本發(fā)明涉及一種非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置及測量方法，屬于河流動力學(xué)中的輸沙技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

推移質(zhì)輸沙率是指單位時間內(nèi)通過測驗斷面的推移質(zhì)泥沙質(zhì)量，它是河流動力學(xué)研究的一個關(guān)鍵問題。在理論上，它是研究推移質(zhì)運動和河床沖淤規(guī)律的理論基礎(chǔ)；在實踐中它也是解決河床演變計算、物理模型試驗以及數(shù)學(xué)模擬計算不可缺少的工具。國內(nèi)外有許多學(xué)者對推移質(zhì)進行了研究，關(guān)于推移質(zhì)輸沙率公式較多，但公認的精度較高的輸沙率公式還未得到普遍接受。主要原因有兩方面，一方面，對推移質(zhì)運動過程并不清晰，另一方面，局限于當(dāng)前推移質(zhì)的測量手段，尚無較為準確的推移質(zhì)實測資料，導(dǎo)致推移質(zhì)輸沙率公式中的參數(shù)并不適用于天然河道，因此，給實際應(yīng)用帶來了巨大的困難。

推移質(zhì)取樣方法是推移質(zhì)測量的重要方法，它將取樣器直接放置在河底采集推移質(zhì)，通過稱重得到推移質(zhì)的輸沙率。推移質(zhì)取樣器的形式有許多，主要有開敞式、網(wǎng)式和匣式等，目前我國采用較多的是匣式。也有利用放射性標(biāo)志法觀測卵石運動，用放射性吸收法觀測沙浪運動，進而得到天然河道推移質(zhì)輸沙率。在實驗室中，多采用在斷面上挖一條深槽，測量推移質(zhì)裝滿深槽的時間，其主要特點是每隔一段時間后停水，取出深槽中的泥沙測量質(zhì)量，這種方法不能連續(xù)測量推移質(zhì)的輸沙率。近年來，有學(xué)者對推移質(zhì)輸沙測量裝置進行了改進，在深槽的下方增加了盛沙裝置，盛沙裝置的下方放置電子秤，并連接電腦，通過電腦記錄不同時刻通過該斷面的推移質(zhì)質(zhì)量，該方法實現(xiàn)了推移質(zhì)的實時測量，但該裝置由于需要在深槽的下方設(shè)置測量裝置，故在垂向上需要較大的空間，尤其是在水槽試驗過程中，為了避免在水槽中部改裝水槽，通常只能把它放置在尾門處，只能測量水槽的平均推移質(zhì)輸沙率。因此，現(xiàn)階段推移質(zhì)測量裝置存在復(fù)雜、難以實時測量、難以任意測量的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置及測量方法，實現(xiàn)推移質(zhì)輸沙率的實時測量，以及測量區(qū)域任意點推移質(zhì)單寬輸沙率的測量。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置，該測量裝置包括三角形推移質(zhì)收集裝置、高程測量裝置和控制分析系統(tǒng)；其中，三角形推移質(zhì)收集裝置包括母槽和子槽，母槽固定于推移質(zhì)輸沙率測量點，子槽放置于母槽內(nèi)；母槽的橫截面為梯形，且梯形的上底比下底長，母槽的上下面均為敞開式；子槽的橫截面為三角形，子槽向上的一面與母槽的上下面平行，且為敞開式；子槽放置于母槽內(nèi)時，子槽的向上的一面低于母槽的上面；

高程測量裝置包括馬達、螺桿和激光測距探頭，激光測距探頭設(shè)置于螺桿上，且激光測距探頭對準子槽橫截面頂點，螺桿與馬達相連，螺桿固定于三角形推移質(zhì)收集裝置上方，激光測距探頭與控制分析系統(tǒng)相連，控制分析系統(tǒng)通過馬達控制螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿轉(zhuǎn)動帶動激光測距探頭沿垂直水流方向從河流一岸向另一岸運動。

