程，注意广阔地貌统计特征。系统原型与模拟之间的共同点主要取决于相似的形态统计特征，相似的层次结构组成与物质比例组成，相似的相对时间量度与系统演变相对变化速率，变量间因果关系，物质更替规律，能量消耗渠道方式与其他相关作用相似匹配。模型条件达到后，河型水流过程基本相似，那么在模型中所得到的相关数据结论可以类比到原型中，即为过程响应模型。

2.2模型原理设计

在塑造河流初始河型中，过程响应模型一般要遵循相关步骤规则。实验通过模拟河型的基础设定，仿真由于不同含沙量导致河床前后状态变化，从而观察水流的具体状况。在实验前期中模拟河床具备通常河流所有的基本特性，符合泥沙的起动规则，与不同含沙量水流对于河床形态变化的影响原理即可较好的仿真再现原貌。首先在设计中，主要有两大部分，分别是河床再造与调整含沙量对于河床形态水流状态的影响。前者实验目的通过塑造特定形态特征的河床作为后续相关实验探究的基础。便于之后实验的顺利开展，过程不必过于严谨，主要中小流量作为载流，并根据目的需要不断调整含沙量以观察流量变化，到达加快实验进程的作用。河床塑造实验完成后，可以观察模拟水流涨落过程，长时高含沙流水过程，通过对比调整流量时间与含沙量，观察水流河床变化的主导因素。并可以比较预设参数根据横断面形态的调整取得流量数值。

2.3模型硬件设计

模型装置主要有水沙循环供应、载体水槽、数据图像采集三大系统结构组成。在水沙循环供应系统中，有供水水库，水泵，输送管道，流量统计装置等设备。载体水槽系统是梯级模型水槽，其入口高，出口低，形成模拟上中下游水段。出口处设置小型尘沙池，通过控制与水槽基准面达到调节含沙量的目的。在循环供水装置中，通过定量输入搅拌，是的水库注入相应比例的水沙流量，满足要求后，输入输送管道，通过置于管道上的流量计控制统计流量，水沙的初始动能在通过消能设备后，进入载体水槽，展开模拟流动。河道水沙在出口处经过沉淀后，再次进入供水水库，虽然可能会使得水沙比例调节出现误差，但能控制在本模拟实验的精度要求以内，以便于循环利用。含沙量通过分别控制水沙量进行调整，可以节约大量模拟成本。

3模型结果与分析

3.1模型结果

在几组实验中，通过逐渐增加含沙量，控制完成清水到高含沙流的变化。通过获取断面条件下形态参数的平均值作为河床横断面的表征参数。其中，形态参数主要有横断面河宽、水深、宽深比构成，通过分析统计数据，得到以下图形。

其中，在模型中，最大含沙量数据单位为g?L-1，河宽与水深为cm，描点划线后，并绘制趋势预测曲线，便于后续展开更为深入的探究。

通过研究变量之间关系，得到了回归预测的抛物曲线，建立了横断面之间参数与含沙变量之间的数学关系，可以表达如下：

河宽变量与横断面变量关系式：y=-0.0006x2+0.2918x+156.98R2=0.65

水深变量与横断面变量关系式：y=2×10-5x2-0.0089x+3.1724R2=0.73

宽深变量与横断面变量关系式：y=-0.0006x2-0.2344x+62.134R2=0.92

由上式可有看出，通过变量比值体现横断面形态变化，变化趋势比文献模型调整范围小，但模拟点更为集中，易于观察出更为明显的变化趋势，通过调整显著性，对于数值并不比深究。主要根据函数关系发现变化方向与客观定性的变化趋势。对于横断面形态变化与最大含沙量变化之间的数值定量关系可能体现的并不确切。

3.2横断面演变分析

结合实验数据，得到变化趋势，当含沙量较小时，在水流中的泥沙携带量少于饱和携沙能力状态下的水流携沙量。而水流的多余能量将持续对河床做功。导致河道被不断冲刷，河深不断加深，致使宽深比逐渐变小，而河床的心态也由于水深客观的改变而发生变化。随着含沙量的不断增加，水流携沙力逐渐到达饱和状态。当上游含沙过多时，水流能量不足以全部携带流走。首先模拟主槽发生泥沙堆积，河底不断抬高，水深变浅，宽深比例不断增大，并且水面宽度也不断加大。

