萬　青

(漳衛(wèi)南運(yùn)河聊城河務(wù)局，山東 臨清 252600)

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基于含沙量對水流監(jiān)測的影響

萬青

(漳衛(wèi)南運(yùn)河聊城河務(wù)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(tài)的變化,進(jìn)而導(dǎo)致水流的變化,對其監(jiān)測造成影響。通過結(jié)合分析，建立模型，量化分析含沙量不同導(dǎo)致的系列復(fù)雜現(xiàn)象，并針對泥沙展開研究，結(jié)合模擬技術(shù)，對水文監(jiān)測提出建議意見。

關(guān)鍵詞：河床形態(tài)；水流變化；建立模型；模擬技術(shù)；水文監(jiān)測

1研究現(xiàn)狀

從古至今，中國是遭受洪災(zāi)最為嚴(yán)重的國家之一，多段江河下游往往只能通過堤防展開保護(hù)設(shè)施。因而，水流監(jiān)測在防洪、航運(yùn)中就顯得尤為重要，通過了解河勢變化與河道變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)代科技，結(jié)合數(shù)據(jù)，建立監(jiān)控預(yù)測模型往往在治理整改、質(zhì)量管理控制工程中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。在研究實(shí)踐中，河沙是影響河床與水流的關(guān)鍵因素，常常造成洪水災(zāi)害頻發(fā)發(fā)生，高含沙水流的間歇緩急，甚至引起小水大災(zāi)的現(xiàn)象發(fā)生。河道行洪調(diào)洪能力大幅下降，其形成機(jī)理是由水沙作用導(dǎo)致。

由于含沙量大到一定程度后，水流性質(zhì)與一般攜沙水流相較發(fā)生在性質(zhì)成分上產(chǎn)生了很大的變化，從而導(dǎo)致河床發(fā)生嚴(yán)重變形。

2模型的建立

水沙條件的變化是河床形態(tài)發(fā)生調(diào)整的一個(gè)極為重要的原因，在河流地貌學(xué)的研究中，這也直接導(dǎo)致了水流的系列變化。在以往的探討中，常常結(jié)合過程響應(yīng)模型實(shí)驗(yàn)方法，研究驗(yàn)證不同含沙量水流的相關(guān)復(fù)雜響應(yīng)，并結(jié)合變化的水沙條件進(jìn)行定性預(yù)測。

著名研究學(xué)者Schumm在1969年建立了一組預(yù)測關(guān)系，在這之中，關(guān)于輸沙率變化，水流調(diào)整，河床形態(tài)變化計(jì)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(yīng)關(guān)系

當(dāng)流量變化較小的時(shí)候，Qs的變化即可等同認(rèn)為是含沙率的變化。在這關(guān)系式中，依托大多數(shù)低含沙量河流演變規(guī)律得到的結(jié)論。但往往由于樣本的不同，含沙量范圍的不同也會導(dǎo)致結(jié)論發(fā)生變化。有的最大含沙量與河床橫斷面水流形態(tài)的變化甚至與Schumm模式相反，不同的結(jié)論只是表述了河床演變形態(tài)的影響因素。對于河床形態(tài)，水流變化調(diào)整的復(fù)雜演變行為，需要通過相關(guān)的模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比修正。通過對以往的工作積累總結(jié)，結(jié)合系列資料，進(jìn)行非線性過程調(diào)整的進(jìn)一步研究，結(jié)合模型數(shù)據(jù)手段對橫縱向平面形態(tài)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(yīng)模型依托系統(tǒng)論模型化中“異構(gòu)同工”原理。通過修改調(diào)整各種河型參數(shù)來建立不同的河型。其核心理論認(rèn)為地貌形態(tài)的關(guān)鍵在于作用過程，注意廣闊地貌統(tǒng)計(jì)特征。系統(tǒng)原型與模擬之間的共同點(diǎn)主要取決于相似的形態(tài)統(tǒng)計(jì)特征，相似的層次結(jié)構(gòu)組成與物質(zhì)比例組成，相似的相對時(shí)間量度與系統(tǒng)演變相對變化速率，變量間因果關(guān)系，物質(zhì)更替規(guī)律，能量消耗渠道方式與其他相關(guān)作用相似匹配。模型條件達(dá)到后，河型水流過程基本相似，那么在模型中所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)論可以類比到原型中，即為過程響應(yīng)模型。