一種非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量方法，包括如下步驟：

步驟1，采樣推移質(zhì)輸沙率測量點區(qū)域的泥沙，對泥沙樣品進行粒徑分析，確定泥沙的級配，計算得到泥沙的平均粒徑；

步驟2，測量泥沙樣品的干容重；

步驟3，計算步驟1平均粒徑泥沙對應(yīng)的水下休止角，根據(jù)水下休止角確定三角形推移質(zhì)收集裝置的放置角度；

步驟4，將三角形推移質(zhì)收集裝置固定在所需要測量推移質(zhì)輸沙率的區(qū)域；

步驟5，在三角形推移質(zhì)收集裝置上方布置高程測量裝置，用于測量三角形推移質(zhì)收集裝置子槽槽底的高程；

步驟6，根據(jù)子槽槽底某一點前后兩次測量的高程計算子槽的淤積泥沙體積，并記錄前后兩次測量的時間；

步驟7，根據(jù)淤積泥沙體積得到淤積的泥沙質(zhì)量，將淤積的泥沙質(zhì)量除以前后兩次測量的時間間隔得到推移質(zhì)體積輸沙率，將河流斷面所有點的推移質(zhì)體積輸沙率乘以泥沙樣品的干容重得到河流斷面的推移質(zhì)輸沙率。

作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案，步驟1所述泥沙的平均粒徑的計算公式為：

其中，D_p為泥沙的平均粒徑，n為泥沙粒徑分組的組數(shù)，d_j為泥沙級配分析得到的第j組粒徑，為第j組粒徑所占的比例。

作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案，步驟3所述水下休止角的計算公式為：

其中，D_p為泥沙的平均粒徑，單位mm，θ為水下休止角。

作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案，步驟3所述三角形推移質(zhì)收集裝置的放置角度如下：三角形推移質(zhì)收集裝置母槽和子槽左、右斜面的角度均取1.5θ，其中，θ為水下休止角。

作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案，步驟5所述測量三角形推移質(zhì)收集裝置子槽槽底的高程的方法為：控制激光測距探頭對準子槽底部，沿垂直水流方向從河流一岸向另一岸運動，移動過程中每隔1cm測量子槽底部散點的槽底高程，并記錄移動到該點的時間；當(dāng)激光測距探頭移到另一岸邊緣后，迅速返回到起始點，準備重新開始下一次的測量，返回過程中不記錄測點高程和時間。

作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案，步驟6所述淤積泥沙體積的計算方法為：

激光測距探頭移動過程中每隔1cm測量一個高程點，則沿垂直水流方向從河流一岸到另一岸一條線上測量的點的個數(shù)為：N＝B/0.01，B表示河流的寬度，測量點的坐標(biāo)計算式為：x_i＝(i-1)×0.01，i＝1,2,…為正整數(shù)；

確定第i點和i+1點間在第k次測量時的泥沙淤積體積為：

其中，x_i和x_i+1分別為第i點和i+1點的坐標(biāo)，l(i,k)、l(i+1,k)分別為第i點和i+1點第k次測量的泥沙高程，θ為水下休止角；

將第i點第k+1次計算得到的泥沙淤積體積減去第k次的泥沙淤積體積，得到第i點和i+1點間相鄰兩次的泥沙淤積體積，即：ΔV(i,k)＝V(i,k+1)-V(i,k)。

作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案，步驟7所述河流斷面的推移質(zhì)輸沙率的計算方法為：

第i點和i+1點間相鄰兩次測量的時間間隔為Δt(i,k)＝t(i,k+1)-t(i,k)，t(i,k+1),t(i,k)分別表示第i點在第k+1、k次測量的時間，則第i點和i+1點間的推移質(zhì)體積輸沙率為g_b(i,k)＝ΔV(i,k)/Δt(i,k)，河流斷面的推移質(zhì)輸沙率為γ_s'為泥沙樣品的干容重。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置及測量方法，實現(xiàn)了推移質(zhì)輸沙率的實時、連續(xù)測量，以及測量區(qū)域任意點輸沙率的測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置置于測量區(qū)域的剖面圖。

圖2是本發(fā)明中三角形推移質(zhì)收集裝置的局部放大圖。

圖3是本發(fā)明中高程測量裝置的局部放大圖。

其中，1-三角形推移質(zhì)收集裝置，2-高程測量裝置，3-控制分析系統(tǒng)，11-固定支架，12-母槽，13-子槽，21-馬達，22-激光測距探頭，23-螺桿。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，一種非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置主要包括三部分：三角形推移質(zhì)收集裝置1、高程測量裝置2、控制分析系統(tǒng)3。

三角形推移質(zhì)收集裝置由母槽12和子槽13(三角槽)組成，如圖2所示。母槽用于推移質(zhì)測量定位，將其放置于推移質(zhì)測量點，母槽為橫截面為梯形，梯形截面的上、下面均為開敞式，類似于漏斗狀，母槽梯形斷面的兩側(cè)設(shè)有固定支架11，用于固定母槽不移動；在母槽上放置子槽，子槽為截面為三角形，其中向上的側(cè)面完全開口，上游來的推移質(zhì)泥沙可以進入子槽中，當(dāng)子槽泥沙裝滿時，可以將子槽取出，換空的子槽放入母槽中。