随着含沙量超过水流携沙力临界值之后，随着量的继续增大，河床形态与各变量的变化趋势逐渐加大，即变化加速度增大。在文献研究理论中，对于低含沙量的一般小型河流而言，当含沙量达到200kg/m3时， 泥沙淤积最为严重，水深度变浅，宽深比达到最大。如果含沙量继续增大，达到高含沙水流界定范畴，河道水流演变将发生巨大变化。将出现河道淤积，从而导致水流漫出，乱流入滩。滩地高程也将大大增加。在高含沙水流的范畴中，水流携沙所需要的能量相比之下变得较小，演变成冲击力比重更大的一相流。使得主槽河底冲刷更为严重，同时出现水深变深，河边岸堆积淤沙泥，河宽变下，随着宽深比减小。

3.3纵向平面变化

在研究中，比降曲率常常作为平面变化的变量指标。其中比降与曲率在低高含沙中变化趋势截然相反。含沙量较低时，河道由于处于淤积状态，比降随着含沙量增大而增大，并且上游淤泥大于下游淤泥。在高含沙水流中，冲刷较为强烈，比降随含沙量增大而减小。低含沙水流范围中，含沙量增大，水流所需要能量也越大。到达高含沙水流后，泥沙所需的悬浮力减小，携沙力增强，因此水流中泥沙流动所需要的能量也变小。因此常常通过河道流道弯曲实现降低单位能量消耗减小冲刷的目的。

4强化水文监测

随着社会经济人口的飞速发展与增长，通过水文监测对河充分利用，作为自然庞大的经济资源，无论是发展企业，还是平常生活所需都产生了依赖。通过水利工程的建成利用，河道水域的开发治理，都依托与演变规律。通过上述分析水文监测是国民经济与社会的重要保障的基础工作。

对于水流检测中，通过研究水位流量关系展开率定之外，还可以通过水位检测。作为水文检测中的基本观测要素，是应该积累的重要资料。做到定期观测水位，汛期应该适当增加观测次数。尤其是价值较高的具有代表性的特征值不可以漏测。同时也可以根据该河的用途与性质，制定相关的监测计划。为供水计划提供依据，实体与之相互结合，混合模型也突出了广阔的前景。

传统研究中往往只是针对泥沙动力，河床演变进行研究。实际与多门研究是相互交叉的，例如力学，地理地貌学、环境生态等都有较大的联系。通过与现代生态的模型结合，进一步深入研究，提高监测研究，打造健康河流与生态河流，这也是今后发展的主流趋势。通过数值模型的家里。达到监测，计算，预测决策的在水监测的工作中，首先应该开展科学严谨的规范管理，不仅仅学习优秀的质量控制管理检验，制定符合具体实际的管理控制条例，完善执行性与管理方法。提高水文监测的质量与过程优化控制。在整个过程中，将质量管理贯彻之中，做到从源头把控，从流程优化，对结果严谨分析。依托质检工作的建立，构架客观可行的评测标准，同时完善相关制度，使得工作效率与工作精度提高。在结合现在科技设备，管理优化保障的前提喜爱，实现科学化与规范化得管理，推动水文水流监测工作的稳步提升。

5结语

水流监测对于防汛防洪，供水预测都有着不容忽视的关键作用，含沙量的变化也是影响其的关键因素。因此，对于人民生命财产安全与地方经济的发展都需要关键资料。结合前人经验，运用现代科学手段，探索出新的方法与对策，使得水文监测工作的质量得到保障与提高，为整个经济发展与整体运作作出贡献。

参考文献：

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[2]杨晓刚，杨朝云，彭玉明.荆江河床演变过程中环境影响初探[J].人民长江，2010(03)：

[3]许炯心.高含沙型曲流河床形成机理的初步研究[J].地理学报，1992(01)

[4]许炯心，张欧阳.黄河下游游荡段河床调整对于水沙组合的复杂响应[J].地理学报，2000(03)

文章编号：1007-7596(2016)04-0154-03

[收稿日期]2016-03-12

[作者简介]万青(1980-)，女，山东临清人，工程师。

中图分类号：TV123

文献标识码：B