2.2模型原理設(shè)計(jì)

在塑造河流初始河型中，過程響應(yīng)模型一般要遵循相關(guān)步驟規(guī)則。實(shí)驗(yàn)通過模擬河型的基礎(chǔ)設(shè)定，仿真由于不同含沙量導(dǎo)致河床前后狀態(tài)變化，從而觀察水流的具體狀況。在實(shí)驗(yàn)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(guī)則，與不同含沙量水流對于河床形態(tài)變化的影響原理即可較好的仿真再現(xiàn)原貌。首先在設(shè)計(jì)中，主要有兩大部分，分別是河床再造與調(diào)整含沙量對于河床形態(tài)水流狀態(tài)的影響。前者實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^塑造特定形態(tài)特征的河床作為后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)。便于之后實(shí)驗(yàn)的順利開展，過程不必過于嚴(yán)謹(jǐn)，主要中小流量作為載流，并根據(jù)目的需要不斷調(diào)整含沙量以觀察流量變化，到達(dá)加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的作用。河床塑造實(shí)驗(yàn)完成后，可以觀察模擬水流漲落過程，長時(shí)高含沙流水過程，通過對比調(diào)整流量時(shí)間與含沙量，觀察水流河床變化的主導(dǎo)因素。并可以比較預(yù)設(shè)參數(shù)根據(jù)橫斷面形態(tài)的調(diào)整取得流量數(shù)值。

2.3模型硬件設(shè)計(jì)

模型裝置主要有水沙循環(huán)供應(yīng)、載體水槽、數(shù)據(jù)圖像采集三大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。在水沙循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)中，有供水水庫，水泵，輸送管道，流量統(tǒng)計(jì)裝置等設(shè)備。載體水槽系統(tǒng)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(shè)置小型塵沙池，通過控制與水槽基準(zhǔn)面達(dá)到調(diào)節(jié)含沙量的目的。在循環(huán)供水裝置中，通過定量輸入攪拌，是的水庫注入相應(yīng)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(jì)控制統(tǒng)計(jì)流量，水沙的初始動能在通過消能設(shè)備后，進(jìn)入載體水槽，展開模擬流動。河道水沙在出口處經(jīng)過沉淀后，再次進(jìn)入供水水庫，雖然可能會使得水沙比例調(diào)節(jié)出現(xiàn)誤差，但能控制在本模擬實(shí)驗(yàn)的精度要求以內(nèi)，以便于循環(huán)利用。含沙量通過分別控制水沙量進(jìn)行調(diào)整，可以節(jié)約大量模擬成本。

3模型結(jié)果與分析

3.1模型結(jié)果

在幾組實(shí)驗(yàn)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(tài)參數(shù)的平均值作為河床橫斷面的表征參數(shù)。其中，形態(tài)參數(shù)主要有橫斷面河寬、水深、寬深比構(gòu)成，通過分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到以下圖形。

其中，在模型中，最大含沙量數(shù)據(jù)單位為g?L-1，河寬與水深為cm，描點(diǎn)劃線后，并繪制趨勢預(yù)測曲線，便于后續(xù)展開更為深入的探究。

通過研究變量之間關(guān)系，得到了回歸預(yù)測的拋物曲線，建立了橫斷面之間參數(shù)與含沙變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以表達(dá)如下：

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

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

寬深變量與橫斷面變量關(guān)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(xiàn)橫斷面形態(tài)變化，變化趨勢比文獻(xiàn)模型調(diào)整范圍小，但模擬點(diǎn)更為集中，易于觀察出更為明顯的變化趨勢，通過調(diào)整顯著性，對于數(shù)值并不比深究。主要根據(jù)函數(shù)關(guān)系發(fā)現(xiàn)變化方向與客觀定性的變化趨勢。對于橫斷面形態(tài)變化與最大含沙量變化之間的數(shù)值定量關(guān)系可能體現(xiàn)的并不確切。