高程測量裝置包括馬達21、激光測距探頭22和螺桿23，如圖3所示。激光測距探頭放置在螺桿上，螺桿與馬達相連，馬達和螺桿均固定在推移質(zhì)收集裝置上方。通過馬達控制螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿的轉(zhuǎn)動帶動激光測距探頭的左右運動。高程測量裝置與控制分析系統(tǒng)相連，控制分析系統(tǒng)安裝在電腦中，通過電腦控制激光測距探頭的運動、數(shù)據(jù)的采集。

一種非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量方法采用以下步驟：

(1)對研究區(qū)域的沙樣進行粒徑分析，確定泥沙的分組粒徑d_j以及對應(yīng)的該組粒徑所占的比例根據(jù)公式確定沙樣的平均粒徑，n為泥沙粒徑分組的組數(shù)，根據(jù)泥沙顆粒水下休止角計算公式確定沙樣的水下休止角。

(2)測量泥沙樣品的干容重γ_s'。

(3)設(shè)定三角形推移質(zhì)收集裝置中母槽和子槽的的坡角均為1.5θ(即圖1中∠AOC和∠BOD)。

(4)將三角形推移質(zhì)收集裝置放入需要測量推移質(zhì)的位置。在該裝置上方螺桿和激光測距探頭，并將激光測距探頭與控制分析系統(tǒng)相連。通過控制分析系統(tǒng)設(shè)定激光測距探頭的運行速度。

(5)測量初始地形高程z(i,0)，將其作為參考高程，其值為：z(i,0)＝0；

測量三角形推移質(zhì)收集裝置三角深槽槽底高程的方法為：控制激光測距探頭對準深槽底部O點，沿垂直水流方向(即河流寬度的方向)從左側(cè)向右側(cè)運動，移動過程中每隔1cm測量深槽內(nèi)該點的槽底高程，并記錄移動到該點的時間。當(dāng)激光測距探頭移到右側(cè)邊緣后，迅速返回到左側(cè)起始點，準備重新開始下一次的測量，返回過程中不記錄測點高程和時間。其中，初始狀態(tài)下三角深槽內(nèi)無泥沙時所測的高程設(shè)為0m，并以該高程作為參考零點。

(6)試驗開始后，通過激光測距探頭測量三角形推移質(zhì)收集裝置子槽中線上的高程z(i,k)，i為橫向的測點編號，k為測量的次數(shù)編號，以及對應(yīng)的測量時間t(i,k)。

(7)計算第k次測量時泥沙的淤積厚度l(i,k)＝z(i,k)-z(i,1)＝z(i,k)，l(i,k)為第i點第k次測量的泥沙厚度；由于激光測距探頭移動過程中每隔1cm測量一個高程點，一條線上測量的點的個數(shù)為：N＝B/0.01，測量點的坐標(biāo)計算式為：x_i＝(i-1)×0.01，式中，B為三角槽的長度，i為測點個數(shù)，i＝1,2,…。

(8)計算第k次測量時推移質(zhì)收集器中任意相鄰兩測點間(第i點和第i+1點)泥沙的體積：

同理，可計算第k+1次測量時推移質(zhì)收集器中任意相鄰兩測點間泥沙的體積：

式中，x_i和x_i+1分別為第i點和i+1點的坐標(biāo)，l(i,k)、l(i+1,k)分別為第i點和i+1點第k次測量的泥沙厚度，l(i,k+1)、l(i+1,k+1)分別為第i點和i+1點第k+1次測量的泥沙厚度。

(9)計算第k次和k+1次測量時段內(nèi)推移質(zhì)泥沙的淤積體積：

ΔV(i,k)＝V(i,k+1)-V(i,k)

即可得到收集裝置中任意相鄰兩測點間在Δt(i,k)＝t(i,k+1)-t(i,k)時間內(nèi)的推移質(zhì)輸移體積。

(10)收集裝置中任意相鄰兩測點間的推移質(zhì)體積輸沙率為：g_b(i,k)＝ΔV(i,k)/Δt(i,k)，全斷面的推移質(zhì)輸沙率為γ_s'為泥沙的干容重。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。