3.2橫斷面演變分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到變化趨勢，當(dāng)含沙量較小時(shí)，在水流中的泥沙攜帶量少于飽和攜沙能力狀態(tài)下的水流攜沙量。而水流的多余能量將持續(xù)對河床做功。導(dǎo)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(tài)也由于水深客觀的改變而發(fā)生變化。隨著含沙量的不斷增加，水流攜沙力逐漸到達(dá)飽和狀態(tài)。當(dāng)上游含沙過多時(shí)，水流能量不足以全部攜帶流走。首先模擬主槽發(fā)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(xù)增大，河床形態(tài)與各變量的變化趨勢逐漸加大，即變化加速度增大。在文獻(xiàn)研究理論中，對于低含沙量的一般小型河流而言，當(dāng)含沙量達(dá)到200kg/m3時(shí)， 泥沙淤積最為嚴(yán)重，水深度變淺，寬深比達(dá)到最大。如果含沙量繼續(xù)增大，達(dá)到高含沙水流界定范疇，河道水流演變將發(fā)生巨大變化。將出現(xiàn)河道淤積，從而導(dǎo)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(yán)重，同時(shí)出現(xiàn)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(biāo)。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(shí)，河道由于處于淤積狀態(tài)，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(qiáng)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(dá)高含沙水流后，泥沙所需的懸浮力減小，攜沙力增強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)降低單位能量消耗減小沖刷的目的。

4強(qiáng)化水文監(jiān)測

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

對于水流檢測中，通過研究水位流量關(guān)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(yīng)該積累的重要資料。做到定期觀測水位，汛期應(yīng)該適當(dāng)增加觀測次數(shù)。尤其是價(jià)值較高的具有代表性的特征值不可以漏測。同時(shí)也可以根據(jù)該河的用途與性質(zhì)，制定相關(guān)的監(jiān)測計(jì)劃。為供水計(jì)劃提供依據(jù)，實(shí)體與之相互結(jié)合，混合模型也突出了廣闊的前景。

傳統(tǒng)研究中往往只是針對泥沙動力，河床演變進(jìn)行研究。實(shí)際與多門研究是相互交叉的，例如力學(xué)，地理地貌學(xué)、環(huán)境生態(tài)等都有較大的聯(lián)系。通過與現(xiàn)代生態(tài)的模型結(jié)合，進(jìn)一步深入研究，提高監(jiān)測研究，打造健康河流與生態(tài)河流，這也是今后發(fā)展的主流趨勢。通過數(shù)值模型的家里。達(dá)到監(jiān)測，計(jì)算，預(yù)測決策的在水監(jiān)測的工作中，首先應(yīng)該開展科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范管理，不僅僅學(xué)習(xí)優(yōu)秀的質(zhì)量控制管理檢驗(yàn)，制定符合具體實(shí)際的管理控制條例，完善執(zhí)行性與管理方法。提高水文監(jiān)測的質(zhì)量與過程優(yōu)化控制。在整個(gè)過程中，將質(zhì)量管理貫徹之中，做到從源頭把控，從流程優(yōu)化，對結(jié)果嚴(yán)謹(jǐn)分析。依托質(zhì)檢工作的建立，構(gòu)架客觀可行的評測標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)完善相關(guān)制度，使得工作效率與工作精度提高。在結(jié)合現(xiàn)在科技設(shè)備，管理優(yōu)化保障的前提喜愛，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化與規(guī)范化得管理，推動水文水流監(jiān)測工作的穩(wěn)步提升。

5結(jié)語

水流監(jiān)測對于防汛防洪，供水預(yù)測都有著不容忽視的關(guān)鍵作用，含沙量的變化也是影響其的關(guān)鍵因素。因此，對于人民生命財(cái)產(chǎn)安全與地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都需要關(guān)鍵資料。結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)手段，探索出新的方法與對策，使得水文監(jiān)測工作的質(zhì)量得到保障與提高，為整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與整體運(yùn)作作出貢獻(xiàn)。

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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

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